KR19990077149A

KR19990077149A - 다기능 보호용 부품

Info

Publication number: KR19990077149A
Application number: KR1019980705286A
Authority: KR
Inventors: 조란 지빅
Original assignee: 조란 지빅
Priority date: 1996-11-11
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 1999-10-25
Also published as: SI9600330A; WO1998021731A1; US6328176B1; EP0875067A1; ATE319174T1; EP1632959A3; EP0875067B1; DE69735378T2; US6395605B1; EP1632959A2; DE69735378D1

Abstract

본 발명의 주제는 다기능 보호용 부품이다. 새로운 부품은 전압스트로크와 고주파수 및 저주파수 방해로부터 동시에 보호해주는 기능을 제공한다. 그것은 두 개의 독립된 칩, 즉 다층 산화아연 다결정 다이오드와 다층 세라믹 콘덴서 또는 다층 자기제한 콘덴서와 다층 세라믹 콘덴서로 구성되며, 비전도성 저온유리(프릿)에 전기적, 기계적으로 연결되고 2차적 금속피복 그리고 완성품의 공통외부 전극에 의해 두 개의 칩사이의 전기적 병렬연결이 이루어진다. 이 새로운 부품은 단자리드선 형성 뿐만아니라 표면실장에 적합하다.

Description

다기능 보호용 부품

(발명의 분야)

본 발명의 주제는 다른 전자엘리먼트를 보호하는데 사용되는 보호용 전자엘리먼트 분야, 그리고 전압 및 전류스트로크 그리고 고·저 주파수 방해(frequency disturbances)를 방지하는 장치분야에 속한다.

(기술적 문제)

현재의 전자엘리먼트와 시스템의 소형화 및 복잡성 증대는, 그들의 광범위한 응용이 증가하는 것과 함께, 전자방전(electronic discharge : ESD), 전압과잉(voltage excess) 및 전압스트로크, 그리고 주파수방해에 대한 그들의 민감성을 증가시킨다. 이러한 현상은 각 부품들의 정상적인 기능발휘를 불가능하게 하고, 그들의 안정성과 신뢰성을 감소시키며, 심지어는 그들을 파괴할 수도 있다. 이처럼 상기 현상은 매우 복잡하고 고가인 전자시스템의 정상적인 기능발휘를 위태롭게 한다. 이들 현상의 근본원인은 여러 가지이다. 예를 들면, 정전방전(electrostatic discharge)의 가장 큰 원인은 전자장치를 조작하는 과정에서의 사람 자신이다. 전압스트로크의 가장 전형적인 원인은 천둥이며, 천둥은 전기선로 및 통신선로에 전하를 유기하며 이 전하는 선로를 통해 전자엘리먼트로 전해진다. 그리고, 몇몇 전자엘리먼트(예를 들어, 전동기와 계전기)는 그 자체가 여러 가지 주파수의 방해를 유기하여 가장 가까운 주변에 방출한다.

그리하여, 비선형적 I-U 특성, 짧은 응답시간, 그리고 매우 많은 양의 에너지를 흡수할 수 있는 능력과 같은 성질을 가진 부품을 사용하여야만 ESD와 전압스트로크에 대하여 보호할 수 있다. 그러한 특성은, 제너다이오드, 다층 산화아연 다결정 다이오드(바리콘-Varicon), 배리스터(Varistor), 그리고 배리스터 특성 또는 자기제한 브레이크스루 성질(self-limited breakthrough)을 가지는 콘덴서와 같은 엘리먼트가 가지고 있다.

주파수방해에 대한 보호를 위한 가장 간단한 엘리먼트는, 고주파의 경우 100 nF, 저주파 또는 라디오 주파수의 경우 2,000 nF까지의 정전용량을 가지는 콘덴서이다.

결과적으로, 상기 바람직하지 않은 현상으로부터 보호하기 위해서는, 그러한 보호용 부품들이 비선형적 I-U 특성, 짧은 응답시간, 매우 많은 양의 에너지를 흡수할 수 있는 능력 및 10에서 2,000 nF까지에 걸쳐 조절가능한 정전용량과 같은 성질을 모두 갖추어야 한다. 그 외에 기존 제품보다 더 작아야 하고 단자리드선에 의해 표면실장을 할 수 있어야 한다.

본 발명의 주제인 다기능 부품은 그러한 성질을 정확히 갖추고 있다.

(종래기술)

가장 비싼 해결책, 말하자면 2개의 독립된 엘리먼트를 전기적으로 병렬연결하여 사용하는 것, 즉 제너다이오드를 콘덴서 또는 배리스터-콘덴서와 결합하여 사용하는 것외에, 다른 몇몇의 해결책이 현재 존재하는데 그 중의 하나가 유럽특허 418394A에 기술된 바와 같은 배리스터성질을 가진 콘덴서이다. 상기 콘덴서는 SrTiO₃로 만들며, 높은 비유전율(dielectric constant)

(ε ≻ 20,000)

값을 가지고 있다. 다층제조기술은 상대적으로 작은 부피에 넓은 범위의 정전용량(10-2,000 nF)을 갖게 한다. 그러나, 그것의 최악의 측면은 불량한 배리스터 특성과 낮은 값의 비선형성계수, 소프트 니(soft knee)와 높은 누설전류, 높은 값의 브레이크스루 온도계수와 매우 좁은 범위의 동작 전압이다. 더욱이, 그러한 엘리먼트를 제조하는 재료와 생산기술이 매우 비싸다. 미합중국 특허제5,146,200호에 다층 칩 배리스터와 다층 칩 콘덴서의 사이의 하이브리드 본드가 개시되어 있다. 이들 두 엘리먼트의 물리적 접합은 접착제에 의해, 전기적 병렬연결은 납땜에 의해 이루어진다.

미합중국 특허 제4,729,058호에 기술된 자기제한 다층 콘덴서 그리고, 다층 산화아연 다결정 다이오드(바리콘 다이오드)와 같은 부품은 매우 비선형적인 특성, 그리고 실제부피에서 100 nF에까지 이르는 높은 자기용량(self capacitance)를 가진다. 그렇게 하여 이들 상기 두 부품들은 ESD와 전압스트로크로부터 보호하고 높은 주파수방해를 효과적으로 여파(filter)하지만 낮은 주파수 방해는 그러하지 아니하다.

본 발명의 다기능부품은 다음과 같은 사실에 기초를 두고 있다:

- 자기제한 다층 콘덴서와 바리콘 다이오드는 4 내지 150볼트의 전압범위내

에서 전압스트로크와 ESD로부터 효과적으로 보호해주는 성질을 갖고 있다.

- 현재 상용화된 칩 콘덴서 부피는 작지만 매우 높은 정전용량을 갖고 있다.

- 두 부품은 유사한 형상과 부피를 가지고 있다.

본 발명은 저온스코칭(scorching)이 전기적으로 서로 병렬연결된 두 개의 독립된 엘리먼트로부터 단일체 엘리먼트를 만들어낼 수 있는 가능성을 제공하며, 이 신규한 엘리먼트는 두 개의 독립된 엘리먼트의 기능을 변화되지 않은채로 가지고 있다.

상술한 바와 같이, 두 개의 독립된 부품이 하나의 새로운 부품을 만들어 내는데 사용된다. 그 중의 하나는 양호한 ESD 보호성능과 전압스트로크에 대한 양호한 보호성능을 제공하여야 한다. 이러한 요구사항을 충족시키기 위하여, 자기제한 콘덴서 또는 바리콘 다이오드를 사용할 수 있으며, 이들은 모두 보호용부품으로서의 우수한 성질을 가지고 있다.

제2의 부품만이, 높은 또는 낮은 주파수방해에 대하여 성공적으로 보호하는데 필요한, 바람직한 값에 이르기까지 바리콘 다이오드 또는 자기제한 콘덴서의 높은 자기용량을 완성시킨다. 이러한 목적을 위해 다층 세라믹 콘덴서를 사용하는 것이 바람직하다.

세라믹 콘덴서는 2,000 nF에 이르기까지 바람직한 정전용량을 제공하고, 바리콘다이오드 또는 자기제한 콘덴서와 유사한 형상과 부피로 제조된다.

접합할 두 엘리먼트는 동일한 평면칫수(나비와 길이)를 가져야 하며, 그들의 가장 큰 측면은 동일해야 한다.

도1은 바리콘 다이오드칩(1)과 콘덴서칩(2)을 각각 보여준다. 도1에 도시된 바와 같이, 두 부품은 동일한 형상, 동일한 평면칫수를 가지며, 가장 짧은 측면에는 외부 은전극(3)(4)이 있는데, 이들은 두 개의 독립된 부품의 전기적 점검을 하도록 형성된다. 두 칩사이의 물리적 접합은, 두 전극(5)사이의 칩의 전체구역을 덮도록, 현탁액을 바리콘 다이오드 또는 콘덴서의 두 개의 가장 큰 구역중 하나에만 공급하여 이루어진다. 현탁액은 500°∼ 600℃사이의 유리용융(glassification)온도를 가지는 저온 고저항유리(frite :프릿)의 분말, 결합제 및 용제로 구성되는데, 이들은 유리(프릿)로 하여금 인쇄, 브러쉬, 기타 다른 방법으로 칩표면에 위치하게 한다. 칩표면에 덮여진 현탁액막의 두께는 10∼500㎛ 사이이다. 현택액을 도포한 후 즉시, 현탁액이 도포되지 않은 다른 칩의 가장 큰 측면을, 도2와 같이 가장자리가 모두 정맞으며, 외부 전극(3)(4)들이 정열되고 칩의 양측면이 가지런히 포개지도록, 현탁액을 도포한 칩의 현탁액도포측면에 위치시킨다. 중간유리층을 가지는 두 개의 칩은 샌드위치구조가 된다. 위와 같이 위치한 칩들은 500°∼ 800℃사이의 온도로 가열된다(scorched). 결합제와 용제는 낮은 온도에서 날라가버리므로, 유리만이 칩(1)(2)사이에 남는다. 일정한 온도가 되면 유리가 액화되어 두 부품의 체내로 확산된다. 확산두께는 유리가 내부전극깊이까지 확산되지 않도록 하기 위해 유리용융파라미터(시간과 온도)에 의해 조절할 수 있다. 일정 온도범위내에서 유리는 냉각후에 양호한 기계적 특성, 열 및 절연 특성을 가지는 얇은 비정질층으로 변한다. 유리층은 두 개의 칩안으로 확산되기 때문에 두 개의 칩 모두와 매우 양호하게 접합된다. 그렇게 함으로써, 유리층에 의해 양측 엘리먼트 사이에 매우 양호한 기계적 결합이 이루어지며, 두 엘리먼트사이의 표면은 전혀 유공성(porosity)이 아니다. 그러므로, 유리에 의해 두 개의 독립된 엘리먼트를 가지는 하나의 단일체 엘리먼트가 만들어진다고 말할 수 있다.

두 개의 칩의 외부전극이 물리적으로 접촉되어 있지만, 그들 사이에 신뢰할만한 전기적 연결이 이루어졌다고 하기 어렵다. 그러므로, 그처럼 형성된 합성단일체를, 그 작은 양측 측면을 Ag 또는 AgPd 페이스트내에 일정한 깊이로 밀어넣음으로써, Ag 또는 AgPd로 계속적으로 금속피복하여 연속된 외부 전극(6)을 만들며, 두 개의 칩은 모두 양쪽 외부전극에 의해 동시에 접촉되어 있다. 페이스트가 550°∼ 850℃로 가열된 후에 바리콘다이오드와 세라믹 콘덴서 사이의 신뢰할 수 있는 전기적 접촉과 전기적 병렬연결이 이루어진다.

AgPd가 전극용 페이스트로 사용되면, 본 발명의 다기능 보호용 부품은 표면장착에 적합하다.

단자리드선을 가진 부품이 필요하면, Ag 페이스트로 다시 금속입히기 작업을 할 수 있다. 그렇게 얻어진 부품은 단자리드선 사이에 놓고, 납땜공정에 의해 외부 전극과 단자리드선을 야금학적으로 그리고 전기적으로 연결한다. 에폭시 레진내에 다시 몰딩하면 단자리드선을 갖춘 통상적인 형상의 부품이 만들어진다.

자기제한 콘덴서와 바리콘 다이오드를 일측에 그리고 다층 콘덴서를 타측에 위치시켜서, 다양한 다기능 보호용 부품을 상술한 기술을 이용하여 만들었다. 그 결과의 일부를 표 1에 도시하였다.

표1

칩 칫수(mm)	Un(V)	α1-10mA	I_max(8/20 ㎲)(A)	C(1kHz)(nF)
3.2×2.5	4	32	50	33
	15	29	100	33
	22	28	250	47
5.7×5.0	27	28	500	1000
	27	27	1000	680
	33	35	2000	470
	33	35	2000	1500

Un - 1 mA 브레이크 다운 전압

α - 비선형성 계수

I_max- 더 높은 임펄스전류(제품에 영향없음)

C - 1KHz값에서 측정한 정전용량

Claims

비전도성 얇은 유리층에 의해 서로 연결되는, 다층 산화아연 다결정 다이오드와 그리고 다층 세라믹 콘덴서 또는 다층 자기제한 콘덴서와 다층 세라믹 콘덴서의 두 개의 칩으로 구성되어, 2차적 금속피복 그리고 완성품의 공통외부 전극에 의해 두 개의 칩사이의 전기적 병렬연결이 이루어져서, 전압스트로크와 주파수방해로부터 동시에 보호해주는 것을 특징으로 하는, 다기능 보호용 부품.
제1항에 있어서, 두 개의 다른 칩부품에 의해 구성되고, 두 개의 칩이 동일한 형상과 평면칫수를 가지며 외부전극이 서로 접촉하면서 정렬되어, 두 개의 칩이 상호작용하는 보다 큰 측면사이에 존재하는 얇은 유리층이 유리용융과정에서 두 칩의 체내로 확산되어 두 칩사이에 기계적 연결이 이루어진 것을 특징으로 하는, 다기능 보호용 부품.
제1항에 있어서, 기계적으로 연결된 두 칩사이의 전기적 병렬연결이 코팅과 완성품의 Ag 또는 AgPd로 된 공통외부전극의 스코칭(scorching)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 다기능 보호용 부품.
제1항에 있어서,

ㄱ) 고저항 저온유리의 현탁액을 하나의 칩의 가장 큰 표면에 도포하는

단계와,

ㄴ) 샌드위치 구조를 형성하여 칩들을 가지런히 정리하는 단계와,

ㄷ) 500°∼ 850℃ 사이의 온도범위에서 저온스코칭하는 단계와,

ㄹ) Ag 또는 AgPd로 외부 전극을 형성하여 스코칭하는 단계를,

중요한 단계로 하는 공정에 따라 만들어지는 것을 특징으로 하는, 다기능 보호용 부품.
제4항에 있어서, 현탁액 형태로 10-500 ㎛의 두꺼운 층을 이루는 고저항 저온 유리프릿이 프린팅, 브러시, 기타 방법에 의해 한쌍의 칩중 오직 하나의 칩의 한쪽 넓은 구역에만 공급되어 두 개의 외부 전극사이의 칩의 전구역에 도포되는 것을 특징으로 하는, 다기능 보호용 부품의 제조방법.
제4항에 있어서, 코팅된 칩을 다른 칩위에 얹어서 샌드위치형태로 하여, 그 사이에 유리층을 개재시켜서 모든 가장자리를 서로 가지런히 맞추고 외부 전극들이 서로 접촉되도록 정리하는 것을 특징으로 하는, 다기능 보호용 부품의 제조방법.
제4항에 있어서, 두 개의 칩과 그 사이의 얇은 유리층으로 구성된 샌드위치형태가, 용제와 결합제가 유리층으로부터 제거된 후에, 500°∼ 850℃의 범위내의 온도로 스코칭되는 것을 특징으로 하는, 다기능 보호용 부품의 제조방법.
제4항에 있어서, 두 개의 엘리먼트에 의해 구성된 단일체 칩의 작은 측면이 완성품의 공통외부전극을 만들기 위해 Ag 또는 AgPd 페이스트에 의해 금속피복되고, 550°∼ 850℃ 사이의 온도에서 스코칭되는 과정에서 공통전극이 기본 엘리먼트인 두 칩사이에 전기적 병렬접속을 만드는 것을 특징으로 하는, 다기능 보호용 부품의 제조방법.