CN101071665A - 具有双功能的突波吸收材料 - Google Patents
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Abstract
一种突波吸收材料，以一级、二级和三级分散方法将微米、亚微米及纳米级的导体或半导体微粒分散在以玻璃组成的连续相中，其微观结构包括微米级的导体或半导体微粒分散在玻璃组成的连续相中，两微米级导体或半导体微粒间的连续相有亚微米级的导体或半导体微粒分散于其中，且两亚微米级的导体或半导体微粒间的连续相有纳米级的导体或半导体微粒分散于其间；这种突波吸收材料具有双功能，除具有突波吸收特性外，同时具有电容、电感、压电或热敏的其中一种特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种突波吸收材料，尤指一种除具有突波吸收特性外还兼具电容、电感、压电或热敏其中一种特性的双功能材料。
背景技术
因雷击、开关动作或其它零件损坏所产生的突波或过电压，会直接扰乱或破坏电子元件或其它敏感的电器设备。因此，具备优异突波吸收功能的突波吸收器，目前已广泛被应用于当作电子元件、电子线路或电子设备的过电压或突波保护元件。
此外，将两种不同功能的元件以层积元件制作技术组合成单体结构，是近来的流行趋势。例如，将电感及电容组合成表面黏着型(SMD)的单一元件，就成为具有滤波功能的电感电容滤波器(LC滤波器)。或者，将电阻及电容组合成表面黏着型(SMD)的单一元件，就成为具有滤波功能的电阻电容滤波器(RC滤波器)。
但是，两种不同功能的元件以层积技术构成单体结构的时候，常因不同元件之间的烧结温度及收缩率不相同，易有残留应力存在两种元件之间，而且有剥离及失效的问题。
为了解决上述问题，国际申请WO9821731则提出在晶片制作过程中，在突波吸收器与电容器生胚层之间，加上一层低熔点的玻璃来增加两种材料的结合力量。中国专利申请CN1858995A提出以氧化锌当主原料，利用植入不同添加剂使材料产生具有突波吸收器与电感器的功能，再将两者以层积制作技术制作在一起，经高温烧结使两者形成一体。
另外，甚至有些研究为了降低两种材料烧结过程中，因为互相扩散所引起的电气特性不佳问题，会将成分逐渐变化的隔离层，置放在两种成分之间，以减低不同成分互相扩散造成的电性不佳问题。
然而，前述提出的方法，虽然都可以制造具有多功能的元件，但是其制作过程相对复杂。例如，须在两种制作元件的材料中加入玻璃或是成分缓慢变化的隔离层来提供元件的电性。另外，此种制作过程无法使两种需要不同烧结气氛的元件一起共烧，故产品也无法制造出优良的电气特性。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具有双功能的突波吸收材料制造方法，利用一级、二级和三级分散方式，将微米、亚微米及纳米级的导体与半导体微粒包覆上适当的玻璃相材料，经烧结后具有优良的突波吸收特性，而且选用的玻璃相材料是具有电容、电感、压电或热敏其中一种特性的材料时，这种突波吸收材料就成为除具有突波吸收特性外还兼具电容、电感、压电或热敏其中一种特性的双功能材料，可解决将两种不同特性的材料制成单体结构时所遇到的共烧结问题。
本发明的另一目的是提供一种具有双功能的突波吸收材料，其结构包括具有高电阻的玻璃基材及分散在所述的玻璃基材内部的具有低电阻的微米级、亚微米级及纳米级导体或半导体微粒，且微米级导体或半导体微粒之间，以亚微米级导体或半导体微粒分散于其间，亚微米级导体或半导体微粒之间，以纳米级导体或半导体微粒分散于其间；这种突波吸收材料应用于制作层积元件时，不用考虑材料的共烧结问题，制程相对简单容易。
附图说明
图1是本发明所示的突波吸收材料的微观结构示意图
图2是图1的A区域放大图
图3是图2的B区域放大图
图4是一种层积型晶片突波吸收器的示意图
附图标记：
10……突波吸收材料 11……玻璃基材
12……微米级导体或半导体微粒
14……微米级导体或半导体微粒
16……纳米级导体或半导体微粒
20……层积型晶片突波吸收器
21……陶瓷层 A、B……区域放大图
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明所示的突波吸收材料10的微观结构，包括具有高电阻特性的玻璃基材11及分散在所述的玻璃基材11内部的具有低电阻特性的微米级导体或半导体微粒12、亚微米级导体或半导体微粒14及纳米级导体或半导体微粒16。
其中，微米级导体或半导体微粒12的粒径大于0.1微米(μm)，亚微米级导体或半导体微粒14的粒径介于0.1～0.01微米(μm)，纳米级导体或半导体微粒16的粒径小于0.01微米(μm)。
所述的导体微粒，可选自铂(Pt)、钯(Pd)、钨(W)、金(Au)、铝(Al)、银(Ag)、镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)等金属及其合金的其中一种或以上。
所述的半导体微粒，可选自氧化锌、氧化钛、氧化锡、硅、锗、碳化硅、Si-Ge合金、锑化铟、砷化镓、磷化铟、磷化镓、硫化锌、硒化锌、碲化锌、钛酸锶或钛酸钡的其中一种。
如图1所示，本发明所示的突波吸收材料10，其中玻璃基材11占突波吸收材料10总重量的3～60wt％，而粒径大于0.1微米(μm)的导体或半导体微粒12占40～97wt％。
而且，如图2所示，在本发明所示的突波吸收材料10的微观结构中，分散在玻璃基材11内部的一级分散微米级导体或半导体微粒12之间，是以二级分散的亚微米级导体或半导体微粒14分散于其间，以及，如图3所示，在亚微米级导体或半导体微粒14之间，是以三级分散的纳米级导体或半导体微粒16分散于其间。
因此，本发明的突波吸收材料10的微观结构，是在具有高电阻特性的玻璃基材11内部分散三种不同粒径尺寸的低电阻导体或半导体微粒12、14及16，并利用这种结构使得本发明所示的突波吸收材料10具有突波吸收器的特性。
如图4所示，当一种层积型晶片突波吸收器20的陶瓷层21，是以本发明的突波吸收材料10制成时，因为陶瓷层21为耐高温的玻璃材料，且陶瓷层21的微观结构中有微米及亚微米级导体或半导体微粒12及14存在，故这种层积型晶片突波吸收器20可以耐静电冲击或突波过电压时所产生的高热。更重要的是，在陶瓷层21的内部还含有许多二级分散的亚微米级导体或半导体微粒14及三级分散的纳米级导体或半导体微粒16，而且纳米级导体或半导体微粒16之间的间距极小，受到异常过电压时，会产生隧道效应，故这种层积型晶片突波吸收器20具有极佳的抑制过电压及耐静电能力，且使用寿命极佳。
根据以上所述，本发明所示的突波吸收材料10，除具有突波吸收特性之外，还可利用选用所述的玻璃基材11是电容玻璃态成分、电感玻璃态成分、压电玻璃态成分或热敏玻璃态成分的其中一种，使得本发明的突波吸收材料10还兼具电容、电感、压电或热敏的特性。换言之，本发明的突波吸收材料10是一种具有双功能特性的材料。
本发明的突波吸收材料10制造方法，包括以下步骤：
(1)选择合适的玻璃态成分，使突波吸收材料10的玻璃基材11是具备电容、电感、压电或热敏特性，并利用溶胶-凝胶方法制备这种玻璃态成分的溶胶；
当玻璃基材11是具有电容特性的玻璃态成分时，可选用具有一般电容特性的硅酸盐玻璃、硅铝酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或钛酸钡、钛酸锶、钛酸钙或二氧化钛等高介电常数材料的其中一种；
当玻璃基材11是具有电感特性的玻璃态成分时，可选用具有一般电感特性的Ni-Zn或Ni-Cu-Zn系列电感材料，或是具有高频电感特性的低温共烧多层陶瓷(LTCC)材料；
当玻璃基材11是具有压电特性的玻璃态成分时，可选用具有压电特性的压电材料，例如钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(PZT)或钛锆镧酸铅(PLZT)系列压电材料；
当玻璃基材11是具有热敏特性的玻璃态成分时，可选用具有一般热敏特性的热敏材料，如具有负温度系数(NTC)特性的Mn-Ni或Mn-Co-Ni系列热敏材料及具有极限温度电阻体(CTR)特性的V-P-Fe系列热敏材料。
(2)将纳米级金属微粒或半导体微粒均匀分散于步骤(1)的玻璃组成的溶胶中；
其中纳米级微粒的粒经小于0.01微米(μm)，可以是铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)、铜(Cu)等金属导体微粒；也可以是碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO2)、氧化锡(SnO2)、钛酸锶(SrTiO3)、钛酸钡(BaTiO3)等半导体微粒。
(3)将亚微米级的半导体微粒或导体微粒均匀拌入步骤(2)分散有纳米级的金属微粒或半导体微粒的溶胶中。
(4)将微米级的半导体微粒或导体微粒均匀拌入步骤(3)分散有纳米及亚微米级的金属微粒或半导体微粒的溶胶中。
(5)将完成步骤(4)的溶胶经过干燥和适当温度煅烧(小于1000℃)后，再磨细成复合粉料，即制得本发明的突波吸收材料10。
本发明的突波吸收材料10具有突波吸收特性及具有电容、电感、压电或热敏的其中一种特性。因此，使用本发明具有双功能的突波吸收材料10来制备成各种元件时，应先考虑元件除具有突波吸收特性之外，还要考虑元件要具备电容、电感、压电或热敏的其中哪一种特性。
例如，当本发明的突波吸收材料10是一种兼具突波吸收特性及电感特性的材料时，这种突波吸收材料10可应用于单纯制成突波吸收器，也可制成兼具防电磁波干扰(EMI)及防静电(ESD)的滤波元件。而且，这种滤波元件的材料本身具有优异的突波及静电吸收能力，即使承受多次的静电及突波冲击后，还是能维持原来的特性。
以上所揭示的内容，是本发明较佳的具体实施例，所有与本发明的发明目的与所能达到的效果，是构成所谓的等效或等同，且属于本领域技术人员能够轻易完成的简易修改、修饰、改良或变化，都不脱离本发明的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1、一种突波吸收材料，包括具有高电阻的玻璃基材及分散在所述的玻璃基材内部的具有低电阻的微米级、亚微米级及纳米级导体或半导体微粒，其特征在于，所述的玻璃基材占材料总重量的3～60wt％及粒径大于0.1微米的导体或半导体微粒占40～97wt％；且微米级导体或半导体微粒之间，以亚微米级导体或半导体微粒分散于其间，亚微米级导体或半导体微粒之间，以纳米级导体或半导体微粒分散于其间。
2、如权利要求1所述的突波吸收材料，其特征在于，微米级导体或半导体微粒的粒径大于0.1微米，亚微米级导体或半导体微粒的粒径介于0.1～0.01微米，纳米级导体或半导体微粒的粒径小于0.01微米。
3、如权利要求1或2所述的突波吸收材料，其特征在于，所述的玻璃基材是选用以电容玻璃态成分、电感玻璃态成分、压电玻璃态成分或热敏玻璃态成分的其中一种成分制成。
4、如权利要求3所述的突波吸收材料，其特征在于，所述的电容玻璃态成分选自包括具有电容特性的硅酸盐玻璃、硅铝酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或钛酸钡、钛酸锶、钛酸钙或二氧化钛高介电常数材料的其中一种。
5、如权利要求3所述的突波吸收材料，其特征在于，所述的电感玻璃态成分选自具有电感特性的Ni-Zn或Ni-Cu-Zn系列电感材料或具有高频电感特性的低温共烧多层陶瓷LTCC材料。
6、如权利要求3所述的突波吸收材料，其特征在于，所述的压电玻璃态成分选自具有压电特性的钛酸钡BaTiO3、锆钛酸铅PZT或钛锆镧酸铅PLZT系列压电材料。
7、如权利要求3所述的突波吸收材料，其特征在于，所述的热敏玻璃态成分选自具有负温度系数NTC特性的Mn-Ni或Mn-Co-Ni系列热敏材料及具有极限温度电阻体CTR特性的V-P-Fe系列热敏材料。
8、如权利要求3所述的突波吸收材料，其特征在于，所述的导体微粒选自铂(Pt)、钯(Pd)、钨(W)、金(Au)、铝(Al)、银(Ag)、镍(Ni)、铜(Cu)及其合金的其中一种或以上。
9、如权利要求3所述的突波吸收材料，其特征在于，所述的半导体微粒为氧化锌、氧化钛、氧化锡、硅、锗、碳化硅、Si-Ge合金、锑化铟、砷化镓、磷化铟、磷化镓、硫化锌、硒化锌、碲化锌、钛酸锶或钛酸钡的其中一种或以上。
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