CN101162619A - 过电压保护元件的材料、过电压保护元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种过电压保护元件的材料和使用所述材料制造的过电压保护元件。所述材料包含：一非导体粉末；一金属导体粉末；和一黏结剂。所述过电压保护元件包含：一第一电极；一第二电极；和一多孔结构，其连接在所述第一电极与一第二电极之间。本发明还涉及一种制造所述过电压保护元件的方法。本发明还涉及一种调整过电压保护元件的崩溃电压的方法。

Description

过电压保护元件的材料、过电压保护元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种过电压保护元件的材料与结构。本发明还涉及一种制造所述过电压保护元件的方法。

背景技术

一般过电压保护元件，在正常状态下与希望保护的系统并联，并呈现高阻抗状态连接地线。而在不正常的电荷进入所述元件时(过电压产生)，瞬间由高阻抗转变成低阻抗，而将此不正常的入侵能量导入地线。

瞬间由高阻抗转变成低阻抗，也称作元件作动。当时观察到的电压，称作崩溃电压(breakdown voltage)，也称作触发电压(trigger voltage)。

尖端放电原理，是电荷从一个导体，跳跃到另一个导体，通常触发电压随着两个导体的间距(gap)缩小而降低。

气体放电管(gas tube)是一种常见的过电压保护元件：让过电压能量，在一电极表面产生尖端放电现象，而通过特定气体，通常是氩气，导入地线，也就是所述电极表面与地线之间为一中空气室。放电动作的触发电压视所述电极与地线的间距而定。一般来说，间距越小，越容易放电，此时观察到的触发电压越小。如果间距过大，那么所述电极需要累积的电荷要越多，才会放电，所以放电时观察到的触发电压越大。由于元件与希望保护系统呈现并联状态，所以一般希望放电时的触发电压越小越好，然而气体放电管的放电间距都是以毫米(mm)为单位，而且只有一个放电点，因此作动时的触发电压都很高。同时此种元件作动时，外观不可以出现「火花」，因此必须让放电的电弧包覆在一定空间内，所以必需将尖端与地线以圆管等各种形状的容器密闭起来，且因为放电会产生热，因此所述密闭容器通常需要具有不小的体积以利于散热，因此所述元件很难将其芯片(chip)化，对现代化轻薄短小的设计，显然难以采用。

然而利用尖端放电原理的保护元件，与其它过电压保护元件最大不同是，放电时两个电极之间为一个中空状态。所述中空状态，可以是真空，也可以是气体。能量由尖点释放，通过所述中空而进入地线，不论作动几次，几乎没有材料寿命的问题。而观察市面上已经商品化的其它类型的保护元件，例如二极管和氧化锌(ZnO)变阻器等，其主要成分多是半导体或半导体氧化物，由于能量必须进入半导体或半导体氧化物内，经过多次作动后，常会发现击穿、阻抗降低、漏电流上升或短路的现象，因此造成使用寿命的限制。

现有技术1(本案申请人的中华民国专利公告号第253881号案)利用精密加工，使得两个相对电极之间形成5到30μm之间的电极间隙，也就是放电间距在5到30μm之间。而使放电能量从一端电极，通过中空气室放电到另一端的电极。此方法等于是气体放电管的缩小版，但是生产时需要精密的加工或控制，使每一个元件的电极间间隙在设计的的范围内，因此存在其设备上的成本与电极间隙的限制。

现有技术2(本案申请人的中华民国专利公告号第475183号案)以具有P-N界面的材料作为主要基础基质。因此所制成的元件材料结构中有P-N混和的界面，部分放电能量会通过所述界面，也就是进入此基础基质的材料内部，因为不是所有具有P-N界面的材料，可以承受放电能量，所以寿命较短的疑虑，必须依靠额外的成本，开发所述基础基质材料。

基本上所述粉体材料具有P-N界面，因此不属于「非导体」材料。

现有技术3(本案申请人的美国专利第6,645,393号案)与现有技术2类似，以氧化锌变阻器材料取代具有P-N界面的材料，因此其特色已在前文中描述。而实际制作所述元件，可以观察到由于氧化锌的熔点约1700℃，在经过长时间与多次放电冲击后，所述氧化锌材料有时会被击穿而熔化。

基本上氧化锌变阻器材料具有非线性阻抗(non-linear resistance)且属于可变电阻材料(variable resistor)，因此也不属于本发明的「非导体」材料。

现有技术4(美国专利第5,068,634号案)揭示的材料结构为导体粉末分散在绝缘的黏结剂(binder)中，且导体粉末完全被黏结剂包覆，导体粉末之间被黏结剂所隔开。其放电的机制是控制于导体间，也就是完全包覆住导体之外的那一层黏结剂的厚度，来决定放电电压的大小。这种方法所得到的电流-电压曲线(I-V curve)如图1所示。

与传统变阻器相同，其放电能量一定会经过两个导体之间的黏结剂，而黏结剂必须承受所述放电能量，因此所述黏结剂有可能被烧毁，而使得原来绝缘两个导体的功能丧失，造成元件短路。

现有技术5(美国专利第4,726,991号案)。所述专利所揭示的材料，是在导体或半导体粉体表面完整被覆(coating)一层绝缘层，利用控制绝缘层的厚度来调整放电电压。此绝缘层的厚度小于数百原子径(angstroms)的厚度，此种材料结构在实用上具备一些缺点。首先，绝缘层的厚度仅在数百原子径内，此厚度控制的制程困难度相当高。当被覆的绝缘层太薄时，造成元件短路；当绝缘层的厚度稍厚实，却又会提高触发电压。这是使用绝缘层被覆在导体或半导体粉体表面的缺点。

现有技术6(美国专利第5,294,374号案)的材料结构为导体粉末被覆一层绝缘层，与没有被覆粉末的半导体的混和物，其被覆厚度介于70原子径与1微米之间，其被覆材料可以用半导体。基本上，这些材料都是以绝缘材料或半导体材料阻绝电流的通过，而达高电阻的目的，但被覆层的厚度直接影响元件的触发电压，因此厚度的均匀性十分重要。

各种导体粉末、半导体粉末或非导体粉末均匀混合于含有黏结剂的可变电阻材料，已被发表多篇于美国专利中，其专利号分别为3,685,026、3,685,028、4,977,357、5,260,848、5,393,596和5,807,509等，这些材料的崩溃/触发特性，取决于粉末的组成，而非结构，也就是说，放电的能量，会通过这些粉体内部。因此，其原理不同于本发明所叙述的内容。

发明内容

本发明的一目的是提供一种低制造成本和容易制造的过电压保护元件的材料、使用所述材料制造的过电压保护元件及其制造方法。

本发明的一实施例提供一种过电压保护元件的材料。所述材料包含：一非导体粉末；一金属导体粉末；和一黏结剂。

本发明的另一实施例提供一种制造过电压保护元件的方法。所述方法包含：均匀混和一预定比例的一非导体粉末、一金属导体粉末和一黏结剂以形成一材料膏(paste)；在一衬底上印刷所述材料膏；和将所述衬底进行一烧成处理以产生所述过电压保护元件。

本发明的又一实施例提供一种过电压保护元件。所述元件包含：一第一电极；一第二电极；和一多孔结构，其连接在所述第一电极与所述第二电极之间。

本发明的材料与结构，基本上是将尖端放电原理与气体放电元件的机构微型化，使其具有低触发电压与长寿命的优点，而且可以利用常规的商业化制程，制作成芯片型元件。

根据本发明制成的过电压保护元件，无须使用精密的加工设备，就可以轻易达成5μm以下的电极间距，且放电点数量庞大，大大降低不正常电荷进入系统时所产生的过电压。

本发明的过电压保护元件的材料与其所烧成的结构，由于使用的基础基质属于非导体材料，并没有P-N界面或P粉体与N粉体混和的结构，放电能量只会通过放电点释放，放电能量对于本发明的基础基质来说，没有界面可以破坏。因此利用本发明制成的元件，使用寿命得以提升。

附图说明

图1展示现有技术美国专利第5,068,634号案所揭示的材料结构的电流-电压曲线。

图2展示传输线脉冲(transmission line pulse，TLP)系统的电路图。

图3展示图2的TLP系统的等效电路图。

图4展示使用常规技术高熔点非导体将材料烧结产生的致密的结构或孔隙很少的结构的照片。

图5展示使用本发明的过电压保护元件的材料所烧成的多孔结构的照片。

图6展示本发明的材料与结构的电流-电压曲线。

图7展示本发明的一实施例的过电压保护元件70的前视图。

图8展示图7的过电压保护元件70的侧视图。

图9展示本发明的一实施例的电流-电压曲线。

图10展示本发明的另一实施例的过电压保护元件100的前视图。

图11展示图10的过电压保护元件100的侧视图。

图12展示本发明的另一实施例的电流-电压曲线。

图13展示本发明的又一实施例的电流-电压曲线。

具体实施方式

本发明参看附图以进行更详细叙述，所述附图描述实施本发明的优选实施例。然而，本发明以数种实施例例示，但不应限于所述实施例。

静电放电保护电路中，大多是利用元件在其一次崩溃(first breakdown)区来排放ESD电流。元件在其一次崩溃区内仍不会被损伤。此崩溃区域有其极限存在。此极限就是所谓的二次崩溃(secondary breakdown)的特性，当元件因为外加过压的(overstress)电压或电流而进入二次崩溃区后，元件会造成永久的损坏。因此，二次崩溃点的电流即代表ESD保护元件的ESD承受能力的上限。传输线脉冲(transmission line pulse，TLP)系统就是专门设计来测量元件或集成电路的二次崩溃点特性，和能够在高电压/电流测试下分析元件物理特性的一种特殊测量设备。TLP系统运用了传输线脉冲产生的原理，用以提供单一且不断升高能量的脉冲。其原理和等效电路图如图2和图3所示。先利用高电压产生器23，在开关SW1闭合而开关SW2断开的状况下，经由电阻RH提供一高电压给传输线22。然后，将开关SW2闭合，使充电的传输线22产生脉冲，传给待测元件(device undertest，DUT)21，并在示波器上测量DUT 21的电压电流值。图3为图2的等效电路图。一个固定脉冲宽度t的脉冲产生源31，经由一负载电阻RL提供能量给待测元件21。并在示波器(未图示)上测量待测元件21的电压和电流值。

本发明图6、9、12、13的电流-电压曲线，均是使用图2和图3所示的TLP系统而测得。

本发明的过电压保护元件的材料至少包含：一非导体粉末，其粒径为1到50μm之间；一金属导体粉末，其粒径为0.01到5μm之间；和一黏结剂。所述黏结剂可以是玻璃(glass)和/或聚合树脂(polymer resin)，如果黏结剂为玻璃粉末，那么烧成处理在300到1200℃之间进行，如果黏结剂为聚合树脂，那么烧成处理在室温到600℃之间进行，如果黏结剂为玻璃粉末和聚合树脂，那么烧成处理在300到600℃之间进行。将上述材料均匀混和后，经过烧成(firing)形成具有10μm以下的孔隙的多孔结构。孔隙约占体积的5％到90％之间。金属导体粉末均匀附着在所述非导体表面，呈点状分布。电流利用结构中的金属导体当作传导媒介，以尖端放电的方式连续跳跃，让过电压能量通过具有微间隙放电点材料结构的元件。

而本发明的材料与结构，基本上是将尖端放电原理与气体放电元件的机构微型化，使其具有低触发电压与长寿命的优点，而且可以利用常规的商业化制程，制作成芯片型元件。

本发明的材料烧成成品后呈现多孔结构，而金属导体均匀分布在非导体表面。金属导体间距离在0.1到10μm之间。所形成的多孔结构由非导体粉末堆迭时自然产生堆迭孔隙。结构上的强度，也就是粉体之间的接着力，并非由烧结(sintering)产生，而是利用适当适量的黏结剂接着。

本发明的材料的非导体可以选择高熔点的氧化物或碳化物，由于这种高熔点的非导体，要使所述材料烧结(sintering)致密的结构或孔隙很少的结构，如图4所示的氧化锌变阻器，需要1200℃以上的高温，有时还需要加高压，甚至需要特殊的烧结制程。本发明利用这些非导体的不易烧结的特性，选用适当的玻璃作为粉体与粉体之间的黏结剂，而制作成多孔结构。

例如分解温度在2600℃左右的碳化硅(SiC)，在厚膜(thick film)制程或积层(multilayer)制程惯用的制造温度1200℃以下没有烧结现象，而颗粒与颗粒之间是通过适量且适当的黏结剂黏结固定，而形成多孔(porous)结构。而选择适当特性的黏结剂，并调整用量，使黏结剂不会覆盖住此基础基质与金属导体的所有表面，而形成绝缘的覆膜(insulation coating)。

又例如熔点约2000℃的氧化铝(Al₂O₃)，在厚膜制程惯用的烧成制造温度1000℃以下没有烧结现象，而颗粒与颗粒之间是通过适量且适当的黏结剂黏结固定，而形成多孔结构。选择适当特性的黏结剂，并调整用量，使黏结剂不会覆盖所述多孔结构与金属导体的所有表面而形成绝缘覆膜。

本发明的材料的非导体粉末可以是高温玻璃粉末，例如SiO2含量90％以上的玻璃粉末。所述玻璃粉末的特性，在厚膜制程或积层制程惯用的制造温度1200℃以下依然会保持多孔性结构。

本发明的材料的金属导体粉末，可以是铝(Al)、金(Au)、镍(Ni)、铜(Cu)、铬(Cr)、铁(Fe)、锌(Zn)、铌(Nb)、钼(Mo)、钌(Ru)、铅(Pb)、铱(Ir)、钛(Ti)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)、钨(W)等金属或其混和物，或其合金。这些金属导体粉末均匀附着在所述多孔结构的表面，形成「放电点」也就是尖端放电的位置。而放电间距，也就是各个「放电点」之间的距离是由材料中的金属导体粉末的用量与分散性决定。由于本材料在600到1200℃烧成所形成的放电微间隙多在10μm以下，甚至仅1μm，再加上所提供的单位面积的放电点数目十分庞大，因此要形成放电所须的电压值得以大大降低。

放电过程中，当放电能量接近或接触基础基质表面的放电点时，放电于是产生，而由来源处(source)引导到「放电点」。然后，再由此「放电点」尖端放电到邻近的下一个放电点。如此连续尖端放电，直到另一端的地线。

本发明的过电压保护元件的材料与结构如图5的照片所示，照片中灰色部分为非导体与玻璃，白色部分为金属导体，而黑色部分为孔洞。本发明的材料与结构具有如图6的电流-电压曲线，图中Vt为触发电压，而Vc为箝位(clamping)电压。

本发明的过电压保护元件的崩溃电压的调整，可利用下列方法：

1.调整孔隙度(即孔隙占多孔结构的体积的百分比)，也就是调整非导体粉末的用量、粒径的尺寸和形状。

2.调整金属导体粉末的用量或粒径的尺寸，藉此控制改变均匀附着在所述非导体表面上的金属导体粉末之间的距离。

3.粉末接触状况与程度，也就是粉末粒径与形状和黏结剂(玻璃和/或聚合树脂)覆盖粉末的面积来决定，在玻璃材料方面就是转化点(glass transition temperature)、高温流动性与用量，而聚合材料与其流动性和用量有关。

图7和8是本发明的一实施例的过电压保护元件70的前视图和侧视图，在本实施例中，取重量比10％的Ag粉末、重量比50％的氧化铝粉末、重量比10％的玻璃粉末与重量比30％的乙基纤维树脂溶液，以三滚筒(3-roll mill)混练，形成可以印刷的材料膏75。

在氧化铝衬底71上，先制作一第一电极72与一第二电极73，然后将材料膏覆盖在在电极间隙74和其附近的第一电极71和第二电极73的一部分上。经过850℃的烧成后，本发明的材料75便附着在氧化铝衬底71，第一电极72和第二电极73上。第一电极72与系统的线路相接，而第二电极73与地线相接，形成此元件70与系统(未图示)并联。当异常能量进入所述系统时，便由第一电极72引导到材料75，然后通过材料75内部的微间隙放电，将过电压能量传到第二电极73，接着导入地线。本实施例的电流-电压曲线如图9所示。

图10和11是本发明的另一实施例的过电压保护元件100的前视图和侧视图，在本实施例中，材料膏104与前一实施例的材料膏75成分相同。在氧化铝衬底101上，先制作一第一电极102。然后在第一电极102上，印刷本发明的材料膏104，材料膏104部分附着在电极102上，另一部份附着在氧化铝衬底101上。最后再制作电极103，其部分附着在材料膏104上，另一部份附着在氧化铝衬底101上。经过850℃的烧成后，本发明的材料104便附着在氧化铝衬底101与第一电极102上，而第二电极103则附着在材料104与氧化铝衬底101上。第一电极102与系统(未图示)的线路相接，而第二电极103与地线相接，形成此元件100与系统并联。当异常能量进入系统时，便由第一电极102引导到材料104，然后通过材料104内部的微间隙放电，将过电压能量传到第二电极103，而导入地线。本实施例的电流-电压曲线如图12所示。

本发明的又一实施例取重量比15％的铂粉末、重量比45％的氧化铝粉末、重量比15％的玻璃粉末与重量比25％的乙基纤维树脂溶液，以三滚筒混练，形成可以印刷的材料膏，制作成与上一实施例相同的结构。本实施例的电流-电压曲线如图13所示。

上文已充分揭示本发明的特点和技术内容，所属领域的技术人员可依据本发明的揭示内容和教示而作各种不脱离本发明精神的替代或修改，因此本发明的保护范围不应仅限于所揭示的实施例，而应涵盖这些替代和修改。

Claims (24)

1.一种过电压保护元件的材料，其包含：

一非导体粉末；

一金属导体粉末；和

一黏结剂。

2.根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述非导体粉末的粒径在1到50μm之间。

3.根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述金属导体粉末的粒径在0.01到5μm之间。

4.根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述黏结剂包含一玻璃粉末。

5.根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述黏结剂包含一聚合树脂溶液。

6.根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述黏结剂包含一玻璃粉末和一聚合树脂溶液。

7.根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述非导体粉末为一高熔点的碳化物。

8.根据权利要求7所述的过电压保护元件的材料，其中所述高熔点的碳化物为碳化硅。

9.根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述非导体粉末为一高熔点的氧化物。

10.根据权利要求9所述的过电压保护元件的材料，其中所述高熔点的氧化物为氧化铝。

11.根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述非导体粉末为一高温玻璃粉末。

12.根据权利要求11所述的过电压保护元件的材料，其中所述高温玻璃粉末为一碳化硅含量为90％以上的玻璃粉末。

13.根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述金属导体粉末选自下列金属组成的群组，其混和物或其合金：铝、金、镍、铜、铬、铁、锌、铌、钼、钌、铅、铱、钛、银、钯、铂和钨。

14.一种制造一过电压保护元件的方法，其包含：

均匀混和一预定比例的一非导体粉末、一金属导体粉末和一黏结剂以形成一材料膏；

在一衬底上印刷所述材料膏；和

将所述衬底进行一烧成处理以产生所述过电压保护元件。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述在所述衬底上印刷所述材料膏的步骤包含：

在所述衬底上形成一第一电极和一第二电极；和

在所述衬底上印刷所述材料膏，所述材料膏部分地重迭在所述第一电极和所述第二电极上。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述在所述衬底上印刷所述材料膏的步骤包含：

在所述衬底上形成一第一电极；

将所述材料膏印刷在所述衬底上，所述材料膏部分地与所述第一电极重迭；和

在所述衬底上产生一第二电极，所述第二电极部分地与所述材料膏重迭。

17.根据权利要求14所述的方法，如果黏结剂为一玻璃粉末，那么其烧成处理在300到1200℃之间进行。

18.根据权利要求14所述的方法，如果黏结剂为一聚合树脂溶液，那么其烧成处理在室温到600℃之间进行。

19.根据权利要求14所述的方法，如果黏结剂为一玻璃粉末和一聚合树脂溶液，那么其烧成处理在300到600℃之间进行。

20.一种过电压保护元件，其包含：

一第一电极；

一第二电极；和

一多孔结构，其连接在所述第一电极和所述第二电极之间，其中所述多孔结构是

使用根据权利要求1到13中任一权利要求所述的过电压保护元件的材料进行一烧成处理而产生。

21.根据权利要求20所述的过电压保护元件，其中所述多孔结构的孔隙在10μm以下。

22.根据权利要求20所述的过电压保护元件，其中所述多孔结构的孔隙占其体积的5％到90％之间。

23.根据权利要求20所述的过电压保护元件，其进一步包括一衬底，其中所述第一电极和所述第二电极均附着在所述衬底上并相隔一间隙，并且所述多孔结构附着在部分所述第一电极和所述第二电极上方和所述间隙中。

24.根据权利要求20所述的过电压保护元件，其进一步包括一衬底，其中所述第一电极附着在所述衬底上，所述多孔结构附着在所述衬底和所述第一电极上，且所述第二电极附着在所述衬底和所述多孔结构上方。

Images