CN102184913B

CN102184913B - 一种防静电器件

Info

Publication number: CN102184913B
Application number: CN201110103242XA
Authority: CN
Inventors: 仇利民; 吴长和; 杨涛
Original assignee: Suzhou Jingxun Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Jingxun Technology Co Ltd
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2031-04-25
Also published as: CN102184913A

Abstract

一种防静电器件，所述防静电器件设有由保护层封装的印有第一金属层的基板和第二金属层，此第一金属层的基板和第二金属层留有微间隙，所述微间隙涂覆一压敏材料层，所述压敏材料层制备包括以下步骤：制备玻璃包覆原料，此玻璃包覆原料包括异丙醇钙，硼酸三丁脂，乙醇铝，正硅酸四乙脂；将乙基纤维素、蓖麻油和表面活性剂加入所述松油醇获得松油醇载体；将所述玻璃包覆原料与所述松油醇载体混合；将所述半导化的氧化锌颗粒和铝粉颗粒与无机非导电相放入所述膏状载体中，所述无机非导电相为Al₂O₃，SiO₂，CaO，MgO中的任意一种或是它们的任意混合物。本发明防静电器件具有强耐静电冲击能力，可将正常工作状态下漏电流降至1μA以下。

Description

一种防静电器件

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，具体涉及一种防静电器件。

背景技术

压敏陶瓷是指电阻值与外加电压成显著非线性关系的半导体陶瓷。由此制成的压敏电阻的阻值可以随着外场电压的升降，在线形高阻状态和近似导通的低阻状态之间往复告诉转换，是一种典型“智能型”电子元件。压敏电阻通常与被保护电路或电子元件并联，当电路中有过载出现时，压敏电阻可以自动将过载旁路，从而使电路或元件免遭顺坏。

氧化锌压敏电阻是一种以ZnO为主体，添加多种金属氧化物（Bi2O3，MnO2，Co2O3，Cr2O3，Sb2O3等），用陶瓷工艺烧结而成的多晶陶瓷材料，其电流-电压（I-V）特性类似双向齐纳二极管，具有很高的非线性。烧成后的氧化锌非线性电阻片以ZnO晶粒为主晶相，尺寸在几~几十微米，属于N型半导体；ZnO晶粒周围是很薄的晶界层，厚度约几十纳米，晶界层含有丰富的表面态。冷却过程中晶界层和晶粒之间形成双肖特基势垒，因此每个晶界层就是一个微小的非线性电阻元件，其I-V特性类似于双向齐纳二极管，在正常工作电压下电阻值很高，接近兆欧级，随着电压地加大，阻值急剧下降，在浪涌电压冲击时，阻值只有几欧姆，甚至是零点几欧姆，可见阻值随电压而变化，即具有显著的非线性特征。

ZnO压敏陶瓷由于具有高非线性、高浪涌吸收能力、响应迅捷、低成本、制作工艺简便等特点，目前已经成为应用范围最广的压敏电阻材料。ZnO压敏电阻最初被广泛应用在各种高压电路中，防止瞬间过载（如雷电）对电路的损害。随着电子信息技术的高速发展，在低压电子防静电领域，可靠性高，小型化的叠片式ZnO压敏电阻得到广泛的应用。

但随着电子信号的传输频率越来越高，叠片式压敏电阻的大电容以及微安级的漏电流已经不能满足需求。

2、高分子防静电（PESD）元件

PESD是在聚合物中嵌入导体、半导体及绝缘粒子构成的高分子压敏材料。其电阻随两端电压呈非线性变化。也就是说，当施加在其两端的电压小于某个特定电压值时，PESD呈现为绝缘体，电阻很大，不影响电路的正常工作；当施加在两端的电压大于某个特定电压值时，PESD转变为导体，电阻很小，可以短时间大电流放电，因此可与被保护电路并联使用。同时这种PESD静电防护元件具有自恢复性，即过电压放电之后又恢复到常态，不必更换，可以有效阻止电子产品的受到静电冲击而遭到破坏，

由于PESD材料由高分子基组成，不能承受高温，且易受加工过程的污染。因此，PESD元件的加工成本较为昂贵，难以实现像氧化锌压敏电阻低成本大规模生产，大大地限制了产品的推广。

发明内容

本发明目的是提供一种防静电器件，此防静电器件具有强耐静电冲击能力，可将正常工作状态下漏电流降至1μA以下。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种防静电器件，所述防静电器件设有由保护层封装的印有第一金属层的基板和第二金属层，此第一金属层的基板和第二金属层留有微间隙，所述微间隙涂覆一压敏材料层，所述第一金属层和第二金属层通过所述压敏材料层连接；压敏材料层通过以下工艺制备：包括以下步骤：

步骤一、制备玻璃包覆原料，此玻璃包覆原料的配方主要由下列质量百分含量的材料组成：

异丙醇钙（((CH₃)₂CHO)₂Ca），粉体， 10%～20%，

硼酸三丁脂（B₂O₃: B(CH₃(CH₂)₃O)₃），粉体， 24%～34%，

乙醇铝（Al₂O₃: (CH₃CH₂O)₃Al），粉体， 19%～29%，

正硅酸四乙脂（SiO₂: Si(OCH₂CH₃)₄），液体， 27%～37%；

步骤二、将松油醇在水浴中加热至90℃，然后将乙基纤维素、蓖麻油和表面活性剂加入所述松油醇获得松油醇载体，所述松油醇、乙基纤维素、蓖麻油和表面活性剂质量百分比为：

松油醇 87.2%～91.2%，

乙基纤维素 2.5%～6.5%，

蓖麻油 1.7%～5.7%，

表面活性剂 0.6%～4.6%；

步骤三、将所述玻璃包覆原料与所述松油醇载体混合并搅拌至其完全溶解后，冷却至室温从而形成膏状载体；所述玻璃包覆原料和松油醇载体质量百分比为：

松油醇载体 65%～85%，

玻璃包覆原料 15%～35%；

步骤四、将三氧化二钴、二氧化锰、二氧化硅、氧化镍和三氧化二铬掺杂到氧化锌粉末中，其各个组份的纯度均大于99.95%，所述氧化锌、三氧化二钴、二氧化锰、二氧化硅、氧化镍和三氧化二铬质量百分比为：

氧化锌 94 %～96%，

三氧化二钴 0.5%～0.7%，

二氧化锰 0.4%～2.4%，

二氧化硅 0.5%～0.7%，

氧化镍 0.6%～0.8%，

三氧化二铬 1.6%～1.8%；

步骤五、将所述掺杂的氧化锌粉体通过球磨工艺球磨48小时，烘干后造粒、压块，然后在1200℃下煅烧4小时获得预烧块体，再将煅烧后的预烧块体经机械破碎，放入球磨罐中再球磨24小时，烘干后即得到获得中粒径为1μm的半导化的氧化锌颗粒；

步骤六、将中粒径为0.5~1.5μm的铝粉颗粒放入电炉中获得表面被充分氧化的铝粉颗粒；

步骤七、将所述半导化的氧化锌颗粒和铝粉颗粒与无机非导电相放入所述膏状载体中，并加热至60℃，同时搅拌4小时；所述无机非导电相中粒径为0.1~0.3μm，此无机非导电相为Al₂O₃，SiO₂，CaO，MgO中的任意一种或是它们的任意混合物；所述半导化的氧化锌颗粒、铝粉颗粒、无机非导电相和膏状载体质量百分比为：

半导化的氧化锌颗粒 49.5 %～59.5%，

铝粉颗粒 9.8%～19.8 %，

无机非导电相 1～5%，

膏状载体 25.7%～29.7%；

步骤八、采用三辊研磨机将步骤七制得的混合物分散后即得防静电浆料，此防静电浆料颗粒细度小于10μm；

步骤九、所述防静电浆料经以下升温阶段处理：

室温~150℃：烘干，浆料中的所述松油醇挥发；

150℃~400℃: 浆料中的所述乙基纤维素、蓖麻油、表面活性剂发生分解、灼烧而消耗干净；

300℃~800℃：所述异丙醇钙、硼酸三丁脂、乙酸铝、正硅酸四乙脂逐步分解生成二次生成物，此二次生成物分别为氧化钙、三氧化二硼、氧化铝和氧化硅，二次生成物均匀包覆在半导化的氧化锌、铝粉颗粒和无机非导电相颗粒表面；

800℃~1000℃：所述二次生成物逐渐形成玻璃态物质，在所述半导化的氧化锌、铝粉颗粒和无机非导电相颗粒表面形成一层厚度10~200nm的玻璃包覆层；

800℃~1100℃：所述半导化的氧化锌、铝粉颗粒和无机非导电相颗粒通过其表面的玻璃包覆层相互连接。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述保护层为环氧层或者玻璃层。

2、上述方案中，所述步骤八中三辊研磨机分散好的防静电浆料经过真空抽滤，从而除去此浆料中的气泡。

3、上述方案中，所述步骤二中，先将所述乙基纤维素加入松油醇中进行搅拌，待其完全溶解后在加入蓖麻油和表面活性剂并搅拌至其完全溶解。

4、上述方案中，所述步骤三中，所述玻璃包覆原料在所述松油醇载体的温度为60℃时混合。

5、上述方案中，所述步骤六中，所述铝粉颗粒氧化在电炉中2小时升温至450℃，保温24小时的条件下形成。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明氧化锌表面包覆一层10~200nm的绝缘玻璃层，能大幅度的提高其耐静电冲击能力，将正常工作状态的漏电流将至1μA以下；其次，本发明具有无机非导电相大大提高了浆料的触变性，可以降低材料的漏电；再次，本发明采用表面具有氧化铝的铝粉颗粒可调节其静电触发电压，同时铝粉氧化后可以降低材料的漏电，也可以根据应用场合设计不同的击穿电压。

附图说明

图1为本发明防静电器件结构示意图一；

图2为本发明防静电器件结构示意图二；

图3为本发明压敏材料层微观示意图。

以上附图中：1、第一金属层；2、基板；3、第二金属层；4、微间隙；5、压敏材料层；6、氧化锌颗粒；7、玻璃包覆层；8、铝粉颗粒；9、铝粉氧化层；10、无机非导电相。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1～5：一种防静电器件，如附图1-3，所述防静电器件设有由保护层封装的印有第一金属层1的基板2和第二金属层3，此第一金属层1的基板2和第二金属层3留有微间隙4，所述微间隙4涂覆一压敏材料层5，所述第一金属层1和第二金属层3通过所述压敏材料层5连接；所述保护层为环氧层或者玻璃层；压敏材料层5通过以下工艺制备：包括以下步骤：

步骤一、制备玻璃包覆原料，此玻璃包覆原料的配方主要由下列质量百分含量的材料组成，如表1所示：

表1

	异丙醇钙	硼酸三丁脂	乙醇铝	正硅酸四乙脂
					实施例1	10%	34%	19%	37%
实施例2	12.5%	31.5%	26.5%	29.5%
					实施例3	15%	29%	24%	32%
实施例4	17.5%	26.5%	21.5%	34.5%
					实施例5	20%	24%	29%	27%

表1中的百分号表示的是质量百分含量。注：异丙醇钙（((CH3)2CHO)2Ca）为粉体，硼酸三丁脂为粉体，乙醇铝为粉体，正硅酸四乙脂为液体。

步骤二、将松油醇在水浴中加热至90℃，然后将乙基纤维素、蓖麻油和表面活性剂加入所述松油醇获得松油醇载体，先将所述乙基纤维素加入松油醇中进行搅拌，待其完全溶解后在加入蓖麻油和表面活性剂并搅拌至其完全溶解；所述松油醇、乙基纤维素、蓖麻油和表面活性剂质量百分比如表2所示：

表2

	松油醇	乙基纤维素	蓖麻油	表面活性剂
					实施例1	87.2%	6.5%	1.7%	4.6%
实施例2	88.2%	5.5%	2.7%	3.6%
					实施例3	89.2 %	4.5%	3.7%	2.6%
实施例4	90.2%	3.5%	4.7%	1.6%
					实施例5	91.2%	2.5%	5.7%	0.6%

表2中的百分号表示的是质量百分含量。

步骤三、将所述玻璃包覆原料与所述松油醇载体混合并搅拌至其完全溶解后，冷却至室温从而形成膏状载体；所述玻璃包覆原料在所述松油醇载体的温度为60℃时混合；所述玻璃包覆原料和松油醇载体质量百分比如表2所示：

表3

	松油醇载体	玻璃包覆原料
			实施例1	65%	35%
实施例2	70%	30%
			实施例3	75 %	25%
实施例4	80%	20%
			实施例5	85%	15%

表3中的百分号表示的是质量百分含量。

步骤四、将三氧化二钴、二氧化锰、二氧化硅、氧化镍和三氧化二铬掺杂到氧化锌粉末中，其各个组份的纯度均大于99.95%，所述氧化锌、三氧化二钴、二氧化锰、二氧化硅、氧化镍和三氧化二铬质量百分比如表2所示：

表4

表4中的百分号表示的是质量百分含量。

步骤五、将所述掺杂的氧化锌粉体通过球磨工艺球磨48小时，烘干后造粒、压块，然后在1200℃下煅烧4小时获得预烧块体，再将煅烧后的预烧块体经机械破碎，放入球磨罐中再球磨24小时，烘干后即得到获得中粒径为1μm的半导化的氧化锌颗粒6，粉末细小，且均匀度增加；

步骤六、将中粒径为0.5~1.5μm的铝粉颗粒8放入电炉中获得表面被充分氧化的铝粉颗粒8；所述铝粉颗粒8铝粉氧化层9在电炉中2小时升温至450℃，保温24小时的条件下形成；

步骤七、将所述半导化的氧化锌颗粒6和铝粉颗粒8与无机非导电相10放入所述膏状载体中，并加热至60℃，同时搅拌4小时；所述无机非导电相10中粒径为0.1~0.3μm，此无机非导电相10为Al2O3，SiO2，CaO，MgO中的任意一种或是它们的任意混合物；所述半导化的氧化锌颗粒6、铝粉颗粒8、无机非导电相10和膏状载体质量百分比如表5所示：

表5

	松油醇	乙基纤维素	蓖麻油	表面活性剂
					实施例1	49.5 %	19.8 %	1%	29.7%
实施例2	52%	17.3%	2%	28.7%
					实施例3	54.5 %	14.8%	3%	27.7%
实施例4	57%	12.3%	4%	26.7%
					实施例5	59.5%	9.8%	5%	25.7%

表5中的百分号表示的是质量百分含量。

步骤八、采用三辊研磨机将步骤七制得的混合物分散后即得防静电浆料，此防静电浆料颗粒细度小于10μm；三辊研磨机分散好的防静电浆料经过真空抽滤，从而除去此浆料中的气泡。

步骤九、所述防静电浆料经以下升温阶段处理：

室温~150℃：烘干，浆料中的溶剂相—松油醇挥发；

150℃~400℃: 浆料中的乙基纤维素、蓖麻油、表面活性剂发生分解、灼烧而消耗干净；

300℃~800℃：所述异丙醇钙、硼酸三丁脂、乙酸铝、正硅酸四乙脂逐步分解生成二次生成物，此二次生成物分别为氧化钙、三氧化二硼、氧化铝和氧化硅，二次生成物均匀包覆在半导化的氧化锌、铝粉颗粒8和无机非导电相10颗粒表面；

800℃~1000℃：所述二次生成物逐渐形成玻璃态物质，在半导化的氧化锌、铝粉颗粒8和无机非导电相10颗粒表面形成一层厚度10~200nm的玻璃包覆层7；

800℃~1100℃：所述半导化的氧化锌、铝粉颗粒8和无机非导电相10颗粒通过其表面的玻璃包覆层7相互连接。

由于氧化锌压敏材料在正常工作状态下会有微安级的漏电流，且在静电冲击过后，其漏电流会有逐步增加的趋势。本发明采取在氧化锌表面包覆一层10~200nm的绝缘玻璃包覆层7，能大幅度的提高其耐静电冲击能力，将正常工作状态的漏电流将至1μA以下。而铝粉的用途是用来调节其静电触发电压，无机非导电相10是用来提高浆料的触变性，并在烧结时防止同种颗粒的连接。

由于氧化锌压敏材料在正常工作状态下会有微安级的漏电流，且在静电冲击过后，其漏电流会有逐步增加的趋势。本发明采取在氧化锌表面包覆一层10~200nm的绝缘玻璃包覆层2，能大幅度的提高其耐静电冲击能力，将正常工作状态的漏电流将至1μA以下。而铝粉的用途是用来调节其静电触发电压，无机非导电相5是用来提高浆料的触变性，并在烧结时防止同种颗粒的连接。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种防静电器件，其特征在于：所述防静电器件设有由保护层封装的印有第一金属层（1）的基板（2）和第二金属层（3），此第一金属层（1）的基板（2）和第二金属层（3）留有微间隙（4），所述微间隙（4）涂覆一压敏材料层（5），所述第一金属层（1）和第二金属层（3）通过所述压敏材料层（5）连接；所述压敏材料层（5）通过以下工艺制备：包括以下步骤：

步骤一、制备玻璃包覆原料，此玻璃包覆原料的配方由下列质量百分含量的材料组成：

异丙醇钙（((CH₃)₂CHO)₂Ca），粉体， 10%～20%，

硼酸三丁脂（B₂O₃: B(CH₃(CH₂)₃O)₃），粉体， 24%～34%，

乙醇铝（Al₂O₃: (CH₃CH₂O)₃Al），粉体， 19%～29%，

正硅酸四乙脂（SiO₂: Si(OCH₂CH₃)₄），液体， 27%～37%；

松油醇 87.2%～91.2%，

乙基纤维素 2.5%～6.5%，

蓖麻油 1.7%～5.7%，

表面活性剂 0.6%～4.6%；

松油醇载体 65%～85%，

玻璃包覆原料 15%～35%；

氧化锌 94 %～96%，

三氧化二钴 0.5%～0.7%，

二氧化锰 0.4%～2.4%，

二氧化硅 0.5%～0.7%，

氧化镍 0.6%～0.8%，

三氧化二铬 1.6%～1.8%；

步骤五、将所述掺杂的氧化锌粉体通过球磨工艺球磨48小时，烘干后造粒、压块，然后在1200℃下煅烧4小时获得预烧块体，再将煅烧后的预烧块体经机械破碎，放入球磨罐中再球磨24小时，烘干后即获得中粒径为1μm的半导化的氧化锌颗粒；

半导化的氧化锌颗粒 49.5 %～59.5%，

铝粉颗粒 9.8%～19.8 %，

无机非导电相 1～5%，

膏状载体 25.7%～29.7%；

步骤九、所述防静电浆料经以下升温阶段处理：

室温~150℃：烘干，浆料中的所述松油醇挥发；

2. 根据权利要求1所述的防静电器件，其特征在于：所述保护层为环氧层或者玻璃层。

3. 根据权利要求1或2所述的防静电器件，其特征在于：所述步骤八中三辊研磨机分散好的防静电浆料经过真空抽滤，从而除去此浆料中的气泡。

4. 根据权利要求1或2所述的防静电器件，其特征在于：所述步骤二中，先将所述乙基纤维素加入松油醇中进行搅拌，待其完全溶解后在加入蓖麻油和表面活性剂并搅拌至其完全溶解。

5. 根据权利要求1或2所述的防静电器件，其特征在于：所述步骤三中，所述玻璃包覆原料在所述松油醇载体的温度为60℃时混合。

6. 根据权利要求1或2所述的防静电器件，其特征在于：所述步骤六中，所述铝粉颗粒氧化在电炉中2小时升温至450℃，保温24小时的条件下形成。