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発明の名称 薄膜サーミスタ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−66924(P2007−66924A)
公開日 平成19年3月15日(2007.3.15)
出願番号 特願2005−246923(P2005−246923)
出願日 平成17年8月29日(2005.8.29)
代理人
発明者 豊田 直 / 神山 準 / 伊藤 謙治
要約 課題
本発明は、感熱膜に接続された外部引出用電極に起因する特性変動を無くし、長期信頼性に優れた薄膜サーミスタを提供する。

解決手段
絶縁基板上に形成された感熱膜の電極として用いられている端子電極及び感熱膜全体をガラス保護膜によって被覆して外気雰囲気と遮断できる構造とし、前記一対の端子電極に接続する一対の外部接続用電極を前記ガラス保護膜の外側に延在するように形成したことを特徴とする薄膜サーミスタ。
特許請求の範囲
【請求項1】
絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された一対の電極パッドと、前記電極パッド間の絶縁基板面上に形成した絶縁膜と、前記絶縁膜に接して前記電極パッド上にパターン形成された金属薄膜層からなる一対の端子電極と、前記絶縁膜を下地とし前記端子電極間に形成された感熱膜と、前記感熱膜を保護する絶縁保護膜と、前記感熱膜と前記端子電極上を被覆するガラス保護膜とからなる薄膜サーミスタであって、前記端子電極から一対の外部接続用電極パッドが延在形成さていることを特徴とする薄膜サーミスタ。
【請求項2】
前記絶縁基板上に形成された前記一対の電極パッドが、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、Ni−Cr合金の少なくとも一種からなる第1金属下地膜と、前記第1金属下地膜上に形成された白金(Pt)、金(Au)、パラジウム(Pd)、パラジウム合金の少なくとも一種の第1電極薄膜とからなり、前記電極パッド上に白金(Pt)、金(Au)、パラジウム(Pd)、パラジウム合金の少なくとも一種の金属薄膜層からなる前記端子電極が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の薄膜サーミスタ。
【請求項3】
前記端子電極から延在する外部接続用電極パッドが、チタン(Ti)、クロム(Cr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、金(Au)、Ni−Cr合金、Ni−Ti合金の少なくとも一種からなる第2金属下地膜と、前記第2金属下地膜上に形成された第2電極薄膜が金(Au)、ニッケル(Ni)またはNi−Cr合金の少なくとも一種とからなることを特徴とする請求項1、2に記載の薄膜サーミスタ。
【請求項4】
前記第1、第2金属下地膜がチタン(Ti)、前記第1電極薄膜及び前記端子電極が白金(Pt)、前記第2電極薄膜がニッケル(Ni)または金(Au)で形成されていることを特徴とする請求項1乃至3に記載の薄膜サーミスタ。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、薄膜サーミスタの電極構造に関し、詳しくは、薄膜サーミスタを構成する感熱膜と前記感熱膜に接続された端子電極からなるセンサ部をガラス保護膜によって被覆し、前記ガラス保護膜内に形成された前記端子電極に接続して延在する外部接続用電極を別途前記端子電極から引き出し形成することによって、外気雰囲気からセンサ部を遮断することで感熱膜の特性変化を小さくすると共に機械的強度を増し、長期信頼性を向上させた薄膜サーミスタを提供するものである。
【背景技術】
【0002】
図4は従来の薄膜サーミスタの構成を示す断面図である。図において、1は絶縁基板で厚さが100〜300μm程度のアルミナ、石英、ムライト、ステアタイト等のセラミック基板であり、絶縁基板1の表面にはスパッタリングまたは蒸着等の方法によって、チタン(Ti)、クロム(Cr)、タングステン(W)等からなる金属下地膜15a、15bと白金(Pt)、パラジウム(Pd)合金、金(Au)等の電極薄膜層16a、16bからなる電極パッド17a、17bがパターン形成されている。なお、金属下地膜15a、15bは絶縁基板1との密着性をよくするために形成する金属薄膜層である。電極薄膜層16a、16b間には感熱膜(サーミスタ膜)13と絶縁基板1の熱処理時の反応を防止するために二酸化ケイ素または窒化ケイ素等の絶縁膜14がパターン形成されている。18a、18bは電極パッド17a、17bと絶縁膜14に接して対向するように形成された白金(Pt)等からなる外部引出用電極である。
【0003】
外部引出用電極18a、18bをパターン形成した後、外部引出用電極18a、18bの一部を覆うように感熱膜13がパターン形成される。そして、感熱膜13は、パターン形成後に500〜1000℃の温度で1〜5時間程度熱処理が行われる。感熱膜13は、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)等からなる複合酸化物の焼結体をターゲットとしてスパッタリング法によって形成される。19は、感熱膜13の電気的特性を微調整する目的で形成された第2の感熱膜であり必要に応じて形成されるものである。これら形成された感熱膜13、19上には、さらにこの感熱膜を保護する目的で、0.5〜2.0μm程度の二酸化ケイ素からなる保護膜をスパッタ形成し、さらに、その上に耐湿性を向上させるためのガラス保護膜をスクリーン印刷法等で塗布・焼付けして形成する。その後、パターニングによって図に示すような絶縁保護膜20とガラス保護膜21がパターン形成される。一般的に、外部引出用電極18a、18bに用いられる金属薄膜層の材料としては、感熱膜13、19を構成するサーミスタ材料と前記金属薄膜層との熱処理時の反応が小さく、完成した薄膜サーミスタとして安定した電気的特性を得るために、白金(Pt)の金属薄膜層からなる外部引出用電極がパターン形成される。
【0004】
このようにして製造された薄膜サーミスタは、40℃と200℃との熱サイクル試験を1万回実施し、試験前後の抵抗値変化率を調べた結果、抵抗値の変化率は+0.7%であった。また、薄膜サーミスタを260℃±5℃のハンダ槽に5秒間浸漬し、浸漬前後の抵抗値変化率を調べた結果、抵抗値の変化率は+0.2%であり電極膜の剥離はなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、近年、従来よりも高い温度で使用できる薄膜サーミスタに対する要求が高まり、使用温度範囲の上限が250〜300℃となってきた。このように使用上限温度が高くなると、従来構造の薄膜サーミスタを使用した場合、高温放置試験や熱サイクル試験において試験前後の抵抗値変化率が従来のものと比較して大きくなる傾向があり、長期信頼性が低下する欠点があることが明らかになった。このような抵抗値変化率が大きくなる原因の一つとしては、薄膜サーミスタチップが高温の外気雰囲気中に放置された場合、感熱膜13、19は絶縁保護膜20とガラス保護膜21によって被覆されていて外気に対して保護されているが、外部引出用電極18a、18bの一部が外気に露出しているために、外部引出用電極18a、18bを構成する金属薄膜層である白金(Pt)と接触している絶縁保護膜20との接触界面部分から白金を通して酸素の出入りが生じ、これによって金属酸化物から構成されたサーミスタ感熱膜の特性が変動し、長期信頼性試験において抵抗変化率が大きくなるものと考えられる。
【0006】
本発明は、上記のような欠点を解消し信頼性の高い薄膜サーミスタ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】
【0007】
本発明は、上記課題を達成するためになされたものであり、請求項1に記載の発明は、絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された一対の電極パッドと、前記電極パッド間の絶縁基板面上に形成した絶縁膜と、前記絶縁膜に接して前記電極パッド上にパターン形成された金属薄膜層からなる一対の端子電極と、前記絶縁膜を下地とし前記端子電極間に形成された感熱膜と、前記感熱膜を保護する絶縁保護膜と、前記感熱膜と前記端子電極上を被覆するガラス保護膜とからなる薄膜サーミスタであって、前記端子電極から一対の外部接続用電極パッドが延在形成さていることを特徴とする薄膜サーミスタである。
【0008】
また、請求項2に記載の発明は、前記絶縁基板上に形成された前記一対の電極パッドが、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、Ni−Cr合金の少なくとも一種からなる第1金属下地膜と、前記第1金属下地膜上に形成された白金(Pt)、金(Au)、パラジウム(Pd)、パラジウム合金の少なくとも一種からなる第1電極薄膜からなり、前記電極パッド上に白金(Pt)、金(Au)、パラジウム(Pd)、パラジウム合金の少なくとも一種の金属薄膜層からなる前記端子電極が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の薄膜サーミスタである。
【0009】
また、請求項3に記載の発明は、前記端子電極から延在する外部接続用電極パッドが、チタン(Ti)、クロム(Cr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、金(Au)、Ni−Cr合金、Ni−Ti合金の何れか一種からなる第2金属下地膜と、前記第2金属下地膜上に形成された第2電極薄膜が金(Au)、ニッケル(Ni)またはNi−Cr合金の少なくとも一種とからなることを特徴とする請求項1、2に記載の薄膜サーミスタである。
【0010】
また、請求項4に記載の発明は、前記第1、第2金属下地膜がチタン(Ti)、前記電極薄膜及び前記端子電極が白金(Pt)、前記第2電極薄膜がニッケル(Ni)または金(Au)で形成されていることを特徴とする請求項1乃至3に記載の薄膜サーミスタである。
【発明の効果】
【0011】
本発明は、絶縁基板上に形成されたサーミスタ材料からなる感熱膜と、感熱膜の電極として形成された端子電極全体をガラス保護膜によって被覆し、前記一対の端子電極に接続する一対の外部接続用電極を前記ガラス保護膜の外側に延在するように形成することによって、前記端子電極と前記感熱膜が外気雰囲気から遮断されることになり、薄膜サーミスタが高温雰囲気中に置かれても、端子電極材料と外気中の酸素との反応が生じにくく、結果として感熱膜の電気的特性が安定するために、高温で使用した場合でも長期信頼性に優れた薄膜サーミスタを得ることができる。特に、感熱膜に対する安定な材料として白金(Pt)を端子電極に用いた場合に、その効果は非常に大きい。
【0012】
また、絶縁基板と感熱膜との間に絶縁膜を設けたことで、感熱膜を構成する金属酸化物が熱処理時に反応して絶縁基板中に熱拡散することを防止し、感熱膜の電気的特性を安定にする効果がある。
【0013】
また、外部接続用電極パッドを形成する場合、絶縁基板面との密着性を改善する目的で金属下地膜を設けることによって、外部接続用電極パッドにリード線を接続する場合の局部的加熱による電極剥離を防止し、さらに端子電極については電極パッドを予め形成した上に端子電極を形成し、かつ外部接続用電極パッドと端子電極を別々に形成することにより、端子電極と絶縁基板との密着性を改善するとともに、外部接続用電極パッドにリード線を接続したときの局部加熱による端子電極に対する熱の影響を小さくすることができ、薄膜サーミスタとしての信頼性を向上させることができる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、本発明に係る薄膜サーミスタの実施態様を図1〜図3を参照して説明する。絶縁基板1は、厚さが50〜300μm程度のアルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、石英、ムライト、ステアタイト等のセラミック基板あるいはサファイア基板からなり、その表面の平滑度が0.05μm以下に研磨されたものを使用する。初めに、研磨された絶縁基板1の一表面上にスパッタリングまたは蒸着等の方法によって、金属薄膜層2、3が順次形成される(図2(a))。絶縁基板1上に形成される第1金属薄膜層2は、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、Ni−Cr合金の少なくとも一種からなる金属が被着形成され、さらに前記第1金属薄膜層2上には、白金(Pt)、金(Au)、パラジウム(Pd)またはパラジウム合金等の少なくとも一種からなる第2金属薄膜層3が成膜形成される。これら第1及び第2金属薄膜層2、3は、真空チャンバ内で連続的に形成することによって、第1及び第2金属薄膜層2、3の境界部に酸化膜等の剥離層が形成されないように行われる。第1金属薄膜層2は、絶縁基板1との密着性をよくするために形成されるものであり、第1及び第2金属薄膜層2、3の総厚みは0.1〜0.5μm程度である。
【0015】
続いて、フォトエッチング法によって、第1、第2金属薄膜層2、3の不要部分を除去して、第1金属下地膜2a、2bと第1電極薄膜3a、3bからなる電極パッド4a、4bがパターン形成される(図2(b))。その後、スパッタ法、プラズマCVD法などを用いて二酸化ケイ素(SiO2)、窒化ケイ素(Si3N4)等からなる絶縁層5が、厚さ0.1〜0.5μmに成膜される(図2(c))。そしてフォトエッチング法を用いてパターニングし、電極パッド4a、4b間の絶縁基板上に絶縁膜5aが形成される(図2(d))。絶縁膜5aは、熱処理時に後述する感熱膜と絶縁基板の反応を防止して薄膜サーミスタとしての安定な電気的特性を得るために必要なものである。なお、本実施例では、電極パッド4a、4bを形成した後に絶縁膜5aを形成した場合について示したが、先に絶縁基板上に絶縁膜をパターン形成した後に電極パッドを設けても良い。
【0016】
次に、端子電極6a、6bを形成する工程に進む。先ず、電極パッド4a、4b上に、白金(Pt)、パラジウム(Pd)またはパラジウム合金、金(Au)等からなる少なくとも一種の金属薄膜層6をスパッタリング、イオンプレーティングまたは蒸着等の方法で成膜する(図2(e))。次に、フォトエッチング法を用いて、成膜した金属薄膜層6をパターニングし、電極パッド4a、4bと絶縁膜5aに接する一対の端子電極6a、6bが対向するように形成される(図2(f))。なお、端子電極6a、6bは、図3に示すように絶縁膜5a上で互いに平行な端部が対向するような構造としても良いし、対向する櫛歯状の端子電極としてもよいことは言うまでもない。
【0017】
続いて、感熱膜7aを形成する工程へ進む。前工程で形成された端子電極6a、6bと絶縁膜5aを覆うように、スパッタ法などによって、0.3〜2.0μmの厚さに感熱層7を成膜し(図3(a))、パターニング法を用いて端子電極6a、6b間の絶縁膜5a上に感熱膜7aがパターン形成される(図3(b))。その後、感熱膜7aは400〜1200℃の温度で1〜5時間の熱処理が行われる。感熱層7は、マンガン、ニッケル、コバルト、鉄などからなる複合酸化物の焼結体をターゲットとして、スパッタリング法を用いて絶縁基板上に形成される。感熱膜7aの電気的特性を微調整する必要がある場合は、感熱膜7a上に図示しない第2の感熱膜をパターン形成し、感熱膜の厚みを調整することによって電気的特性を調整することができる。また、感熱膜の電気的特性を調整する第2の手段は、図2(d)における絶縁膜5aを形成した後に第1の感熱膜をパターン形成し、その後に端子電極6a、6bを形成する。そして、さらに端子電極6a、6b上に厚みを調整した第2の感熱膜を形成することによって特性の微調整が可能となる。即ち端子電極6a、6bが第1及び第2の感熱膜によって挟持された構造となる。
【0018】
次に、外部接続用電極パッドを形成する工程に進む。先ず、チタン(Ti)、クロム(Cr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、金(Au)、Ni−Cr合金、Ni−Ti合金等の少なくとも一種からなる金属薄膜層8及び金(Au)、ニッケル(Ni)またはNi−Cr合金の少なくとも一種からなる金属薄膜層9をスパッタリング、イオンプレーティングまたは蒸着等の方法で成膜する(図3(c))。そして、金属薄膜層8、9の不要部分を除去して、第2金属下地膜8a、8bと第2電極薄膜9a、9bからなる外部接続用電極パッド10a、10bが、端子電極6a、6bの一部と接続するようにパターン形成される(図3(d))。
【0019】
この後、感熱膜を保護する目的で、0.5〜2.0μmの二酸化ケイ素(SiO2)、窒化ケイ素(Si3N4)等からなる絶縁保護膜11をパターン形成する。さらに、感熱膜7aに対する耐湿性を向上させ、外気雰囲気の影響をなくすために感熱膜7aと端子電極6a、6bを覆うように絶縁保護膜11上にガラスペーストをスクリーン印刷等の手段で塗布した後、400〜800℃で熱処理してガラス保護膜12が形成される(図3(e))。ガラス保護膜12はスクリーン印刷法の他に、基板全体に二酸化ケイ素(SiO2)、窒化ケイ素(Si3N4)等からなる絶縁保護層とガラス膜層を形成した後、フォトエッチングによるパターニングによって絶縁保護膜11とガラス保護膜12を同時形成してもよい。
【0020】
上記した各種金属薄膜層の組み合わせの中で、第1及び第2金属下地膜2a、2b、8a、8bとしてチタン(Ti)、第1電極薄膜3a、3b及び前記端子電極6a、6bとして白金(Pt)を用い、外部接続用の電極となる第2電極薄膜9a、9bにニッケル(Ni)または金(Au)を形成した本発明構造の薄膜サーミスタについて、電気的特性に関する長期信頼性や機械的試験を行った結果、優れた性能が得られることが判明した。
【0021】
上述した薄膜サーミスタの構造は、ひとつの薄膜サーミスタの構造を示したものであるが、実際は絶縁基板上に上述の構造を有する薄膜サーミスタが多数配列された薄膜サーミスタ集合基板が形成される。薄膜サーミスタ集合基板は、個々の薄膜サーミスタチップに切断分離するために、ダイシングテープ等に貼着してからレーザースクライブ装置またはダイシングソー等を用いて切断する。このようにして個々の薄膜サーミスタチップが形成される。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】この発明の薄膜サーミスタの一実施形態を示す平面図である。
【図2】図1に示した薄膜サーミスタの製造工程の一実施形態を示す断面図である。
【図3】図2に続く製造工程を示す断面図である。
【図4】従来の薄膜サーミスタの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【0023】
1 絶縁基板
2、3 金属薄膜層
2a、2b 第1金属下地膜
3a、3b 第1電極薄膜
4a、4b 電極パッド
5a 絶縁膜
6a、6b 端子電極
7a 感熱膜
8、9 金属薄膜層
8a、8b 第2金属下地膜
9a、9b 第2電極薄膜
10a、10b 外部接続用電極パッド
11 絶縁保護膜
12 ガラス保護膜




 

 


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