CN103081262A - 过电压保护部件及过电压保护部件用的过电压保护材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种过电压保护部件及过电压保护部件用的过电压保护材料。本发明的过电压保护部件具备第1放电电极、第2放电电极、以及形成于第1放电电极与第2放电电极之间的过电压保护部。过电压保护部通常虽然具有绝缘体的性质，但在第1放电电极2与第2放电电极之间被施加过电压时具有导通的性质。进而，过电压保护部使具有绝缘性的树脂、具有绝缘性的无机化合物和硼化金属化合物粉混合在一起而得到的。由于硼化金属化合物粉为高熔点，故难以熔融，再有，由于在成为熔融程度的高温的情况下氧化而丧失导电性，故可实现高可靠性。

Description

过电压保护部件及过电压保护部件用的过电压保护材料
技术领域
本发明涉及保护电子部件或电子电路等不会被静电等的过电压损坏的过电压保护部件及过电压保护部件用的过电压保护材料。
背景技术
作为保护电子部件或电子电路不会被静电等的过电压损坏的方法，公知以下方法：在想要保护的电子部件等的输入或输出的端子与接地之间连接过电压保护部件。在此，过电压保护部件是：在通常的使用状态下作为绝缘体起作用，若被施加过电压，则部件自身的阻抗大幅地下降或在部件内部进行放电来通电的部件。
作为这种过电压保护部件，公知一种在一对电极间形成了过电压保护材料的结构，该过电压保护材料通常具有绝缘性、若被施加过电压则会使该过电压通过。
作为过电压保护材料，公知将在表面已形成钝态层的金属粒子混合到树脂中的材料(参照专利文献1。)。
再有，作为过电压保护材料，公知利用了以下材料：使高纵横比的导体或半导体以纳米级分散到结合体中、还包含其他导体或半导体粒子(参照专利文献2。)。
还有，作为过电压保护材料，公知使1～200nm的导电性无机材料不连续地分散到绝缘材料中而成的材料(参照专利文献3。)
近年来，过电压保护部件正在逐渐谋求高可靠性。具体是，正在逐渐谋求下述的高可靠性：即便在向过电压保护部件施加了更高的电压的情况下、或多次重复地施加了过电压的情况下，过电压保护部件也可正常地动作。这是因为，根据采用过电压保护部件的电子设备或使用该电子设备的场所、用途、使用环境等，使得所要求的可靠性变高。再有，是基于以下的考虑，即：通过对过电压保护部件要求比本来要求的等级更高的等级的可靠性，从而电子设备对过电压的安全率提高、换言之能多多确保余裕。例如，有时进行多次重复施加更高电压的可靠性试验。尤其是，也有时进行连续且重复地施加短脉冲的高电压这样的试验。
连续施加短脉冲的高电压的试验和实际的静电施加相比，是更苛刻的试验。但是，如上所述从提高电子设备的对过电压的安全率的观点来看，也采用这种试验方法。而且，在这种试验中，有时由于过电压保护部件的一对放电电极间所形成的过电压保护部中的金属粒子等熔融会导致产生短路。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2007-265713号公报
专利文献2：JP特表2010-515239号公报
专利文献3：JP特开2010-186742号公报
发明内容
本发明的过电压保护部件具备第1放电电极、第2放电电极、以及形成于第1放电电极与第2放电电极之间的过电压保护部。过电压保护部在第1放电电极与第2放电电极之间被施加规定电压以下的电压的通常时具有绝缘体的性质，在第1放电电极与第2放电电极之间被施加比规定电压更大的过电压的状态下具有导通的性质。再有，过电压保护部由具有绝缘性的树脂、具有绝缘性的无机化合物和硼化金属化合物粉的混合物构成。硼化金属化合物粉的平均粒径为0.5μm～3μm。
根据上述构成，由于过电压保护部中的导体粉、即硼化金属化合物粉为高熔点，故即便在施加过电压时硼化金属化合物粉也难以熔融，由此即便在苛刻的试验状况下也难以产生短路。进而，由于考虑到硼化金属化合物粉在高温下容易氧化而丧失导电性，故即便在施加了硼化金属化合物粉熔融这样的过电压的情况下也难以产生短路。
附图说明
图1是表示本发明实施方式中的过电压保护部件的一例的正面剖视图。
图2是表示本发明实施方式中的过电压保护部件的其他例的正面剖视图。
具体实施方式
以下，利用附图对本发明的实施方式进行说明。图1是表示本发明实施方式中的过电压保护部件的一例的正面剖视图。
如图1所示，本实施方式的过电压保护部件具备：绝缘基板1、第1放电电极2、第2放电电极3、过电压保护部4、中间层5、保护层6、背面电极7、8、端面电极9、10、以及镀敷层11、12。绝缘基板1是具备电绝缘性与耐热性的基板，由氧化铝构成。第1放电电极2及第2放电电极3是形成于绝缘基板1上的电极，相互地在前端部对置而形成。第1放电电极2及第2放电电极3是导体。第1放电电极2及第2放电电极3的材质，如果谋求化学上的稳定性则优选金，如果谋求高的导电性则优选铜等，如果谋求耐热性则可以选择钨等的高熔点材料。本实施方式中，第1放电电极2及第2放电电极3的材质利用的是CuNi合金。
第1放电电极2及第2放电电极3的制造方法如下。首先，在形成第1放电电极2及第2放电电极3的位置及、该第1放电电极2与第2放电电极3间印刷烧成CuNi合金的膏剂。然后，照射激光光线，使第1放电电极2及第2放电电极3分离。该第1放电电极2及第2放电电极3以5μm～10μm的厚度形成。若第1放电电极2及第2放电电极3的厚度薄，则通过苛刻的重复放电试验会导致第1放电电极2及第2放电电极3的损伤容易集中于一处。该情况下，受到了损伤的第1放电电极2或第2放电电极3的部分有可能熔融。但是，通过增厚第1放电电极2及第2放电电极3的厚度，从而可以分散苛刻的重复放电试验引起的损伤。其结果，可以降低第1放电电极2及第2放电电极3熔融的担忧。再有，第1放电电极2与第2放电电极3的距离设为6～10μm。该距离被称为所谓的间隙间距离，较短的话可以降低放电开始电压。这样，通过将第1放电电极2及第2放电电极3设为5μm～10μm的厚度，从而可以利用印刷等的厚膜施工方法来形成第1放电电极2及第2放电电极3。
过电压保护部4被形成为填充到第1放电电极2及第2放电电极3之间。过电压保护部4在第1放电电极2及第2放电电极3间被施加规定电压以下的电压的通常状态下具有绝缘体的性质。再有，过电压保护部4在第1放电电极2及第2放电电极3间被施加比规定电压更大的过电压的状态下具有导通的性质。在此，上述规定电压是由构成过电压保护部4的材料或其组成、或者第1放电电极2及第2放电电极3间的距离等来决定的电压。
中间层5形成于过电压保护部4上，由硅酮等的树脂构成。中间层5缓和对过电压保护部4施加了过电压时的冲击。
保护层6覆盖过电压保护部4及中间层5，保护过电压保护部4及中间层5不会受到机械的冲击或湿气等的损坏。
背面电极7及背面电极8是形成于与已形成有第1放电电极2及第2放电电极3的绝缘基板1的上表面对置的面、即绝缘基板1的背面上的电极。
端面电极9是：按照对第1放电电极2及背面电极7进行电连接的方式，自绝缘基板1的上表面侧的端部起经由绝缘基板1的侧面至绝缘基板1的背面侧的端部而形成的电极。同样地，端面电极10是：按照对第2放电电极3及背面电极8进行电连接的方式，自绝缘基板1的上表面侧的端部起经由绝缘基板1的侧面至绝缘基板1的背面侧的端部而形成的电极。
镀敷层11是通过对端面电极9的表面进行Ni镀敷、然后进行Sn镀敷而形成为覆盖端面电极9的。同样地，镀敷层12是通过对端面电极10的表面进行Ni镀敷、然后进行Sn镀敷而形成为覆盖端面电极10的。
在此，对过电压保护部4详细地进行说明。过电压保护部4是由具有绝缘性的树脂、具有绝缘性的无机化合物与硼化金属化合物粉的混合物构成的过电压保护材料。作为该树脂利用的是硅酮树脂。过电压保护部4使硼化金属化合物粉和具有绝缘性的无机化合物分散到硅酮树脂中而形成。作为具有绝缘性的无机化合物，适用绝缘性与热传导性优越的Al2O3或SiO2等氧化物。进而，在谋求更高的热传导性的情况下，作为无机化合物也可以利用AlN、BN、SiC、Si3N4等非氧化物。
接着，对硼化金属化合物粉的平均粒径和过电压的特性之间的关系进行说明。利用静电的抑制特性的指标之一、即峰值电压对特性进行了评价。试验条件是IEC61000-4-2所规定的试验方法。作为样本，制作了平均粒径分别为0.4μm、0.5μm、1.0μm、1.5μm、2.0μm、3.0μm、5.0μm的过电压保护部件。而且，借助接触放电分别对这些过电压保护部件施加8kV，将在保护电路侧检测出的峰值电压超过500V的样本判断为抑制特性不充分、将峰值电压为400～500V的样本判断为抑制特性良好、将峰值电压低于400V的样本判断为非常地良好。在表1中表示试验结果。另外，试验所采用的硼化金属化合物粉为LaB6，平均粒径的测量是通过费希尔法(FSSS(Fisher Sub Sieve Sizer))来进行的。
【表1】
粒径(μm) 峰值电压(V) 判定
0.4 580 不充分
0.5 470 良好
1.0 360 非常地良好
1.5 370 非常地良好
2.0 385 非常地良好
3.0 480 良好
5.0 700 不充分
根据该试验结果可知：硼化金属化合物粉的平均粒径优选为0.5μm～3.0μm。再有，若平均粒径为1μm～2μm，则过电压的抑制特性也非常地良好。进而，若平均粒径为1μm～2μm，则硼化金属化合物粉容易形成为粉状体，通过印刷施工方法可以容易地制作过电压保护部4，因此更优选。硼化金属化合物粉具备熔点高且导电性高的性质。另外，硼化金属化合物粉可以通过以球磨或喷射研磨等方法粉碎硼化金属化合物而获得。
以下，对上述构成的过电压保护部件的动作进行说明。
将过电压保护部件的第1放电电极2电连接到想要保护的电子电路的输入侧，将第2放电电极3电连接到接地侧。在未被施加过电压的通常时，由于过电压保护部4作为绝缘体起作用，故电流不会从第1放电电极2流向第2放电电极3，电信号等向电子电路的输入侧流动。
在这种连接方法中，当向电子电路的输入侧施加了静电等的过电压时，第1放电电极2的电位也上升，成为与作为接地电位的第2放电电极3之间被施加了过电压的状态。此时，由于过电压保护部4作为导体而通电，故起因于过电压的电流不会流向想要保护的电子电路的输入侧，而是从第1放电电极2经过过电压保护部4之后流向第2放电电极3。由此，可以保护电子电路不会被过电压损坏。为了保护电子电路不被过电压损坏，过电压保护材料中的硼化金属化合物粉的含有率优选为10vol％～50vol％。在过电压保护材料中的硼化金属化合物粉的含有率比上述含有率还少的情况下，即便施加了过电压，起因于过电压的电流也难以从第1放电电极2经过过电压保护部4之后流向第2放电电极3。再有，在过电压保护材料中的硼化金属化合物粉的含有率比上述含有率还多的情况下，即便在并未施加过电压的通常时，电流也容易在过电压保护部中流动，绝缘电阻容易劣化。本实施方式的过电压保护部4中的混合物的混合比如下：作为硼化金属化合物粉，将LaB6设为20vol％；作为具有绝缘性的无机化合物，将Al2O3设为40vol％；作为绝缘树脂，将硅酮树脂设为40vol％。
在此，对施加了过电压时的过电压保护部4内的状态更详细地进行说明。过电压保护部4是使硼化金属化合物粉分散到作为绝缘体的硅酮树脂中而得到的。硼化金属化合粉是导体，因此若在第1放电电极2与第2放电电极3间施加过电压，则经由硼化金属化合物粉会在第1放电电极2与第2放电电极3间产生放电。由此，起因于过电压的电流从第1放电电极2流向第2放电电极3。
在第1放电电极2与第2放电电极3间产生了放电之际，产生了该放电的部分会产生相当的热，因此存在过电压保护部4内的导体粉也会受到热引起的损伤的可能性。但是，作为过电压保护部4的导体粉，由于利用的是高熔点的硼化金属化合物粉，故可以降低放电之际的热导致导体粉熔融的风险。由此，可降低从第1放电电极2流向第2放电电极3的放电电流，可以降低苛刻的试验中的短路的产生风险。再有，认为硼化金属化合物粉在高温下氧化而容易丧失导电性。因此，即便施加了会导致硼化金属化合物粉熔融这样的过电压，也可防止短路的产生。
还有，作为硼化金属化合物粉，如果利用TiB2(二硼化钛)，则可以进一步提高可靠性。TiB2的熔点高，达到3000℃前后，在常温下化学上是稳定的且难以氧化，但在高温下由于氧化、其导通性会被损坏这样的特性显著。因此，在成为TiB2熔融的程度的高温时，TiB2氧化而丧失导电性。因而，即便假设处于过电压保护部4中的TiB2粉熔融而与相邻的TiB2粉接触，熔融后的TiB2粉氧化，生成TiO2与B2O3。由此，因为认为过电压保护部4被绝缘化，所以难以产生短路。
另外，作为硼化金属化合物粉，也可以利用作为与Ti相同的钛族、即Zr的化合物的ZrB2。ZrB2由于和TiB2相比其熔点更高，故可以更有效地防止短路的产生。进而，作为硼化金属化合物粉，也可以利用TiB2粉与ZrB2粉的混合粉。
此外，作为硼化金属化合物粉，也可以利用LaB6。在利用了LaB6的情况下，和TiB2相比，每个金属原子中的硼数增多，氧化时绝缘性的B2O3会更多地生，因此可以进一步抑制短路的产生。再有，作为硼化金属化合物粉，也可以含有TiB2、ZrB2、LaB6的至少一种。
如上所述，本发明的过电压保护部件，即便通过苛刻的重复试验，过电压保护部4中的导体、即硼化金属化合物粉也难以熔融，再有在熔融之际或者即便并未熔融，在高温下通过氧化而成为绝缘体，因此难以产生短路。
还有，作为过电压保护部4的材料的过电压保护材料，如上所述作为过电压保护部件而采用，由此可以防止过电压保护部件的短路产生，是有用的。
接下来，对硼化金属化合物粉分别利用了TiB2、ZrB2、LaB6的情况、和取代硼化金属化合物粉而利用了Al粉的情况下的4种过电压保护部件的特性进行说明。
试验条件是基于IEC-61000-4-2而进行的，利用气中放电，将印过电压及施加次数以+15kV下10次、-15kV下10次的方式重复。之后，测量绝缘电阻值，并将该绝缘电阻值低于1MΩ的材料评价为发生了短路。在表2中表示试验结果。
【表2】
材料 短路频度(20个中的个数) 绝缘电阻的Min值
Al 8/20 1Ω
ZrB2 0/20 70MΩ
TiB2 0/20 33MΩ
LaB6 0/20 150MΩ
该试验结果如下所示。
利用了Al粉的过电压保护部件，20个中有8个发生短路。20个中的绝缘电阻值最小的为1Ω。
利用了TiB2粉的过电压保护部件，20个中没有短路的。20个中的绝缘电阻值最小的为33MΩ。
利用了ZrB2粉的过电压保护部件，20个中没有短路的。20个中的绝缘电阻值最小的为70MΩ。
利用了LaB6粉的过电压保护部件，20个中没有短路的。20个中的绝缘电阻值最小的为150MΩ。
如试验结果所示，通过利用硼化金属化合物粉，从而难以产生短路，进而在利用了LaB6的情况下获得绝缘电阻可以说非常高的特殊的特性。另外，该试验所采用的硼化金属化合物分或Al粉的平均粒径在任一个过电压保护元件中都是1～2μm。
此外，硼化金属化合物粉的平均粒径若过小，则其热容量也会小，因此由于放电时的高能量而容易变为高温。硼化金属化合物粉在高温下进行氧化而成为绝缘体，因此静电无法再次通过。由此，过电压所产生的电荷虽然采取通过其他硼化金属化合物粉的路径，但由于该硼化金属化合物粉也因高温而变得容易氧化，故之后也无法通过该路径。通过该重复，过电压的放电路径变得绕远，存在放电特性变化的可能性。
进而，虽然硼化金属化合物粉在其表面形成绝缘性的氧化膜，但若硼化金属化合物粉的平均粒径较小，则由于形成于表面上的氧化膜的影响，会导致硼化金属化合物粉自身的电阻值上升。为此，过电压保护部4的静电的抑制特性恶化，换言之会提高峰值电压值。
另一方面，若硼化金属化合物粉的平均粒径较大，则在对第1放电电极2及第2放电电极3间进行放电之际通过的硼化金属化合物粉的数量减少。因而，若使过电压保护部4中的硼化金属化合物粉所占的体积比例恒定，则硼化金属化合物粉彼此的距离变长，使得静电的抑制特性恶化。
另外，作为过电压保护部件，并未限定于图1的构成，也可以是其他构成。图2是表示本实施方式中的过电压保护部件的其他例的正面剖视图。在图2所示的构成要素中，对与图1所示的构成要素相同的功能的构成要素赋予相同的符号。图2的过电压保护部件与图1的过电压保护部件的不同之处在于：第1放电电极2与第2放电电极3在各自的前端部并不相互对置，而是在各自的面方向相互地对置；以及图2的过电压保护部件中不存在中间层5。
即便为图2的构成的过电压保护部件，也可以达到与图1的构成的过电压保护部件同样的效果。
另外，在上述的实施方式中，过电压保护部利用的是将绝缘树脂、具有绝缘性的无机化合物和硼化金属化合物粉混合在一起的材料，但也可以利用硼化金属化合物粉分散到具有绝缘性的陶瓷或玻璃内的材料。这样一来，可以进一步提高耐热性。该情况下也与利用了绝缘树脂的情况同样地，希望硼化金属化合物粉利用TiB2、ZrB2、LaB6的至少一种。
-工业实用性-
本发明涉及的过电压保护部件及过电压保护部件用的过电压保护材料可以保护电子部件或电子电路不会被静电等的过电压损坏，在工业上是有用的。
-符号说明-
1      绝缘基板
2      第1放电电极
3      第2放电电极
4      过电压保护部
5      中间层
6      保护层
7、8   背面电极
9、10   端面电极
11、12  镀敷层

Claims (5)

1.一种过电压保护部件，其具备：
第1放电电极；
第2放电电极；和
过电压保护部，其形成于所述第1放电电极与所述第2放电电极之间，
所述过电压保护部，在所述第1放电电极与所述第2放电电极之间被施加规定电压以下的电压的通常状态下具有绝缘体的性质，在所述第1放电电极与所述第2放电电极之间被施加比所述规定电压更大的过电压的状态下具有导通的性质，
所述过电压保护部由具有绝缘性的树脂、具有绝缘性的无机化合物和硼化金属化合物粉的混合物构成，
所述硼化金属化合物粉的平均粒径为0.5μm～3μm。
2.根据权利要求1所述的过电压保护部件，其中，
所述硼化金属化合物粉含有TiB2、ZrB2、LaB6的至少一种。
3.根据权利要求2所述的过电压保护部件，其中，
所述第1放电电极与所述第2放电电极均由CuNi合金构成，其厚度为5μm～10μm。
4.一种过电压保护部件用的过电压保护材料，其是具有绝缘性的树脂、具有绝缘性的无机化合物和平均粒径为0.5μm～3μm的硼化金属化合物粉的混合物，
该过电压保护材料在被施加规定电压以下的电压的通常状态下具有绝缘性，在被施加比所述规定电压更大的过电压的状态下具有导通的性质。
5.根据权利要求4所述的过电压保护部件用的过电压保护材料，其中，
所述硼化金属化合物粉含有TiB2、ZrB2、LaB6的至少一种。
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