CN102592765A

CN102592765A - 过电压保护元件及其制造方法

Info

Publication number: CN102592765A
Application number: CN2011100063204A
Authority: CN
Inventors: 唐锦荣; 林文新; 孙思隆
Original assignee: Holy Stone Enterprise Co Ltd
Current assignee: Holy Stone Enterprise Co Ltd
Priority date: 2011-01-05
Filing date: 2011-01-05
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明为有关一种过电压保护元件及其制造方法，包括有基板及过电压保护元件基材，而基板表面上利用机械加工方式纵向开设有一个或一个以上呈贯通状的嵌置孔，即可将过电压保护元件基材原料调制成膏状，并填充、注入于基板的嵌置孔内加热固化成型，再于基板二侧表面上利用导电金属予以金属化形成有披覆至过电压保护元件基材上、下二侧处的电极导体，便完成过电压保护元件内埋式基板成品，当过电压保护元件二端电极导体所承受的电压为大于崩溃电压时，其阻抗值将瞬间极小化以抑制瞬时或突波电压，而具有过电压保护的功能。

Description

过电压保护元件及其制造方法

技术领域

本发明是提供一种过电压保护元件及其制造方法，尤指基板上纵向开设的一个或一个以上嵌置孔内为分别埋设有过电压保护元件基材，并于基板二侧表面上予以金属化形成有电极导体，而具有过电压保护的功能。

背景技术

现今电子产品及其外围相关电子设备皆会使用到主动元件与被动元件，其中主动元件(如微处理器或芯片等)是可单独执行运算、处理的功能，而被动元件相对于主动元件则是在进行电流或电压改变时，使其电阻或阻抗不会随之改变的元件，并以电阻、电容与电感合称作三大被动元件，即可由三者相互搭配应用于信息、通讯、消费电子或其他工业产品领域而达成电子回路控制的功能。

然而，不正常高电压及静电对于电子产品的伤害一直是不易解决的问题，若是正常操作的电子产品，一旦受到不正常高电压、静电放电(ESD)作用时，常会出现一些不稳定的现象，如功能突然失常情形等，轻者须重开机才能排除，重则因电子产品内的电子元件不堪承受不正常高电压、静电的电压而损毁，因此，目前普遍的作法是利用过电压保护元件来作为过电压保护使用，而过电压保护元件属于被动元件中电阻类产品，并广泛的应用于手机、主板、笔记本电脑及数字相机等，防止电子产品内的电子元件被不正常高电压及静电产生的高压所损毁，例如电子产品背光源使用的发光二极管(LED)很容易被静电所损毁，通常愈高阶的电子产品使用过电压保护元件的颗数也愈多。

再者，传统的发光二极管装置是将发光二极管芯片设置于散热基板上，并利用金线或铝线使其发光二极管芯片电极分别耦合于散热基板的正负极，同时为了防止不正常高电压及静电可能造成发光二极管芯片损毁的现象，便有业者开始使用齐纳二极管(Zener Diodes)来作为发光二极管装置的过电压保护元件，其线路设计大多是将过电压保护元件利用表面黏着技术(SMT)、覆晶式(Flip-Chip)封装的方式设置于散热基板上，或是散热基板制程中以低温共烧陶瓷(LTCC)直接将一个或一个以上过电压保护元件成型于散热基板表面上，再利用金线或铝线将过电压保护元件耦合于散热基板的正负极，由此可保护发光二极管芯片不被不正常高电压及静电损毁。

此种使用齐纳二极管与发光二极管芯片并联所形成的过电压保护回路，虽然可提供发光二极管装置受到不正常高电压及静电作用时的防护效果，但却造成发光二极管装置产品设计上无法让光轴保持于正中央，也因此需要让出散热基板一部分的区域来设置过电压保护元件，使其整体的有效反射面积缩小，以致出光效率下降及光轴设计困难度增加，或是使用低温共烧陶瓷(LTCC)材料本身导热不佳所产生散热基板无法作高效能散热的问题，若采用氮化铝、高纯度氧化铝等导热效果良好的材料，或是硅控硅片以拉单晶的方式成型则必须进行高温(如1600～1700℃)真空或还原烧结的过程，而在此等高温的状态下制作内埋式过电压保护元件相当的困难，其所需耗费的制造成本亦非常地昂贵，是以，若能研发出一种可利用高导热材料将过电压保护元件埋设于散热基板内部的制造方法，即可有效防止因不正常高电压及静电造成散热基板上的发光二极管芯片损毁的现象，而具有过电压防护效果，并可确保散热基板表面的平整性，使发光二极管装置光轴设计上容易保持于正中央，且可提升出光效率、散热的效果，即为从事于此行业者所亟欲研究改善的方向所在。

发明内容

发明人有鉴于现有技术的过电压保护元件的不足与缺失，乃搜集相关数据经由多方评估及考虑，方以从事于此行业的多年经验透过不断的试作与修改，始设计出此种过电压保护元件及其制造方法发明专利诞生。

本发明的主要目的乃在于基板表面上为纵向开设有一个或一个以上的嵌置孔，且各嵌置孔内分别埋设有过电压保护元件基材，并于基板二侧表面上形成有披覆至过电压保护元件基材上、下二侧处呈平整状的电极导体，当过电压保护元件二端电极导体所承受的电压为大于崩溃电压时，其阻抗值将瞬间极小化以抑制瞬时或突波电压，并吸收大部分异常电流经由过电压保护回路排散，由此可防止基板预设线路上连接的外部光电元件芯片(如发光二极管芯片)承受不正常高电压、静电放电(ESD)作用造成损毁的现象，而具有过电压保护功能，且可有效减少噪声干扰使电子产品背光源使用的发光装置得以正常运作。

本发明的次要目的乃在于基板上的嵌置孔内为埋设有过电压保护元件基材，并配合基板二侧表面上的电极导体结构设计，相较于传统散热基板表面上利用表面黏着技术、覆晶式封装或以低温共烧陶瓷成型方式设置的过电压保护元件，不但可防止不正常高电压及静电所造成外部光电元件芯片损毁的现象，并可确保基板表面平整性而不会影响外部光电元件设置于基板上的整体空间配置，以降低外部光电元件光轴设计上的不便与困难度，使光轴容易保持于基板正中央且可提升整体出光效率、散热效果。

本发明的技术方案，提供一种过电压保护元件，尤指可将过电压保护元件基材埋设于基板内的过电压保护元件，其中，包括有基板及过电压保护元件基材，其中基板表面上纵向开设有一个或一个以上呈贯通状的嵌置孔，且各嵌置孔内分别埋设有过电压保护元件基材，并于基板二侧表面上分别形成有披覆至过电压保护元件基材上、下二侧处呈平整状的电极导体。

本发明的技术方案，还提供一种过电压保护元件的制造方法，包括有基板及过电压保护元件基材，并依照下列的步骤实施：

(A)将基板表面上利用机械加工方式纵向开设有一个或一个以上呈贯通状的嵌置孔；

(B)将过电压保护元件基材调制的原料填充、注入于基板的嵌置孔内，并予以加热固化成型；

(C)将基板二侧表面上利用导电金属予以金属化形成有披覆至过电压保护元件基材上、下二侧处的电极导体，便完成过电压保护元件的制造方法。

附图说明

图1为本发明的制造流程图。

图2为本发明较佳实施例的侧视剖面图。

图3为本发明调制过电压保护元件原料的示意图。

主要元件符号说明

1 基板

11 嵌置孔

2 过电压保护元件基材

3 电极导体

具体实施方式

为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及其构造，兹绘图就本发明的较佳实施例详加说明其特征与功能如下，以利于完全了解。

请同时参阅图1、图2、图3所示，为本发明的制造流程图、较佳实施例的侧视剖面图及调制过电压保护元件原料的示意图，由图中可清楚看出，本发明为包括有基板1及过电压保护元件基材2，而基板1表面上纵向开设有一个或一个以上呈贯通状的嵌置孔11，且各嵌置孔11内分别埋设有过电压保护元件基材2，并于基板1二侧表面上分别形成有披覆至过电压保护元件基材2上、下二侧处呈平整状的电极导体3。

当利用本发明过电压保护元件的制造方法时，依照下列步骤实施处理：

(101)基板1上制作内孔，先将基板1表面上利用机械加工方式纵向开设有一个或一个以上呈贯通状的嵌置孔11。

(102)调制过电压保护元件基材2原料，将过电压保护元件基材2原料调制成膏状备用。

(103)填充过电压保护元件基材2原料、固化成型，将调制完成的过电压保护元件基材2原料利用点胶(Dispensing)、模铸(Molding)的方式填充，或以网版印刷的方式注入于基板1的嵌置孔11内，并予以加热固化成型。

(104)电极制作，基板1二侧表面上利用电镀法将导电金属浸积，或以金属膏网版印刷、真空镀膜方式予以金属化形成有披覆至过电压保护元件基材2上、下二侧处的电极导体3，便完成本发明过电压保护元件的制造方法。

由上述的实施步骤可清楚得知，上述的构件于制造时，其实施步骤是先将基板1表面上利用激光、水刀、钻孔、铣削(Hole Drilling)或其他机械加工方式纵向开设有一个或一个以上呈贯通状的嵌置孔11，并将过电压保护元件基材2原料依预定重量百分比调制成膏状(Blend Paste)、黏稠状或液态备用，再利用点胶(Dispensing)、模铸(Molding)的方式填充，或以网版印刷的方式来注入于基板1的嵌置孔11内，并依过电压保护元件基材2原料固化条件予以升温、加热固化(Filling Through Hole And Firing)一体成型，然后便可进行金属电极的制作，使其基板1二侧表面上利用电镀法将导电金属(如铜Cu、银Ag、金Au、镍Ni、钯Pb、锡Sn或铂金合金(Pt+Au)等材质)浸积，或以金属膏网版印刷、真空镀膜、化学蒸镀或溅镀等方式形成有披覆至过电压保护元件基材2上、下二侧处呈平整状的电极导体3，即可依据过电压保护元件制作的规范完成必要的电性测试，以符合产品电性规格要求，并确保制造的质量与良率，且可配合传统电路板电路布局(Layout)制程便于大量生产且更为简易，便完成本发明过电压保护元件的制造方法。

再者，上述的基板1可为厂商自行制作或目前市面上所既有贩卖的硬质基板，并与低温共烧陶瓷(LTCC)原料一开始所使用未经过烧结的薄带不同，其基板1材质可为有机物、无机物或金属材质所制成，如陶瓷、硅、玻璃、玻璃纤维、聚酯、酚醛(通称电木)或铝基板等，且该基板1上的一个或一个以上嵌置孔11可为直孔、锥形孔、沙漏状孔洞或其他各种贯穿孔的型态，即可将调制完成的过电压保护元件基材2原料填充、注入于基板1的嵌置孔11内加热升温、烧结或是固化一体成型，再将基板1二侧表面上利用导电金属予以金属化(Metallization)形成有披覆至过电压保护元件基材2上、下二侧处的电极导体3，由此可完成制作出本发明的过电压保护元件内埋式基板(Embedded Substrate)成品，此种基板1上的嵌置孔11内埋设有过电压保护元件基材2配合其二侧表面上的电极导体3结构设计，当过电压保护元件二端电极导体3所承受的电压为大于崩溃电压(Breakdown Voltage)时，其阻抗值将瞬间极小化以抑制瞬时或突波电压，并吸收大部分异常电流经由过电压保护回路排散，由此可防止基板1的预设线路上连接的外部光电元件芯片(如发光二极管芯片)承受不正常高电压、静电放电(ESD)作用造成损毁的现象，而具有过电压保护功能，且可有效减少噪声干扰，使电子产品背光源使用的发光装置得以正常运作，故，本发明相较于传统散热基板表面上利用表面黏着技术(SMT)、覆晶式(Flip-Chip)封装或以低温共烧陶瓷(LTCC)成型方式所设置的过电压保护元件，不但可防止因不正常高电压及静电所造成外部光电元件芯片损毁的现象，并可确保基板1表面的平整性，而不会影响外部光电元件设置于基板1上的整体空间配置，以降低外部光电元件光轴设计上的不便与困难，使光轴容易保持于基板1正中央，且可提升整体出光效率、散热效果。

而基板1的嵌置孔11内一体成型的过电压保护元件基材2调制的原料较佳实施例主要可分为三大系列：第一类为使用半导体陶瓷材料〔如氧化锌(ZnO)、钛酸锶(Sr TiO₃)、碳化硅(SiC)等陶瓷材料〕掺杂0.1％～30％重量百分比后锻烧(Calcnied)成为半导化，再制成粉末后调成为膏状，其中最佳的一具体实施例为使用氧化锌89.9％、氧化锰(MnO)0.97％、氧化镍(NiO)2％、氧化钴(CoO)0.97％、氧化锑(Sb₂O₃)3.43％及氧化铋(BiO₃)2.73％材料依预定重量百分比掺杂、混合后，送入高温炉进行锻烧1250℃烧结成为半导化，并经过研磨、滚压等方式制成半导化的氧化锌粉末，且半导化的过电压保护元件基材2崩溃电压大小为受到掺杂材料的种类(如氧化锰、氧化镍、氧化钴、氧化锑、氧化铋等)与掺杂重量百分比以及烧结温度的控制，再将半导化的氧化锌粉末加入玻璃粉及树脂调制成为膏状、黏稠状或液态等备用；第二类为使用弹性高分子材料加上一种或一种以上的金属粉末〔如硅胶45％中混入金属颗粒钨(W)55％〕、弹性高分子材料加上一种或一种以上的金属粉末及一种或一种以上的非导体粉末(如硅胶45％中混入金属颗粒钨45％及氧化铝粉10％)，或是弹性高分子材料加上一种或一种以上的金属粉末及一种或一种以上的半导体粉末(如硅胶45％中混入金属颗粒钨45％及碳化硅粉10％)混合在一起后，再加入玻璃粉及树脂调制成为膏状，此种调制的原料加热固化后便会因膨胀系数不同而形成导通的微裂孔(Microcrack)，且该弹性高分子材料中所分布导通的金属微粒可缩短过电压保护元件二端电极导体3的导通距离而降低崩溃电压；又，第三类为使用二种膨胀系数不同但比重相当的材料(如氧化铝及玻璃)加上一种或一种以上的金属粉末〔如银钯(Ag/Pt)〕混合在一起后调制成为膏状，其中最佳的一具体实施例为使用1～3μm氧化铝(Al₂O₃)粉末30％、锌硼玻璃60％及银钯(Ag/Pt)10％的粉末混合后，再加入树脂调制成为膏状，此种调制的原料加热固化后氧化铝与玻璃之间便会形成导通的微裂孔，其中分布导通的金属微粒可缩短过电压保护元件二端电极导体3的导通距离而降低崩溃电压大小，惟此部分有关基板1内埋设的过电压保护元件基材2配合其二侧表面上的电极导体3如何通过掺杂材料的种类、重量百分比、浓度或烧结温度控制崩溃电压(击穿电压)大小，以及二端电极导体3所承受的电压使空气游离连续激发出电子，并通过金属微粒作为跳板形成导通(击穿)状态，而可作为过电压保护机制提供稳定的电压为现有技术的范畴，且该细部构成因非本发明的重点所在，故在本说明书中仅作一简单叙述，以供了解。

此外，以上所述仅为本发明较佳实施例而已，非因此即局限本发明的专利范围，本发明主要针对基板1表面上为纵向开设有一个或一个以上呈贯通状的嵌置孔11，且各嵌置孔11内分别埋设有过电压保护元件基材2，并于基板1二侧表面上形成有披覆至过电压保护元件基材2上、下二侧处呈平整状的电极导体3，当过电压保护元件二端电极导体3承受的电压为大于崩溃电压时，其阻抗值将瞬间极小化以抑制瞬时或突波电压，并吸收大部分异常电流经由过电压保护回路排散，而具有过电压保护的功能，并可确保基板1表面的平整性，以妥善安排外部光电元件设置于基板1上的整体空间配置，使其光轴设计上容易保持于基板1正中央，且可提升出光效率、散热效果，故举凡可达成前述效果的流程步骤、方法皆应受本发明所涵盖，此种简易修饰及等效结构变化，均应同理包含于本发明专利范围内。

综上所述，本发明过电压保护元件及其制造方法使用时为确实能达到其功效及目的，故本发明诚为一实用性优异的发明，为符合发明专利的申请要件，依法提出申请。

Claims

1.一种过电压保护元件，尤指可将过电压保护元件基材埋设于基板内的过电压保护元件，其特征在于，包括有基板及过电压保护元件基材，其中基板表面上纵向开设有一个或一个以上呈贯通状的嵌置孔，且各嵌置孔内分别埋设有过电压保护元件基材，并于基板二侧表面上分别形成有披覆至过电压保护元件基材上、下二侧处呈平整状的电极导体。

2.如权利要求1所述的过电压保护元件，其特征在于，该基板可为有机物、无机物或金属材质所制成，且基板上的嵌置孔可为直孔、锥形孔或沙漏状孔洞。

3.如权利要求1所述的过电压保护元件，其特征在于，该过电压保护元件基材可为半导体陶瓷材料掺杂0.1％～30％重量百分比后加热固化成为半导化，且半导体陶瓷材料可为氧化锌、钛酸锶或碳化硅，而掺杂的材料可为氧化锰、氧化镍、氧化钴、氧化锑及氧化铋。

4.如权利要求1所述的过电压保护元件，其特征在于，该过电压保护元件基材可为弹性高分子材料加上一种或一种以上的金属粉末、弹性高分子材料加上一种或一种以上的金属粉末及一种或一种以上的非导体粉末，或弹性高分子材料加上一种或一种以上的金属粉末及一种或一种以上的半导体粉末，且弹性高分子材料可为硅胶、金属粉末可为钨、非导体粉末可为氧化铝，而半导体粉末可为碳化硅。

5.如权利要求1所述的过电压保护元件，其特征在于，该过电压保护元件基材可为二种膨胀系数不同但比重相当的材料加上一种或一种以上的金属粉末，且二种膨胀系数不同的材料可为氧化铝及玻璃，而金属粉末可为银钯。

6.一种过电压保护元件的制造方法，其特征在于，包括有基板及过电压保护元件基材，并依照下列的步骤实施：

7.如权利要求6所述的过电压保护元件的制造方法，其特征在于，该步骤(A)基板上可利用激光、水刀、钻孔、铣削或其他机械加工方式纵向开设有一个或一个以上呈贯通状的嵌置孔，而基板材质可为有机物、无机物或金属材质所制成，且基板上的嵌置孔可为直孔、锥形孔或沙漏状孔洞。

8.如权利要求6所述的过电压保护元件的制造方法，其特征在于，该步骤(B)过电压保护元件基材调制的原料可为半导体陶瓷材料掺杂0.1％～30％重量百分比后加热固化成为半导化，再制成粉末调制成为膏状。

9.如权利要求8所述的过电压保护元件的制造方法，其特征在于，该半导体陶瓷材料可为氧化锌、钛酸锶或碳化硅，并以氧化锌89.9％、氧化锰0.97％、氧化镍2％、氧化钴0.97％、氧化锑3.43％及氧化铋2.73％材料掺杂、混合后进行锻烧1250℃烧结成为半导化，并经过研磨、滚压等方式制成半导化的氧化锌粉末，再加入玻璃粉及树脂调制成为膏状。

10.如权利要求6所述的过电压保护元件的制造方法，其特征在于，该步骤(B)过电压保护元件基材调制的原料可为弹性高分子材料加上一种或一种以上的金属粉末、弹性高分子材料加上一种或一种以上的金属粉末及一种或一种以上的非导体粉末，或弹性高分子材料加上一种或一种以上的金属粉末及一种或一种以上的半导体粉末，再调制成为膏状。

11.如权利要求10所述的过电压保护元件的制造方法，其特征在于，该过电压保护元件基材的弹性高分子材料可为硅胶45％并混入金属颗粒钨55％，再加入玻璃粉及树脂调制成为膏状。

12.如权利要求10所述的过电压保护元件的制造方法，其特征在于，该过电压保护元件基材的弹性高分子材料可为硅胶45％并混入金属颗粒钨45％及氧化铝粉10％，再加入玻璃粉及树脂调制成为膏状。

13.如权利要求10所述的过电压保护元件的制造方法，其特征在于，该过电压保护元件基材的弹性高分子材料可为硅胶45％中混入金属颗粒钨45％及碳化硅粉10％，再加入玻璃粉及树脂调制成为膏状。

14.如权利要求6所述的过电压保护元件的制造方法，其特征在于，该步骤(B)过电压保护元件基材调制的原料可为二种膨胀系数不同但比重相当的材料加上一种或一种以上的金属粉末。

15.如权利要求14所述的过电压保护元件的制造方法，其特征在于，该过电压保护元件基材的二种膨胀系数不同的材料可为1～3μm氧化铝30％、锌硼玻璃60％及银钯10％粉末混合后，再加入树脂调制成为膏状。

16.如权利要求6所述的过电压保护元件的制造方法，其特征在于，该步骤(C)基板二侧表面上为可利用电镀法将导电金属浸积，或以金属膏网版印刷、真空镀膜、化学蒸镀或溅镀方式金属化形成有披覆至过电压保护元件基材上、下二侧处呈平整状的电极导体，且导电金属可为铜、银、金、镍、钯、锡或铂/金合金等材质。