JP2010040560A - チップ型ｐｔｃサーミスタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サーミスタ素子と外部電極の界面に抵抗を生じないチップ型ＰＴＣサーミスタを提供する。
【解決手段】正の抵抗温度特性を有するＰＴＣサーミスタ素体２に対し、該ＰＴＣサーミスタ素体の互いに背反する第１および第２の端面２ａ、２ｂに各々、第１および第２の外部電極３、４を設けてなるチップ型ＰＴＣサーミスタ１であって、
前記第１および第２の外部電極がそれぞれ、背反方向に向けて積層する複数の電極形成層２１、２２、２３、２４からなり、前記複数の電極形成層のうち、前記ＰＴＣサーミスタ素体の第１および第２の端面に接合される電極形成層が第１電極層としてオーミック接触し、前記第１電極層がＡｇに加えてＺｎを含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、過熱保護用素子または過電流保護用素子として用いられているチップ型ＰＴＣサーミスタおよびその製造方法に関するものである。
本発明におけるチップ型ＰＴＣサーミスタにあって、ＰＴＣとは、正温度特性：Positive Temperature Coefficientの略語表示であり、以下、本明細書を通してＰＴＣという。

一般に、チップ型サーミスタは、特許文献１に記載されているように、サーミスタ素体に対し、互いに背反する第１および第２の端面に、第１および第２の外部電極を設けて構成される。
なお、特許文献１に記載のものは、チップ型ＮＴＣサーミスタであり、ＮＴＣとは、負温度特性：Negative Temperature Coefficientの略語表示であり、ＰＴＣと逆方向の温度特性を有するものである。

この特許文献１に記載のチップ型サーミスタにおける第１および第２の外部電極は、サーミスタ素体の表面と接触する第1層の下地電極層により構成されており、該第1層の下地電極層として、Ａｇ電極層が形成されている。また、このＡｇ電極層の上に、第2層、第3層として湿式法でＮｉ皮膜、Ｓｎ皮膜が形成されている。

しかし、特許文献２に記載されるように、ＰＴＣサーミスタ素子等の半導体からなるチップ型電子部品においては、サーミスタ素体に直接Ａｇで第１層の下地電極層を形成すると、サーミスタ素体と第１層の下地電極層との間に界面抵抗が発生する。その結果、一般に界面に抵抗を生じないとされるＩｎ−Ｇａ簡易電極を用いたサーミスタ素子と比べ、抵抗が高くなる。

特開２００４−３１９５８９号公報 特開２００４−１４３５３７号公報

このように、ＰＴＣサーミスタ素子が、Ｉｎ−Ｇａ簡易電極を用いたサーミスタ素子と比べ、抵抗が高くなる理由は、次のように考えられる。
すなわち、ＰＴＣサーミスタ素子がＮＴＣサーミスタ素子に比べ抵抗が低く、さらには、ＰＴＣサーミスタ素子表面の比抵抗がＮＴＣサーミスタのそれに比べ低いことが影響していると考えられる。

このことについて説明する。サーミスタの全抵抗を、
〔サーミスタの全抵抗〕＝［サーミスタ素子の内部抵抗＋サーミスタ素子と外部電極の界面抵抗＋外部電極の内部抵抗］
と仮定して考えた場合、ＮＴＣサーミスタは、全抵抗が比較的大きく、また、サーミスタ素子と外部電極の界面抵抗がサーミスタ素子の内部抵抗に比べ低い。このため、サーミスタ素子と外部電極の界面抵抗は、全抵抗でみると無視できる。

しかし、ＰＴＣサーミスタは、全抵抗がＮＴＣサーミスタより低く、サーミスタ素子と外部電極の界面抵抗が、サーミスタ素子の内部抵抗と同等以上になる。このため、全抵抗は界面抵抗の存在により界面抵抗分だけ高くなる。また、界面抵抗自体もサーミスタ素子表面の比抵抗がＮＴＣサーミスタのそれに比べ低いため、高くなることも考えられる。

以上の問題を鑑みて、本発明では、サーミスタ素子と外部電極の界面に抵抗を生じないチップ型ＰＴＣサーミスタおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するにあたって、具体的には、ＰＴＣサーミスタ素体に対し、該ＰＴＣサーミスタ素体の互いに背反する第１および第２の端面に各々、第１および第２の外部電極を設けてなるチップ型ＰＴＣサーミスタであって、
前記第１および第２の外部電極がそれぞれ、背反方向に向けて積層する複数の電極形成層からなり、前記複数の電極形成層のうち、前記ＰＴＣサーミスタ素体の第１および第２の端面に接合される電極形成層が第１電極層としてオーミック接触し、前記第１電極層が、Ａｇに加えてＺｎを含むことを特徴とするチップ型ＰＴＣサーミスタを構成するものである。

また、本発明は、ＰＴＣサーミスタ素体に対し、該ＰＴＣサーミスタ素体の互いに背反する第１および第２の端面に各々、第１および第２の外部電極を設けてなり、前記第１および第２の外部電極がそれぞれ、背反方向に向けて積層する複数の電極形成層からなるチップ型ＰＴＣサーミスタの製造方法であり、
前記ＰＴＣサーミスタ素体の第１および第２の端面に対して、オーミック接触するように、Ａｇに加えてＺｎを含む第１電極層を形成する第１の工程と、
前記各第１電極層上に、Ａｇと接合剤とからなる第２電極層を形成する第２の工程と、
前記各第２電極層上に、Ｎｉを含む少なくとも１種類の物質成分からなる第３電極層を形成する第３の工程と、
前記各第３電極層上に、Ｓｎを含む少なくとも１種類の物質成分からなる第４電極層を形成する第４の工程と、
を備えたことを特徴とするチップ型ＰＴＣサーミスタの製造方法を構成するものである。

上記構成（チップ型ＰＴＣサーミスタおよびその製造方法）をとることにより、ＡｇにＺｎを含有させた第１電極層が、ＰＴＣサーミスタ素体の第１および第２の端面に形成され、該端面とオーミック接触するため、界面抵抗の発生を抑えることができる。
ここで、Ａｇに含有させる金属として、Ｚｎを用いているので、サーミスタ素体と第１電極層とをオーミック接触させながらも、外部電極の内部抵抗の増大を好適に抑制することができる。

さらに、本発明は、前記複数の電極形成層のうち、前記各第１電極層上に形成される電極形成層が第２電極層として、Ａｇと接合剤とからなることを特徴とするものである。
上記構成をとることにより、ＡｇにＺｎを含有させた第１電極層上に、Ａｇと接合剤とからなる第２電極層が形成されるので、Ａｇと接合剤とで電極層（第１電極層＋第２電極層）を形成した場合と比較して、次のような有利な作用効果を奏することができる。

すなわち、電極層自体の抵抗値を考慮すれば、その抵抗値の低さからＡｇと接合剤とで電極層を構成することが好ましい。しかしながら、Ａｇと接合剤とで電極層を構成すると、上記したようにサーミスタ素子との間で非オーミック接触となり、界面抵抗が発生してしまう。これに対し、上記構成によれば、第１電極層がＡｇにＺｎを含有しているため、第１電極層とサーミスタ素子との間をオーミック接触として界面抵抗の発生を抑制しつつ、第２電極層をＡｇと接合剤とで形成することにより、電極層自体の抵抗値の増大を抑制することができる。

さらに、本発明は、前記複数の電極形成層が、前記各第２電極層上に形成される電極形成層が第３電極層としてＮｉを含む少なくとも１種類の物質により構成されてなることを特徴とするものである。
上記構成をとることにより、第３電極層がＮｉを含有する物質により構成されるため、Ａｇのマイグレーションを防止することができる。

さらに、本発明は、複数の電極形成層が第４電極層としてＳｎを含む少なくとも１種類の物質により構成されてなることを特徴とするものである。
上記構成をとることにより、第４電極層がＳｎを含む物質により構成されるため、実装時のはんだ濡れ性を向上させることができる。

さらに、本発明は、第１電極層が、Ｚｎを３５〜５５重量％、Ａｇを４０〜６０重量％、接合剤（ガラスフリット等）を２〜８重量％含有してなることを特徴とするものである。
上記構成をとることにより、ＡｇにＺｎを含有させた第１電極層が、ＰＴＣサーミスタ素体の第１および第２の端面に形成され、該端面と好適にオーミック接触するため、界面抵抗の発生を抑えることができる。

さらに、本発明は、前記第２電極層が、無機物成分のうち、Ａｇを５０〜９０重量％含有してなることを特徴とするものである。
上記構成をとることにより、Ａｇと接合剤とで形成した第２電極層と、ＡｇにＺｎを含有させた第１電極層との間の接合強度も十分に維持することができ、かつ、電極層自体の抵抗値も抑制することができる。

上記の外部電極を用いることによりサーミスタ素子と外部電極の界面に抵抗を生じないチップ型ＰＴＣサーミスタを提供することができる。

以下、本発明によるチップ型ＰＴＣサーミスタについて、図面に示す具体的な一実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は、本実施例の一形態におけるチップ型ＰＴＣサーミスタ１の斜視図であり、図２は、本発明によるチップ型ＰＴＣサーミスタであって、サーミスタ素体の一方の端面に第１の外部電極を、他方の端面に第２の外部電極を設けた基本構成例を示す概略的な断面図である。
図３は、本発明によるチップ型ＰＴＣサーミスタであって、サーミスタ素体に対して設けた第１の外部電極および第２の外部電極が、サーミスタ素体の四側面の一部を覆っている構成例を示す概略的な断面図である。

本発明によるチップ型ＰＴＣサーミスタ１は、ＰＴＣサーミスタ素体２に対し、該ＰＴＣサーミスタ素体２の互いに背反する第１の端面２ａ、第２の端面２ｂに対して各々、第１の外部電極３、第２の外部電極４を設けたものからなっている。前記第１および第２の外部電極３、４は、それぞれ背反方向に向けて積層する複数の電極形成層２１、２２、２３、２４からなっている。

前記複数の電極形成層のうち、第１電極層２１は、前記ＰＴＣサーミスタ素体２の第１および第２の端面２ａ、２ｂに対してオーミック接触するもので、Ａｇに加えてＺｎを含んでいる。
第２電極層２２は、前記各第１電極層２１上（ＰＴＣサーミスタ素体２に接合される接合面と反対側の各背反面上）に、Ａｇと接合剤とにより形成されてなる。、
第３電極層２３は、前記各第２電極層２２上（第１電極層２１に接合される接合面と反対側の各背反面上）に、Ｎｉを含む少なくとも１種類の物質により構成されてなり、第４電極層２４は、前記各第３電極層２３上（第２電極層２２に接合される接合面と反対側の各背反面上）に、Ｓｎを含む少なくとも１種類の物質により構成されてなる。

本発明において、前記第１および第２の外部電極３、４を構成する複数の電極形成層における第１電極層２１は、一例において、無機物成分のうち、Ｚｎを３５〜５５重量％、Ａｇを４０〜６０重量％、接合剤（ガラスフリット等）を２〜８重量％含有することが好ましい。

さらに、前記第１および第２の外部電極３、４を構成する複数の電極形成層における第２電極層２２は、無機物成分のうち、Ａｇを５０〜９０重量％含有することが好ましい。

次に、本発明によるチップ型ＰＴＣサーミスタ１の製造方法についての具体的な実施例に沿って説明する。
まず、チタン酸バリウムを主成分とするセラミックサーミスタ材料として、ＢａＴｉＯ_３（Ｂａ_０．９０Ｓｒ_０．１０）を主成分とし、この主成分に対して、副成分としてＳｉＯ_２、ＭｎＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３をそれぞれ秤量し、ボールミルにて湿式混合し乾燥した。

次に、このサーミスタ材料を、空気中で１１００℃、２時間熱処理した後、再びボールミルにて湿式粉砕し乾燥した。この粉砕粉にポリビニルアルコールからなるバインダーを添加して造粒し、１ｃｍ^２当たり８００ｋｇの圧力で縦５０mm、横２０mm、厚さ１．５mmの角板形状に成形した。次いでこの成形体を１３００℃で２時間焼成し焼結体を得た。

次に、この焼結体を研磨、切断によって形状が縦２．０mm、横１．２mm、厚さ０．９mmのサーミスタ素体２を得た。

［外部電極の構成比較］実施例１、比較例１〜３、従来例
［実施例１］
このサーミスタ素体２の１．２mm×０．９mmの端面２ａ、２ｂに、有機物系バインダーに接合剤（ガラスフリット）とＺｎ、Ａｇを含んだペースト（Ｚｎ／Ａｇ／ガラスフリット＝４５／５０／５、重量％比）をスクリーン印刷やタンポ印刷により均一に塗布し、１５０℃１５分で乾燥させ、第１電極層２１を形成した（第１の工程）。

次いで、外部電極である第２電極層２２として、前記第1電極層２１上に、第1電極層２１と同様、Ａｇと接合剤とを含んだペースト（Ａｇ７０重量％）を塗布し、１５０℃１５分で乾燥させた後、５５０℃で１０分間焼付けし、第２電極層２２を形成した（第２の工程）。

次いで、前記第２電極層２２の表面上に、中性のＮｉメッキ液中で電解メッキ法によりＮｉをメッキし、第３電極層２３を形成した（第３の工程）。

次に、前記第３電極層２３の表面上に、電解メッキ法によりＳｎをメッキし、第４電極層２４を形成し（第４の工程）、チップ型ＰＴＣサーミスタを得た。

（比較例１〜３）
表１に示すように、第１〜４電極層の構成は異なる。ただし、同一組成の電極層を形成する場合における形成条件は実施例１と同様にして、ＰＴＣサーミスタ試料を作製した。

（従来例）
表１に示すとおり、一般に界面に抵抗を生じないとされるＩｎ−Ｇａ電極を第１電極（第２〜４電極層なし）とした以外は、実施例１と同様にして、ＰＴＣサーミスタ試料を作製した。

上記の各ＰＴＣサーミスタ試料について、界面抵抗を発生しないとされる従来例を基準にして抵抗値を比較した。
下記の表１に、電極構成に対する抵抗値の測定結果を示す。外部電極の構成が本発明の範囲外である比較例１〜３は従来例と比べて抵抗値が高く、実施例１は従来例と同等であることが分かる。

［第１電極層の組成比較］実施例１〜１１、従来例
下記の表２は第１電極層の組成（重量％）に対する抵抗値・接着性を示したものである。なお、実施例２〜１１については、第１電極層の組成（重量％）は異なるが、電極層形成条件は実施例１と同様にして、ＰＴＣサーミスタ試料を作製した。
上記の各ＰＴＣサーミスタ試料について、界面抵抗を発生しないとされる従来例を基準にして抵抗値、接着性を比較した。
接着性は電極強度試験[セロテープ(登録商標)テスト]で評価した。具体的には、第1電極層のＰＴＣサーミスタ素子表面に対する剥離強度を評価し、剥離なしを○、一部剥離を△、半分以上の剥離を×とした。

表２より分かるように、第１電極層の組成は、Ｚｎを３５〜５５重量％、Ａｇを４０〜６０重量％、ガラスフリットを２〜８重量％とした場合が抵抗値が小さく、接着性も優れている。

［第２電極層の組成比較］実施例１、１２〜１７、従来例
下記の表３は、第２電極層２２中に含まれるＡｇと接合剤の組成（重量％）と抵抗値との関係を定量的に示したものである。なお、実施例１２〜１７については、第２電極層のＡｇと接合剤の組成（重量％）を変更した以外は、実施例１と同様の条件にて、試料を作製した。
上記の各ＰＴＣサーミスタ試料について、界面抵抗を発生しないとされる従来例を基準にして抵抗値、接着性を比較した。
接着性は電極強度試験[セロテープ(登録商標)テスト]で評価した。具体的には、第1電極層のＰＴＣサーミスタ素子表面に対する剥離強度を評価し、剥離なしを○、一部剥離を△、半分以上の剥離を×とした。

表３から分かるように、前記第１および第２の外部電極を構成する複数の電極形成層における第２電極層の組成は、Ａｇを５０〜９０重量％含有した場合が抵抗値および接着性の両方の観点から好適である。

なお、外部電極第１、２層は、上記実施の形態ではペーストをスクリーン印刷やタンポ印刷により塗布し乾燥・焼付けして形成しているが、スパッタ法など他の方法で形成してもよい。

また、外部電極第３、４層は、上記実施の形態では、電解メッキ法によりＮｉ、Ｓnを形成したが、スパッタ法やスクリーン印刷法など他の方法を用いて形成してもよい。

さらに、上記実施の形態では、チタン酸バリウムを主成分とするチップ型セラミックサーミスタ材料として、（Ｂａ_０．９０Ｓｒ_０．１０）ＴｉＯ_３を主成分としてＢａＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＴｉＯ_２を使用したがＢａＴｉＯ₃や形成したが、この主成分はＣａＣＯ_３，ＰｂＯなどペロブスカイト型生成物に使用される成分や、副成分としてＡｌ_２O_３、Ｌａ_２Ｏ_３などの希土類元素であっても差し支えない。

図２において、外部電極第１、２層はサーミスタ素子1の１．２mm×０．９mm面のみに形成されているが、二つの外部電極が短絡しなければ、２．０mm×０．９mm面や２．０mm×１．２mm面に形成されてもよい。

本発明の一実施の形態におけるチップ型ＰＴＣサーミスタを示す模式的斜視図である。 本発明のチップ型ＰＴＣサーミスタであって、サーミスタ素体の一方の端面に第１の外部電極を、他方の端面に第２の外部電極を設けた基本構成例を示す模式的断面図である。 本発明のチップ型ＰＴＣサーミスタであって、サーミスタ素体に対して設けた第１の外部電極および第２の外部電極が、サーミスタ素体の四側面の一部を被覆している構成例を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ チップ型ＰＴＣサーミスタ
２ ＰＴＣサーミスタ素体
２ａ サーミスタ素体の第１の端面
２ｂ サーミスタ素体の第２の端面
２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ サーミスタ素体の四側面
３ 第１の外部電極
４ 第２の外部電極

２１ 第1電極層
２２ 第２電極層
２３ 第３電極層
２４ 第４電極層

Claims (7)

1. ＰＴＣサーミスタ素体に対し、該ＰＴＣサーミスタ素体の互いに背反する第１および第２の端面に各々、第１および第２の外部電極を設けてなるチップ型ＰＴＣサーミスタであって、
   前記第１および第２の外部電極がそれぞれ、背反方向に向けて積層する複数の電極形成層からなり、前記複数の電極形成層のうち、前記ＰＴＣサーミスタ素体の第１および第２の端面に接合される電極形成層が第１電極層としてオーミック接触し前記第１電極層が、Ａｇに加えてＺｎを含むことを特徴とするチップ型ＰＴＣサーミスタ。
2. 前記複数の電極形成層のうち、前記各第１電極層上に形成される電極形成層が第２電極層として、Ａｇと接合剤とからなることを特徴とする請求項１に記載のチップ型ＰＴＣサーミスタ。
3. 前記複数の電極形成層のうち、前記各第２電極層上に形成される電極形成層が第３電極層としてＮｉを含む少なくとも１種類の物質により構成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載のチップ型ＰＴＣサーミスタ。
4. 前記複数の電極形成層のうち、前記各第３電極層上に形成される電極形成層が第４電極層として、Ｓｎを含む少なくとも１種類の物質により構成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のチップ型ＰＴＣサーミスタ。
5. 前記第１電極層が、無機物成分のうち、Ｚｎを３５〜５５重量％、Ａｇを４０〜６０重量％、接合剤を２〜８重量％含有してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のチップ型ＰＴＣサーミスタ。
6. 前記第２電極層が、Ａｇを５０〜９０重量％含有してなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のチップ型ＰＴＣサーミスタ。
7. 正の抵抗温度特性を有するＰＴＣサーミスタ素体に対し、該ＰＴＣサーミスタ素体の互いに背反する第１および第２の端面に各々、第１および第２の外部電極を設けてなり、
   前記第１および第２の外部電極がそれぞれ、背反方向に向けて積層する複数の電極形成層からなるチップ型ＰＴＣサーミスタの製造方法であり、
   前記ＰＴＣサーミスタ素体の第１および第２の端面に対して、オーミック接触するようにＡｇに加えてＺｎを含む第１電極層を形成する第１の工程と、
   前記各第１電極層上に、Ａｇと接合剤とからなる第２電極層を形成する第２の工程と、
   前記各第２電極層上に、Ｎｉを含む少なくとも１種類の物質成分からなる第３電極層を形成する第３の工程と、
   前記各第３電極層上に、Ｓｎを含む少なくとも１種類の物質成分からなる第４電極層を形成する第４の工程と、
   を備えたことを特徴とするチップ型ＰＴＣサーミスタの製造方法。

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