JPH0356030A - 半導体式サージ保護装置及び該装置を接続した電子システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野』 本発明は、密封したソリッドステート製サージ保護装置
に係わり、特に電信機器、その他の電子システムに利用
され、１０’アンペア以上のサージ遷移電流からこれら
電子システムを保護するサージ保護装置に関する． 「従来の技術］ 電子システムは、サージ遷移電流から保護されており、
サージ電圧・サージ電流によってシステムが破壊されて
はならない．特に、出力発信システム・電信システム・
電話システムにはサージ保護装置を備えている．例えば
、工業、商業その他一般住居に拘らず、導線を中央事務
所、ビルその他家屋に引き入れる個所など、システムの
各所にサージ保護装置が接続されている． 従来技術の多くは、回路の一部にギャップを設け，サー
ジ遷移電流がこのギャップを通ってアースに流れる構造
になっている．即ち、この種の保護装置は、導線と平行
にギャップを設けアースと接続することで、システムを
隔離しシステムを保護する．保護装置の形式は種々存在
する．ギャップは、炭素ブロック間或いは炭素電極間で
形成され、大気に開放された形式のものがある．更に、
いわゆるガスチューブ保護装置と呼ばれる形式では、ギ
ャップはハウジング内に密封された２個の電極の間に形
成され、ギャップは大気圧より低い圧力に保たれている
． ギャップを構成要素とするサージ保護装置は、数多くの
欠点を有する．その一つに、ギャップを通して流れる電
流が本質的に統計学的なバラッキを有しており、その結
果好ましくない不安定さをもたらしている．例えば、大
気開放式のギャップにあっては、汚染に晒されギャップ
間の導通は予想できない程度に影響される．ガスチュー
ブ式の保護装置にあってもガスが漏洩し、その結果管内
の圧力従って絶縁破壊電圧も上昇する．従って、電子シ
ステムをサージから保護する要素として、一方向或いは
双方向の半導体（ソリッドステートの）素子が提唱され
ている．半導体素子においては、絶縁破壊の雪崩現象が
究明され電圧を維持することが可能となり、例えばツェ
ーナダイオードが開発され、又は、再生フィードバック
作用を応用したサイリスタが開発された．しかしながら
、標準の半導体式装置と違って、半導体式過電圧保護装
置には、保護装置が組込まれた回路に起きた障害の前後
において特殊な作用を要求される．特に、サージ電流に
よって装置が障害が起きた後では、保護装置が構成要素
となっている回路の導体間で短絡回路を連続して維持し
なくてはならない．更に、標準の半導体式電源装置と逆
に、半導体式過電圧保護装置は高速反復モードで動作さ
せるのではなく、むしろ遷移サージ、或いは一連の遷移
パルスが一個のサージとして作用する遷移サージ，しか
も，その負荷時間及び振幅ともに変化遷移サージが負荷
される．保護装置内の具体的な伝熱量の制限から、遷移
現象の時間内にこの種の遷移電流による発熱量を放散さ
せることは出来ない． 従って、半導体式保護装置によって逸散できる平均的な
電流は非常に小さく、しかも、瞬時に流れる電流、従っ
て発熱量によって、遷移サージが流れる時間内で高温に
達し半導体装置の動作範囲を超え破損してしまう．言換
えると、導体間の接続に失敗し、短絡回路を形成しない
．このように半導体素子は、比較的低電流サージによっ
て破損しやすいので、中容量の半導体式保護装置は、使
用に当って最大サージ電流が１０４アンペアよりはるか
に少ない容量に制限される． 「発明が解決しようとする技術的課題」従って、本発明
の目的は、半導体式保護装置であって、障害に当って、
たとえ１０４アンペア程度或いはそれ以上の大きなサー
ジであっても短絡回路が維持できる保護回路を提供する
ことにある．更に、本発明の他の目的とするところは、
電子システムであって、従来の半導体式保護装置であれ
ば完全に破壊する程度に大きな遷移サージから該システ
ムを保護する手段を含む電子システムを提供するにある
． 「課題を解決する為の技術手段』 前記の目的を達成するために、本発明の第一の特徴によ
って、以下の半導体式サージ保護装置を提供する．その
構成要素は； 第１の電極及び第２の電極； 半導体チップ、そしてこの半導体チップは、前記第１の
電極及び第２の電極と夫々電導関係にあり、半導体チッ
プ側面と第１の電極及び第２の電極との間にインターフ
ェース空間域を存在せしめ半導体チップと各電極間のイ
ンターフェース空間域をシールするシーリング手段とか
らなる，しかも、前記シーリング手段は、　（イ）両電
極に接着し、（口）チップが挿入される空間範囲を限定
し，（ハ）絶縁性の樹脂材で出来たシーリング膜からな
り、該樹脂材は、室温および高温において弾性体である
．そして、チップが破壊したときには、短絡回路を維持
するため導通関係になるように、前記両電極が移動可能
である．樹脂材の一つの実施例として、熱可塑性のオレ
フィン・アクリル共重合体、或いは、他の実施例として
、熱硬化性のポリイミド合成ゴム、ポリウレタンゴム、
或いは、シリコンゴムが上げられる．更に、約−ω℃程
度の極低温においても弾性を保ち完全な構造を維持する
樹脂材も好ましい． 本発明の他の特徴により、以下の電子システムを提供す
る．該電子システムの少なくとも一個所の回路に、サー
ジ保護手段が含まれており、１０４アンペア程度或いは
それ以上のサージ電流に対して回路を保護し、該サージ
保護手段には前述のとおり半導体素子が含まれている． 更に、本発明の他の目的とするところは、（Ａ）前記し
たサージ保護装置を少なくとも１個を含み、（Ｂ）少な
くとも第１の電極と接続するアース端子を含むアース側
バイパス導通通路、（Ｃ）少なくとも第２の電極と接続
するライン端子とを含むライン側バイパス導通通路、お
よび（Ｄ）チップが損傷したとき両電極が接近して短絡
回路を形成させる作動手段からなる過電圧保護ユニット
を提供し、ここに，チップが損傷したとき該（Ａ）、（
Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）各手段が導通関係になり、ライ
ン端子からアース端子への回路を形成し，回路全体とし
てサージ電圧保護回路が形成される．前記（Ｄ）の作動
手段の好ましい一実施例として、電導性のスプリングを
上げることができる．更に、他の好ましい実施例として
、アース側バイパス導通通路及びライン側バイパス導通
通路の中に熱可融性の構成要素を含め、該熱可融性の構
成要素が溶融したときアース側バイパス導通通路とライ
ン側バイパス導通通路とを直接接続せしめることもでき
る． 本発明の他の目的、特徴及び利点は、以下に詳述すると
ころで明らかにする．しかしながら、本願実施例におけ
る詳細説明および例示は説明のためだけであり、本発明
の思想および範囲内における他の応用は、この詳細記述
によって当業者は容易に成し得るところである． 『実施例」 以下、図面に基づいて本発明の実施例を例示的に詳しく
説明する．但しこの実施例に記載されている構成部品の
寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記
載がない限りは，この発明の範囲をそれのみに限定する
趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない． 本発明は、密封した半導体式保護装置を提供するもので
あり、該装置は、２個の電極、好ましくは銅製で、この
電極の間ににサンドイッチ状に半導体チップを挟み、そ
れとシーリング手段から構成される．シーリング手段は
、電極端の周囲を囲みチップと電極との間に好ましくな
い異物が侵入しないよう保護膜を形成する．本文におい
て「チップ」とは、一方向性及び双方向性の半導体素子
であって、ツェーナダイオード或いはサイリスタのよう
に、保持機能或いはスイッチ機能を有する素子を言う． シーリング手段には、シーリング部材或いはシーリング
膜が含まれ、２個の電極の周囲に、特に電極の間に設け
られ、シーリング膜は夫々の電極に接着している．シー
リング膜の素材である樹脂は、絶縁性の高い材料で、し
かも弾性を有し、従って可撓性に富みしなやかであり、
゛更に装置に通常の過電圧が掛かり高温に致っても安定
しており、即ちサージに強い材料である．装置の表面温
度が１００−１５０℃になると、装置内における温度は
２００〜３００℃の範囲に達し得る．本願発明の保護装
置が冷寒地においても使用できるため、樹脂シール材は
、−４０℃の温度においても割れが入り電極から＃離し
ないことが望ましい． シール効果をより確かなものにするため、樹脂は、十分
に金属と接着し装置の金属部品を浸食し、半導体チップ
を損傷し、リーク電流を誘発する物質の侵入を許すもの
であってはならない．金属との接着については、温度変
化に伴って２個の電極が違った割合で膨張・収縮すると
きでも、電極間のシールを保つものでなくてはならない
．この観点から、シールに使用する樹脂は上記の温度範
囲で、また大気湿度の変化の範囲で、チップに不当な変
形応力を作用するものであってはならない．従って、高
湿度条件下でシール材が膨潤し、チップを破損し、或い
はサージを短絡させる能力を劣化させてはならない． 装置の電極はチップの対面に配置され、チップから夫々
離れておりその間に伝熱性・電導性の薄膜層がある．電
極はチップとはんだ付けしてもよく、従って、薄膜層は
はんだ層であり得る．他の実施例として、電極を機械的
にチップの表面に押圧し，電極とチップとの間には伝導
性の金属箔か金属コーティングを施してもよい． 標準的な中容量の半導体装置を応用して相応の能力をも
った一体にユニット化した半導体式保護装置が開発され
ているが、実際に上述の高振幅サージがかかったとき回
路中に短絡回路が持続出来ないことが分っている．例え
ば、従来のユニット及びシーリング材では、半導体式保
護装置として通常の作動範囲に含まれる爆発的なサージ
を一度受けると、電極を押し付けても、再度短絡回路を
生成できない．即ち、従来の半導体式保護装置が大電流
のサージを受けると、一般的に外包の破片、或いはカプ
セル材のめくれが電極間に介在して短絡回路を形成出来
なくなることが知られている．前述の問題は本発明のサ
ージ保護装置で解決され、電子システムに応用できるこ
とになった．電子システムにおいては、１０’アンペア
程度或いはそれ以上のサージ電流に対して回路が保護さ
れなくてはならず、現存の半導体式保護装置ではこのよ
うな大容量のサージは処置出来ない．本発明の特徴を備
えた保護装置では、シーリング部材或いはシーリング膜
は，２個の電極と共にインターフェイス空間域を形成し
、この空間域に半導体チップを配設しチップ外皮が破損
しないよう保護する．更に、シーリング材は高電流下に
おいても弾性があるので、外部から電極を押圧してチッ
プに直接接触させることで電導関係にもたらすことがで
き、チップが破損しても短絡回路を維持できる．もし装
置内にアークが発生して電極がチップから離れることが
あっても、シーリング材の弾性によって電極が戻りチッ
プと接触し電導関係に復帰させる．本発明による保護装
置の一実施例を第１図乃至第３図に示す．保護装置の主
な構成要素は、半導体チップ１０と電極１１及び電極ｌ
２であり（それぞれ上部電極、下部電極とも言う．）、
チップは両電極間に伝熱・電導関係にあるよう配設され
る．それぞれの電極は、第４図及び第５図に関連して後
述するように、はんだ層によってチップと接続するか、
或いは金属箔或いは金属コーティングを介してチップに
押圧する．破壊に致らない程度の振幅での反復遷移電流
に対する保護装置の熱応答性は、本発明によれば、電極
の全容積・厚さによって対応することができる．この詳
細は後で述べる．はんだを利用すると、熱抵抗および遷
移状態における熱インピーダンスに影響があるので、は
んだ層の厚さちまた保護装置の熱応答性に影響する．第
１図乃至第３図に示された保護装置では、チップ１０は
上面から視ると四角形であるが、これは必要に応じて円
形その他の形状であってもかまわない．チップ１０は、
シリコンベースの半導体素子で米国特許第３，　９２８
，　０９３号に開示された構造と同等であればよい．し
かし、チップの構造を特に問題にするわけではなく、た
だ絶縁破壊の雪崩条件を満足すればよい． 電極１１．１２は、銅が好ましいが、゜他の導体金属・
合金（黄銅，アルミニュム等）であってもよい．電極は
、例えばニッケルメッキ等のメッキをしてもよい． 電極の形状及び寸法は、熱可塑性或いは熱硬化性の樹脂
を使って以下に述べるシーリング膜を形成し保持するよ
うに設計する．２個の電極は同じ大きさであってもよく
、一方が他方より大きくてもよい．装置の組立の際、電
極が大きいとその一部の表面に粘調性の樹脂を塗り、そ
の樹脂の表面張力で電極間の隙間に樹脂を沁み込ませる
ことができる．この理由から、大小一組の電極を使うと
、リング状樹脂のブリフォームを再度流動化させるか、
樹脂を注入器で流し込むとき便利である．このことは後
で詳細に述べる． 第１図乃至第６図において、電極１１．１２は上面から
視たとき円形である．一般的に、電極が円筒形のプッシ
ュボタン形状であると、本発明による保護装置が現有の
保護装置ユニットにレトロフィット的に利用されるとき
は特に有利である．しかし、電極は四角形、六角形、三
角形或いは長円形その他の形状であってもよい．本発明
の範囲内で非ボタン形状の電極の例を、第１３図に示す
．ここでは電極１１．１２は、同一寸法で形状も多角形
のものを示している．しかしながら、両電極の端面形状
が同一であることは重要なことではなく、それぞれの電
極が接触するチップの全面積を覆うものであればよい． 本発明による保護装置の電極を、第１４図に示すとおり
、チップと接触する脚部を切込んだ形状にしてもよい．
この形状によると、平らなチップと接触する電極の端面
ば、電極の中央部での断面積（即ち、第１４図（Ａ）の
Ｂ−Ｂ，ｌＪ％による断面積）より小さい．電極の中央
部からチップと接触する部分に向って縮小され、構成要
素の一つである脚部が形成される．チップに向って、特
に円弧状に脚部を縮小することで、更にそれぞれの電極
を、第１４ｒｇＪに示すように、平なチップに隣接させ
ると、チップの側端部を不動態コーティング加（第６図
の説明文参照）で二重に保護することができる．電極１
１．１２を樹脂のシーリング材ｌ４によって不動態コー
ティング２０を離間すると、電極に力が掛かったときに
不動態コーティング２０を保護することになる． 第１４ＡＦＩ！Ｊに見られるように、脚部の切込みが一
端面式の場合は、電極がチップに面する一方だけを縮小
する．この方式では、組立に当って電極をチップに対し
て方向付けしなくてはならないので、電極の両端脚部を
縮小する二端面式（第１４Ｂ図）の方が、無差別に部品
を供給使用するとき有利である． 第４図及び第５図は、本発明による半導体式過電圧保護
組部品を拡大して示したものである．第４図及び第５図
におけるはんだ層ｌ３は、電極１１．１２とチップ１０
とを接続するものである．第４図に、環状のシーリング
部材１４のプレフォームを示す．第５図は、組部品を加
熱した後の状態を示したもので、シーリング部材ｌ４が
電極間のインターフェイス空間域に流れ込んでおり、電
極に接着している．先に述べたように、電極１１．１２
とシーリング部材ｌ４とで空間を形成し、その中にチッ
プ１０が配設される．そして樹脂流動化工程で真空状態
にしなければ（詳細は後述）、小さな間隙もしくは泡ｌ
５がシーリング部材とチップｌＯの間に残る．第６図は
代表的なチップ１０を示したもので、チップｌＯは、一
方向性のＮ型の中央シリコン層１６，反対のＰ型の外部
シリコン層１７．　１８から成っている．Ｐ型シリコン
層１７．　１８には、部分的にＮ型（不図示）が存在す
る．薄膜層ｌ９は、ニッケル又ははんだ付け可能の金属
層であって、シリコン層１７．　１８のそれぞれの表面
に形成され、この層により電気的に接続可能にし、この
層の表面に電極１１，ｌ２がはんだ付けされる．溶融ガ
ラス又は同等の材料で不動態化コーティング２０を，通
常チップＩＯの曲面側端２ｌに施す． 組立のために、シーリング部材となる樹脂は、保護装置
の金属表面に完全に濡れて金属電極と接着結合を形成し
なくてはならない．このとき電極間の間隙から流れ出る
様なことがあってはならない．以下に述べるように、こ
の条件を満足するのは熱可塑材リング１４であり、加熱
すると溶融し粘調液になり電極間の間隙に流れ込み、そ
して再び固化する．リングの外側面を断面で視たとき（
第５図参照）、円弧に似た形状になる． 熱可塑性樹脂のプリフォームリングを使用する代りに、
熱硬化性の樹脂によってもシーリング膜を形成するがで
きる．このシーリング膜は、前述のシーリング効果が期
待できる程度に厚くて、装置を破壊するような大電流の
サージを受けたとき楔のように作用をして電極を離間す
ることが有ってはならない．このようなシーリング膜１
４ａを第１５図に示した．ここでは本発明による保護装
置は、上述の脚部の切込みが一端面式の電極１１．１２
が示されているが、この種のシーリング膜に対応して他
の形状の電極をも採用することができる．熱硬化性の樹
脂を利用したときの工程は次のとおりである．未熟成の
液状樹脂を、装置に刷毛で塗るか、スプレーするか、或
いは装置全体を樹脂に漬けて、最初に電極に施したマス
キングを除去する．マスキングした部分は、樹脂によっ
て被覆されない．或いは、逆にマスキングを施さないで
全体を樹脂で被覆し、好適な点接触が可能な部材をユニ
ット内に設け、装置の電極を圧縮して被膜を貫通し接触
させることもできる．（第９図の記述参照）その他の方
法でも可能であって、電極の端面部に沿っ注射器で樹脂
を塗布し、表面張力によって樹脂が丸くなるのを待って
、電極とチップとの間隙を埋める．更に装置を適当な型
に入れて、樹脂を注入することもできる．いずれの方式
にあっても、樹脂を流し込む工程において部分的に負圧
で吸引し、電極間の隙間を埋めシール硬化を高めること
ができる． 従って、シーリング部材１４は、前述の性質の他に、金
属電極に強力に接着しなければならない．繰返すと、シ
ーリング部材は絶縁体であり、広範囲の温度に於て可撓
性に富み、しかも装置が爆発的に損傷しても楔のように
作用し電極を離間させてはならず、そのとき機械的にも
強く電気的にも高い絶縁性を維持していなくてはならな
い．強固な異物が電極間に侵入することを許し、装置が
作動しその短絡回路を維持する機能に影響を与えてはな
らない． 同様に、使用した樹脂が装置内のいずれの金属部材をも
腐食してはならず、無機物質（硫酸塩、アルカリ金属、
硝酸塩等）がシーリング材料に混入しないよう制限され
る．処理工程を援助する薬品、例えば、加粘剤、加塑剤
、その他添加剤の内、高電圧・大電流の状態で気化する
添加剤も同様に避けなければならない． 上記の条件を満足し本発明に利用する樹脂を、熱可塑性
、熱硬化性樹脂の中から選択することができる．その樹
脂は、室温で柔らかく、高温下でも同程度に柔らかで、
しかも、極寒下でも同様であることが望ましい．熱可塑
性樹脂では、例えば、オレフィン・アクリル共重合樹脂
、即ち、エチレン・アクリル酸、エチレン・メタアクリ
ル酸モノマ、プロピレン・アクリル酸モノマ、及びプロ
ピレン・メタアクリル酸モノマを含む共重合樹脂が好適
である．これらオレフィン・アクリル共重合樹脂は容易
に金属電極に接着し、可撓性に富み、絶縁性、安定性に
も優れている． これら熱可塑性樹脂の内、特にエチレン・アクリル酸共
重合樹脂は、本発明の使用に当って有効である．この種
の共重合体の性質は、アクリル酸の割合を大きくすると
、接着性及び可撓性の高くなる．アクリル酸は、樹脂の
溶融指数を高くし、液状における粘性を下げる．このグ
ループ中でも、約６〜３０％、特に２０％（分子当量）
のアクリル酸を含むエチレン・アクリル酸共重合樹脂が
好ましい．この共重合樹脂の例は、ダウ・ケミカル社（
米国ミシガン州ミッドランド市）製のブライマコール（
ＰＲＩＭＡＣＯＲ）シリーズの接着樹脂に代表される． 前記選択基準に照すと、熱硬化性樹脂の中ではボリイ旦
ド合成ゴム、ポリウレタンゴム、及びシリコンゴムが満
足する．ボリイくド系合成ゴムでは、予めイミド化した
ポリイミド合成ゴムでチバガイギー社（ニューヨーク州
オーソーン市〉製のブローブイミド３４８　（ＰＲＯＢ
Ｅ−ＩＭＩＤＥ　３４８）　．及びデュポン社（デラウ
ェア州ウィルミントン市）製ボリアくン酸ブレカーサ樹
脂ＰＩ２５２５が好適゛である．本発明に使用するポリ
ウレタンは、ジフェニールメタン・ジイソシアネート及
びポリエーテル・ボリオールに代表される．この種の樹
脂には、フラン社（カルフォルニア州ロスアンジェル市
）製のウラレーン・シリーズのウレタン樹脂、特にフラ
ン社製品番号５７５３Ａ／Ｂが好適である．シリコンゴ
ムの内で、一或いは二組成室温加硫性シリコンゴムであ
って、ダウコーニング社（米国主シガン州ミッドランド
市）製の抗湿性ＤＯＷ　ＣＯＲＮＩＮＧ　３−６５５０
及びＱｌ−４９３９の熱硬化性樹脂が好ましい．室温加
硫性樹脂は、広範囲な条件下で、高温における性質（例
えば、４０℃においても可撓性を維持する）、耐放射線
、耐候性、耐薬品の性質が良く、他の物質とともに金属
と良く接着する．典型的な室温加流性樹脂には、アセト
キシ型、アルコキシ型及びニュートラル加硫型とがあり
、未熟成（加硫前）状態では、よく濡れるので、従って
、前記のスプレー、浸漬、塗装、或いは注入いずれの方
式でも成功する． 一組成室温加硫性樹脂は、一般的に室温で空気中の水分
によって縮合し、その反応の結果、酢酸（アセトキシ型
から）、メタノール（アルコキシ型及びニュートラル加
硫型から）、及びアンモニア（ニュートラル加硫型から
）が副産物として生成する．酢酸は、金属に対して強い
発錆作用があるので、アセトキシ型室温加硫性樹脂は本
発明に使用できない．本発明に使用する室温加硫性樹脂
に紫外線に感応する添加剤を混入すると、紫外線の照射
によって、熟成（加硫）反応を開始させることが出来る
． はんだの溶融温度より低い温度で接着作用が始り、使用
温度において可撓性・安定性が維持され等々、前述の使
用条件を満足するものであれば、その他のボリマであっ
ても、使用することができる．例えば、アクリル・エポ
キシ、ウレタン、ボリアジド、ボリアミド／エポキシ混
合物、シリコン・ボリイくド及びスチレン系の樹脂の内
で利用できるものがある．オレフィン・アクリル共重合
樹脂、室温加硫性シリコン樹脂の中の好適な樹脂は、環
境的に非活性で容易に入手できる．これに比べて他の樹
脂は、特殊に組成を調合しなくてはならず、容易に入手
できず、そして一般的に高価である， 第７図は、本発明の保護装置の組立の一方法を示すもの
である．小さい電極１１を、六２３ａ，　２３ｂを有す
るセラミック部材２２内に係合する．六２３ａの内径は
電極ｌ１の外径と殆ど同一で、六２３ａに電極ｌｌをし
っくり挿入できる．チップ１０の角を案内に使って、チ
ップ１０を電極１１の上に置く．続いて、大きい電極１
２をセラミック部材２２に入れる．穴幻ｂの内径は電極
１２の外径と殆ど同一であるので、穴２３ｂに電極ｌ２
を嵌入できる．挿入する前に電極ｌ１，　１２がチップ
１０と接触する端面に、予めはんだ被覆を設けておくか
、チップ１０の両面にはんだ被覆を設けるか、電極、チ
ップ共に被覆しておくか、或いは、電極とチップとの間
に置きはんだを組込むことができる． 第７図に示すとおり、両電極、チップ及びセラくツク部
材の組部品を、支持部材２４の上に置く．加熱してはん
だを溶かし，チップと電極をはんだ付けする．加熱に当
って、例えば、支持部材自身が発熱体であってもよく、
または、組部品をコンベアに載せて加熱体或いは炉の中
に移動させてもよい．はんだ付けが完了したら、電極組
部品をセラミック部材から取外す．電極組部品を上下逆
さまにしてリングｌ４を電極１２に組込み、樹脂が流れ
るまで加熱し、電極に接着させ組部品をシールさせる． 大きい電極１２を下にして、はんだ付けすることもでき
るが、第７図に示すように、大きい電極を上にした方が
はんだ付け工程中ロードが大きく有利である． 本発明による保護装置を、既存の保護装置ユニットにレ
トロフィットする場合は、その外径、或いは全高・厚さ
等の寸法に制限がある．しかし、本発明による保護装置
ユニットを別に新たに設計するときは、ユニットの寸法
は、それ自身の要因によって決めることができる． この観点から、本発明による保護装置の熱応答は、前記
した通り、特に電極の容積と厚さに関係する．設計に当
って，保護装置と環境との間には熱の交換は無いと仮定
できるので、装置の電極の全容積（及び熱容量）が大で
あればあるだけ、装置の設計寿命は長くなる．従って実
用的には、電極の容積（即ち、電極の厚さ）の上限は、
経済的配慮、即ち、電極に選んだ金属の原価を考慮して
決まる． 一方、電極の厚さは、本発明による保護装置が経験する
最もゆっくりした遷移状態によって発熱する熱を吸収調
整するものでなくてはならないので、これによって電極
の厚さの下限が決る．この点について、ゆっくりした遷
移現象を表すモデルとして、いわゆるｒ　ＩＯＸ　ＩＯ
ＯＯＪパルスモデルが便利である．ここで、ｒ　ｌＯｘ
　ＩＯＯＯＪパルスモデルは、１０　ｍｓｅｃ以内に指
数関数的に最高値の９０％まで上昇する曲線と、１００
０　ｍｓｅｃ以内に指数関数的に最高値の５０％まで下
降する曲線とから成っている．保護装置の金属電極とチ
ップとの間の伝導膜がはんだでなくて、純粋の金属或い
は好適な伝導合金であれば、言換えると、電極とチップ
が境界層なしに直接接触した装置においては、設計上の
電極の最短厚さは、理論的に算出される下限値になる．
電極を銅としｒ　ＩＯＸ　ＩＯＯＯＪバルスをモデルと
し，はんだ層がないとするなら、この電極の厚さ（装置
の軸に沿った長さ）の理論値は、およそ０．　５ｍｍ（
２０　ｍｉ１）になる． 例えば、チップの材料と選択した電極金属の熱膨張の違
いを吸収するためにはんだ層を介装させたときは、はん
だ層は本質的に熱伝導が小さいため、電極によって吸収
される熱量は少なくなる．たとえゆっくりした遷移発熱
現象であっても、この遷移時間内にはんだ層を通って電
極に伝わる熱量は少なく、従って、厚い電極が有効に吸
収する熱量は少なくなり、電極の有効な最短厚さも短く
なる． 本発明による装置の機械的安定性の観点から、はんだ層
の厚さは０．００８　（０．３）　〜０．０７６　ｍｍ
　（３　ｍｉ１）　、特に、０．００８　（０．３）　
〜０．０２５　ｍｍ　（ｌ　ｍｉ１）が好適な値である
ことが分った．銅電極で、「ｌＯｘ　ＩＯＯＯＪパルス
をモデルとすると、はんだ層の厚さが０．００８　ｍｍ
　（０．３　＝ｉ１）のとき、電極の有効最短厚さは０
．４　ｍｍ　（１６　ｎｉ１）で、はんだ層の厚さが０
．０２５　ｍｍ　（１　ｍｉ１）のとき、電極の有効最
短厚さは０．２　ｍａ＋　（９　ｍｉ１）となる．参考
まで第１図乃至第５図に示したように一方が他方より大
きい場合、上部電極（小さい方）と下部電極の厚さは、
夫々　ｌ　ｍｍ　（４０　ｍｉ１）と　１．５　ｍｍ　
（６０　ｎｉ１）である．両方の電極が同一直径のとき
の厚さは、およそｌｍｍ　（４０　ｍｉ１）が好適値と
なる．これら例示した各層の厚さは、前述の方法によっ
て、電極の金属及び伝導層の材料によって、また、ゆっ
くりした遷移現象についても問題にしている電子システ
ムの経験によって調節しなくてはならない．あるいは逆
に、既存ユニット内の保護装置の電極の標準厚さが、例
えば０．２５　ｍｍ　（１０　ｍｉ１〉であったとする
と、稼働中のシステムの期待される反復サージ条件に応
じて、そのユニットに熱吸収部材を追加してもよい． 本発明による保護装置は、前述のとおり、既存保護装置
ユニットにレトロフィットし、それと交換できるように
製作することができる．第８図及び第９図は、本装置を
保護装置ユニットに組込んだ一実施例を示すものである
．ユニット２５は、電話線２本を保護するよう２個の保
護装置を組込んだ保護装置ユニットである．ユニットは
、ハウジング２６、及びペース２７を構成要素とし、ハ
ウジング２６下端の開口部は、ペース２７に係合される
．２対の端子２９．３０と１本のアース端子３ｌがベー
スに設けられる．本実施例のユニットには、過電圧保護
装置３２を２個、その構造は第５図に示すもので、それ
に端子２９．　３０間の電話線と直列に接続された加熱
コイル３３を２個、を設けている．加熱コイル３３には
、加熱コイルのスブール３５にはんだ付けされたセント
ラルビン３４がある．過電流の状態、或いは継続した過
電圧状態になると、はんだ付けが溶け、ビン３４とカッ
プ３６が下向きに動き、アース端子３ｌと接続している
アース接触子３７と接触する．従来の保護装置では、カ
ップ３６の中にカーボンブロック或いはガスチューブ保
護装置が収められている．過電圧状態になると、保護装
置の間隙で放電が起こり、保護装置を介してビン３４と
カップ３６を接続し、スプリング３８からアース接触子
３７に接続されているアース片３９に伝わる．本実施例
では、カップ３６を改造し凹入部４０を複数（本例では
３個）を設けている．凹入部に保護装置３２を係合し、
電極１１　（第１図乃至第５図参照）とビン３４の上端
面とが接続するよう配設する．電極１１の接続面の高さ
は、従来の保護装置の電極が接触していた高さと同程度
にする．保護装置３２の電極１２（第１図乃至第５図参
照）は、凹入部４０と接続し，従ってカップ３６と接続
する．過電圧サージに対する第１次の保護作用は，ビン
３４、保護装置３２、カップ３６、スプリング３８、ア
ース片３９及びアース接触子３７の回路によって行われ
る．過電流に対しては、前述のとおり、はんだ付けの溶
融によりカップ３６が下向きに動いてアース接触子３７
と接続し保護作用を行う． カップ３６に凹入部４０を設けることなく、従来の形状
のままでも、スベーサ或いはスプリングを使えば保護装
Ｎ３２を定位置に保持することができる．もし、前述し
たとおり、スプレー、塗装或いは浸漬によって保護装ｗ
３２に樹脂を被覆した場合は、ビン３４及び凹入部４０
夫々に被覆部を突き通すようにシャープにした部分を設
け、点接触によって接続させる． 従来のカーボンブロック或いはガスチューブ保護装置に
比べて本発明の保護装置３２の高さが低い特徴を生かし
て、ユニット２５を新規に設計することができる．保護
装置を包むためのカップ３６は、更に短くすることが出
来る．このように高さが低くなると、実施例のように横
に並べるのではなく、ユニットの中心軸に沿って縦に重
ねたときには、効果を発揮できる． 第１０図及び第１１図に、本発明による保護装置を組込
んだ２種類のユニットを示す．（第９図及び第ｌＯ図に
相当する部品には、同一符号番号を与える．）第１１図
は、加熱コイルが含まれるユニットを、第１２図には、
加熱コイルの代りに、可溶ペレットを設けたユニットを
示す．第１０図に示すように、ユニット２５には、下端
部に開口部があるハウジング２６と，それを受け僅合す
るベース２７が含まれる．導線用の端子２９．３０とア
ース端子３ｌが、ベースに設けられている．本実施例で
は、第１次の過電圧保護装置３２及び加熱コイル３３の
両者が含まれる．加熱コイルは、端子２９．３０間の電
話線と直列に接続されている．加熱コイルには、スブー
ル３５にはんだ付けされたセントラルビン３４があって
、過電流の状態、或いは継続した過電圧状態になると、
はんだ付けが溶け、ビン３４とカップ３６が下向きに動
き、アース端子３１と接続しているアース接触子３７と
接触する．第１０図と第９図の実施例の違いは、第１０
図のカップ３６は第９図のそれと比べて、はるかに短い
．カップの長さは、保護装置を包むだけの長さにしてあ
る．そのためハウジング２６の長さも短くなっている． 第１１図は、加熱コイルのないユニット２５を示す．ユ
ニット２５には、下端部に開口部があるハウジング２６
と、それを受け係合するベース２７が含まれる．導線用
の端子２９．３０とアース端子３ｌが、ペースに設けら
れている．第５図に示された保護装置３２が、カップ３
６に配設される．可溶ベレット柘は、可溶合金から出来
ており、保護装ｆｉ３２の裏側でカップ３６の中に組込
まれる．短絡片４６によって、導線端子２９．３０は接
続される．ビン４７は、この短絡片から伸びて保護装置
の電極１１（第１図乃至第５図参照）と接続する．他の
電極１２（第１図乃至第５図参照）は、カップ３６と接
続している．過電圧状態になると、保護装置は短絡状態
になり、ペレット４５、カップ３６、スプリング３８、
そしてアース接触子３７に致るサージ回路が形成される
．継続して過電圧状態が続くと、可溶ペレット４５が融
けて、カップ３６が下向きに動きアース接触子３７と接
触する． 第１０図及び第１１図に示した実施例の作用は、従来の
ユニットの作用と同じであるが、従来の保護装置はカー
ボンブロック或いはガスチューブ保護装置であるのに反
し、実施例の場合はソリッドステートの保護装置を使用
した点が相違する．これにより、従来のユニットと比べ
て、相当に高さを短くすることができる． 第１２図は、本発明による他の実施例であり、３電極ユ
ニットとも呼ばれる．ユニットは、ハウジング５０と、
ベース５ｌを有し、ハウジングの一端にある開口部とベ
ースとが係合する．ベースには、導線用の２組の端子５
２．　５３が有り、短絡片５４により夫々の組の端子を
接続する．短絡片５４からスプリング式の接触片５５が
伸びている．更に、ベースにはアース端子５６が設けら
れ、アース端子には保持片５７が有る．端子５６と反対
側の保持片５７は、円筒状に形成され、その円筒部５８
にはスリット５９が形成されている．保護装置モジュー
ル６０が円筒部５８に保持される．保護装置モジュール
は、第１図乃至第５図に示した保護装置６ｌを、中央電
極６２を介装して背中合せに組合せたものであり、中央
電極６２はスリット５９に嵌合する．このように組立る
と、電極１２　（第１図乃至第５図参照）は効率良く接
続できる．２枚の可溶ペレット６３を１枚づつ保護装置
モジュール６０の両端に配置し、電極１１　（第１図乃
至第５図参照）と接続させる．アース端子５６をベース
５１に組立ると、保護装置モジュール６０及び可溶ベレ
ット６３は、２枚の接触子５５の自由端間に保持される
．通常の過電圧サージは、片方或いは両方の保護装置６
１が短絡し、中央電極６２、保持片５７及び端子５６を
通じてアースに短絡される．継続して過電圧状態が続く
ときは、１個或いは２個の可溶ペレット６３が融けて、
片方或いは両方の接触子５５と保持片５７が接続される
．

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の合成シール材でシールする前の保護
装置の平面図、 第２図及び第３図は、第１図の矢印Ａ及びＢより視た側
面図、 第４図は、合成樹脂の環状リングを装備した保護装置で
第１図の４−４線による断面図、第５図は、第４図と同
様であるが、合成樹脂リングを加熱し電極に流動し接着
した状態を示す断面図、 第６図は、第１図乃至第５図の組部品に組込まれている
半導体チップの一例を模式的に示した断面図、 第７図は、電極及び装置の一例を示す断面図、第８図は
、本発明にによる保護装置を組込んだ従来技術による保
護装置ユニットの一例を一部断面で示した正面図、 第９図は、第８図の９−９ｍによる断面図、第１０図は
、第９図と同様であるが、本発明に基づいて設計された
保護装置ユニットを示す部分断面図、 第１１図は、第１０図と同様であるが、加熱コイル組部
品がない保護装置ユニットを示す部分断面図、 第１２図は、本発明による他の保護装置ユニットを示す
展開斜視図、 第１３Ａ図及び第１３Ｂ図は、保護装置の電極が多角形
形状である場合の本発明の他の実施例を示す斜視図及び
平面図で、第１３Ｃ図　　　　は、第１３Ｂ図に示した
Ａ−Ａ線に沿った断面図、第１４Ａ図は、本発明による
片面の脚部を切込んだ電極の断面側面図、第１４Ｂ図は
、両面の脚部を切込んだ電極の断面側面図、

Claims (38)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも１個の電子回路に該回路を１０＾４ア
   ンペア程度或いはそれ以上のサージ電流から保護するサ
   ージ保護手段が接続されており、 前記サージ保護手段は、 第１の電極及び第２の電極、 前記第１の電極及び第２の電極と夫々電導関係にある半
   導体チップ、及び、 前記半導体チップの側面と第１の電極及び第２の電極と
   の間で形成されるインターフェイス空間域を埋めるシー
   ル手段とから成り、 前記シール手段は、 イ）前記両電極と接着し、 ロ）電極間に前記チップを介装する中間空域を形成し、
   そして、 ハ）非伝導体の樹脂材料から成り、室温及び高温のいず
   れにおいても弾性を有するシール膜から成り、 前記半導体チップが破損したとき、短絡回路を維持する
   ため導通関係になるように、前記両電極が移動可能な半
   導体式サージ保護手段であり、該半導体式サージ保護手
   段が接続された回路をもつ電子システム。
2. （２）前記非伝導体の樹脂材料は、−４０℃迄の温度範
   囲において弾性を有する請求項１）記載の電子システム
   。
3. （３）前記非伝導体の樹脂材料は、熱可塑性のオレフィ
   ン・アクリル酸共重合体である請求項１）記載の電子シ
   ステム。
4. （４）前記共重合体は、エチレン・アクリル酸、エチレ
   ン・メタアクリル酸、プロピレン・アクリル酸及びプロ
   ピレン・メタアクリル酸のグループをモノマとする共重
   合体である請求項３）記載の電子システム。
5. （５）前記共重合体は、アクリル酸が略６％から３０％
   含まれるエチレン・アクリル酸共重合体である請求項４
   ）記載の電子システム。
6. （６）前記共重合体は、アクリル酸が略２０％含まれる
   エチレン・アクリル酸共重合体である請求項５）記載の
   電子システム。
7. （７）前記樹脂材料は、熱硬化性の樹脂材料である請求
   項１）記載の電子システム。
8. （８）前記熱硬化性樹脂は、ポリイミド合成ゴム、ポリ
   ウレタン、及びシリコンゴムのグループの中から選ばれ
   た熱硬化性樹脂である請求項７）記載の電子システム。
9. （９）前記熱硬化性樹脂は、室温硬化性樹脂である請求
   項８）記載の電子システム。
10. （１０）前記第１及び第２の電極は、銅製電極であり、
    各々の電極の厚さが少なくとも０．５ｍｍ以上である請
    求項１）記載の電子システム。
11. （１１）前記チップと前記第１及び第２の電極との間に
    、金属製箔からなる伝導層を構成要素とする請求項１０
    ）記載の電子システム。
12. （１２）はんだで前記チップと前記電極とを接続する伝
    導層を構成要素とする請求項１）記載の電子システム。
13. （１３）はんだで前記伝導層の厚さが、略０．００７ｍ
    ｍから０．０８ｍｍである請求項１２）記載の電子シス
    テム。
14. （１４）前記第１の電極の全面積が第２の電極の全面積
    より大である請求項１３）記載の電子システム。
15. （１５）前記第２の電極は円盤状であり、その直径は前
    記チップの最大対角長さと略等しい請求項１４）記載の
    電子システム。
16. （１６）前記第１及び第２の電極は、円盤状銅製電極で
    あり、各々の電極の厚さが少なくとも０．２ｍｍ以上で
    ある請求項１５）記載の電子システム。
17. （１７）前記第１の電極の全面積が第２の電極の全面積
    より大である請求項１）記載の電子システム。
18. （１８）前記第１の電極と第２の電極とが略同一寸法で
    ある請求項１）記載の電子システム。
19. （１９）前記第１の電極と第２の電極とが違った形状で
    ある請求項１）記載の電子システム。
20. （２０）第１の電極及び第２の電極、 前記第１の電極及び第２の電極と夫々電導関係にある半
    導体チップ、及び、 前記半導体チップの側面と第１の電極及び第２の電極と
    の間で形成されるインターフェイス空間域を埋めるシー
    ル手段とから成り、 前記シール手段は、 イ）前記両電極と接着し、 ロ）電極間に前記チップを介装する中間空域を形成し、
    そして、 ハ）非伝導体の樹脂材料から成り、室温及び高温のいず
    れにおいても弾性を有するシ ール膜から成り、 前記半導体チップが破損したとき、短絡回路を維持する
    ため導通関係になるように、前記両電極が移動可能な半
    導体式サージ保護装置。
21. （２１）前記非伝導体の樹脂材料は、−４０℃迄の温度
    範囲において弾性を有する請求項２０）記載の半導体式
    サージ保護装置。
22. （２２）前記非伝導体の樹脂材料は、熱可塑性のオレフ
    ィン・アクリル酸共重合体である請求項２０）記載の半
    導体式サージ保護装置。
23. （２３）前記共重合体は、エチレン・アクリル酸、エチ
    レン・メタアクリル酸、プロピレン・アクリル酸及びプ
    ロピレン・メタアクリル酸のグループをモノマとする共
    重合体である請求項２２）記載の半導体式サージ保護装
    置。
24. （２４）前記共重合体は、アクリル酸が略６％から３０
    ％含まれるエチレン・アクリル酸共重合体である請求項
    ２３）記載の半導体式サージ保護装置。
25. （２５）前記共重合体は、アクリル酸が略２０％含まれ
    るエチレン・アクリル酸共重合体である請求項２４）記
    載の半導体式サージ保護装置。
26. （２６）前記樹脂材料は、熱硬化性の樹脂材料である請
    求項２０）記載の半導体式サージ保護装置。
27. （２７）前記熱硬化性樹脂は、ポリイミド合成ゴム、エ
    ポキシ合成ゴム、及びシリコンゴムのグループの中から
    選ばれた熱硬化性樹脂である請求項２６）記載の半導体
    式サージ保護装置。
28. （２８）前記熱硬化性樹脂は、室温硬化性樹脂である請
    求項２７）記載の半導体式サージ保護装置。
29. （２９）前記第１及び第２の電極は、銅製電極であり、
    各々の電極の厚さが少なくとも０．５ｍｍ以上である請
    求項２０）記載の半導体式サージ保護装置。
30. （３０）前記チップと前記第１及び第２の電極との間に
    、金属製箔からなる伝導層を構成要素とする請求項２９
    ）記載の電子システム。
31. （３１）はんだで前記チップと前記電極とを接続する伝
    導層を構成要素とする請求項２０）記載の半導体式サー
    ジ保護装置。
32. （３２）はんだで前記伝導層の厚さが、略０．００７ｍ
    ｍから０．０８ｍｍである請求項３１）記載の半導体式
    サージ保護装置。
33. （３３）前記第１の電極の全面積が第２の電極の全面積
    より大である請求項３２）記載の半導体式サージ保護装
    置。
34. （３４）前記第２の電極は円盤状であり、その直径は前
    記チップの最大対角長さと略等しい請求項３３）記載の
    半導体式サージ保護装置。
35. （３５）前記第１及び第２の電極は、円盤状銅製電極で
    あり、各々の電極の厚さが少なくとも０．２ｍｍ以上で
    ある請求項３４）記載の半導体式サージ保護装置。
36. （３６）前記第１の電極の全面積が第２の電極の全面積
    より大である請求項２０）記載の半導体式サージ保護装
    置。
37. （３７）前記第１の電極と第２の電極とが略同一寸法で
    ある請求項２０）記載の半導体式サージ保護装置。
38. （３８）前記第１の電極と第２の電極とが違った形状で
    ある請求項２０）記載の半導体式サージ保護装置。