(57)【要約】【課題】本発明は、小型化や薄型化が進む積層バリスタ部品において、バリスタ層中の酸化ビスマスなど含有成分が焼成過程にて蒸発することにより、バリスタ特性と信頼性の低下を引き起こす場合がある。【解決手段】本発明のバリスタ内蔵セラミック基板８は、少なくとも酸化亜鉛と、酸化ビスマスと、酸化マンガンを含むバリスタ層２と、バリスタ層２を挟み込むように形成された一対の内部導体４とバリスタ層２の片面もしくは両面に設けられた第一のセラミック基板１とを有するバリスタ内蔵セラミック基板８において、前記第一のセラミック基板１は副成分として酸化マンガン、酸化ビスマス及び酸化ニオブを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも酸化亜鉛と、酸化ビスマスと、酸化マンガンを含むバリスタ層と、
前記バリスタ層を挟み込むように形成された一対の内部導体と
前記バリスタ層の片面もしくは両面に設けられた第一のセラミック基板とを有するバリスタ内蔵セラミック基板において、
前記第一のセラミック基板は副成分として酸化マンガン、酸化ビスマス及び酸化ニオブを含むことを特徴としたバリスタ内蔵セラミック基板。
【請求項２】
前記第一のセラミック基板を構成する前記副成分の含有率が、前記副成分の全体を１００重量％としたときそれぞれ下記の範囲であることを特徴とした請求項１に記載のバリスタ内蔵セラミック基板。
５０重量％≦酸化ビスマス≦７０重量％
１５重量％≦酸化マンガン≦２５重量％
１５重量％≦酸化ニオブ≦２５重量％
【請求項３】
前記第一のセラミック基板の主成分は酸化アルミニウムであることを特徴とした請求項１に記載のバリスタ内蔵セラミック基板。
【請求項４】
前記第一のセラミック基板全体に占める前記酸化アルミニウムの含有率が８８重量％以上９６重量％以下である請求項３に記載のバリスタ内蔵セラミック基板。
【請求項５】
前記バリスタ層の片面に前記第一のセラミック基板を配置し、
もう一方の面に酸化アルミニウム基板、窒化アルミニウム基板、窒化ケイ素基板のいずれかを設けたことを特徴とする請求項１に記載のバリスタ内蔵セラミック基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）や半導体を搭載するための、バリスタ内蔵セラミック基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化、低消費電力化は急速に進み、それに伴い電子機器の回路を構成する各種電子部品の耐電圧は低下してきている。これは、人体と電子機器の導通部が接触したときに発生する静電気パルスなどにより各種電子部品、特に半導体デバイス等が破壊されやすく電子機器のトラブルなどによる各種電子機器の故障トラブルが増えてきている。
【０００３】
この半導体デバイスとしては、主として発光ダイオード（ＬＥＤ）が上げられ、現在一般照明器具、テレビなどのバックライトおよびカメラのストロボ光源等、多くの製品での適用が検討されており、今後需要量は増加すると予想される。
【０００４】
この適用が拡大するにつれて、ＬＥＤおよびそれを用いたＬＥＤパッケージの高輝度化、高出力化が大きく求められており高輝度対応のＬＥＤにおいては、ＰＮ発光層などの静電気破壊によるトラブルが大きな問題となっている。
【０００５】
このような従来の半導体デバイスであるＬＥＤパッケージ向けの静電気対策部品としては特許文献１などが知られている。しかしながらこの特許文献１に記載の静電気対策部品は、静電気を吸収するためのバリスタ層を絶縁性のセラミック基板と絶縁性のガラスセラミック層で挟み込んだ構造をとっており、このバリスタ層に含まれる酸化ビスマスおよび酸化マンガン等の、静電気を吸収する効果を奏するために必要不可欠な成分が焼成中に蒸発、または基板内へ拡散してしまうことにより、静電気吸収効果いわゆるバリスタ特性の劣化、さらには信頼性の低下を引き起こしてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００６／１０６７１７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するものであり、バリスタ特性に優れたバリスタ内蔵セラミック基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明のバリスタ内蔵基板は、少なくとも酸化亜鉛と、酸化ビスマスと、酸化マンガンを含むバリスタ層と、前記バリスタ層を挟み込むように形成された一対の内部導体と前記バリスタ層の片面もしくは両面に設けられた第一のセラミック基板とを有するバリスタ内蔵セラミック基板において、前記第一のセラミック基板は副成分として酸化マンガン、酸化ビスマス及び酸化ニオブを含むことを特徴としたバリスタ内蔵セラミック基板とした。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように本発明のバリスタ内蔵セラミック基板は、バリスタ層に含まれる酸化ビスマスおよび酸化マンガンと同一材料を構成成分として含む第一のセラミック基板を、バリスタ層の片面もしくは両面に用いたことにより、バリスタ層に含まれる酸化ビスマスおよび酸化マンガンが焼成工程時に蒸発、もしくは上下に設けられるセラミック基板に拡散することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例におけるバリスタ内蔵セラミック基板の断面図
【図２】本発明の一実施例におけるバリスタ内蔵セラミック基板の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明のバリスタ内蔵セラミック基板について説明する。
【００１２】
図１は本発明の一実施例におけるバリスタ内蔵セラミック基板８を示した断面図である。
【００１３】
図１に示すバリスタ内蔵セラミック基板は、バリスタ層２の上下面を第一のセラミック基板１と第二のセラミック基板３で挟み込んだ構成とした。このバリスタ層２の内部には対向する１対の内部導体４が設けられており、この内部導体４は、第一のセラミック基板１とバリスタ層２と第二のセラミック基板３とを貫通するビア電極５と導通した構成となる。主面電極６は第二のセラミック基板３の上面に配置され、この主面電極６の上面にＬＥＤ等の半導体デバイスが実装される。また端子電極７は第一のセラミック基板１の上面に配置されバリスタ内蔵セラミック基板８そのものを実装するための電極となり、主面電極６および端子電極７はビア電極５を介して導通する構成となる。
【００１４】
なお、第一のセラミック基板１の上面に主面電極６を形成し、第二のセラミック基板３の上面に端子電極７を形成して、前述した構成と上下逆さまにしても良い。
【００１５】
バリスタ層２の材料組成は、主成分の酸化亜鉛を８０重量％以上と、酸化ビスマス、酸化マンガン、酸化アンチモン、酸化コバルト等の副成分を０重量％から２０重量％とすることが好ましく、この材料組成により優れたバリスタ特性を得ることができる。
【００１６】
第一のセラミック基板１は酸化アルミニウムを主成分とし、副成分として酸化ビスマス、酸化マンガンおよび酸化ニオブを含む。副成分はバリスタ層２と共通の構成成分を含有することにより、焼成時にバリスタ層２から酸化ビスマスや酸化マンガンなどの低融点の副成分が蒸発またはバリスタ層２の上下に配置される基板への拡散を抑制することができるものと推測される。これによりバリスタ層２に含まれる酸化ビスマスや酸化マンガン等の副成分は、焼成後もバリスタ層２に均一に分散された状態を維持するため、静電気吸収効果にバラツキが少なく、信頼性の高いバリスタ内蔵セラミック基板を得ることができる。
【００１７】
第二のセラミック基板３は酸化アルミニウム基板、窒化アルミニウム基板、窒化ケイ素基板等が使用できるが熱伝導性が良好であるとともに耐熱性と絶縁性を有する材料よりなる事が好ましい。
【００１８】
以上のように本発明のバリスタ内蔵セラミック基板は、バリスタ層に含まれる酸化ビスマスおよび酸化マンガンと同一材料を構成成分として含む第一のセラミック基板を、バリスタ層の片面もしくは両面に用いたことにより、バリスタ層に含まれる酸化ビスマスおよび酸化マンガンが焼成工程時に蒸発、もしくは上下に設けられるセラミック基板に拡散することを抑制することができるためバリスタ特性に優れたバリスタ内蔵セラミック基板とすることができる。
【００１９】
図２は本発明の一実施例におけるバリスタ内蔵セラミック基板９を示した断面図である。図２は図１に記載のバリスタ内蔵セラミック基板８における、第二のセラミック基板３を第一のセラミック基板１で置き換えたものである。すなわち、バリスタ層２を第一のセラミック基板１で挟み込む構成とすることによって、よりバリスタ層２からの酸化ビスマスや酸化マンガンの蒸発および上下のセラミック基板への拡散を抑制することができるものである。
【００２０】
また、特許文献１に記載の静電気対策部品はバリスタ層２の上下面に配置されるセラミック基板をガラス成分を含むセラミック基板とすることにより、基板の焼結性を向上させているが、このガラス成分は熱抵抗が高いため、セラミック基板自体の熱抵抗も高くなってしまい、半導体チップ動作時に発生する熱を十分に放熱することは困難である。本発明はバリスタ層２の成分と同一の成分である酸化ビスマスおよび酸化マンガンを含有させることによって第一のセラミック基板１の焼結性を向上させることができる発明であるとともに、従来のセラミック基板よりも熱抵抗が低く半導体デバイス動作時の発熱を効果的に放熱することができるものである。
【００２１】
次に、図１に示すバリスタ内蔵セラミック基板８の製造方法について説明する。
【００２２】
まず第二のセラミック基板３としては焼成済みの酸化アルミニウム基板を用いた。この酸化アルミニウム基板は一般的に用いられる、酸化アルミニウム基板であり、酸化アルミニウムの含有量が約９６％であり、副成分として酸化シリコン等が約４％含有される。
【００２３】
ビア電極５を形成するための孔を作製する方法としては、レーザーを用いて孔あけ加工する方法がある。なお、後述するように第一のセラミック基板１と同様にシートから積層してバリスタ層２と一体焼成して作製することもできる。
【００２４】
次に、バリスタ層２となるバリスタ層シートを以下のように作製する。
【００２５】
まず、バリスタ粉末の全体を１００重量％としたとき、酸化亜鉛を８０重量％以上と、酸化ビスマス、酸化マンガン、酸化アンチモン、酸化コバルト等の副成分を２０重量％以下と、バインダ樹脂、可塑剤、および溶剤とを配合した後、これらを混合および分散することによりスラリーを作製する。次いで、ドクターブレード法によって、ＰＥＴフィルム上に前記スラリーを塗布、乾燥してバリスタ層シートを作製する。
【００２６】
次に、第一のセラミック基板１となる第一のセラミックシートを以下のように作製する。
【００２７】
まず、主成分となる酸化アルミニウム粉末と、副成分の酸化ビスマス、酸化マンガンおよび酸化ニオブの含有量全体を１００重量％としたとき、酸化ビスマスが５０重量％以上７０重量％以下、酸化マンガンが１５重量％以上２５重量％以下、酸化ニオブが１５重量％以上２５重量％以下と、バインダ樹脂、可塑剤、および溶剤とを配合した後、混合および分散してスラリーを作製する。次いで、ドクターブレード法によって、ＰＥＴフィルム上に前記スラリーを塗布、乾燥して第一のセラミックシートを作製する。
【００２８】
次に、上記のように作製されたバリスタ層シートおよび第一のセラミックシートに、ビア電極５を形成するための孔を形成する。この方法としては、例えばメカニカルパンチャー法を用いて孔あけ加工する方法がある。孔をあけた各シートに、第二のセラミック基板３、バリスタ層シートおよび第一のセラミックシートにビア電極５を形成するためのビア電極５用の導体ペーストを充填する。充填方法としてはスクリーン印刷法で各シートの孔にビア電極５用の導体ペーストを埋め込む方法がある。次に、ビア電極５用の導体ペーストを埋め込んだバリスタ層シートに、内部導体４用の導体ペーストをスクリーン印刷することにより印刷するものと、導電ペーストを印刷しないものを作製する。
【００２９】
この内部導体４用の導体ペーストを形成したバリスタ層シートおよび、内部導体４用の導体ペーストを形成していないバリスタ層シートをそれぞれ所望の枚数を加熱しながら積層してバリスタ層シート積層体を形成する。
【００３０】
次に、このバリスタ層シート積層体の片面に、ビア電極５用の導体ペーストを充填した第一のセラミックシートをもう一方の面に上記ビア電極５用の導体ペーストを充填した第二のセラミック基板３を加熱しながら積層し、複合積層体を形成する。
【００３１】
次いで、ビア電極の端部と接続するように、第一のセラミックシートおよび第二のセラミック基板３の主面に主面電極６および端子電極７をスクリーン印刷法にて形成する。これら主面電極６、端子電極７は複合積層体を積層する前のシート段階、または複合積層体の段階どちらで形成してもよい。
【００３２】
なお、ビア電極５、内部導体４、主面電極６、端子電極７はいずれもＡｇが８０％、Ｐｄが２０％となる電極を使用した。
【００３３】
このようにして得られた複合積層体を４００〜６００℃程度の温度で脱バインダを行い、最後に９５０〜１０５０℃の温度で焼成することでバリスタ内蔵セラミック基板が得られる。
【実施例１】
【００３４】
以下、前述した製造方法で作製された本発明のバリスタ内蔵セラミック基板を具体的に説明する。
【００３５】
実施例１においてはバリスタ層２の焼成後の厚みを、バリスタ特性を発現するための有効層（有効層：一対の対向する内部導体４間に介在するバリスタ層２）の厚みは１０μｍ、一対の対向する内部電極を経て有効層の上下に形成するバリスタ外層の厚みは３５μｍとして検討を行った。第一のセラミック基板１の焼成後の厚みは３０μｍである。バリスタ層２に対し、第一のセラミック基板１と反対の面に配置される第二のセラミック基板３の厚みは０．２５ｍｍとした。なお、脱バインダは６００℃にて２時間、その後１０００℃にて２時間の焼成を行うことにより、バリスタ内蔵セラミック基板８を得た。焼成後のバリスタ内蔵セラミック基板８の縦横の寸法は２．０ｍｍ×２．０ｍｍとした。
【００３６】
このようにして得られたバリスタ内蔵セラミック基板８について、バリスタ特性および熱伝導率の評価を行った。
【００３７】
バリスタ特性は、試料に１μＡ〜１ｍＡの範囲で電流を流したときの電圧値を測定して電圧電流特性を評価し、この電圧電流特性からバリスタ電圧Ｖ１ｍＡと非直線性αを求めた。バリスタ電圧Ｖ１ｍＡは、電流値を１ｍＡ流した時の電圧値と定義し、評価方法は前述した有効層の厚みから、単位厚み当たりのバリスタ電圧Ｖ１ｍＡ／ｍｍ（Ｖ）を求めた。また、非直線性αは電流値を１ｍＡ流した時の電圧値Ｖ１ｍＡと、電流値を１０μＡ流したときの電圧値Ｖ１０μＡとの比Ｖ１ｍＡ／Ｖ１０μＡで評価した。したがって、非直線性αが１に近いほど理想的で非直線性に優れている。なお、本評価においては非直線性αが１．３未満を本発明の範囲内、非直線性αが１．３以上を本発明の範囲外とした。
【００３８】
熱伝導率は縦横の寸法が３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、厚み寸法を０．４ｍｍとし、温度波熱分析法にて評価を行った。なお、本評価においては熱伝導率が１９．０Ｗ／ｍ・ｋ以上を本発明の範囲内とし、熱伝導率が１９．０未満を本発明の範囲外とした。
【００３９】
（表１）には、第一のセラミック基板１の材料組成比率を検討した評価結果を示す。試料番号１〜試料番号３は、第一のセラミック基板１の組成比率を変更した。試料番号６は、第一のセラミック基板１がなく、バリスタ層２の一方の面が露出した構成とした。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
試料番号１〜試料番号３の非直線性αは、いずれも１．３０未満で良好な結果が得られた。試料番号４、試料番号５のサンプルは１．５以上となった。この結果から第一のセラミック基板１中の副成分を構成する酸化マンガン、酸化ビスマスおよび酸化ニオブの比率が、副成分合計量全体を１００重量％としたとき、酸化マンガン１５．０重量％〜２５．０重量％、酸化ビスマス５０．０重量％〜７０．０重量％、酸化ニオブ１５．０重量％〜２５．０重量％の範囲の場合、良好な非直線性αを得られることが分った。また、第一のセラミック基板１を用いていない試料番号６は、バリスタ電圧が著しく高くなり、非直線性αも１．６４と高い値になった。これは焼成過程において、酸化ビスマス、酸化マンガンなどの低融点成分が蒸発することで、バリスタ層２の焼結が著しく低下し、バリスタ電圧の異常上昇および非直線性αが悪化するものと推測される。
【実施例２】
【００４２】
実施例２では実施例１と同様の製造方法を用いて、得られたバリスタ内蔵セラミック基板８において、第一のセラミック基板１に含まれる酸化アルミニウム含有比率を変更して評価を行った。
【００４３】
ここで、第一のセラミック基板１中の副成分を構成する酸化マンガン、酸化ビスマスおよび酸化ニオブの比率が、副成分合計量全体を１００重量％としたとき、酸化マンガン、酸化ビスマス、酸化ニオブの比率はそれぞれ２０．０重量％、６０．０重量％、２０．０重量％に固定した。
【００４４】
第一のセラミック基板１中の酸化アルミニウム含有量が８６．０重量％〜９６．０重量％の試料番号７〜試料番号１１では、バリスタの非直線性αは１．３０未満と良好な結果が得られた。試料番号１２の酸化アルミニウム含有量が９７．０重量％の場合、非直線性αが１．３７と悪化した、これは酸化アルミニウムの比率が増加して相対的に副成分である酸化ビスマス、酸化マンガンの比率が少なくなったことにより、バリスタ層２の焼結性が低下したためと推測される。
【００４５】
また、熱伝導性については、第一のセラミック基板１中に含まれる酸化アルミニウム含有率が８８．０重量％〜９６．０重量％の範囲の試料番号７〜試料番号１０では、熱伝導率１９Ｗ／ｍ・ｋ以上と良好な結果が得られた。第一のセラミック基板１中に含まれる酸化アルミニウム含有率が８６．０重量％の試料番号１１は、熱伝導率が１７．９Ｗ／ｍ・ｋと低い値を示した。これは熱伝導性の低い副成分の比率が増大したことにより、酸化アルミニウム自体の熱伝導率が低くなるためである。第一のセラミック基板１中に含まれる酸化アルミニウム含有率が９７．０重量％の試料番号１２は、熱伝導率が１６．１Ｗ／ｍ・ｋと低い値を示した。これは相対的に副成分の比率が低く、焼結過程に生成する液相が減少したため、焼結緻密性が低下し、熱伝導率が低くなったと考えられる。
【００４６】
【表２】
2013115107.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明にかかるバリスタ内蔵セラミック基板は半導体デバイス等、特に高輝度化、高出力化が進むＬＥＤの実装基板において、優れた静電気保護効果を発現することができるものである。
【符号の説明】
【００４８】
１  第一のセラミック基板
２  バリスタ層
３  第二のセラミック基板
４  内部導体
５  ビア電極
６  主面電極
７  端子電極
８  バリスタ内蔵セラミック基板
９  バリスタ内蔵セラミック基板
【図１】
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【図２】
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