CN101527195A - 可变阻抗材料 - Google Patents

Abstract

一种可变阻抗材料包含高导电磁粉末及绝缘粘结物。高导电磁粉末的含量可介于所述可变阻抗材料重量的10％到85％之间，绝缘粘结物的含量可介于所述可变阻抗材料重量的10％到30％之间。将包括羰基金属的粉末(如羰基铁粉或羰基镍粉)加入可变阻抗材料中，不仅能抑制过电压，且能耗散瞬时电流。相比传统静电放电保护装置使用的材料，使用羰基金属的高导电磁性的金属粉末能减少放电并降低元件的触发电压，且其高导电磁特性也能吸收会造成信号损坏和数据损失的电磁辐射。

Description

可变阻抗材料

技术领域

本发明涉及一种可变阻抗材料，明确地说涉及一种包含能降低瞬间的高压对电子产品造成损害的高导电磁性金属粉末。

背景技术

集成电路接受外部的电源供应与待处理的输入信号，并输出处理后的信号。明确地说，由于集成电路的输入端是直接连接于输入级开关的栅极，因而相当容易受到损害。当集成电路通过手动夹持或自动设备而焊接于电路板上时，易受损害的输入端及输出端即可能受到静电放电而损害。例如，人体可经由静电予以充电后再经由输入端对半导体元件的集成电路进行放电。

自动组装机台或测试机台的工具也可能被充电后再经由集成电路的输入端对半导体元件的集成电路进行放电。随着半导体技术不断演进，半导体元件的线宽也随之缩小，对抗静电放电的保护机制的需求也随之显现。集成电路元件大多配置静电放电(electrostatic discharge，ESD)保护机制以避免过高的输入电流，例如配置电阻元件于输入端，从而限制输入电流。

US 6,642,297揭示一种可提供过电压/过电流保护的组合物，其包含绝缘粘结剂、掺杂半导性粒子以及导电性粒子。所述组合物在正常操作电压时具有高电阻，但在承受瞬时过电压事件时即切换到低电阻状态且在所述过电压瞬时事件中限制所述过电压到较低水平。

US 6,013,358揭示一种过电压保护元件，其使用钻石锯在接地导体与另一导体间形成间隙。所述过电压保护元件的衬底材料可选自特定陶瓷材料，其密度小于3.8g/cm³。

US 5,068,634揭示一种过电压保护元件及材料，其通过将导电粒子均匀地分散于粘结剂中，使得电压保护材料具有非线性的电阻特性。非线性的电阻特性取决于粒子在粘结剂内的间距及粘结剂的电特性。通过调整导电粒子的间距，非线性材料的电特性可在一大范围内予以改变。

US 6,498,715揭示一种堆叠式低电容过电压保护元件，包含衬底、设置于衬底上的导电性下电极、设置于所述导电性下电极上的电压敏感材料以及设置于所述电压敏感材料上的导电上电极。

US 6,645,393揭示一种可抑制瞬时电压的材料，包含二种均匀混合的粉末，其中一种粉末具有非线性电阻特性，另一种粉末为导电粉末。导电粉末分散于具有非线性电阻特性的粉末中以降低元件的整体非线性电阻特性，即降低元件的崩溃电压。

除了ESD外，电子元件也极易受电磁辐射的影响，特别是对数字计算装置的影响更大。数字计算装置中包含非常多以极高速度来开关及传输信号的晶体管，而其操作的结果是产生了可观的电磁辐射量。散逸的电磁辐射可能导致错误的晶体管开关状态、信号损坏和数据损失。

目前有许多可用来保护电子元件免于受电磁辐射影响的技术。其中，以金属制的外壳作为防护是一种广为人知的方法，其是通过高导电表面以反射的方式来阻挡电磁辐射。然而，金属制的外壳不仅昂贵，而且通过反射来达到防护的效果常因缺少让辐射耗散的能力而造成逸漏。欧洲专利公开号第EP0550373号揭示一种内部中间层的结构，其是以具较高的导磁性及具较低的导电性的材料所制成。在受到电磁辐射的影响时，所述中间层将吸收大部份的电磁场能量。与高导电材料相比较，高导磁性与低导电性的材料在吸收辐射方面表现出更有效率。

高频的接收与发射装置中，静电与电磁耦合效应的产生是常见的。美国专利US5,565,878揭示一种设置于玻璃窗片上的环状保护金属图样，其是为在所述环状保护金属图样与玻璃窗片外围的导电体之间产生强烈静电与电磁耦合而设置于玻璃窗片上。

美国专利US 6,058,000揭示一种电磁干扰与ESD防护的方法。所述发明方法教示以具防护导体表面的外壳、内部防护导体平面、用于连接所述防护导体表面与所述防护导体平面的导体连接器、使电磁信号得以穿过所述防护导体平面的信道、滤波电路以及静电箝位电路等的构成来实现电磁干扰与ESD防护。电磁防护的实现手段则有：对输入信号进行滤波、将频宽不符需求的信号电连接到防护势垒，以及将电压不符需求的信号电连接到防护势垒等。而其中，发明中的防护导体平面与接地平面在结构设计上是分开的。

电磁与ESD防护的应用专利有WO/1996/028951“具静电放电防护的植入装置”。所述专利述及到一小部份的耳蜗装置失效的情形，而其中，有数个装置内的与接收信息有关的元件受到高压电击而损坏。在实验室中，曾进行数次的相关实验，试图在其它耳蜗装置上重复类似的失效情形。明确地说，植入装置浸泡于仿体液和组织的生理食盐水中，且其因在高电磁场强度的影响下导致ESD的产生。由此得知，要防护装置遭受电击的破坏，不仅应注意到ESD方面的防护，而且也要注意到电磁场方面的影响。

商升特公司(SEMTECH CORPORATION)所出版的使用指南SI97-01中，叙述如何使用瞬时电压抑制(Transient Voltage Suppression，TVS)元件来保护装置不受ESD的损害。所述指南中指出，在同轴连接器的屏蔽上所发生的静电放电，会导致电磁波穿越收发器电路板接口而到达电路板上。此电磁波是沿连接所述屏蔽与主机板接地平面(Groud Plane)之间的导线来传递。电路板导线的电感效应则会在碰撞检测侦听(Collision Detect Sense，CDS)接脚上产生高于1.5kV的电压电位。此等级的电压过载会破坏收发器芯片的绝缘。同样地，在导体流动的电流脉冲，会对电路板上位于其附近的其它元件产生因电磁耦合而发生的电性瞬变。TVS二极管即是被设计用来将此瞬时电流从受保护的以太网络收发器分流出来。TVS二极管可同时抑制过电压和将瞬时电流分流。然而，高单价以及缺乏耗散能力是TVS二极管的主要缺点。

发明内容

本发明提出一种包含导电粉末、半导体粉末及绝缘粘结物的可变阻抗材料，其在低施加电压状态呈现高电阻特性，但在高施加电压状态则呈现低电阻特性。

本发明的可变阻抗材料包含导电粉末、半导体粉末及绝缘粘结物。导电粉末的含量可介于所述可变阻抗材料重量的10％到30％之间，半导体粉末的含量可介于所述可变阻抗材料重量的30％到90％之间，绝缘粘结物的含量可介于所述可变阻抗材料重量的3％到50％之间。所述可变阻抗材料在低施加电压状态呈现高电阻特性，但在高施加电压状态则呈现低电阻特性。将所述可变阻抗材料设置于过电压保护元件的导体之间的间隙，所述过电压保护元件的整体即具有在低施加电压时呈现低电阻并在高施加电压时则呈现低电阻的电特性。

本发明也提出一种包含高导电磁粉末的可变阻抗材料，其可降低元件的触发电压，并且在低施加电压状态呈现高电阻特性而在高施加电压状态则呈现低电阻特性。

本发明的可变阻抗材料包含高导电磁粉末及绝缘粘结物。高导电磁粉末的含量可介于所述可变阻抗材料重量的10％到85％之间，绝缘粘结物的含量可介于所述可变阻抗材料重量的10％到30％之间。

在可变阻抗材料中加入包括羰基金属的粉末(例如羰基铁粉或羰基镍粉)不仅能抑制过电压，且能耗散瞬时电流。相比传统静电放电装置使用的材料，使用羰基金属的高导电磁性的金属粉末能降低元件的触发电压，而且其高导电磁特性也能吸收部份会造成信号失真和数据错误的电磁辐射。

在本发明的实施例中，所述可变阻抗材料在低施加电压状态呈现高电阻特性，但在高施加电压状态则呈现低电阻特性。通过将所述可变阻抗材料设置于过电压保护元件内两导体之间的间隙，所述过电压保护元件的整体即具有在低施加电压时呈现高电阻并在高施加电压时则呈现低电阻的电特性。

上文已经概略地叙述本发明的技术特征及优点，使得下文的本发明具体实施方式得以获得较佳了解。构成本发明的权利要求书标的的其它技术特征及优点将描述于下文。所属领域的技术人员应可了解，下文揭示的概念与特定实施例可作为基础而相当轻易地予以修改或设计其它结构或工艺而实现与本发明相同的目的。所属领域的技术人员也应可了解，这类等效的建构并无法脱离随附权利要求书所提出的本发明的精神和范围。

附图说明

图1到图5例示本发明第一实施例的过电压保护元件；

图6例示本发明第二实施例的过电压保护元件；

图7例示过电压保护元件与负载并联电路示意图；

图8是本发明的可变阻抗材料的电阻与施加电压的关系图；

图9显示本发明第一实施例的过电压保护元件承受瞬时电压时的响应；

图10例示本发明第三实施例的过电压保护元件；以及

图11显示本发明的第三实施例的过电压保护元件承受瞬时电压时的响应。

具体实施方式

图1到图5例示本发明第一实施例的过电压保护元件10。参考图1，形成电极结构20于衬底12上，衬底12可由绝缘材料(例如塑料材料)构成，也就是说衬底12可为塑料衬底，且具有上表面12A及下表面12B。电极结构20包含第一非矩形导体14、第二非矩形导体16、第一侧边电极22以及第二侧边电极24。第一非矩形导体14具有设置于上表面12A的第一凸部14A，第二非矩形导体16具有设置于上表面12A的第二凸部16A，第一侧边电极22设置于衬底12的一侧边且连接于第一非矩形导体14，第二侧边电极24设置于衬底12的另一侧边且连接于第二非矩形导体16。

此外，电极结构20另包含第一导电件22′及第二导电件24′，其可为电镀金属层或导电通孔。第一导电件22′夹设于衬底12与第一侧边电极22之间，第二导电件24′夹设于衬底12与第二侧边电极24之间。优选地，第一凸部14A与第二凸部16A中的一者是锥状凸部，其具有渐缩的宽度。第二凸部16A面向第一凸部14A以形成介于二者之间的放电通路18。

优选地，第一非矩形导体14与第二非矩形导体16是呈梯形且以镜相方式设置于衬底12上。明确地说，第一非矩形导体14的外形可不同于第二非矩形导体16。第一凸部14A具有第一平缘14B，第二凸部16A具有第二平缘16B，且第二平缘16B面向第一平缘14B。

参考图2，其是图1的电极结构20的剖示图。第一凸部14A与第二凸部16A的上端的宽度大于中段的宽度，也就是说第一凸部14A与第二凸部16A具有非均匀的厚度。因此，相比中段处，第一凸部14A与第二凸部16A在上端处彼此较靠近，因此放电通路18形成于第一凸部14A上端与第二凸部16A上端之间。

参考图3，可变阻抗材料26形成于第一凸部14A与第二凸部16A之间。可变阻抗材料26可包含导电粉末、半导体粉末及绝缘粘结物。导电粉末的含量可介于可变阻抗材料重量的10％到30％之间，半导体粉末的含量可介于可变阻抗材料重量的30％到90％之间，绝缘粘结物的含量可介于可变阻抗材料重量的3％到50％之间。

优选地，导电粉末可选自由铝、银、钯、铂、金、镍、铜、钨、铬、铁、锌、钛、铌、钼、钌、铅及铱组成的群组中的一者，半导体粉末可包含氧化锌或碳化硅，绝缘粘结物包含环氧树脂或硅胶。此外，可变阻抗材料26可另包含绝缘粉末，其含量介于可变阻抗材料重量的10％到60％之间，其中绝缘粉末可包含金属氧化物，例如氧化铝或氧化锆。

参考图4及图5，放电保护层30覆盖可变阻抗材料26，且绝缘层32覆盖放电保护层30。优选地，放电保护层30可包含无机绝缘材料及有机绝缘材料，其中无机绝缘材料可包含金属氧化物，而有机绝缘材料可包含环氧树脂或硅胶。绝缘层32可包含无机绝缘材料及有机绝缘材料，其中无机绝缘材料包含金属氧化物，而有机绝缘材料包含环氧树脂或硅胶。

图6例示本发明第二实施例的过电压保护元件10′。相比图5所示的过电压保护元件10，图6的过电压保护元件10′另包含至少一个设置于下表面12B的对位区块34。当过电压保护元件10′要附着于电路板上时，对位区块34即可用以对准电路板上的另一对位区块。此外，对位区块34并未电连接于过电流保护元件10′的导电元件，且对位区块34也可予以选择性地设计为二个或两个以上。

图7例示过电压保护元件10与负载44的并联电路40。将过电压保护元件10与负载44并联，当高瞬时电压42施加于过电压保护元件10时，过电压保护元件10可切换到低电阻状态且将瞬时电压42限缩到低电压值。也就是说，并联于过电压保护元件10的负载44将承受限缩后的瞬时电压。

图8是本发明的可变阻抗材料26的电阻与施加电压的关系图。可变阻抗材料26在低施加电压状态呈现高电阻特性，但在高施加电压状态则呈现低电阻特性。通过将可变阻抗材料26设置于第一非矩形导体14与第二非矩形导体16的间隙，过电压保护元件10的整体即具有在低施加电压时呈现低电阻并在高施加电压时则呈现低电阻的电特性。

图9显示本发明第一实施例的过电压保护元件10承受瞬时电压42时的响应。参考图7与图9，在过电压保护元件10与负载44并联的情况下，当1900伏的瞬时电压42施加于过电压保护元件10的第一非矩形导体14与第二非矩形导体16时，过电压保护元件10切换到低电阻状态且将1900伏的瞬时电压42限缩约为518伏。也就是说，并联于过电压保护元件10的负载44将承受限缩后约为518伏的瞬时电压，而不是承受1900伏的瞬时电压42。

常规过电压保护元件均采用二个等宽且以间隙予以分隔的导体，因此常规过电压保护元件的放电通路位置无法预测。相对地，本发明的过电压保护元件10具有二个非矩形导体14、16，且二个非矩形导体14、16的凸部14A、16A彼此相向，因此二个非矩形导体14、16的间距并非均匀一致。明确地说，二个非矩形导体14、16的间隙在其凸部14A、16A位置的宽度比其它位置窄，因此放电通路即设计于凸部14A、16A位置，且可变阻抗材料26覆盖凸部14A、16A。

图10例示本发明第三实施例的过电压保护元件10″。过电压保护元件10″包含衬底12及设置于衬底12上的第一导体52与第二导体54，且第一导体52及第二导体54之间是以间隙56予以分隔，而可变阻抗材料26′置于间隙56。另外需要说明的是，第一导体52及第二导体54可为任何形状而仍不背离本发明所揭露的范围。在本发明的实施例中，可变阻抗材料26′可包含高导电磁粉末及绝缘粘结物。高导电磁粉末的含量可介于可变阻抗材料重量的10％到90％之间，其含量优选为可变阻抗材料重量的20％到86％之间；绝缘粘结物的含量可介于可变阻抗材料重量的10％到90％之间，其含量优选为可变阻抗材料重量的14％到80％之间。

图11显示本发明的第三实施例的过电压保护元件10″承受瞬时电压42时的响应。参考图7与图10，将图7的过电压保护元件10以电压保护元件10″置换后进行测试可发现，当2000伏的瞬时电压42施加于过电压保护元件10″的第一导体52并将第一导体54接地时，过电压保护元件10″切换到低电阻状态并将2000伏的瞬时电压42限缩到约为307伏的触发电压。也就是说，并联于过电压保护元件10″的负载44将承受限缩后约为307伏的瞬时电压，而不是承受2000伏的瞬时电压42。

在本发明的实施例中，高导电磁粉末包含羰基配体(Carbonyl Ligand)。例如，高导电磁粉末包括羰基金属粉末(Carbonyl Metal)，而其可包含例如羰基铁粉(CarbonylIron)、羰基镍粉(Carbonyl Nickel)或羰基镍钴合金粉末(Carbonyl Nickel/Cobalt Alloy)。在本发明的实施例中，绝缘粘结物包含环氧树脂或硅胶。下列表I显示不同混合比例的可变阻抗材料26′的范例：

表I：

范例编号	导电磁粉末	绝缘粘结物	触发电压
				范例1	86％	14％	353V
范例2	70％	30％	500V
				范例3	50％	50％	600V
范例4	20％	80％	1157V

上述范例所使用的导电磁粉末为巴斯夫(BASF)公司所生产的羰基金属的羰基铁粉(Carbonyl Iron Power；CIP)，其型号为enpulver SW-S，而上述范例所使用的绝缘粘结物为乔越实业有限公司(SIL-MORE INDUSTRIAL LTD)所制造的硅胶，其型号为SLR9530A&B。触发电压则以三起(SANKI)所生产的静电放电发生器(型号：ESD-8012A)进行试验，其试验条件：ESD-8012A输出电压为2kV、INT.90、放电30次。范例1到范例4均显示，可变阻抗材料26′中加入以一定比例内混合的羰基铁粉及绝缘粘结物后，可将触发电压限缩于ESD保护上限电压的1200伏下。表I中显示，导电磁粉末的含量变化从20％到86％而仍能将触发电压限缩在1200伏下。由此可推论，导电磁粉末的适当含量可介于10％到90％之间。此外，表I中绝缘粘结物的含量变化从14％到80％而仍能将触发电压限缩在1200伏下，由此也可推论绝缘粘结物的适当含量水平可介于10％到90％之间。

在本发明的另一实施例中，可变阻抗材料26′另包含半导体粉末。半导体粉末包含氧化锌或碳化硅。半导体粉末的含量可介于可变阻抗材料重量的0.001％到10％之间，其含量以介于可变阻抗材料重量的0.001％到8％的为优选，而含量以介于可变阻抗材料重量的1％到6.5％的为较优选。下列表II即显示不同混合比例的可变阻抗材料26′的范例：

表II：

范例编号	导电磁粉末	半导体粉末	绝缘粘结物	触发电压
					范例5	75.80％	6.20％	18.00％	1050V
范例6	76.77％	5.63％	17.60％	892V
					范例7	78.35％	4.19％	17.46％	763V
范例8	80.04％	2.75％	17.21％	639V
					范例9	81.71％	1.36％	16.93％	560V
范例10	84.50％	1.00％	14.50％	390V

此实施例是将半导体粉末(例如：氧化锌)混入羰基铁粉与硅胶聚合物的混合物中。表II中显示氧化锌的含量介于1.00％到6.20％之间，而仍能限缩触发电压于1200伏下。据此可推论，氧化锌的合适含量为0.001％到10％之间。

在本发明的又一实施例中，可变阻抗材料26′另包含绝缘粉末。绝缘粉末包含金属氧化物，其可为如氧化铝或氧化锆。绝缘粉末的含量可介于可变阻抗材料重量的0.001％到10％之间，其含量以介于可变阻抗材料重量的0.001％到8％的为优选，而含量以介于可变阻抗材料重量的1％到6％的为较优选。下列表III即显示不同混合比例的可变阻抗材料26′的范例：

表III：

范例编号	导电磁粉末	绝缘粉末	绝缘粘结物	触发电压
					范例11	76％	6.00％	18.00％	1150V
范例12	80.04％	2.75％	17.21％	752V
					范例13	84.50％	1.00％	14.50％	420V

此实施例是将绝缘粉末(例如：三氧化二铝)混入羰基铁粉与硅胶聚合物的混合物中。表III中显示三氧化二铝的含量介于1.00％到6.00％之间，而此仍能限缩触发电压于1200伏下。据此可推论，三氧化二铝的合适含量为0.001％到10％之间。再者，于此混合物中，可变阻抗材料26′可包含氧化锌或碳化硅等半导体粉末，其含量可占可变阻抗材料重量的0.001％到10％之间。

高导电磁粉末包含至少一种元素是选自由镍、钴、铁、铝和钕组成的群组，所述元素和有机官能团(如羰基、硅氧烷、胺基等)形成化合物。明确地说，高导电磁粉末是选自羰基铁粉、羰基镍粉或羰基镍钴合金粉末等。而其中，羰基铁粉(CIP)特别地被选为研究之用。半导体粉末包含氧化锌或碳化硅，而绝缘粘结物包含环氧树脂或硅胶。此外，可变阻抗材料26′更可包含氧化铝或氧化锆等的绝缘粉末。

在可变阻抗材料26′中加入包括羰基金属粉末(如羰基铁粉或羰基镍粉)不仅能抑制过电压，且能耗散瞬时电流。与常规静电放电装置不同之处在于以羰基金属的相对高的导电磁金属粉末能降低元件的触发电压。高导电磁特性也能吸收会造成信号损坏和数据损失的电磁辐射。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而所属领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下权利要求书所涵盖。

Claims (21)

1、一种可变阻抗材料，其特征在于包含：

导电粉末，其含量介于所述可变阻抗材料重量的10％到30％之间；

半导体粉末，其含量介于所述可变阻抗材料重量的30％到90％之间；以及

绝缘粘结物，其含量介于所述可变阻抗材料重量的3％到50％之间。

2、如权利要求1所述的可变阻抗材料，其特征在于所述导电粉末的材质选自由铝、银、钯、铂、金、镍、铜、钨、铬、铁、锌、钛、铌、钼、钌、铅及铱组成的群组中的一者。

3、如权利要求1所述的可变阻抗材料，其特征在于所述半导体粉末包含氧化锌或碳化硅。

4、如权利要求1所述的可变阻抗材料，其特征在于所述绝缘粘结物包含环氧树脂或硅胶。

5、如权利要求1所述的可变阻抗材料，其特征在于另包含绝缘粉末，其含量介于所述可变阻抗材料重量的10％到60％之间。

6、如权利要求5所述的可变阻抗材料，其特征在于所述绝缘粉末包含金属氧化物。

7、如权利要求6所述的可变阻抗材料，其特征在于所述金属氧化物是氧化铝或氧化锆。

8、一种可变阻抗材料，其特征在于包含：

高导电磁粉末，其含量介于所述可变阻抗材料重量的10％到90％之间；以及

绝缘粘结物，其含量介于所述可变阻抗材料重量的10％到90％之间。

9、如权利要求8所述的可变阻抗材料，其中所述高导电磁粉末包含羰基配体。

10、如权利要求8所述的可变阻抗材料，其特征在于所述高导电磁粉末包含羰基金属粉末。

11、如权利要求8所述的可变阻抗材料，其特征在于所述高导电磁粉末包含羰基铁粉、羰基镍粉或羰基镍钴合金粉末。

12、如权利要求8所述的可变阻抗材料，其特征在于所述绝缘粘结物包含环氧树脂或硅胶。

13、如权利要求8所述的可变阻抗材料，其特征在于另包含半导体粉末。

14、如权利要求13所述的可变阻抗材料，其特征在于所述半导体粉末的含量介于所述可变阻抗材料重量的0.001％到10％之间。

15、如权利要求13所述的可变阻抗材料，其特征在于所述半导体粉末包含氧化锌或碳化硅。

16、如权利要求8所述的可变阻抗材料，其特征在于另包含绝缘粉末，其含量介于所述可变阻抗材料重量的0.001％到10％之间。

17、如权利要求16所述的可变阻抗材料，其特征在于所述绝缘粉末包含金属氧化物。

18、如权利要求16所述的可变阻抗材料，其特征在于所述金属氧化物是氧化铝或氧化锆。

19、如权利要求16所述的可变阻抗材料，其特征在于另包含半导体粉末。

20、如权利要求19所述的可变阻抗材料，其特征在于所述半导体粉末的含量介于所述可变阻抗材料重量的0.001％到10％之间。

21、如权利要求19所述的可变阻抗材料，其特征在于所述半导体粉末包含氧化锌或碳化硅。

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