CN103650071A - 过电压保护元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种改进的过电压保护元件。该过电压保护元件具有包含在陶瓷介电材料内的第一内电极和包含在陶瓷介电材料内的第二内电极。第一内电极与第一端子电连接，第二内电极与第二端子电连接。

Description

过电压保护元件
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年7月8日提交的待审查美国临时专利申请No.61/505,791的优先权。
背景技术
过电压保护通常由诸如基于SiC的肖特基（Schottky）二极管之类的压敏电阻器或基于ZnO的变阻器提供，该压敏电阻器或变阻器基于与晶界导电（grain boundary conduction）相关的固态原理工作。
最流行的类型的压敏电阻器或变阻器基于掺杂有其它元素的氧化锌来控制晶界。这些器件依靠它们的非线性I-V特性瞬态电压浪涌。然而，它们的使用带来了一些显著折衷。必须小心地限制持久地施加在变阻器上的电压，以避免过大的功率损耗。由于它们常常具有负温度系数的电阻率，因此很容易陷入失控状况。使变阻器处于电场中可以改变特性并可以导致电流和功率损耗随着热降解性能而增加。
一直期望有一种不具有现有技术缺陷的过电压保护器件。
发明内容
本发明的目的是提供还可以作为过电压保护器件工作的元件。
本发明进一步的目的是提供可以通过当前用于多层陶瓷电容器（MLCC）的类似方法容易地制造的过电压保护元件。
本发明的特定特征是可以实现可表面安装的过电压保护元件、可以以小型化形式生成过电压保护元件以及可以实现适合于大规模批量生产的过电压保护元件。
一种过电压保护元件提供了将实现的这些和其它优势。该过电压保护元件具有包含在陶瓷介电材料内的第一内电极和第二内电极。第一内电极与第一端子电连接，第二内电极与第二端子电连接。
第一内电极和第二内电极之间存在间隙。另一实施例还提供了一种改进的电子装置。该电子装置具有至少有两条路径的电路，提供了具有包含在陶瓷介电材料内并且与第一端子电连接的第一内电极和包含在陶瓷介电材料内并且与第二端子电连接的第二内电极的过电压保护，第一内电极和第二内电极之间存在间隙，其中第一端子与第一路径电接触，第二端子与第二路径电接触。
附图说明
图1是本发明的实施例的示意性剖视图。
图2是本发明的实施例的图解说明。
图3是本发明的实施例的电路简图。
图4是本发明的实施例的示意性剖视图。
图5是本发明的实施例的示意性剖视图。
图6是本发明的实施例的示意性剖视图。
图7是本发明的实施例的示意图。
图8A是本发明的实施例的示意性剖视图。
图8B是本发明的实施例的示意性剖视图。
图8C是本发明的实施例的示意性剖视图。
图9是本发明的实施例的示意性剖视图。
图10是本发明的实施例的示意性剖视图。
图10A是示出本发明的实施例的电路简图。
图11是本发明的实施例的示意性局部剖视图。
图12A是本发明的实施例的示意性局部剖视图。
图12B是用作控制的标准多层电容器的示意性局部剖视图。
图13是本发明的实施例的剖视图。
图14是示出本发明的优势的曲线图。
图15是示出本发明的优势的曲线图。
图16是示出本发明的优势的曲线图。
图17是本发明的实施例的剖视图。
图18是示出本发明的优势的曲线图。
图19是示出本发明的优势的曲线图。
图20是示出本发明的优势的曲线图。
图21是示出本发明的优势的曲线图。
图22是示出本发明的优势的曲线图。
图23是示出本发明的优势的曲线图。
图24是示出本发明的优势的曲线图。
图25是示出本发明的优势的曲线图。
图26是示出本发明的优势的曲线图。
图27是示出本发明的优势的曲线图。
图28是示出本发明的优势的曲线图。
图29是示出本发明的优势的曲线图。
图30是示出本发明的优势的曲线图。
图31是本发明的实施例的剖视图。
图32是示出本发明的优势的曲线图。
图33是示出本发明的优势的曲线图。
图34是示出电容器的ESD测试的示意图。
图35是示出电容器的击穿机理的示意图。
图35A示出本发明的优势的曲线图。
图35B示出本发明的优势的曲线图。
具体实施方式
本发明涉及过电压保护器件。具体地，本发明涉及可以表面安装的、利用与多层陶瓷电容器的制造类似的传统制造工艺制造的过电压保护器件，该过电压保护器件具有优于现有技术器件的性能。
将参照形成本公开的完整的、非限制性元件的附图来描述本发明。在整个说明书中，相似的元件将被相应地编号。
本发明的过电压保护器件利用内部电弧放电将过大的过电压引向地面，然后过电压保护器件在过电压状况后返回至绝缘状态。该过电压保护元件依靠与现有技术不同的一组原理来实现容许功能增强的性能和能力的过电压保护。具体地，可以在消除功率损失的同时实现过电压保护，传统器件在持久的偏置电压下工作时通常会发生功率损失。而且，可以实现过多能量的迅速耗散。
本发明的独特优势是能够提供可以较好地承受超出现有技术极限的极高静电放电（ESD）的多层陶瓷电容器（MLCC）。根据以下部分中的描述，这些优点将变得清晰。
本发明的另一个优势是其还可以用于提供一种火花隙（sparkgap）器件，该火花隙器件也被称为导火索（fuse），其容许例如在引爆电路中在一定电压下传输电能。在这些情况下，与通常用于该目的的诸如气体放电管之类的其它解决方案相比，该过电压保护元件提供了更小的、容易表面安装的解决方案。本发明中描述的技术还容许火花隙的功能与引爆电路中当前采用的充电电容器的功能结合。根据以下部分的描述，这些优点将变得清晰。
通过过电压保护器件来解决保护电路受过电压影响的问题，该过电压保护器件被设计为通过该器件内相反极性的电极之间的受控间隙来进行内部电弧放电。通过布置相反极性电极之间的一个或多个间隙，电极金属、电极形状、间隙形状、陶瓷介电类型、和间隙中存在的气氛可以被布置为在预定电压下对地面发生电弧放电。而且，通过调节这些参数，可以将电弧放电的时间常数调节为与电路中期望的电压暂态的缓变率（ramp rate）相匹配。
可以调节电容使得若超过给定电压下的存储能量则通过内部电弧放电来耗散过多的能量。由于在预定的阈值电压下发生内部电弧放电，因此电路可以在持续施加的电压下工作而不损耗功率。过多的电压作为电能被传导至地面。尽管在内部电弧放电过程中器件内可能发生显著的局部发热，但这是电能耗散至地面的副效应，与主要通过热量耗散能量的变阻器不同。因此优选耐高温陶瓷构造。
在所述过电压保护元件中，在预定电压下形成电弧。电弧可以在空气中或其它气氛中。所述过电压保护电容器中的间隙优选在密封环境内，同时得到的过多的能量通过热量传导出去或通过相反电极传导至地面。该过电压保护元件将火花隙原理与MLCC制造中使用的材料和制造方法结合，以增加这些器件的范围和适用电压。在相反极性的电极之间的相同平面上的电极之间形成间隙。本发明的过电压保护元件容许在相反极性的电极之间形成多个火花隙，从而增加适用电压。间隙中的牺牲材料的掺杂可以用于控制间隙中形成的表面。可以使用处理方法来控制并引入除空气外的气氛。可以根据需要将电容层与间隙组合，以提供双重功能。
图1中的剖视图示出了本发明的一个实施例。在图1中，大致由10表示的过电压保护元件包括相反极性的电极16之间的内部间隙12。电极与相反极性的端子14电接触。内部间隙具有电弧距离D1，在存在的电介质和气氛的表面相同的情况下该电弧距离必定小于相反极性的端子14之间的外部距离D2。可以使用与多层电容器（MLCC）制造类似的技术在器件的制造过程中形成内部间隙。具体地，有用的技术包括印刷电极之间的牺牲材料（例如，碳或有机填充墨），该材料在层的共烧结过程中被去除。另一技术包括在电极层之间的带子上打洞。
内部间隙内的表面状况对于确定爬电（creepage）是重要的，该爬电对应于阈值电压下跨越电弧距离的电弧放电。不同的陶瓷介电材料呈现不同的爬电电势，因此可以控制给定电弧距离下的阈值电压。诸如C0G类材料之类的顺电介质远不如诸如X7R或X5R类材料之类的铁电陶瓷易于电弧放电。在印刷牺牲材料的情况下，可以通过使牺牲材料掺杂有无机材料来控制内部间隙的表面状况。可以对牺牲材料添加陶瓷颗粒，以在处理中保持间隙。可替代地，可以在牺牲材料印刷中保留间隙以容许陶瓷流入间隙从而在间隙内形成陶瓷柱，进而在后续的处理中保持间隙的大小和形状，其中陶瓷柱用作间隙上下陶瓷之间的物理支撑。
与控制阈值电压相关的另一重要因素是电极材料。针对相同距离上的电弧放电，具有不同功函数的金属将会呈现不同的阈值电压。内部间隙内存在的气体和离子化所需的能量也会影响阈值电压。
本发明的优势如图2所示，图2中以图形视图形式示出了所述过电压保护元件的功能。图2中示出了作为时间（T）的函数的电压（V）。在过电压状况（OV）下，内部电弧放电将过多的电压耗散至地面，从而返回至阈值电压（TV）。
图3中给出了示出本发明提供的优势的电路简图。若在输入电压和地面之间插入过电压保护电容器，则一旦超过阈值电压，会发生内部电弧放电，从而将过多的能量耗散至地面。
图4中的示意性剖视图示出了本发明的一个实施例。在图4中，多层电极16的每层中均具有内部间隙12。电极在内部端子14之间。与单层过电压保护元件相比，这样的布置提供了能够处理更高电流和更大能量的过电压保护元件。
图5中的示意性剖视图示出了本发明的一个实施例。在图5中，在电极18的每个电极内均设有多个内部间隙20。电极在内部端子14之间。利用电极中的多个间隙，将提升实现内部电弧放电所需的电势，从而增大阈值电压。
图6中的示意性剖视图示出了本发明的一个实施例，其中提供了双重功能。在图6中，交替的相反极性的电容器电极22提供了外部端子14之间的电容性耦合，其中相反极性的电容器电极之间至少具有活性电介质24。通过至少一个电极16或者至少一个电极18来提供过电压保护，电极16中具有间隙12，电极18中具有多个间隙20。该实施例利用存储在有源电容器层中的能量来实现更大的电容量。
图7中示出了电子装置100的电路简图，其中该装置包括具有图6所示的器件的电路101。在图7中，标准MLCC电容器C1与过电压保护元件（OVP）电并联。当用于保护传输电路系统时，高电容电容器是不理想的，因为这可能导致信号失真。
可以在内部间隙中使用气体来控制阈值电压，其中气体的电离电位越低，阈值电压越低。因此，在一些实施例中，期望利用内部间隙内的受控气氛来处理过电压保护电容器。这可以通过在器件的共烧结过程中控制过程气氛或者通过将内部间隙形成至最终器件的外部来实现。具体地，优选的气体包括大气气体或选自He、Ne、Ar、Kr或Xe的惰性气体。还可以使用氮和氢，并且可以采用这些气体的混合来改变器件的击穿和恢复。帕邢（Paschen）定律指出间隙的击穿特性（V）是气压（p）和间隙长度（d）的函数：V=f(pd)。对于空气气氛以及1mm量级的间隙：V=30pd+1.35kV，其中d是间隙长度（cm），p是大气压力（大气压）。大部分的气体随着压力的变化具有非线性响应，因此采用混合物来使其适用于给定应用。仅针对高电压，优选纯惰性气体。诸如温度、湿度和二次电离电位之类的其它因素也可以影响击穿电压。还可以将蒸汽引入间隙以用作补充物，它们中最有名的是广泛用于荧光灯管的水银蒸汽，但是对于气体放电功能，酒精或卤素蒸汽的引入可能是有利的，这是由于它们的高电负性以及吸收UV光的能力可以帮助抑制放电。
图8A中的示意性剖视图和图8B中的示意性剖视图示出了本发明的一个实施例。在图8A和图8B中，外部端子14之间的电极16具有间隙12，间隙12在通道24内，其中通道与电容器主体外部流动连通。气体进入该通道，气密密封22置于该通道的开口上，从而将气体固定在腔室内。
图8C中的示意性顶视图示出了本发明的一个实施例。在图8C中，间隙在端子14和内电极16之间。该实施例避免了添加气密密封所必要的附加处理。外部端子本身用于密封间隙内的气体。适当的端子材料不会流入间隙，这是由于必须控制距离以确保在限定的阈值电压下电弧放电，并且端子将不得不应用于所需的气体气氛中。适当的端子材料包括导电粘合剂、TLPS导电粘合剂和厚膜，使用脉冲热电极或高功率、高频光来处理端子材料，以烧结端子。
在诸如镍或铜之类的贱金属电极的情况下，在多层的共烧结过程中使用还原气氛，并且氧气退火阶段通常用于再氧化陶瓷氧化物，从而置换在烧结过程中形成的任何氧空位。通过小心地选择介电材料和烧结气氛，可以控制间隙内的气体组成。
图9中的示意性顶部剖视图示出了本发明的一个实施例。在图9中，各内电极26的至少一部分靠拢，从而在间隙的最窄部分28处相反极性的电极的最靠近的窄部分处集中电荷。通过在电极的最窄部分处集中电荷，可以减小阈值电压。
图10中的示意性顶视图示出了本发明的一个实施例。在图10中示出了三端过电压保护元件，其中地电极29存在于间隙内，地电极29具有其关联的地端子30。间隙可以是气体填充间隙。优选靠拢的电极32电连接至外部端子34。该三端器件特别适合在两条传输线之间使用，其中可以通过任一传输线或两条传输线将过电压引至地面。
所述过电压保护器件将过电压耗散至地面从而容许电容器实现较高的静电放电能力。在标准的MLCC中，若在静电放电（ESD）事件期间施加至电容器的电压超过击穿电压，则元件失效。然而，通过并入电压保护器件，在对电容耦合发生任何损坏之前，在ESD事件期间施加的电压通过内部电弧放电耗散。在现有技术中，已使用外部电弧放电来尝试保护易受ESD影响的MLCC，取得了不同程度的成功，这是因为部件的表面可能暴露在影响外部电弧放电的各种环境条件、污染物和/或涂层下，因此妨碍了控制电弧电压的能力。内部电弧放电提供了实现高ESD能力电容器的一致方法。具体地，所述过电压保护元件提供了以小的、低电容的MLCC保护敏感电容器受过电压影响的方法，MLCC是最容易受ESD导致的故障影响的电容器类型。
此外，本发明中描述的过电压保护元件（OVP）还可以为引爆电路提供火花隙，其也被称为导火索（fuse）。在这些情况下，所述过电压保护器件将放置在电源和电子引信启动器（EFI）之间，如图10A所示。过电压保护器件（OVP）代替诸如气体放电管之类的通常占据较大体积的其它火花隙器件，从而使得电路小型化。同样根据本发明的教导，通过将三个或更多端子与合适的电容结合，可以设计结合充电电容器的功能和火花隙的功能的过电压保护器件，从而实现进一步小型化。
在本文中不用适合演示本教导的任何导体来具体限制电极。适合在电容器中使用的电极均适合，这是由于其广泛可用性以及能够在设计用于电容器（特别是多层陶瓷电容器）的制造的制造设施中制造过电压保护元件的能力。贱金属电极特别适合于本发明的演示，贵金属电极也一样。
在此不特别限制用作间隙中的电介质或材料的陶瓷材料。适合在C0G和X7R电容器中使用的材料都适用于本发明的演示，这是由于其广泛使用于MLCC的制造以及能在设计用于MLCC的制造的设施中制造过电压保护元件的能力。
MLCC制造领域中的技术人员将意识到，前述材料和处理的组合容许实现广泛范围的不同过电压保护元件。在以下非限制性的示例中描述了本技术的应用，以下非限制性的实施例描述了如何利用与MLCC类似的处理来形成过电压保护元件。
示例1&1A
构造具有X7R温度系数、1812封装尺寸的贱金属电极（BME）多层陶瓷电容器（MLCC），以使得空气间隙存在于相反极性的两个内电极之间，从而将过电压保护元件并入MLCC。陶瓷介电材料是与Ni内电极兼容的BaTiO3基本配方。未烧制的电容器的长度大约5.33mm（0.21英寸）、宽度大约3.81mm（0.15英寸）。
使用MLCC行业典型的干层堆积（dry layer build up）处理来装配未烧制的电容器，该处理合并丝网印刷的内电极。以包含1200个电容器的阵列的图案来丝网印刷电极，该1200个电容器在堆积处理后被单一化为单个未烧制的电容器。通过气动注射器将小滴的树脂分散到相反极性电极之间的区域内的一些未烧制陶瓷带层上，使得其跨越间隙并接触每个电极。过电压保护元件的这些样本被标记为示例1A，与此时制造的其它MLCC、控制组示例1进行比较。相反极性电极之间的间隙为0.03mm（0.012英寸），树脂滴的直径通常为0.38mm（0.015英寸）。制造内电极使得电极的宽度大约3.20mm（0.126英寸）、长度为5.03mm（0.198英寸）。电极的端部成锥形，椎形从距离电极的端部大约8.13mm（0.032英寸）处起始，逐渐变细至大约2.44mm（0.096英寸）的宽度。图11包含了电极和树脂滴的图示。树脂施加至印刷电极阵列的大约30%。包围具有树脂滴的区域的未烧制电容器用作控制组。在以下描述的黏合剂烧尽处理过程中去除牺牲树脂，剩下空气间隙。树脂主要是乙基纤维素（ethyl cellulose）和塑化剂(plasticizer)溶于二氢松油醇(dihydro terpineol)的溶液，固体含量大约5%。每个有源层的总的生瓷带厚度为40微米，而每个空陶瓷层为25微米。电容器包含总共28个内电极层。在堆叠9个空陶瓷层和14个电极层后，暂停堆叠处理并将2个空陶瓷层插入堆中，随后插入一个包含树脂滴的印刷层，放置该印刷层使得电极之间的间隙大约在电容器的中心。接着将3个空陶瓷层插入电容器堆中，其后插入剩余的13个电极层和9个空陶瓷层。整个堆被施加足以使所有层粘结在一起的层压压力循环。
通过在40-96小时的时间段内在受控气氛中加热至230-280℃，从未烧制电容器上去除有机粘合剂。气氛由氮气、氧气和O2浓度为5-21%、露点为30-60℃的水蒸气组成。在粘合剂烧尽后，在氮气、氢气、以及具有10-8至10-10大气压氧气的pO2和25-40℃的露点的水蒸气的还原气氛中，在1280-1320℃下烧制电容器两个小时。直到峰值温度的缓变率在每分钟1-5℃的范围内。在从峰值温度冷却的过程中，电容器在750-1050℃下经过2至8小时的再氧化处理。再氧化过程中的气氛由氮气、氧气、以及具有5-100PPM O2的pO2、30-40℃的露点的水蒸气组成。再氧化处理将氧气还原为电介质晶体结构，以消除在烧制过程中可能出现的氧空位。
在热处理后，烧结的电容器经过滚磨，以平滑任何锋利的棱角并完全暴露内电极。在滚磨后，将熔化的铜端浆施加至电容器的端部，以与暴露的内电极建立电连接。在铜浆干后，电容器通过使用氧分压较低、温度曲线受控的氮气气氛的端烧结炉，以氧化粘合剂并烧结端子。炉内的温度以大约20℃/min的缓变率从室温增加至870℃，随后逐渐冷却至室温。
结束后，厚度在1.27μm(50μ英寸)至3.81μm(150μ英寸)的电镀Ni势垒层施加到铜端子上，随后施加厚度在2.54μm(100μ英寸)至7.52μm(300μ英寸)的Sn电镀层。
热处理后，利用非破坏性的C模式扫描声学显微镜（CSAM）来检查电容器，以指出内部空气间隙的尺寸和位置。该检查确认在热处理过程中去除了树脂并且过电压保护元件样本（示例1A）中存在内部空气间隙。此外，执行破坏性物理分析（DPA）以表征内部间隙。图12A和图12B分别示出了具有间隙和控制的MLCC的CSAM图像。图13示出了在DPA过程中建立的空气间隙的照片。CSAM用于分类具有空气间隙的MLCC，从而挑选具有一致大小的空气间隙的部件。
具有表示过电压保护元件的内部空气间隙（示例1A）和控制电容器部件（示例1）的所选电容器经历300伏特/秒的斜坡电压直至最终电压击穿（UVBD），随后经历相同电压缓变率的第二斜坡电压直至击穿。电压击穿的特征为测量电流的突增，这常常是由于电介质层的击穿所引起，但也可能是由于横跨端子之间的电容器表面的电弧放电所引起。执行第二UVBD测试以确认第一UVBD测试期间的高电流测量是由于电介质击穿还是由于表面电弧放电所引起。
针对该电容器设计和材料集的期望的平均UVBD为45至55伏特/微米。如表1所示，针对控制组的平均UVBD为1897伏特，这在期望的范围内。但是，测试组具有526伏特的明显较低的初始UVBD。初始UVBD分布如图14所示。
针对控制组（1）的平均第二UVBD是22伏特，表示作为UVBD的结果，控制组经历了灾难性的电介质击穿。针对测试组（1A）的平均第二UVBD是58伏特。针对测试组的第二UVBD表明其在通过内部间隙耗散电荷之前保持获得电荷的能力。第二UVBD分布由图15示出。在施加UVBD电压后，测试组的内部构造的DPA检查表明没有空气间隙区域中的电介质击穿的任何迹象。
电气和物理检查表示包含内部间隙的MLCC通过内部电弧放电耗散了在UVBD期间施加的电压。然而，测试组（1A）在第一和第二UVBD测试之间UVBD从520伏特至小于等于100伏特的偏移表示MLCC利用内部间隙设计来耗散电压的能力的持久改变。该改变表示第二UVBD测试后绝缘电阻（IR）的改变，如表1所示。图16中示出的控制组（1）的IR在UVBD测试后减小至小于等于10k欧姆与在电介质击穿后观察的IR的减小一致。测试组（1A）的UVBD后的IR平均高于控制组。
表1.示例1-5D的电容、DF、UVD和IR性能（除非另外说明否则表示平均值）
Figure BDA0000454646790000121
*在本示例中仅测量了8个样本。
示例2&2B
在示例2&2B中，除了电容器包含具有树脂滴的三层外，按照与示例1&1B所述相同的方式构造具有X7R类材料、1812封装尺寸的贱金属电极（BME）多层陶瓷电容器（MLCC），使得在示例2B的情况下空气间隙存在于相反极性的两个内电极之间。在堆叠9个空陶瓷层和14个电极层后，暂停堆叠处理并将2个空陶瓷层插入堆中，随后插入3个包含树脂滴的印刷层，放置该印刷层使得每层内电极之间的间隙大约在电容器的中心。接着将3个空陶瓷层插入电容器堆中，其后插入剩余的13个电极层和9个空陶瓷层。整个堆被施加足以使所有层粘结在一起的层压压力循环。
具有内部空气间隙和控制部件的所选电容器受到300伏特/秒的斜坡电压直至电压击穿，随后受到相同电压缓变率的第二斜坡电压直至击穿。控制组的初始UVBD再次在1832伏特的期望范围内（表1）。控制组的第二UVBD似乎与示例1的第二UVBD类似，但是测试组在第二UVBD中呈现从示例1A中的58伏特至示例2B中的97伏特的小增幅。将第二UVBD测试与示例1A进行比较后，还可以在示例2B中看到绝缘电阻的小增幅。在施加UVBD电压后，测试组的内部构造的DPA检查显示没有空气间隙区域中电介质击穿的任何迹象，图17中示出了横截面。图18、图19和图20中分别示出了示例2&2B针对初始UVBD、第二UVBD以及第二UVBD后的IR的分布。
示例3&3C
在示例3&3C中，除了利用与Ni内电极兼容的基于CaZrO3的介电材料构造电容器外，按照与示例2&2B相同的方式构造具有C0G类材料、1812封装尺寸的贱金属电极（BME）多层陶瓷电容器（MLCC），使得在示例2B的情况下空气间隙存在于相反极性的两个内电极之间。每个有源层的总的生瓷带厚度为17微米，而每个空陶瓷层为5.8微米。电容器包含总用61个内电极层。在堆叠40个空陶瓷层和29个电极层后，暂停堆叠处理并将3个空陶瓷层插入堆中，随后插入3个包含树脂滴的印刷层，放置该印刷层使得每层内电极之间的间隙大约在电容器的中心。接着将3个空陶瓷层插入电容器堆中，其后插入剩余的29个电极层和40个空陶瓷层。整个堆被施加足以使所有层粘结在一起的层压压力。
具有内部空气间隙和控制部件的所选电容器受到300伏特/秒的斜坡电压直至电压击穿，随后受到相同电压缓变率的第二斜坡电压直至击穿。该电容器设计和材料集期望的平均UVBD是95至105伏特/微米。如表1所示，控制组的平均UVBD为1678伏特，其在期望范围内。测试组3C的初始平均UVBD略低，为1457伏特，这些分布在图21中示出。
图22中示出了第二UVBD分布。控制组的平均第二UVBD为271伏特，其高于针对具有类似电极设计的X7R电容器（示例2）的第二UVBD观测到的值，如表1所示。然而，表1和图23中示出的控制组的低测试后绝缘电阻表示电容器经历了内部电介质击穿。测试组的平均第二UVBD为986伏特，这明显高于控制组。图23中的曲线表明测试的10个电容器中的6个电容器保持良好的绝缘电阻（大于1G欧姆），并且没有经历内部电介质击穿。在施加UVBD电压后，测试组的内部构造的DPA检查表明没有空气间隙区域中电介质击穿的任何迹象。
示例3C中的10个电容器经历了300伏特/秒的电压缓变率的重复UVBD电压循环。其中的3个电容器挺过了10个UVBD循环。图24中的曲线表明，在3至4个循环后，UVBD电压稳定在300至700伏特的范围内并且保持可接受的电特性，如表2所示。
表2.示例3中所选样本的特性。
芯片 电容，nF DF，% IR，G欧姆
1 7.8 .013 72
2 7.8 .011 900
3 7.8 .013 4400
示例4&4D
在示例4&4D中，除了未烧制电容器的长度大约为2.36mm（0.093英寸）以及宽度大约为1.45mm（0.057英寸）外，按照与示例3&3C相同的方式构造具有C0G类材料、0805封装尺寸的贱金属电极（BME）多层陶瓷电容器（MLCC），使得在示例4D中，空气间隙存在于相反极性的两个内电极之间。
使用业内典型的干层堆积（dry layer build up）处理来装配未烧制的电容器，该处理合并丝网印刷的内电极。以包含7000个电容器的阵列的图案来丝网印刷电极，该7000个电容器在堆积处理后被单一化为单个未烧制电容器。制作内电极以使得电极的宽度大约为1.04mm（0.041英寸），长度为2.06mm（0.081英寸）。电极的端部成锥形，椎形从距离电极的端部大约0.41mm（0.016英寸）处起始，逐渐变细至大约0.53mm（0.021英寸）的宽度。每个有源层的总的生瓷带厚度为29微米，而每个空陶瓷层为4.3微米。电容器包含总共30个内电极层。在堆叠38个空陶瓷层和14个电极层后，暂停堆叠处理并将10个空陶瓷层插入堆中，随后插入3个包含树脂滴的印刷层，放置该印刷层使得每层的电极之间的间隙大约在电容器的中心。接着将10个空陶瓷层插入电容器堆中，其后插入剩余的13个电极和38个空陶瓷层。整个堆被施加足以使所有层粘结在一起的层压压力循环。
具有内部空气间隙和控制部件的所选电容器被施加300伏特/秒的斜坡电压直至电压击穿，随后被施加相同电压缓变率的第二斜坡电压直至击穿。该电容器设计和材料集期望的平均UVBD是72至80伏特/微米。如表1所示，控制组的平均UVBD为2240伏特，其在期望范围内。测试组的初始UVBD略低，为1626伏特。图25中示出了初始UVBD分布，图26中示出了第二UVBD分布，图27中示出了与它们相关的IR。
控制组的平均第二UVBD为793伏特，其小于初始UVBD的40%。显著地，控制组测试后的绝缘电阻相对高，平均为4600G欧姆。控制组的内部DPA检查表明在UVBD期间发生了内部电介质击穿，如图28所示，但是该故障不是灾难性的，并且容许电容器在跨越相反极性电极层之间的空隙而电弧放电前接受一些电荷。
测试组的平均第二UVBD为1507伏特，其与初始UVBD的1626伏特相接近。图27中的曲线表明测试的所有10个电容器均保持大于1G欧姆的绝缘电阻。在施加UVBD电压后，测试组的内部构造的DPA检查表明没有空气间隙区域内电介质击穿的任何迹象。
示例4D中的5个电容器被施加300伏特/秒的电压缓变率的重复UVBD电压循环。其中4个电容器挺过了10个UVBD循环。图28中的曲线表明在5至7个循环后UVBD电压稳定在500至140的范围内。
示例5&5E
在示例5&5E中，除了未烧制电容器的长度大约为3.53mm（0.151英寸）以及宽度大约为2.05mm（0.081英寸）外，按照与示例4&4D相同的方式构造具有C0G类材料、1206封装尺寸的贱金属电极（BME）多层陶瓷电容器（MLCC），使得对于示例5E空气间隙存在于相反极性的两个内电极之间。
使用业内典型的干层堆积处理来装配未烧制的电容器，该处理合并丝网印刷的内电极。以包含3000个电容器的阵列的图案来丝网印刷电极，该3000个电容器在堆积处理后被单一化为单个未烧制电容器。制作内电极使得电极的宽度大约为1.55mm（0.061英寸），长度为3.53mm（0.139英寸）。电极的端部成锥形，椎形从距离电极的端部大约0.81mm（0.032英寸）处起始，逐渐变细至大约0.79mm（0.031英寸）的宽度。每个有源层的总的生瓷带厚度为30微米，而每个空陶瓷层为4.3微米。电容器包含总共39个内电极层。在堆叠45个空陶瓷层和18个电极层后，暂停堆叠处理并将12个空陶瓷层插入堆中，随后插入3个包含树脂滴的印刷层，放置该印刷层使得每层的电极之间的间隙大约在电容器的中心。接着将12个空陶瓷层插入电容器堆中，其后插入剩余的18个电极和45个空陶瓷层。整个堆被施加足以使所有层粘结在一起的层压压力循环。
具有内部空气间隙和控制部件的所选电容器被施加300伏特/秒的斜坡电压直至电压击穿，随后受到相同电压缓变率的第二斜坡电压直至击穿。该电容器设计和材料集期望的平均UVBD是72至80伏特/微米。如表1所示，控制组的平均UVBD为2259伏特，其在期望范围内。测试组的初始UVBD略低，为1427伏特。这些分布在图29中示出。
控制组的平均第二UVBD为1086伏特，其小于初始UVBD的50%，如表1和图30所示。控制组中的10个电容器中的8个电容器呈现相对高的测试后绝缘电阻，平均为2034G欧姆，但是如图31所示，检查揭示了电介质击穿的迹象，并且如图32所示2个电容器具有低IR。
测试组的平均第二UVBD为1520伏特，其与初始UVBD的1427伏特以及示例4D的初始和第二UVBD相接近。图33中的曲线表明测试的所有10个电容器均保持良好的测试后绝缘电阻，该测试后绝缘电阻相比测试前绝缘电阻变化很小。在施加UVBD电压后测试组的内部构造的DPA检查表明没有在空气间隙区域内或者电容器的有源区内有电介质击穿的任何迹象。
静电放电ESD
陶瓷电容器在承受静电放电电压方面一般都很强健，并且通常用于保护敏感元件不受线电压中的瞬态尖峰的影响。在本申请中优选低电容值，以最小化电容器对电路的影响。然而，低电容值通常不会呈现最高的ESD鲁棒性。以下对其进行解释。图34示出了表示ESD测试电路的电路图，其中源电容器为50。当开关54闭合时，从源电容器充电至ESD测试电压的电荷量放电到测试电容器52。测量电压放电后的电容、耗散因素和绝缘电阻测量，并与初始测量进行比较以表示测试电容器中的任何下降。
在理想的ESD测试情况下，随着电荷从源电容器流向测试电容器，总电荷守恒，得到的电压减小量与总电容成比例，如等式A、B和C以及针对具有150pF电容器和2kΩ电阻器的源RC网络示出的测试示例所示。这与AEC Q200测试所需的“人体模型”测试一致（Ref:ISO10605:2008&IEC61000-4-2）。
等式A：
Q初始=电容源×电压初始
Q=150pF×8kV=1.2×10-6库仑
等式B：
Q最终=Q初始
1.2×10-6库仑=1.2×10-6库仑
等式C：
电压最终=Q/（电容源+电容截止）
V=1.2×10-6/（150pF+1000pF）*10-6=1043V
若最终电压超过电容器的最终电压击穿（UVBD），则电容器可能遭受灾难性电介质击穿和电短路。如这些公式所示，下限电容值必须承受较高电压，从而耗散来自源电容器的给定的电荷量。该关系限制了电路设计者针对本申请缩小电容器尺寸的能力，这是因为较小的电容器在给定额定电压下具有较低的下限电容值。
若电容器的UVBD足够高并且电容器的端到端间隔足够小，则电压可以跨越电容器的外表面放电，而不是通过电容器随电介质击穿放电。在图35示出了这两个路径的图示，其中56表示跨越内部电介质放电，这是破坏性的，而58表示跨越内部空气间隙放电，这不会造成破坏。电容器跨越端子进行电弧放电的趋势取决于包括以下项的一些因素：内电极的形状和位置、电介质的类型和环境条件。此外，含有电容器的电路在装配后被镀层，这可以阻碍表面电弧放电。
示例4&4D和示例5&5E中生成的电容器受到ESD测试，结果如表3所示。初始测试电压为16千伏。若暴露于测试电压下后检测到电故障，测试电压减小至12千伏并在更低电压下测试新样本。若没有检测到电故障，测试电压增加至25千伏并继续测试。从表3可知，与标准电容器设计（4和5）相比，包含内部空气间隙的电容器测试设计（4D和5E）可以挺住更高的ESD电压，这是因为内部空气间隙、或火花隙容许过多电压通过电容器而不是在外表面或通过内部电介质击穿机理来放电。
表3.ESD测试结果
Figure BDA0000454646790000181
样本4D和5E表明，在25kV下的ESD测试后，电容、耗散因数或绝缘电阻没有明显差异。在2009年的IEEE会报35-40页中的CRostamzadeh,H.Dadgostar和F.Canavero的“ElectrostaticDischarge Analysis of Multi Layer Ceramic Capacitors”文献中，跟随+/-15kV的ESD脉冲，测试后与测试前进行比较，一些MLCC被示为遭受由低频下的低阻抗所示的持久退化。为此，在25kV下的ESD测试前后测试了示例5E中的几个MLCC的阻抗，它们的平均阻抗分别如以下图35A和图35B所示。样本5E中在25kV ESD测试后阻抗没有差异，因此我们可以得出电容器没有退化。
已参照非限制性的优选实施例描述了本发明。本领域技术人员将意识到，没有具体描述的另外的改进和实施例也在所附权利要求中所阐述的本发明的范围内。

Claims (35)

1.一种过电压保护元件，包括：
第一内电极，其包含在介电材料内，并且其中所述第一内电极与第一端子电连接；
第二内电极，其包含在所述陶瓷介电材料内并且与第二端子电连接；以及
间隙，其在所述第一内电极和所述第二内电极之间。
2.根据权利要求1所述的过电压保护元件，其中所述间隙具有最近分隔距离，所述最近分隔距离小于所述第一端子和所述第二端子之间的最近分隔距离。
3.根据权利要求1所述的过电压保护元件，还包括第三内电极，其与第三端子连接，其中第三内电极接触所述第一内电极和所述第二内电极之间的所述间隙并且不与所述第一内电极或所述第二内电极中的任一电极电接触。
4.根据权利要求3所述的过电压保护元件，还包括第四内电极，其与第四端子连接，其中所述第四内电极接触所述第一内电极和所述第二内电极之间的所述间隙并且不与所述第一内电极、所述第二内电极或所述第三内电极中的任一电极电接触。
5.根据权利要求1所述的过电压保护元件，还包括多个第三内电极和多个第四内电极，其中所述多个第三内电极中的每个第三内电极与所述多个第四内电极中的一个第四内电极分隔第二间隙。
6.根据权利要求5所述的过电压保护元件，其中所述第三内电极与所述第一端子电接触，并且所述第四内电极与所述第二端子电接触。
7.根据权利要求5所述的过电压保护元件，其中所述第三内电极与所述第三端子电接触，并且所述第四内电极与所述第四端子电接触。
8.根据权利要求1所述的过电压保护元件，在所述第一内电极和所述第二内电极之间包括多个间隙。
9.根据权利要求1所述的过电压保护元件，其中所述第一内电极或所述第二内电极中的至少一个包括选自贱金属和贵金属的材料。
10.根据权利要求1所述的过电压保护元件，其中所述第一端子或所述第二端子中的至少一个包括选自贱金属和贵金属的材料。
11.根据权利要求10所述的过电压保护元件，其中所述第一端子或所述第二端子中的至少一个被电镀。
12.根据权利要求1所述的过电压保护元件，其中所述介电材料包括钛酸钡或锆酸钙，并且所述第一内电极或所述第二内电极中的至少一个包括贱金属。
13.根据权利要求1所述的过电压保护元件，其中所述间隙包括选自空气、氮气、氢气和惰性气体的材料。
14.根据权利要求1所述的过电压保护元件，其中所述间隙延伸至所述过电压保护元件的一侧。
15.根据权利要求14所述的过电压保护元件，还包括所述间隙上的气密密封。
16.根据权利要求1所述的过电压保护元件，其中所述第一内电极和所述第二内电极共面。
17.一种电子装置，包括：
电路，其包括至少两条路径；
过电压保护元件，其包括：
第一内电极，其包含在介电材料内，并且其中所述第一内电极与第一端子电连接；
第二内电极，其包含在所述陶瓷介电材料内并且与第二端子电连接；以及
间隙，其在所述第一内电极和所述第二内电极之间；其中所述第一端子与所述路径的第一路径电接触；以及所述第二端子与所述路径的第二路径电接触。
18.根据权利要求17所述的电子装置，其中所述第一路径与电气地电接触。
19.根据权利要求17所述的电子装置，其中所述间隙具有最近分隔距离，所述最近分隔距离小于所述第一端子和所述第二端子之间的最近分隔距离。
20.根据权利要求17所述的电子装置，还包括多个第三内电极和多个第四内电极，其中所述多个第三内电极的每个第三内电极与所述多个第四内电极的一个第四内电极分隔第二间隙。
21.根据权利要求20所述的电子装置，其中所述第三内电极与所述第一端子电接触，并且所述第四内电极与所述第二端子电接触。
22.根据权利要求20所述的电子装置，其中所述第三内电极与第三端子电接触，并且所述第四内电极与第四端子端电接触。
23.根据权利要求17所述的电子装置，在所述第一内电极和所述第二内电极之间包括多个间隙。
24.根据权利要求17所述的电子装置，其中所述第一内电极或所述第二内电极中的至少一个包括选自贱金属和贵金属的材料。
25.根据权利要求17所述的电子装置，其中所述第一端子或所述第二端子中的至少一个包括选自贱金属和贵金属的材料。
26.根据权利要求25所述的电子装置，其中所述第一端子或所述第二端子中的至少一个被电镀。
27.根据权利要求17所述的电子装置，其中所述介电材料包括钛酸钡或锆酸钙，并且所述第一内电极或所述第二内电极中的至少一个包括贱金属。
28.根据权利要求17所述的电子装置，其中所述间隙包括选自空气、氮气、氢气和惰性气体的材料。
29.根据权利要求17所述的电子装置，其中所述间隙延伸至所述过电压保护元件的一侧。
30.根据权利要求29所述的电子装置，还包括所述间隙上的气密密封。
31.根据权利要求17所述的电子装置，其中所述第一内电极和所述第二内电极共面。
32.根据权利要求17所述的电子装置，还包括第三内电极，其与第三端子连接，其中第三内电极接触所述第一内电极和所述第二内电极之间的所述间隙，并且不与所述第一内电极或所述第二内电极中的任一电极电接触；其中所述第三端子与所述电路内的第三路径连接。
33.根据权利要求32所述的电子装置，其中所述第三路径与电气地电接触。
34.根据权利要求32所述的电子装置，还包括第四内电极，其与第四端子连接，其中所述第四内电极接触所述第一内电极和所述第二内电极之间的所述间隙，并且不与所述第一内电极、所述第二内电极或所述第三内电极中的任一电极电接触；其中所述第四端子与所述电路内的第四路径连接。
35.根据权利要求34所述的电子装置，其中所述第四路径与电气地电连接。
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