CN106252001A - 螺旋磁电极封装全能脉冲技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种螺旋磁电极封装全能脉冲MOA压敏电阻器，压敏电阻器包括芯片本体和螺旋线形电极，芯片本体两侧设有涂银层，螺旋线形电极固定设置在芯片本体两侧得涂银层上。螺旋式压敏电阻器其表现出来的电性能远比传统压敏电阻可以使用在不同的分类应用中适用范围更宽广，实现了对不同脉冲电压的适用与防护，提高了压敏电阻的性能。

Description

螺旋磁电极封装全能脉冲技术

技术领域

本发明公开一种电子元器件，特别是一种螺旋磁电极封装全能脉冲技术，其包含电子电路、脉动电流、无源电子组件、封装技术等技术领域。

背景技术

众所周知，在高频条件下，电子趋于导线表面运动的现象被称之为“集肤效应”，在低频时，集肤效应对导线的导电(阻抗)特性影响不大，但随着频率增加，导线的阻抗会呈现电感效应导线阻抗因集肤效应而发生变化，故而在现实中在同样的导线截面的表面积情况下，两根电缆线输电能力要高出单根电缆线效率许多，宽带变压器也是应用的这个道理，把一根线换成两根线后其工作效率大不一样，但其导线的铜的用量没变。和导线一样，电缆线中也存在集肤效应，另外，电缆中同时存在磁场和电场导致电缆的阻抗特性既有电感效应又有电容效应，通过一根导线的电流所产生的磁场将会使另一根导线中的电流减小，同样如果电缆的两根导线之间有电位差就会产生电场从而引起电容效应。电感和电容应同时注意此时电缆可被等效为许多小电感和小电容的级联一根电缆的阻抗可等效为电感与电容的组合网络。

目前电子产品中所用的元器件-分立式(引线插件)无源组件：电阻电容等都是采用“L”形状的金属引线接线方式连接到组件本芯片用以传输电路中工作的电流和能量来发挥组件其芯片本身电性能参数的作用以达到产品设计目的。

普通压敏电阻用一条直导线从压敏电阻表面将电流导入和引出，这种方式会导致压敏的表面电流都在引线位置集中，造成局部电流密度过大的现象。压敏电阻未导通前，其作用相当于一个电容，交变电流漫流在陶瓷芯片与覆银层界面上；电流密度的大小，以中间靠近引线处最大，它不仅造成芯片上漫流方向的温度梯度，引发因热膨胀量不同产生径向或环向裂纹；而且还导致电流密度最大的中间部位表面晶界首先势垒降低或受损，这降低了压敏器件对冲击电流的耐受性。在电涌冲击下，压敏器件导通，由于趋肤效应的影响，电流会集中在芯片的周边通过陶瓷晶体。电流通过阀片的实际截面积变小，电流所遇阻值变大，降在阀片上的电压增加，能量消耗也随着增加，阀片升温加快，这时压敏的损伤点就多发生在电流通过比较集中的阀片周边部位。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的分立式元器件引脚都是呈“L”形设计的缺点，本发明提供一种新的螺旋磁电极封装全能脉冲技术，其采用螺旋线形电极，解决L形电极带来的各种问题。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种螺旋磁电极封装全能脉冲技术，该技术为在电子元器件本体上设置有电极，电极呈螺旋线形，当电极通电时，垂直轴向的磁场能约束电子，使原有的电子直线轨迹成为螺旋前进的轨迹，磁场的作用使得电子的运动变为围绕轴向的磁力线做螺旋运动，金属导线螺旋式电极结构在通电情况下形成均匀的电磁场起到了电磁波体积式的从内到外加热的原理，对整个电子元器件加热。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的电子元器件本体呈片状，螺旋线形电极固定设置在芯片本体两侧。

所述的螺旋线形电极采用平面等角螺旋线或平面等速螺旋线。

所述的电子元器件本体呈柱状，螺旋线形电极固定设置在芯片本体两端。

所述的螺旋线形电极采用无断开端头的双螺旋线。

所述的电子元器件本体上设有涂银层，螺旋线形电极固定设置在涂银层上。

所述的螺旋线形电极采用焊接的方式设置在高导电层上，该高导电层为涂银层或导电胶层或超导材料层。

所述的螺旋线形电极在电子元器件本体内埋置。

所述的电子元器件本体两侧的螺旋线形电极朝向同一方向旋转，或者朝向不同方向旋转。

所述的螺旋线形电极采用空心金属螺旋线或者采用扁平金属螺旋引线。

本发明的有益效果是：芯片导线的螺旋式电极结构金属导线的螺旋式电极分布在芯片本体两侧：

1)电流的均匀分布：弯曲形状的导体能提高其抗张能力导体的散热性和电流密度分布均匀性，对导体器件承受周期性负载的稳定性有很大的益处，电流在芯片电极上得到均匀分布其表面温度也会降下来；

2)排潮干燥：由于在芯片对称两面是对称式金属导线螺旋式电极结构，在通电情况下形成均匀的电磁场，起到了电磁波体积式的从内到外加热的原理；

3)电极银层面的完整：由于螺旋式金属电极其抗张力的提高与电流密度的均匀性，热胀冷缩效应对芯片本体的电极质密的银层面表面的“拉扯”破坏力大大减小，抗冲击力抗老化漏电流偏大都有根本的改善，形成的早期失效现象也明显的减少。

大约80％电子组件都是无源组件，这些元器件不具有放大或开关功能，但却占用了整个印制电路板(PCB)/线路板(PWB)面积的40％以上，而且在生产过程中30％以上要使用焊接工艺，90％的要拿取放操作，而平面螺旋电感线圈与压敏半导体芯片的表面焊接形成的特殊高性能：大电流、高频、高能量且芯片小形化，电流在微电路中高效连接传输方式的技术方向，不失为今后无源组件相嵌集成小型提供了方法与思路，就是把电学里面的三个最基本的无源组件组合、相嵌，集成到半导体器件里，形成花样变化繁多、功能强大的组件系统来完成性能更好的、成本更低、安全性更可靠的产品设计目的。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明实施例一立体结构示意图。

图2为本发明实施例二立体结构示意图。

图3为本发明导通时电子元器件体表电流分布示意图。

图4为现有技术中的压敏电阻导通时芯片体表电流分布示意图。

图5为本发明导通时电子元器件体内电流分布示意图。

图6为现有技术中的压敏电阻导通时芯片体内电流分布示意图。

图7为现有技术中的直线L式电子元器件电流导通路径与长度比较图。

图8为本发明中的螺旋式电子元器件的电流导通路径与长度比较图。

图中，1-电子元器件本体，2-涂银层，3-螺旋线形电极，4-电子分布。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其它凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

本发明为一种螺旋磁电极封装全能脉冲技术，该技术的核心为在电子元器件本体1上设置有电极3，电极3呈螺旋线形，当电极3通电时，垂直轴向的磁场能约束电子，使原有的电子直线轨迹成为螺旋前进的轨迹，磁场的作用使得电子的运动变为围绕轴向的磁力线做螺旋运动，金属导线螺旋式电极结构在通电情况下形成均匀的电磁场起到了电磁波体积式的从内到外加热的原理，对整个电子元器件加热。本实施例中，电子元器件本体1上设有涂银层2，螺旋线形电极3固定设置在涂银层2上，本实施例中，螺旋线形电极3采用焊接的方式设置在涂银层2上。具体实施时，螺旋线形电极3也可以在电子元器件本体1内埋置。本实施例中，电子元器件本体1两侧的螺旋线形电极3可以朝向同一方向旋转，也可以朝向不同方向旋转。螺旋线形电极3采用空心金属螺旋线或者采用扁平金属螺旋引线。本实施例中，螺旋线形电极3的引出端设置在电子元器件本体1边沿位置处，具体实施时，也可以将螺旋线形电极3的引出端设置在电子元器件本体1的中心位置，或者螺旋线形电极3中的任意位置。

请参看附图1，本实施例中，电子元器件本体1呈片状，螺旋线形电极3固定设置在芯片本体1两侧，螺旋线形电极3可采用平面等角螺旋线或平面等速螺旋线。

请参看附图2，本实施例中，电子元器件本体1呈柱状，螺旋线形电极3固定设置在电子元器件本体1两端，螺旋线形电极3采用无断开端头的双螺旋线。

请参看附图3至附图6，由图中可以看到导通时芯片体表及体内的电流分布可克服集肤效应。请参看附图7和附图8，通过直线L式电子元器件与螺旋式电子元器件的电流导通路径与长度比较可知，显然螺旋式电子元器件路径长度L’N>>直线L式电子元器件的路径长度L’N的长度，在实际的组件尺寸中，半径R>>厚度H，这也是螺旋式电子元器件在冲击实验8/20us和工频升压实验中优异表现的原因之一。

电极面的电子流动的高效低温模式：从陶瓷晶界上的轴向磁场，除了调整芯片电极面的均匀功能外，还具有强化放电手段，垂直轴向的磁场能约束二次电子，使原有的电子直线轨迹成为螺旋前进的轨迹，磁场的作用使得电子的运动变为围绕轴向的磁力线做螺旋运动。

由于在芯片对称两面是对称式金属导线螺旋式电极结构在通电情况下形成均匀的电磁场起到了电磁波体积式的从内到外加热的原理整个物料同时被加热。即所谓的“体积加热”过程。微波加热利用的是介质损耗原理，而且水或乙醇等极性分子的损耗因数比干物质大得多，电磁场释放能量中的绝大多数被物料中的水分子吸收，由于物料中的水分能大量吸收微波能并转化为热能，因此物料的升温和蒸发是在整个物体中同时进行的。在物料的表面，由于蒸发冷却的缘故，使物料表面温度略低于里层温度，同时由于物料内部产生热量，以至于内部蒸汽迅速产生，形成压力梯度。方向的一致性如果物料的初始含水率很高，物料内部的压力非常快地升高，则水分可能在压力梯度作用下从物料中排除，由此可见，微波干燥过程中，温度梯度、传热和蒸汽压力迁移方向均一致，从而大大改善了干燥过程中水分的迁移条件，由于微波能在瞬间渗透到被加热物体中，无需热传导过程，数分钟就能把微波转换为物质的热能，因此加热速度快，干燥效率高，当然要优于常规的干燥。

本发明中的螺旋型的引线结构，可以有效地改善几个问题：

1、电流的均匀性及通流能力：

可以有效地以从表面多个位置上比较均匀地将电流引出到涂银层上，防止了芯片表面电流在中部的过度集中，降低了表面的温度梯度，减少了对中部表面晶界的损伤，从而增加了压敏电阻对工频电压的耐受性。另一方面，在脉冲电压的作用下，螺旋形流动的电流，形成了垂直于芯片表面的磁场。由于磁场强度正比于环绕该区域的电流的强度，因此该磁场愈靠近中心部位越强。电子在磁场作用下会受到一个向心力的作用,且这个向心力越靠近中部越大，电子螺旋运动的半径就越小，从而使中部的电流密度增大。

其回转半径为：

r＝m v sinθ/eB

其中，m为电子质量，v是电子速度，θ为发射角，e是电子电荷，B是磁感应强度。

旋转使电子运动轨迹加大，从而总的电离效果加强，在进电介质的界面以更小的夹角溶入到电极晶界层面中，改变了原来的垂直运动的电子砸向晶界，使其电极面容易受损，整个芯片的电极晶界面受损的概率也会降低，形成高效低温的模式。而螺旋结构电极的存在作用，使电子感应加速器提供能量：在交变电磁场的作用下，螺旋形状的电极在流过电流时产生磁场变动的磁场起到让电子旋转加速并且聚焦的作用，产生变动的感应电动势，感应电动势又使电子水平运动速度增加，整体上使电子能量比单纯电压作用下更高，更容易越过半导体势垒，从而产生更大的通流量，载流子通过势垒的速度更快、所用的时间更短。

电子向内旋转运动的结果是，通过中部的电子数量增加，减弱了高频电流集肤效应的影响，电流通过芯片的有效截面积增大，压敏的通过电阻降低，消耗的能量降低，压敏电阻通流能力增强。

2、热性能：

除了电流的均匀分布外，弯曲形状的导体能提高其抗张能力，导体的散热性和电流密度分布均匀性，对导体器件承受周期性负载的稳定性，有很大的益处。电流在芯片电极上得到均匀分布，其表面温度也会降下来，其比热容和热导率的提高，金属引线的均匀分布性与有效面积的增大，对芯工作时产生的热量吸收的有效性大大增强，另外散热能力也是整体性的均匀提高增强比热的提升。

同时由于流过芯片的电流更加均匀，芯片上的温度梯度减小，由热胀量不同带来的损伤风险也随之降低。而螺旋引线不仅增加了压敏的散热面积，同时也使散热部位更加均匀，从而改善了压敏电阻的热特性。

金属导线直线“L”式电极结构的抗张能力差高温时金属导线热胀冷缩变形加大加上相互接触的电介质其膨胀系数多少的不一致性金属导线会“拉扯”电极质密的银层面表面造成银面损伤大家都知道在材料力学中弯曲形状的导体能提高其抗张能力。由于螺旋式金属电极其抗张力的提高与电流密度的均匀性，热胀冷缩效应对芯片本体的电极质密的银层面表面的“拉扯“破坏力大大减小，电极银层面的完整抗冲击力抗老化漏电流偏大都有根本的改善形成的，早期失效现象也会明显的减少。

3、通流改善与晶体损伤：

从陶瓷晶体内部晶粒体的角度来看，除了受到纵向电场的作用，还受到螺旋引线造成的纵向磁场的作用。纵向变化的磁场会产生水平方向的感生电动势，感生电动势又会造成水平方向势垒高度的降低。载流子更容易晶粒间运动，按照水桶的短板理论，芯片的通流能力就更强。采用理想半导体的P区、N区的概念做以标识，当P区加正向电压时，其耗尽层变窄，势垒高度降低。由于晶粒上出入面积的增大，电流集中在某一位置通过造成晶界损坏的概率降低。

4、响应时间：

在给压敏电阻充电期间，

设常规压敏充电到压敏表面所遇到的阻抗为R1，螺旋压敏为R2，

则

1/R1＝1/Rab+1/Rag

1/R2＝1/Rab+1/Rag+1/Rbc+1/(ωLbc)

用电导G表示，即为

G1＝Gab+Gag

G2＝Gab+Gag+Gbc+1/(ωLbc)

显然，

R2<R1或G2>G1

而通过电阻R给Cmov充电所需的时间

T＝∫dQ/I＝∫Cmov*dV/(V/R)＝R∫Cmov*dV/V

所以

常规压敏充电时间：T1＝R1*∫Cmov*dV/V

螺旋引线压敏充电时间T2＝R2*∫Cmov*dV/V

因此有

T2<T1

T2/T1＝R2/R1

＝1/[1/Rab+1/Rag+1/Rbc+1/(ωLbc)]*[1/Rab+1/Rag]

＝1/[1+(Gbc+1/(ωLbc))/(Gab+Gag)]

也就是说，螺旋引线压敏电阻充电到压敏导通电压所需的时间就小于L引线压敏电阻。

综上所述，本发明不仅提高了在工频电压和瞬变电压下压敏电阻得耐受性和通流能力，同时也使得压敏电阻的响应时间减少，另外还改善了器件的热特性。

Claims (10)

1.一种螺旋磁电极封装全能脉冲技术，其特征是：该技术为在电子元器件本体上设置有电极，电极呈螺旋线形，当电极通电时，垂直轴向的磁场能约束电子，使原有的电子直线轨迹成为螺旋前进的轨迹，磁场的作用使得电子的运动变为围绕轴向的磁力线做螺旋运动，金属导线螺旋式电极结构在通电情况下形成均匀的电磁场起到了电磁波体积式的从内到外加热的原理，对整个电子元器件加热。

2.根据权利要求1所述的螺旋磁电极封装全能脉冲技术，其特征是：所述的电子元器件本体呈片状，螺旋线形电极固定设置在芯片本体两侧。

3.根据权利要求2所述的螺旋磁电极封装全能脉冲技术，其特征是：所述的螺旋线形电极采用平面等角螺旋线或平面等速螺旋线。

4.根据权利要求1所述的螺旋磁电极封装全能脉冲技术，其特征是：所述的电子元器件本体呈柱状，螺旋线形电极固定设置在芯片本体两端。

5.根据权利要求4所述的螺旋磁电极封装全能脉冲技术，其特征是：所述的螺旋线形电极采用无断开端头的双螺旋线。

6.根据权利要求1所述的螺旋磁电极封装全能脉冲技术，其特征是：所述的电子元器件本体上设有涂银层，螺旋线形电极固定设置在涂银层上。

7.根据权利要求6所述的螺旋磁电极封装全能脉冲技术，其特征是：所述的螺旋线形电极采用焊接的方式设置在高导电层上，该高导电层为涂银层或导电胶层或超导材料层。

8.根据权利要求1所述的螺旋磁电极封装全能脉冲技术，其特征是：所述的螺旋线形电极在电子元器件本体内埋置。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的螺旋磁电极封装全能脉冲技术，其特征是：所述的电子元器件本体两侧的螺旋线形电极朝向同一方向旋转，或者朝向不同方向旋转。

10.根据权利要求1至8中任意一项所述的螺旋磁电极封装全能脉冲技术，其特征是：所述的螺旋线形电极采用空心金属螺旋线或者采用扁平金属螺旋引线。