CN102457057B - 积层式静电及突波保护元件 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种积层式静电及突波保护元件，由多层的绝缘基材相互堆迭而形成一复层式本体，在该复层式本体内部设有至少一第一反应电极及一第二反应电极，其中该第一反应电极及第二反应电极对向设置且维持一间距，该第一反应电极及第二反应电极至少一者形成一尖端电极部，另在该复层式本体的两相对侧面设有两外电极；当本发明积层式静电及突波保护元件面临高电压或高电流的情况下，尖端电极部产生电晕放电或火花放电，将多余电荷经由外电极而向外传递至接地，提供保护作用。
Description
技术领域
本发明关于一种电子保护元件，尤指一种运用电晕放电(Coronadischarge)与火花放电(Spark discharge)原理所制成的积层式静电及突波保护元件。
背景技术
目前在解决静电(electrostatic discharge；简称ESD)问题所使用的电子元件有采用变阻器(varistor)及瞬间电压抑制器(transient voltage suppresser，TVS)。变阻器是一种回复型过电压保护元件，利用材料本身的电阻值与电压的非线性关保护工作线路，通常在正常电压(工作电压)时，该元件的电阻值很高，电流通过工作线路；但是当工作电压超过一临界值时，该变阻器的电阻值会大幅下降，电流转而流过该变阻器而到接地，将此高电压能量排掉。
而瞬间电压抑制器又比变阻器的实施电压小，并会做成二极体(diode)方式，工作原理同变阻器，仅使用不同材料系统。也可以使用齐纳二极体(Zener diode)解决ESD静电问题。
另有积层式结构的保护元件为迭层式的压敏电阻(Multi-layer Varistor，MLV)，其优点是比瞬间电压抑制器反应速度快、电流流动速度优于瞬间电压抑制器，但缺点是经过多次大电流冲击后，电性特性会逐渐劣化，产生漏电流(IR值降低)、工作电压、元件寿命等方面的问题。例如当元件劣化后，其起始工作电压可能从原来的500V逐渐提高，相对来讲，元件的反应灵敏度即逐渐下降，当起始工作电压提升至极高后，保护元件最后便完全无法工作，丧失保护作用。
因此，就上述所提及的静电保护元件产品，所采用的保护机制，皆为使用特定金属氧化物材质，例如氧化锌基材陶瓷材料，在瞬间高电压或瞬间高电流发生时，材料本身的电阻值快速下降，形成电桥导通、短路，将突然产生的能量导掉。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种积层式静电及突波保护元件，在积层堆迭的绝缘基材内设有具尖端部的反应电极，利用尖端放电或火花放电原理，将高能量的电荷经由尖端部传递至接地，防止静电、突波破坏其它电子元件，达到保护目的。
为达成前述目的，本发明包含有：
复层绝缘基材，相互堆迭而形成一复层式本体，在该复层式本体内部设有至少一第一反应电极及一第二反应电极，其中该第一反应电极及第二反应电极对向设置且维持一间距，该第一反应电极及第二反应电极至少一者形成一尖端电极部，该尖端电极部的夹角角度θ小于180度；
两外电极，设于该复层式本体的两相对侧面而分别与该第一反应电极及第二反应电极电性连接。
其中，该复层式本体内部可设有复数个第一反应电极及复数个第二反应电极，各第一反应电极及各第二反应电极形成一尖端电极部，该些第一反应电极及第二反应电极的尖端电极部对向设置。
藉由前述结构，当本发明在实际应用时面临高电压、高电流的状况，在第一反应电极或第二反应电极的其中一尖端电极部将聚集高密度的电子，产生电晕放电或火花放电的现象而将电荷从其中的一反应电极传递至另一反应电极，再经外电极传递至接地，从而将大量的电荷排除掉，发挥静电、突波保护作用。
当增加第一反应电极和第二反应电极的迭层数时，将可增加元件的电荷传导特性及元件耐用度，延长保护元件的使用寿命。
经由调整第一、第二反应电极其尖端电极部的形状、间距，可调整工作起始工作电压，获得所需的元件灵敏度；当改变绝缘基材的材料、反应电极材质，可提高耐电压程度及耐受次数。
附图说明
图1A为本发明第一实施例的立体分解示意图。
图1B为本发明第一实施例其中一基材的平面示意图。
图1C为本发明第一实施例的堆迭侧视示意图。
图1D为本发明第二实施例的堆迭侧视示意图。
图2A～2D为本发明尖端电极部的不同实施例示意图。
图3为本发明第三实施例其中一基材的平面示意图。
图4为本发明第四实施例的立体分解示意图。
图5为本发明第五实施例的立体透视示意图。
图6为本发明第六实施例的立体示意图。
图7A为本发明第七实施例的分解示意图。
图7B为本发明第七实施例的堆迭侧视示意图。
图8为本发明第八实施例的堆迭侧视示意图。
图9为本发明第九实施例的堆迭侧视示意图。
图10为本发明第十实施例的立体透视示意图。
主要元件符号说明
10绝缘基材
11开孔
20第一反应电极
21a～21f尖端电极部
30第二反应电极
31a、31c～31f尖端电极部
40外电极
100反应区
D间距
具体实施方式
本发明是运用电晕放电(Corona discharge)与火花放电(Spark discharge)理论，设计出一种新的保护元件。电晕放电也叫尖端放电，其原理是：带电量较小的非导体表面连续放电到有尖端形状的导体，并将产生弱光的现象。电晕放电是属于规模较小的空间电荷云对导体所产生的尖端放电现象。火花放电则是指两导体间放电或导体表面与接地导体接近至一适当距离时，当导体间电场强度超过介质可承受的破坏强度(breakdown strength)，即会产成火花放电，其强度由导体间距大小决定。
请参考图1A～1D所示，本发明积层式静电及突波保护元件包含有：
复数层绝缘基材10，互相堆迭而成为一复层式本体，绝缘基材10的材质可选用自，但不限于，硅基板、氧化铝基板、电木、玻璃纤维、纸质、云母、陶瓷材、塑胶材或复合材质等，在复层式本体内部设有至少一第一反应电极20及至少一第二反应电极30，两反应电极20、30可位于同一水平位置上(如图1C所示)或位于不同的水平位置上(如图1D所示)，反应电极20、30的材质可以为铜(Cu)、银(Ag)、钯(Pd)、镍(Ni)、铝(Al)或前述各金属的合金材料，其中：
该第一反应电极20及第二反应电极30任一者或两者形成有一尖端电极部21、31，在图1B中显示成对的第一、第二反应电极20、30设置在同一层绝缘基材10上，且各自有一尖端电极部21a、31a。如图2A～2D所示，各尖端电极部21a、31a的端点形状不限，惟各尖端电极部21a、31a本身的夹角角度θ小于180度，两尖端电极部21a、31a彼此相对并维持有一间距D，在两尖端电极部21a、31a彼此之间的区域定义为一反应区100，即进行电晕放电或火花放电的反应所在区域；
两外电极40分设于该些堆迭的绝缘基材10的两相对边，并分别与位于同侧的第一反应电极20及第二反应电极30电性连接，外电极40的材质可以为铜(Cu)、银(Ag)、镍(Ni)、金(Au)或前述各金属的合金材料，或前述金属与导电高分子混掺的复合材料。
当本发明实际应用时，在高电压、高电流的情况下，在第一反应电极20或第二反应电极30的其中一尖端电极部21a、31a将聚集高密度的电子，在反应区100产生电晕放电或火花放电的现象而将电荷从其中的一反应电极传递至另一反应电极，再经外电极40传递至接地，发挥静电、突波保护作用。
尖端放电的灵敏度取决于间距D的大小，因此只要调整第一反应电极20与第二反应电极30彼此间的间距D距离，便可调整本发明的起始工作电压，下表提供数组间距D与起始工作电压的相对关作为参考。
| 尖端电极部的间距D | 元件起始工作电压 |
| 40～50μm | 500V |
| 55～65μm | 1000V |
| 70～100μm | 1500V |
| 150～250μm | 2000V |
| 280～400μm | 2500V |
另请参考图3所示，在本发明第三实施例中，仅第一反应电极20形成一尖端电极部21b，第二反应电极30无任何尖部电极部，该尖端电极部21b与第二反应电极30维持有一间距D。惟在该尖端电极部21b上仍可产生电晕放电或火花放电的现象而将电荷从第一反应电极20传递至另第二反应电极30，再经外电极40传递至接地，同样具有保护功效。
请参考图4所示，本发明的第一反应电极20及第二反应电极30设置在不同的绝缘基材10上，不排列在同一水平面，其中第一反应电极20延伸出两尖端电极部21c，在第二反应电极30亦延伸相对应的两尖端电极部31c。当遇到高电压、高电流的情况时，可从尖端电极体21c、31c进行电晕放电或火花放电。
本发明第一反应电极20及第二反应电极30的尖端电极部21a、21b、31a可形成在绝缘基材10的中心位置；但请参考图5所示，第一反应电极20及第二反应电极30的尖端电极部21d、31d可位于相异的水平面上，且延伸至所在绝缘基材10的同侧边缘，当绝缘基材10互相堆迭后，该尖端电极部21d、31d的末端即位于该复层式本体的外侧表面，使反应区100形成在该复层式本体的外侧表面上，尖端放电即在该反应区100进行。
再请参考图6所示，本发明的第一反应电极20、第二反应电极30及反应区100可位于该复层式本体的任一表面，例如本实施例便是形成在该复层式本体的顶面。
另请参考图7A、7B所示，本发明可在设置有第一反应电极20及第二反应电极30的绝缘基材10上形成开孔11，该开孔11位于两相对尖端电极部21e、31e之间，当各层绝缘基材10相互堆迭而构成复层式本体时，该开孔11彼此对齐而在复层式本体内部形成一封闭空间，该封闭空间即作为反应区100。
如图8所示，本发明亦可在各层的绝缘基材10均形成开孔11，因此当各层绝缘基材10相互堆迭而构成复层式本体时，该开孔11彼此对齐而形成一贯穿复层式本体的贯孔，该贯孔即作为反应区100。此外，部分第一反应电极20及部分第二反应电极30成对的位于同一水平位置，另一部分的第一反应电极20及第二反应电极30位于相异的水平位置。
图9所示，本发明亦可在部分的绝缘基材10形成开孔11，当各层绝缘基材10相互堆迭而构成复层式本体时，该些开孔11彼此对齐而形成一埋孔，该埋孔一端的开口位于复层式本体一的侧面，另一端则埋设在复层式本体内部而未贯穿，其中，该埋孔即作为反应区100。
再请参阅图10所示，本发明可在各层绝缘基材10的侧边形成一缺口，当各层绝缘基材10相互堆迭而构成复层式本体时，该些缺口相互对齐而在该复层式本体的侧面上形成一凹槽，该凹槽作为反应区100，而内部的第一反应电极20及第二反应电极，其尖端电极部21f、31f延伸至反应区100，在该反应区100产生电晕放电。
本发明的反应区100进行电晕放电或火花放电的反应所在区域，该反应区100除了可利用绝缘基材10本身构成之外，亦可利用空间型态构成该反应区100，利用空气、惰性气体、金属氧化物半导体材质(如氧化锌)作为绝缘媒介，以确保绝缘基材10在高电压环境下不会改变其原始介电特性，反应区100不会因为电子流动或电场反应，破坏原有的电极形状。
综上所述，本发明积层式静电和突波保护元件，藉由调整反应电极的形状，使反应电极形成有尖端电极部，并改变内部反应电极之间的形状及间距，可调整工作起始工作电压(元件灵敏度)，藉由改变绝缘基材的材料、反应电极材质及反应区的材质，可提高耐电压程度及耐受次数。
再者，本发明使用灵活多变化的反应区以应用于不同使用状态，如针对不同的讯号端或电源端，可通过修改电极与元件结构以符合各种应用规范需求。
Claims (9)
1.一种积层式静电及突波保护元件，其特征在于，包含有：
复层绝缘基材，相互堆迭而形成一复层式本体，在该复层式本体内部设有复数个平面式的第一反应电极及复数个平面式的第二反应电极，该第一反应电极及第二反应电极只形成在绝缘基材的表面上，不同层的第一反应电极及第二反应电极被该绝缘基材间隔开，其中该第一反应电极及第二反应电极对向设置且维持一间距，该第一反应电极及第二反应电极至少一者形成至少一个尖端电极部，该些第一反应电极及第二反应电极的尖端电极部对向设置，该尖端电极部的夹角角度小于180度，其中，至少有一个第一反应电极或一个第二反应电极独立形成在单一层的该绝缘基材的表面上；
两外电极，设于该复层式本体的两相对侧面而分别与该第一反应电极及第二反应电极电性连接。
2.如权利要求1所述的积层式静电及突波保护元件，其特征在于，在同一绝缘基材上设有成对的第一反应电极及第二反应电极。
3.如权利要求1所述的积层式静电及突波保护元件，其特征在于，所述复数个第一反应电极及第二反应电极分别位于相异水平位置。
4.如权利要求1所述的积层式静电及突波保护元件，其特征在于，部分的第一反应电极及第二反应电极成对的位于同一水平位置，其它部分的第一反应电极及第二反应电极位于相异的水平位置。
5.如权利要求1所述的积层式静电及突波保护元件，其特征在于，所述第一反应电极及第二反应电极的尖端电极部延伸至复层式本体的同一侧面。
6.如权利要求1所述的积层式静电及突波保护元件，其特征在于，所述复层式本体内部形成一封闭空间，该封闭空间位于第一反应电极的尖端电极部与第二反应电极的尖端电极部之间；该封闭空间供作为该第一反应电极及第二反应电极进行尖端放电的反应区。
7.如权利要求1所述的积层式静电及突波保护元件，其特征在于，所述复层式本体形成一贯穿两相对侧面的贯孔间，该贯孔位于第一反应电极的尖端电极部与第二反应电极的尖端电极部之间；该贯孔供作为该第一反应电极及第二反应电极进行尖端放电的反应区。
8.如权利要求1所述的积层式静电及突波保护元件，其特征在于，所述复层式本体形成仅贯穿其中一侧面的埋孔，该埋孔位于第一反应电极的尖端电极部与第二反应电极的尖端电极部之间；该埋孔供作为该第一反应电极及第二反应电极进行尖端放电的反应区。
9.如权利要求1所述的积层式静电及突波保护元件，其特征在于，所述复层式本体的其中一侧面形成一凹槽，该凹槽供作为该第一反应电极及第二反应电极进行尖端放电的反应区。
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