CN106688054A - 具有多层涂层的变阻器以及制造方法 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，变阻器可包括陶瓷基体。变阻器可进一步包括配置在陶瓷基体周围的多层涂层。多层涂层可包括包含酚醛材料或硅胶材料的第一层；以及与第一层相邻的第二层，第二层包含高介电强度涂层。

Description

具有多层涂层的变阻器以及制造方法
本申请要求2014年8月8日提交的编号为PCT/CN2014/083974的PCT申请的优先权，该PCT申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
实施例涉及电路保护装置的领域，并且更具体地涉及用于浪涌保护的金属氧化物变阻器。
背景技术
过电压保护装置用于保护电子电路和组件免受由于过电压故障条件而引起的损害。这些过电压保护装置可包括连接在要被保护的电路和地线之间的金属氧化物变阻器(MOV)。MOV具有允许将MOV用于保护这样的电路免受灾难性的电压浪涌的电流电压特性。因为变阻器装置被如此广泛地采用以保护许多不同类型的设备，所以存在对改善变阻器性能的持续的需求。
MOV装置(除非另外说明，本文中可互换地使用术语“MOV”和“变阻器”)一般由通常基于ZnO的陶瓷盘、充当电极的电接触层(诸如Ag(银)电极)以及分别地连接在第一表面和第二表面的第一金属引线和第二金属引线组成，其中第二表面与第一表面相对。在很多情况下，MOV装置还设置有围绕陶瓷盘的绝缘涂层和其它材料。当前市场上所发现的MOV的示例包括涂覆有具有高介电强度的环氧树脂绝缘材料的陶瓷盘。
注意，这种类型的MOV通常被限制为在相对低的温度(诸如小于85℃)运行，以及更具体地，当以偏置湿度条件(诸如85℃、85％相对湿度(RH))和高DC运行电压运行时，这种类型的MOV显示出可靠性问题。认为在这样的偏置湿度条件下所经历的可靠性问题起因于用于接触MOV的陶瓷基体的表面的银电极材料的迁移，还起因于环氧树脂涂层和ZnO陶瓷之间的相互作用。当将涂覆有环氧树脂的MOV运行在高温(至少85℃)、高湿度条件下同时施加DC运行电压时，可靠性问题的示例是通过接口的泄露升高。此外，即使是在较低的湿度条件下，当运行在升高的温度(诸如125℃)时，涂覆有环氧树脂的MOV也可能失效。就这些问题和其它问题而言，本改进会是值得期待的。
发明内容
示例性实施例涉及改进的变阻器。在一个实施例中，变阻器可包括陶瓷基体。变阻器可进一步包括配置在陶瓷基体周围的多层涂层。多层涂层可包括包含酚醛材料或硅胶材料的第一层和与第一层相邻的第二层，该第二层包含高介电强度涂层。
在另一个实施例中，形成变阻器的方法可包括设置陶瓷基体以及将第一层施加在陶瓷基体上、将多层涂层施加在陶瓷基体周围。多层涂层可包括包含酚醛材料或硅胶材料的第一层和与第一层相邻的第二层，其中该第二层包含高介电强度涂层。
附图说明
图1A呈现了根据本公布的实施例的MOV的侧截面图视图；
图1B呈现了根据本公布的其它实施例的另一个MOV的侧截面图视图；
图2A呈现了根据本公布的实施例的另外的MOV的俯视图。
图2B呈现了图2A的MOV的侧截面视图。
图3A提供了处于初始阶段的根据本实施例的布置有两层涂层的MOV的电测量结果。
图3B提供了在偏置条件下168小时后的图4A的MOV的电测量结果。
图3C提供了在偏置条件下336小时后的图4A的MOV的电测量结果。
图3D提供了在偏置条件下500小时后的图4A的MOV的电测量结果。
图4A提供了处于初始阶段的布置有单层环氧树脂涂层的常规MOV的电测量结果。
图4B提供了在偏置条件下168小时后的图4A的MOV的电测量结果。
图4C提供了在偏置条件下336小时后的图4A的MOV的电测量结果。
图4D提供了在偏置条件下500小时后的图4A的MOV的电测量结果。
图5提供了用于根据本公布的实施例的多层涂层的不同层的示例性配方。
具体实施方式
现在将参照附图在下文中更全面地描述本实施例，示例性实施例在附图中示出。实施例不应被解释为受限于本文所陈述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使得本公布将是充分和完整的，以及为了本公布将全面地将其范围传达给本领域的技术人员。在全部附图中，相似的附图标记指代相似的元件。
在以下的说明书和/或权利要求中，术语“在…上”、“上覆盖的”、“配置在…上”和“在…上方”可用在以下说明书和权利要求中。“在…上”、“上覆盖的”、“配置在…上”和“在…上方”可用于标示两个或更多元件直接物理接触彼此。并且，术语“在…上”、“上覆盖的”、“配置在…上”和“在…上方”也可意味着两个或更多元件并不直接接触彼此。例如，“在...上方”可以意味着一个元件在另一元件之上同时两个元件并不接触彼此，并且可以有另一个元件或元件(一个或多个)在这两个元件之间。此外，术语“和/或”可意味着“和”，可意味着“或”，可意味着“异或”，可意味着“一个”，可意味着“一些，但并非全部”，可意味着“两者都不”，和/或可意味着“两者都”，尽管所要求的主题的范围在这一方面不受限。
本实施例整体涉及基于氧化锌材料的金属氧化物变阻器(MOV)。众所周知，这种类型的变阻器包含陶瓷基体，其中该陶瓷基体的微观结构包括氧化锌颗粒，并且可包括配置在陶瓷微观结构中的诸如其它金属氧化物的各种其它成分。作为背景，很多商业生产的MOV主要由氧化锌微粒组成，其中氧化锌微粒被烧结在一起以形成盘，在盘中固体形式的氧化锌微粒构成高导电性的材料，同时由其它氧化物形成的微粒间的边界是高电阻的。就在氧化锌微粒相遇的那些点处，烧结产生了与对称的齐纳二极管相当的‘微变阻器’。金属氧化物变阻器的电学行为是由串联或并联连接的微变阻器的数量导致的。MOV的烧结的基体还解释了它的高电负载容量，这种高电负载容量允许高的能量吸收，由此允许高的浪涌电流处理能力。
被采用以接触或封装变阻器的陶瓷基体的上述材料是装置劣化的潜在原因，特别是当在高温、高湿度和/或高电压条件下运行时。在各种实施例中，提供改进的变阻器，该改进的变阻器可抵抗在诸如高温、高湿度或高电压条件下的劣化。在各种实施例中，提供具有涂层的MOV，该涂层包括多层结构，以及特别的，该涂层包括两层结构。该两层结构包括由硅胶材料或酚醛材料形成的第一层和构成高介电强度材料的第二层。如本文中所使用的术语“高介电强度”或“高介电强度材料”指的是介电强度至少为20kV/mm的材料或质量。与其中陶瓷与环氧树脂涂层直接接触的常规MOV相比，这种多层涂层可改善对泄露和其它电气劣化的抵抗力。
在其中第一层由硅胶材料形成的各种实施例中，硅胶材料可包括烷基硅树脂以及二氧化硅。烷基硅树脂可以是基于具有附接到聚硅氧烷结构的烷基基团的支化的聚硅氧烷笼式结构的已知的硅树脂。在第一层是酚醛材料的其它实施例中，酚醛材料可包括由苯酚或取代苯酚与醛(诸如甲醛)的反应形成的酚醛树脂。酚醛材料可以可选择地包括重量比最高达大约10％的添加剂。
在各种实施例中第二层包括醇酸树脂或其它高介电强度的材料，诸如介电强度可超过20kV/mm的丙烯酸树脂或聚酰亚胺。在特定的实施例中，醇酸树脂可具有50kV/mm的介电强度。醇酸树脂的示例包括得自多元醇和二羧酸的反应的聚酯材料。醇酸树脂的另一示例包括得自多元醇和羧酸酐的反应的聚酯材料。更一般地，醇酸树脂可包括使用脂肪酸形成的其它类型的聚酯树脂。实施例不限于本上下文。
图1A呈现了根据本公布的各种实施例的MOV(本文中也称作“变阻器”)的侧截面视图。在这个示例中，变阻器100包括陶瓷基体102、电接触层104和多层涂层106。电接触层104可包含银或其它电导体以在陶瓷基体102和外部电引线(未示出)之间提供良好的电接触。在各种实施例中，陶瓷基体102可包括ZnO材料。可理解的是多层涂层106可以在所有侧面上围绕陶瓷基体102以提供封装。在图1A的示例中，多层涂层106包括配置为与电接触层104相邻并且接触的第一层108。如上文所讨论的，在一些实施例中第一层108可包括硅胶材料，或者在其它实施例中第一层108可包括酚醛材料。这样的材料可提供超过目前的变阻器中使用的常规环氧树脂涂层的优势，因为硅胶或酚醛材料可阻止在升高的温度与陶瓷MOV基体的反应，使得硅胶或酚醛材料适宜用于温度最高达诸如至少125℃的应用。
在各种实施例中，第一层108的厚度范围可为从大约300μm到1200μm。注意，相较于用于涂覆变阻器陶瓷基体的常规环氧树脂涂层，硅胶和酚醛材料具有相对低的介电强度，诸如在5kV/mm和10kV/mm之间。相应地，第二层110可包括醇酸树脂或为多层涂层106带来适合用于变阻器的整体介电强度的其它高介电强度的材料。在一些实施例中，第二层110具有20μm到150μm的厚度，这足以为连同第一层108的多层涂层106带来高的介电强度。例如，在一些实施例中，多层涂层106具有超过2500V ac的介电强度。
在各种实施例中，在施加电接触层104之后，可将第一层和第二层作为液体或粘性层施加到陶瓷基体102的表面。将具有高介电强度的第二层110并入多层涂层106提供了超过将单层(诸如硅胶层或酚醛层)用于封装陶瓷基体102的优势。具体地，在具有高介电强度层的多层涂层中，整体涂层厚度可减小。例如，在不使用诸如第二层110的高介电强度层的情况下，硅胶层或酚醛层会需要3mm或更多的厚度以为各种应用带来目标介电强度，诸如2500V ac。这部分地是由于硅胶层可具有相对低的介电强度(诸如10kV/mm或更少)的事实，以及由于MOV陶瓷周围的涂层厚度会剧烈地变化的事实，特别是在MOV的拐角区域。相应地，为了确保单层涂层能满足诸如2500Vac的规格，会需要施加是理论厚度的很多倍的平均涂层厚度，该理论厚度是在涂层均匀的情况下要承受2500V所需要的厚度。例如，已观察到在矩形的陶瓷基体MOV中，硅胶层的厚度可在拐角区域中的100μm和其它区域中的1mm之间变化。
有利地，根据本实施例的具有多层涂层的MOV在多层涂层的涂层厚度是1.0mm(1000μm)或更小时可具有2500Vac的介电强度。由多层涂层106所给予的较薄的涂层厚度提供了较小体积的变阻器，并且提供了在批量生产环境中更容易的处理和更高的产量。例如，具有50kV/mm的介电强度的50μm厚的醇酸层自身带来2500V的介电强度。相应地，包括50μm厚的醇酸层的多层涂层中的硅胶层或酚醛层的厚度只需要足以保护陶瓷基体和电接触层免于反应，因为所需的介电强度由醇酸层独自提供。此外，已观察到施加到内部硅胶层的醇酸层的厚度比内部硅胶层的厚度更均匀。例如，在硅胶层厚度变化大约为10倍的以上示例中，施加到硅胶层的醇酸层显示了在拐角区域中的50μm和其它区域中的110μm之间的厚度变化，或者仅大约为2倍的厚度变化，大多数测量得出50-70μm之间的厚度。因此，具有50kV/mm的介电强度的标称70μm厚的醇酸层可足以确保醇酸层的所有区域都具有足够的厚度(>50μm)来满足2500V ac，而不依赖于内部硅胶层的厚度。
因为硅胶材料或酚醛材料可阻止与变阻器的陶瓷基体的反应，所以提供如图1A所示的多层涂层会是有利的，在图1A所示的多层涂层中，包含硅胶或酚醛材料的第一层108与电接触层104相邻。在其它实施例中，可将第二层110配置为与电接触层104相邻。图1B描绘了变阻器120的实施例，在变阻器120中，多层涂层116具有其中将高介电强度层(第二层110)配置为与电接触层104相邻而将第一层108配置在第二层110周围的布置。这个布置可提供与给定相同厚度的第二层110和第一层108的多层涂层106的介电强度相似的介电强度。在某些条件下变阻器120的涂层可能不如变阻器110的那些涂层稳定，以及在某些使用条件下使分层或鼓泡最小化的能力会是个挑战。
应注意的是，具体而言将醇酸树脂用作图1B的实施例中的第二层110可能是不可靠的。这是因为醇酸层可能不与硅胶层形成强界面结合。相应地，当施加例如具有500μm到1mm范围内的厚度的外部硅胶层作为第一层112时，硅胶层可能在凝固发生之前流走。在图1A的实施例中，尽管由醇酸树脂制成的第二层110可能不与第一层108形成强接合，但是第二层110的厚度相对低，诸如50-100μm，这样的厚度不需要高强度接合来将第二层110保持在适当的位置。具有高介电强度以及与硅胶的高度接合的其它材料也可能适宜用作图1B的实施例中的第二层110。
图2A呈现了根据本公布的实施例的另外的MOV的俯视图。图2B呈现了图2A的MOV的侧截面视图。如图2A中所示，变阻器200包括当作陶瓷基体202的圆形盘、电接触层204以及多层涂层214。在图2B中没有明确描绘出电接触层204。相应的，多层涂层214包括配置为与电接触层204相邻的第一层206。如上文中关于图1A和图1B一般地讨论的，第一层206可包括硅胶材料或酚醛材料。如在图1A的实施例中，第一层206可具有在从大约300μm到1200μm范围内的厚度。多层涂层214还包括配置在第一层206周围的第二层208，其中第二层208具有相对高的介电强度，诸如高于20kV/mm。
如图2A和图2B中进一步示出的，示出为引线212的一对电引线被配置为与陶瓷基体202的相对侧接触，这通过电接触层204形成电接触。
在运行时，相对于其中陶瓷基体通过环氧树脂层来封装的常规变阻器，诸如变阻器100或变阻器200的变阻器可提供优越的电性能。由根据本实施例的MOV装置所提供的具体的优势是在各种高温和高压条件下的改善的性能。图3A-3D呈现了根据本实施例的布置有多层涂层的一组MOV样本的电测量结果。在这些结果中，多层涂层由内部层(第一层)和外部层制成，其中内部层由硅胶材料制成，外部层由醇酸树脂制成。硅胶材料相应地包括如上文所讨论的烷基硅树脂，以及二氧化硅填料。沿着如由图1A的表面130、132所例示的陶瓷基体的相对表面的变阻器样本中的内部硅胶层的厚度的范围可为从490μm到820μm，而外部醇酸树脂层的厚度范围可为从50μm到110μm。
图3A-3D的结果包括在高温度负载测试(125℃，施加970V DC)以及偏置湿度负载测试(85℃、85％RH以及970V DC的施加电压)下的测量结果。MOV样本在经受所施加的偏置的同时以大约168小时的间隔经受各种测试。具体地，在一组测试中，MOV样本11-20在85％相对湿度的环境中在85℃经受970V连续dc偏置的施加，而在另一组测试中，样本1-10被保持在125℃以及被施加连续的970V DC。如所说明的，以大约168小时的间隔移动并测量样本。在所示出的数据中，Vnom代表当将1mA电流传导通过MOV时MOV两端的电压降，以及泄露电流是在80％Vnom测量的。
在图3A中，在正向偏置和反向偏置条件下测量一组样本1-20在1mA电流时的变阻器电压(Vnom)。还示出了在正向偏置和反向偏置条件下的泄露测量结果。在正向偏置下，初始Vnom值显示出大约1195的平均值，在反向偏置下，初始Vnom值显示出大约1198的平均值。随着最多达500小时的时间的推移，这些值分别少量地升高了大约1％和3.8％。
在80％Vnom的偏置电压处测量泄露电流(以微安培示出)以及记录正向泄露和反向泄露。在反向偏置条件下的初始泄露值显示出大约15的平均值，并且随着最多达500小时的时间而轻微地降低。正向偏置下的初始泄露值显示出大约17的平均值，该泄漏值在168小时时轻微地降低。在336小时，正向偏置条件下的平均泄露适度地升高到大约43，而在500小时时这个值升高到约62。在336小时和500小时的平均泄露的升高是由于在85％相对湿度的环境中在85℃经受970V连续dc偏置的样本11-20中的增加。经受125℃以及连续的970V DC的样本1-10在168小时、336小时和500小时示出了正向偏置条件下的泄露的轻微降低。
图4A-图4D提供了布置有含有单个环氧树脂层的涂层的常规MOV的电测量结果。使用与图3A-3D中所示的用于样本11-20的测量条件相同的测量条件来测量一组样本47、48、49、50和51。如图4A中所例示的，初始平均Vnom测量结果(1185、1195)示出了与它们在样本11-20中的对照的初始平均Vnom测量结果类似的值，泄漏测量在正向和反向偏置下分别显示出大约34和33的轻微高的值。
电特性基本地随着时间改变，如图4B、4C和4D中所示出的。例如，在500小时以后，反向偏置条件下的Vnom下降大约8％，正向偏置条件下的Vnom下降大约54％。此外，在反向和前置偏置条件下，500小时以后泄露升高超过10倍，标示着严重的装置劣化。
鉴于上述结果，清楚的是，根据本实施例的布置有多层涂布的变阻器样本(1-10)对于在125℃以及施加970V DC的情况下在至少500小时内由Vnom或泄露所测量的劣化是稳定的。此外，在85℃、85％RH以及施加970V DC电压的情况下，变阻器样本11-20在最多达500小时内对反向偏置泄露和Vnom中的偏移稳定，并且在最多达168小时与336小时之间的一段时间内对正向偏置泄露的升高稳定。不利的是，如所说明的，具有环氧树脂制涂层的常规的变阻器样本甚至在168小时就显示出了正向偏置下的Vnom(30％)和泄露(>1000％)的大的劣化。
除了上文中电特性测量结果中所示出的优势外，与由单个环氧树脂层所涂覆的常规变阻器相反，本实施例的两层涂布显示出了在热循环测试下的优越的稳定性。在一组热循环实验中，样本经受如下循环，在该循环中一个周期由四个步骤组成：1)15分钟@-40℃；2)5分钟@室温；3)15分钟@125℃；以及4)5分钟@室温。变阻器样本经受5个周期、15个周期、50个周期、100个周期和200个周期。具有多层涂层的变阻器样本即使在200个周期之后也没有显示出失效，在多层涂层中内部层包括如本文所公开的硅胶材料，外部层具有烷基树脂。不利地，常规变阻器样本仅在5个周期之后就显示出了失效。
在各种实施例中，可以使用已知的基于溶液的技术将多层涂层施加到变阻器陶瓷基体(包括电接触层)。例如，可将变阻器陶瓷基体浸在包括要被施加到变阻器的层的树脂的溶液中。在一个实例中，可将硅胶层或酚醛层作为粘性液体涂层施加到变阻器陶瓷基体，该粘性液体涂层分别由含有烷基硅树脂或酚醛树脂两者之一的溶剂混合物制成。随后可烘焙该涂层以形成固体层。随后，可将醇酸层作为包含醇酸树脂溶液的粘性液体施加到硅胶层或酚醛层的外部表面，并且随后可烘焙该醇酸层以使醇酸层固化。实施例不限于本上下文。
图5提供了根据本公布的实施例的多层涂层的不同层的示例性配方。配方502呈现了要与高介电强度层一起使用的硅胶层的成分，该高介电强度层示出为保形涂层配方506。配方包括烷基硅树脂以及二氧化硅还有各种溶剂(包括异丙醇(IPA))，和可选择的添加剂。实施例不限于本上下文。应注意的是，图5中示出的配方呈现了干燥/硬化之前要被施加到变阻器陶瓷基体的溶液的配方。相应地，在形成最后的多层涂层期间可去除至少部分的溶剂。也可将酚醛配方504与保形涂层配方一起使用以形成多层涂层。酚醛配方504可包括酚醛树脂、溶剂和如所示的可选的添加剂。实施例不限于本上下文。最后，保形涂层配方506包括醇酸树脂、溶剂以及可选的添加剂。
尽管已参照某些实施例公布了本实施例，但在不偏离如所附的权利要求所限定的本公布的范畴和范围的情况下，对所描述的实施例的很多修改、变化和改变是可能的。相应地，意图的是本实施例不限于所描述的实施例，以及本实施例具有由以下的权利要求的语言及其等同物所限定的全部范围。

Claims (19)

1.一种变阻器，包括：
陶瓷基体；以及
配置在所述陶瓷基体周围的多层涂层，所述多层涂层包括：
包括酚醛材料或硅胶材料的第一层；以及
与所述第一层相邻的第二层，所述第二层包括高介电强度涂层。
2.根据权利要求1所述的变阻器，其中所述陶瓷基体包括ZnO陶瓷。
3.根据权利要求1所述的变阻器，其中所述第二层包括醇酸树脂。
4.根据权利要求1所述的变阻器，其中所述第一层包括300μm到1200μm的厚度。
5.根据权利要求1所述的变阻器，其中所述第二层包括20μm到150μm的厚度。
6.根据权利要求1所述的变阻器，进一步包括配置在所述陶瓷基体上的电接触层，其中所述第一层配置为与所述电接触层相邻。
7.根据权利要求1所述的变阻器，其中所述多层涂层包括2500Vac或更大的介电强度。
8.根据权利要求1所述的变阻器，其中所述多层涂层包括1.0mm或更小的厚度。
9.根据权利要求1所述的变阻器，其中所述第一层包括烷基硅树脂和二氧化硅填料。
10.一种形成变阻器的方法，包括：
设置陶瓷基体；
将多层涂层施加在所述陶瓷基体周围，
所述多层涂层包括：
包括酚醛材料或硅胶材料的第一层；以及
与所述第一层相邻的第二层，所述第二层包括高介电强度涂层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述陶瓷基体包括ZnO陶瓷。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二层包括醇酸树脂。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一层包括300μm到1200μm的厚度。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二层包括20μm到150μm的厚度。
15.根据权利要求10所述的方法，进一步包括在施加多层涂层之前将电接触层施加到所述陶瓷基体，其中所述第一层被施加为与所述电接触层相邻。
16.根据权利要求10所述的方法，其中所述多层涂层包括2500Vac或更大的介电强度。
17.根据权利要求10所述的方法，其中所述多层涂层包括1.0mm或更小的厚度。
18.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二层包括烷基硅树脂和二氧化硅填料。
19.根据权利要求10所述的方法，其中施加所述多层涂层包括：
提供作为包括烷基硅树脂或酚醛树脂的第一溶剂混合物的所述第一层，提供作为包括醇酸树脂的第二溶剂混合物的所述第二层；以及
在提供所述第二层之前烘焙所述第一层以形成第一固体层；以及
烘焙所述第二层以形成第二固体层。
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