CN103077790A - 一种低电容层积型芯片变阻器及其所使用的过电压保护层 - Google Patents
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Abstract
一种低电容层积型芯片变阻器，其包括具有特殊微观结构的过电压保护材料，该过电压保护材料包含10～30wt%多孔陶瓷基材、65～80wt%微米级导体和半导体微粒和5～10wt%纳米级导体和半导体微粒；尤其，该多孔陶瓷基材的内部布满微细开孔，且所述微米级导体和半导体微粒以一级分散均匀散布于该多孔陶瓷基材的内部，而所述纳米级导体和半导体微粒以二级分散散布于所述微细开孔之间以及一级分散的微米级导体和半导体微粒之间，该特殊微观结构使得该过电压保护材料具备抑制过电压和耐数千次以上的8KV静电冲击的能力，因此所述低电容层积型芯片变阻器适合在高湿环境或／和高频电路中使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种低电容层积型芯片变阻器，尤其是涉及电容值在1MHz下小于0.3pF且用于抑制过电压、耐静电冲击和保护电子线路的低电容层积型芯片变阻器。
背景技术
如图1所示，一种在高频范围下使用的变阻器10，其结构包括陶瓷本体11、一对表面电极12a和12b、一对端电极13a和13b、和绝缘层20。其中，所述表面电极12a和12b是以薄膜技术制作在该陶瓷本体11的外层或内层同一平面上，而所述端电极13a和13b分别覆盖在该陶瓷本体11的两个端部上，且与所述表面电极12a和12b分别构成电性连接；而且，所述绝缘层20填满所述表面电极12a和12b之间的间隙14。
所述绝缘层20是一种具有过电压保护特性的绝缘材料，其微观结构的特点，如图2所示，是以高分子材料(或称高分子聚合物)21作为绝缘材料的基材(matrix)22，在该高分子基材22的内部，以一级分散(first dispersion)将粒径介于0.1~100μm之间的微米级导体和半导体微粒23均匀散布其中，并且在一级分散的微米级导体和半导体微粒23之间，以二级分散(secondarydispersion)将粒径介于1~100nm之间的纳米级导体和半导体微粒24散布其间，以缩小微米级导体和半导体微粒23与纳米级导体和半导体微粒24之间的间距。
所述变阻器10的电容值极低，在1MHz下小于0.3pF，当受到异常过电压时，借着所述绝缘层20的高分子基材22中的微米级导体和半导体微粒23与纳米级导体和半导体微粒24之间的间距极小，在导体和半导体微粒之间电子会产生隧道效应，而具有极佳的抑制过电压和耐静电能力，因此可作为高频线路中的保护组件使用。
但，所述变阻器10的缺点，也在于其绝缘层20是由高分子材料21所组成，材质会因为高热而发生碳化。当所述变阻器10在高频线路中作为抑制过电压的保护组件使用时，所述绝缘层20的高分子基材22常因静电冲击或突波过电压产生的高热而发生碳化，进而造成所述变阻器10发生电性导通而失去对电子线路或组件的保护作用。所以，这种变阻器10的耐静电冲击的寿命较短，若以8KV静电直接冲击，最多只能耐500次冲击，就会产生失效的情形。
此外，如图1和图3所示，另一种变阻器15的陶瓷主体11如果选用具有微孔结构19的过电压保护材料制成，其微观结构具有相当高比例的孔隙度，包含3~50wt%无机玻璃组成和50~97wt%粒径大于0.1微米的半导体和导体微粒16；其中，所述的半导体和导体微粒16的表面包覆一层无机玻璃薄膜17，且所述的无机玻璃薄膜17中，含有二级分散且粒径小于1微米的亚微米或纳米级半导体微粒和导体微粒18。
这种陶瓷主体15的缺点，又在于所述陶瓷主体11含高含量的半导体和导体微粒16，除造成成本费用高昂外，也因为具有微孔结构19容易受潮而导致所述变阻器10发生电性导通而没有防护功能，不利在高湿环境中使用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种过电压保护材料，以多孔陶瓷材料为基材，应用于高频电子线路的正负电极之间，有抑制过电压（或称瞬时突波电压）和耐数千次以上的8KV静电冲击的能力，其组成包含10~30wt%多孔陶瓷基材、65~80wt%粒径介于0.1~100μm之间的微米级导体和半导体微粒及5~10wt%粒径介于1~100nm之间的纳米级导体和半导体微粒；且该多孔陶瓷基材的内部布满微细开孔，所述微米级导体和半导体微粒以一级分散均匀散布于该多孔陶瓷基材的内部，所述纳米级导体和半导体微粒以二级分散散布于所述微细开孔之间以及一级分散的微米级导体和半导体微粒之间。
所述过电压保护材料的多孔陶瓷基材，可选自刚玉砂、碳化硅、堇青石、氧化铝、氧化锆或硅酸钙中的一种或一种以上组成。
所述过电压保护材料的微米级和纳米级导体微粒，可选自铂(Pt)、钯(Pd)、钨(W)、金(Au)、铝(Al)、银(Ag)、镍(Ni)、铜(Cu)或其合金中的一种或一种以上。
所述过电压保护材料的微米级和纳米级半导体微粒，可选自氧化锌、氧化钛、氧化锡、硅、锗、碳化硅、硅-锗(Si-Ge)合金、锑化铟、砷化镓、磷化铟、磷化镓、硫化锌、硒化锌、碲化锌、钛酸锶或钛酸钡中的一种。
本发明的另一目的在于提供一种低电容层积型芯片变阻器，具有极佳的静电防护效果和突波抑制能力，适用在高湿环境或／和高频电路中使用，在1MHz下电容值小于0.3pF，包括陶瓷本体、一对相向的内电极、一对端电极和过电压保护层，其中，所述陶瓷主体的组织结构致密性极佳且不具有微孔结构，因此不易受潮；所述相向的内电极布置在所述陶瓷主体的内层的同一平面上或上下交错的不同平面上，且彼此相互间隔一间隙，并使用本发明的电压保护材料填满该间隙后形成所述过电压保护层，兼具耐高温、抑制过电压和耐数千次以上的8KV静电冲击的能力；所述的成对的端电极分别覆盖在该陶瓷本体的左右两侧端部上，且分别与所对应的其中一个内电极构成电性连接。
本发明的低电容层积型芯片变阻器，由于所使用的过电压保护层受到组织结构致密性极佳的所述陶瓷主体完全密封并包覆，因此本发明的低电容层积型芯片变阻器在高湿环境或／和高频电路中使用都不会失去防护功能。
所述陶瓷主体以低介电材质制成，且不具有微孔结构，可选自硅酸盐玻璃、硅铝酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、铅酸盐玻璃、氧化铝或碳化硅中的一种；
所述陶瓷主体的内电极，可选用由铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、银(Ag)或镍(Ni)制成。
所述陶瓷主体的端电极，可选用由银(Ag)、铜(Cu)或银钯合金制成。
本发明的又一目的在于提供一种数组式低电容变阻器，其结构与所述低电容变阻器类同，包括陶瓷本体、一对以上相向的内电极、一对端电极和过电压保护层，其中，所述陶瓷主体的每对相向的内电极，设于该陶瓷主体的内层同一平面上，且彼此之间以并排方式布置；每对相向的内电极相互间隔一间隙，并使用本发明的电压保护材料填满该间隙后形成所述过电压保护层，兼具耐高温、抑制过电压和耐数千次以上的8KV静电冲击的能力；所述的成对的端电极分别覆盖在该陶瓷本体的左右两侧端部上，且分别与所对应的并排内电极构成电性连接。
为简洁说明，本文提及“导体和半导体”是指在组分中同时使用导体和半导体，或仅使用导体和半导体中的一种。
附图说明
图1为现有技术的变阻器的示意图。
图2为图1的变阻器中所使用的过电压保护材料的微观结构示意图。
图3为图1的变阻器在A区域的陶瓷主体微观结构示意图。
图4为根据本发明的低电容变阻器的部分剖面图，显示相向的内电极是在同一平面上且彼此之间间隔一间隙。
图5为根据本发明的低电容变阻器的部分剖面图，显示相向的内电极不在同一平面上但彼此上下交错间隔一间隙。
图6为图4或图5的变阻器所使用的过电压保护材料的微观结构示意图。
图7为本发明的数组式低电容变阻器的部分剖面图。
附图标记
10：变阻器 11：陶瓷本体
12a、12b：表面电极 13a、13b：端电极
14：间隙 15：变阻器
16：微米级导体和半导体微粒 17：无机玻璃薄膜
18：纳米级导体和半导体微粒
19：多孔结构 20：过电压保护材料
21：高分子材料 22：基材
23：微米级导体和半导体微粒
24：纳米级导体和半导体微粒
30：低电容层积型芯片变阻器
31：陶瓷本体 32a：内电极
32b：内电极 33a：端电极
33b：端电极 34：间隙
35：间隙 40：过电压保护层
41：多孔陶瓷材料 42：基材
43：微细开孔
44：微米级导体和半导体微粒
45：纳米级导体和半导体微粒
50：数组式变阻器
具体实施方式
如图4和图5所示，本发明的低电容层积型芯片变阻器(以下简称为低电容变阻器)30，是以层积制程（multilayer technology）制作，再经过高温烧结而制成，包括陶瓷本体31、一对相向的内电极32a和32b、一对端电极33a和33b、和过电压保护层(或称过电压保护材料)40。
所述相向的内电极32a和32b有二种布置方式，其中一种布置方式，如图4所示，是制作在该陶瓷本体31的内层同一平面上的两侧，且彼此之间相互间隔一间隙34；另一种布置方式，如图5所示，是制作在该陶瓷本体31的内层，但上下交错不在同一平面上，且彼此之间相互间隔一间隙35；所述端电极33a和33b分别覆盖在该陶瓷本体31的左右两侧的端部上，且与所述内电极32a和32b分别构成电性连接；而且，所述过电压保护层40填满所述内电极32a和32b之间的间隙34和35。
所述陶瓷主体31是由低介电材质制成，可选自硅酸盐玻璃、硅铝酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、铅酸盐玻璃、氧化铝或碳化硅中的一种。而且，所述陶瓷主体31经过高温烧结后致密性极佳，不具有微孔结构，可以承受因为静电冲击或突波过电压所产生的高热，对于电路中不受欢迎的杂散电容的产生有抑制的效果，因此适合在高湿环境或／和高频电路中使用。
所述内电极32a和32b可以是铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、银(Ag)或镍(Ni)等金属材料。
所述端电极33a和33b可以是银(Ag)、铜(Cu)或银钯合金等金属材料。
所述过电压保护层40是一种具有过电压保护特性的多孔性绝缘材料，其成分包含10~30wt%多孔陶瓷材料41、65~80wt%粒径介于0.1~100μm之间的微米级导体和半导体微粒44和5~10wt%粒径介于1~100nm之间的纳米级导体和半导体微粒45；而且，所述电压保护层40是应用在电子线路或电子组件的正负电极之间，具有抑制瞬时突波电压和耐静电冲击的能力。
所述多孔陶瓷材料41可选自刚玉砂、碳化硅、堇青石、氧化铝、氧化锆或硅酸钙中的一种或一种以上，其特性为耐高温、耐高压、抗酸、抗碱、耐腐蚀和使用寿命长，尤其，经过高温烧结后，其组织会因为热胀冷缩的变化而具有高比例的微细开孔的特征。
所述微米级导体微粒44和纳米级导体微粒45可选自铂(Pt)、钯(Pd)、钨(W)、金(Au)、铝(Al)、银(Ag)、镍(Ni)、铜(Cu)或其合金中的一种或一种以上。
所述微米级半导体微粒44和纳米级半导体微粒45可选自氧化锌、氧化钛、氧化锡、硅、锗、碳化硅、硅-锗(Si-Ge)合金、锑化铟、砷化镓、磷化铟、磷化镓、硫化锌、硒化锌、碲化锌、钛酸锶或钛酸钡中的一种。
如图6所示，所述过电压保护层40的微观结构，是以多孔陶瓷材料41作为绝缘材料的基材(matrix)42，该多孔陶瓷基材42的内部，具有高比例的微细开孔43，且包含一级分散(first dispersion)的微米级导体和半导体微粒44均匀散布其中，以及二级分散(secondary dispersion)的纳米级导体和半导体微粒45散布在一级分散的微米级导体和半导体微粒44之间。
更重要的是，所述过电压保护层40的多孔陶瓷基材42的材质特性，不会因为承受高热而发生物理变化，因此可以耐静电冲击或突波过电压时所产生的高热；而且，该多孔陶瓷基材42的内部，除有高比例的微细开孔43和高含量的微米级导体和半导体微粒44均匀散布其中之外，还具有高含量的二级分散的纳米级导体和半导体微粒45均匀散布于所述微细开孔43之间或所述微细开孔43与微米级导体和半导体微粒44之间。尤其，当所述过电压保护层40应用于电路的正负电极之间，且受到异常过电压时，因为其内部的所述微细开孔43之间、所述微细开孔43与所述纳米级导体和半导体微粒45之间或所述纳米级导体和半导体微粒45之间的间距都极小，有利于电子产生强烈隧道效应，因此本发明的过电压保护层40具有极佳的抑制过电压和耐静电能力，且寿命长。
如图4和图5所示，本发明的低电容变阻器30的特点，是将左右两侧的内电极32a和32b布置在致密性极佳且不易受潮的所述陶瓷主体31的内层同一平面上或上下交错的平面上，而且，所述内电极32a和32b与填满所述内电极32a和32b之间的间隙34和35的过电压保护层40一起被该陶瓷主体31完全密封包覆，这种结构将使得所述过电压保护层40既耐高热又完全不会受到周围环境变化的影响。
所以，本发明的低电容变阻器30，具有极低电容值特性，在1MHz下电容值小于0.3pF，尤其，具有耐数千次以上的8kv静电冲击的特性，经过数千次静电冲击后，还是保持原来功能，十分适合在高湿环境或／和高频线路中作为抑制过电压和抑制静电冲击的保护组件。
如图7所示，本发明的另一种数组式低电容变阻器50，其材质、结构和使用功能都与所述低电容变阻器30相同，但，将布置在所述陶瓷主体31的内层同一平面上的左右两侧内电极32a和32b，由一对内电极32a和32b改良为二对以上并排的内电极32a和32b，而且都使用所述过电压保护层40将每一对内电极32a和32b之间的间隙34填满。
以下举实施例和比较例来阐明本发明的效果，但本发明的权利范围不是仅限于实施例的范围。
实施例1-3和比较例1-3
依照表1的组成配方制成实施例1-3和比较例1-3的过电压保护材料；再分别应用于结构如图4的相同规格低电容变阻器30的内电极32a和32b之间的间隙34。而且，低电容变阻器30的陶瓷主体31的结构为不生孔隙，将所使用的过电压保护材料完全密封并包覆。
测试时，实施例1-3和比较例1-3的变阻器是并联在相同高频电路中的正负极之间，测量项目包括击穿电压(breakdown voltage)、最大钳位电压(maximum clamp voltage)和电容值(Capacitor)，以及经8KV静电冲击1000次后的击穿电压偏移量，结果如表2所示。
表1 过电压保护材料的组成
表2 低电容变阻器的特性
注1：击穿电压(V1mA)是使用1mA直流电流于一定时间内通过变阻器所测得的电压值。
变阻器的击穿电压(V1mA)愈低，变阻器的保护功能愈佳。
注2：电容值是以一定频率(1MHz)和一定测试电压在变阻器两端量得的静电容量。
在不影响变阻器的正常功能条件下，变阻器的电容值愈低，愈适合在高频电路中作为保护组件使用。
注3：变阻器具有钳位电压，当电压高于钳位电压时，变阻器的电阻值会急遽下降，以发挥类似于齐纳二极管(zender diode）的功用。最大钳位电压是以一定的标准冲击电流Ip（8x20μsec)流过变阻器时，在变阻器两条引线端点之间量得的最高电压Vp。
变阻器的钳位电压愈低，变阻器的保护功能愈佳。
注4：评估变阻器的耐静电放电(ESD)冲击能力，是以变阻器经过8KV静电冲击1000次之后的击穿电压变化(△V/V1mA)不超过10％为评估标准。
结果
根据表2的实施例1-3和比较例1-3的测试结果后，可以得到以下结论：
1、经过8KV静电冲击1000次之后，实施例1-3的低电容变阻器的击穿电压变化(△V/V1mA)不超过10％；而比较例1-3的低电容变阻器的击穿电压变化(△V/V1mA)超过10％。
此结果证实：实施例1-3的低电容变阻器的电压保护材料，以多孔陶瓷材料为基材，具备耐静电放电(ESD)冲击能力，且可以耐静电冲击或瞬时突波电压时所产生的高热。
2、实施例1-3的低电容变阻器特性，包括击穿电压介于200~800V之间，最大钳位电压小于150V，电容值在1MHz下小于0.3pF，且经过8KV静电冲击1000次之后击穿电压变化(△V/V1mA)不超过10％。
实施例1-3与比较例1-3相较，实施例1-3的低电容变阻器特性，在击穿电压和最大钳位电压方面是相对比较低，且所述△V/V1mA的变化不超过10％，因此实施例1-3的低电容变阻器是适用在高频电子线路中作为抑制瞬时突波电压和耐静电冲击的保护组件。
3、实施例3与比较例1相较，两者只是电压保护材料是使用多孔陶瓷材料或使用玻璃材料为基材的差异。
而实施例3与比较例2相较，比较例2的电压保护材料除了使用玻璃材料为基材外，其玻璃材料中亦不包含二级分散的纳米级导体和半导体微粒（以下简称纳米级微粒）。
根据比较的结果，实施例3的低电容变阻器特性，在击穿电压和最大钳位电压方面却相对较低。然而，比较例2的低电容变阻器特性最差。
此结果证实：低电容变阻器的特性，与所使用的电压保护材料相关，且低电容变阻器的特性，以电压保护材料是使用多孔陶瓷材料较佳，而使用玻璃材料较差。
4、实施例3与比较例3相较，两者只是电压保护材料的多孔陶瓷材料中是否包含二级分散的纳米级微粒的差异。但，实施例3的低电容变阻器特性，在击穿电压和最大钳位电压方面却相对较低。
此结果证实：低电容变阻器的特性，与所使用的电压保护材料中是否包含二级分散的纳米级微粒相关，且根据实施例1-3的数据，所述电压保护材料的多孔陶瓷材料中包含二级分散的纳米级微粒的含量愈多，低电容变阻器的击穿电压和最大钳位电压愈低，低电容变阻器的特性更佳。
Claims (7)
1.一种过电压保护材料，以多孔陶瓷材料为基材，应用于正负电极间以抑制瞬时突波电压和耐静电冲击，其特征在于，所述过电压保护材料包含10~30wt%多孔陶瓷基材、65~80wt%粒径介于0.1~100μm之间的微米级导体和半导体微粒及5~10wt%粒径介于1~100nm之间的纳米级导体和半导体微粒；且该多孔陶瓷基材的内部布满微细开孔，所述微米级导体和半导体微粒以一级分散均匀散布于该多孔陶瓷基材的内部，所述纳米级导体和半导体微粒以二级分散散布于所述微细开孔之间和一级分散的微米级导体和半导体微粒之间。
2.如权利要求1所述的过电压保护材料，其中，所述多孔陶瓷基材由选自刚玉砂、碳化硅、堇青石、氧化铝、氧化锆或硅酸钙中的一种或一种以上组成。
3.如权利要求1或2所述的过电压保护材料，其中，所述微米级和纳米级导体微粒选自铂、钯、钨、金、铝、银、镍、铜或其合金的中的一种或一种以上。
4.如权利要求1或2所述的过电压保护材料，其中，所述微米级和纳米级半导体微粒选自氧化锌、氧化钛、氧化锡、硅、锗、碳化硅、硅-锗合金、锑化铟、砷化镓、磷化铟、磷化镓、硫化锌、硒化锌、碲化锌、钛酸锶或钛酸钡中的一种。
5.一种低电容层积型芯片变阻器，在1MHz下电容值小于0.3pF，其特征在于，所述低电容层积型芯片变阻器包括：
陶瓷主体，以低介电材质制成不具有微孔的结构，且所述低介电材质选自硅酸盐玻璃、硅铝酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、铅酸盐玻璃、氧化铝或碳化硅中的一种；
一对或一对以上相向的内电极，设于该陶瓷主体的内层同一平面上或上下交错的平面上，且相向的内电极彼此相互间隔一间隙；
一对端电极，分别覆盖在该陶瓷本体的两个端部上，且分别与所对应的每对内电极的其中一个电极构成电性连接；
过电压保护层，由权利要求1所述的过电压保护材料制成，且将该陶瓷主体的每对内电极之间的间隙填满。
6.如权利要求5所述的低电容层积型芯片变阻器，其中所述内电极由铂、钯、金、银或镍制成。
7.如权利要求5或6所述的低电容层积型芯片变阻器，其中，所述端电极由银、铜或银钯合金制成。
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