CN108366480A

CN108366480A - 静电保护元件及其制造方法

Info

Publication number: CN108366480A
Application number: CN201810011008.6A
Authority: CN
Inventors: 游腾熙; 赖建鸿
Original assignee: Dongguan Long Yin Electronics Co Ltd
Current assignee: Dongguan Long Yin Electronics Co Ltd
Priority date: 2018-01-05
Filing date: 2018-01-05
Publication date: 2018-08-03

Abstract

本发明涉及静电保护元件及其制造方法。本发明的静电保护元件至少包含：基材、第一电极及第二电极、放电诱导部、抑制层以及中空部，第一电极、第二电极间设有一间隙；放电诱导部设置于该第一电极、第二电极之间，并充填于该间隙；抑制层设置于基材与放电诱导部之间，并包覆于该放电诱导部外；中空部设置于该放电诱导部与该抑制层之间；其中，本发明第一电极、第二电极间的间隙大小可控制在1μm～50μm，且当元件承受静电冲击时，第一电极、第二电极之间会发生瞬间的高温及膨胀作用，由中空部的设置可释放膨胀产生的压力，可避免元件损害。

Description

静电保护元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种静电保护元件及其制造方法，尤其涉及一种可控制放电间隙大小，以及可释放瞬间的高温及膨胀所产生的压力，以避免元件损害的静电保护元件及其制造方法。

背景技术

电子电路在运作中，若产生电压异常或静电放电(Electro-Static Discharge；ESD)，则电子电路上的电子元件可能损坏。为此，电子电路中，常设置过电压保护或放电保护元件。而过电压保护或放电保护元件已被广泛应用于各种电子产品的电路中，用以保护或避免由于电压异常或是静电放电而造成对于电子产品内元件的破坏，使得电子产品故障或寿命缩短。尤其是关于ESD的保护设计，已经成为电子产品的基本共通要求。

为了使得电子产品符合对于ESD的承受能力，业界已开发出各种ESD保护元件，例如，暂态电压抑制二极体(Transient Voltage Suppress Diode，TVSD)元件、积层式压敏电阻(Multi-Layer Varistor，MLV)元件等，作为保护电路的设计。此外，在电路设计上，业界也开发出应用，例如，屏蔽(Shielding)保护、间隙放电(Gap Discharge)、电容(Capacitor)充放电等，各种不同的方式.以解决ESD的保护设计问题。日本专利公开号第JP1995-245878号专利案，公开一种过电压保护装置，其具有一微间隙，利用该微间隙放电来保护电子产品。但一般制作该微间隙系利用印刷方式，其无法稳定且准确控制微间隙的大小。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种可控制放电间隙大小，以及可释放瞬间的高温及膨胀所产生的压力，以避免元件损害的静电保护元件及其制造方法，为其主要目的。

本发明的静电保护元件至少包含：基材、第一电极及第二电极、放电诱导部、抑制层以及中空部，第一电极、第二电极之间设有一间隙；放电诱导部，其设置于该第一电极、第二电极之间，并充填于该间隙；抑制层，其设置于基材与放电诱导部之间，并包覆于该放电诱导部外；中空部，其设置于该放电诱导部与该抑制层之间。

其中，本发明中第一电极、第二电极间的间隙大小可控制在1μm～50μm，且中空部的设置可预防承受静电冲击时，发生瞬间的高温及膨胀作用，可避免元件损害。

依据上述技术特征，所述放电诱导部是由30～40wt％的无机材料、40～50wt％的陶瓷材料及10～30wt％的金属粒子混合而成。

依据上述技术特征，所述抑制层是由80～100wt％的陶瓷材料及0～20wt％的玻璃混合而成。

依据上述技术特征，所述基材是指陶瓷或玻璃陶瓷材料所制作，且可为多层共烧的生胚薄带，该生胚薄带可与上述抑制层、放电诱导部、金属电极、中空部等材料共烧结后形成元件的基材部分。其中，共烧结温度依选用的生胚材料组成成份可于800℃～1500℃执行。

本发明还提供一种制造方法，其至少包含下列步骤：提供基材原料的生胚薄带，该生胚薄带可将基材原料混合后经薄带成形制造方法制作陶瓷生胚层，或选用商用的低温共烧陶瓷生胚薄带；进行第一次网版印刷，在该陶瓷生胚层利用网版印刷依次形成一个第一抑制材料层、一个第一静电抑制材料层以及一个电极层；在该电极层处进行冲孔、槽或钻孔、槽或切割处理，将该电极层形成一间隙，该间隙将原电极层分隔成第一电极及第二电极，且该间隙的大小为1μm～50μm；进行第二次网版印刷，在该陶瓷生胚层利用网版印刷依次形成一个第二静电抑制材料层、一个中空部形成材料层以及一个第二抑制材料层；进行压合步骤，再堆迭一陶瓷生胚层后进行压合成型；进行生胚切割，将陶瓷生胚层进行切割形成多静电保护元件的半成品；进行共烧结，将上述半成品进行低温共烧制造方法，则完成静电保护元件。其中，由第一静电抑制材料层、第二静电抑制材料层形成上述的放电诱导部，而第一抑制材料层、第二抑制材料层形成上述的抑制层。

依据上述技术特征，所述第一静电抑制材料层、第二静电抑制材料层是由30～40wt％的无机材料、40～50wt％的陶瓷材料及10～30wt％的金属粒子混合而成。依据上述技术特征，所述无机材料为氧化锌(ZnO)、氧化镨(Pr₆O₁₁)、氧化钴(CoO)或氧化铬(Cr₂O₃)或上述的组合。

依据上述技术特征，所述金属粒子为铂(Pt)。

依据上述技术特征，所述第一抑制材料层、第二抑制材料层是由80～100wt％的陶瓷材料及0～20wt％的玻璃材料混合而成。

依据上述技术特征，所述进行冲孔、槽是利用机械冲床方式制作不同形状大小与深度的孔或凹槽。

依据上述技术特征，所述进行钻孔、槽系利用机械钻床或机械铣床或雷射方式制作不同形状大小与深度的孔或槽。

依据上述技术特征，所述进行切割是利用刀具或雷射方式切割出不同宽度大小与深度的间隙。

附图说明

图1所示为本发明中静电保护元件的结构示意图。

图2所示为本发明中制造方法的流程步骤示意图。

图3所示为本发明中进行第一次网版印刷的结构示意图。

图4所示为本发明中进行第一次切割的结构示意图。

图5所示为本发明中进行第二次网版印刷的结构示意图。

图6所示为本发明中进行压合步骤的结构示意图。

附图标记说明

基材 1

第一电极 21

第二电极 22

间隙 23

放电诱导部 3

抑制层 4

中空部 5

陶瓷生胚层 61、69

第一抑制材料层 62

第一静电抑制材料层 63

电极层 64

第二静电抑制材料层 65

中空部形成材料层 66

第二抑制材料层 67。

具体实施方式

为了使得了解本发明的技术特征、内容与优点及其所能达成的效果，现将本发明配合附图，并以实施例的表达形式详细说明如下，而其中所使用的附图，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本发明实施后的真实比例与精准配置，所以不应就所附的附图的比例与配置关系解读、局限本发明于实际实施上的权利范围，事先说明。

参考图1，其所示为本发明中静电保护元件的结构示意图。首先，本发明的静电保护元件至少包含：基材1、第一电极21及第二电极22、放电诱导部3、抑制层4以及中空部5，其中：

基材1是由可多层共烧的陶瓷材料或玻璃陶瓷材料所构成。第一电极21及第二电极22设置于基材1内部，且第一、第二电极21、22间系设有一间隙23，间隙23的大小为1μm～50μm。

放电诱导部3设置于第一、第二电极21、22之间，并充填于间隙23，放电诱导部3主要是作为ESD(Electrostatic Discharge；静电放电)的放电部位，其是由30～40wt％的无机材料、40～50wt％的陶瓷材料及10～30wt％的金属粒子混合而成；其中，无机材料为氧化锌(ZnO)、氧化镨(Pr₆O₁₁)、氧化钴(CoO)、氧化铬(Cr₂O₃)、氧化镍(NiO)、氧化铋(Bi₂O₃)、氧化锑(Sb₂O₃)、氧化锡(SnO₂)、氧化钛(TiO₂)及其组合，陶瓷材料为氧化铝及氧化锆的混合，而金属粒子为金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、铱(Ir)、锇(Os)、钌(Ru)及其组合或合金。

抑制层4设置于基材1与放电诱导部3之间，并包覆于该放电诱导部3外，抑制层4是由80～100wt％的陶瓷材料及0～20wt％的玻璃材料混合而成，其陶瓷材料为氧化铝。

中空部5设置于放电诱导部3与抑制层4之间，且中空部相对位于间隙23的上方。

其中，抑制层4设置于基材1与放电诱导部3之间，可隔绝基材1的材料在共烧结过程中，因高温而与放电诱导部3的材料产生反应或交流混合，避免造成ESD抑制失效的问题；以及，放电诱导部3的成分及配比，主要功能为共烧结后形成导体颗粒、压敏电阻体颗粒以及微孔洞等均匀分布的材质，介于两电极之间可使元件拥有稳定且较低的ESD触发电压；另外，中空部的设置，主要当元件在承受静电冲击时，两电极之间放电会形成瞬间的局部高温与膨胀力，中空部的存在可释放此压力而使元件不致被破坏。

如图2所示为本发明制造方法的流程步骤示意图，所述方法至少包含下列步骤：

提供基材原料，该基材原料指陶瓷或玻璃陶瓷材料所制作，且可为多层共烧的生胚薄带，该生胚薄带可将上述的基材原料混合后经薄带成形制造方法制作陶瓷生胚层61，或选用商用的低温共烧陶瓷生胚薄带，该生胚薄带可与上述抑制层、放电诱导部、金属电极、中空部等材料共烧结后形成元件的基材部分。

进行第一次网版印刷，如图3所示，在该陶瓷生胚层61利用网版印刷依次形成一个第一抑制材料层62、一个第一静电抑制材料层63以及一个电极层64。

进行冲孔、槽或钻孔、槽或切割处理，将该电极层形成一间隙23，该间隙将原电极层分隔成第一电极21及第二电极22，如图4所示，且该间隙23的大小为1μm～50μm。

进行第二次网版印刷，如图5所示，再利用网版印刷依次形成一个第二静电抑制材料层65、一个中空部形成材料层66以及一个第二抑制材料层67。上述的第一静电抑制材料层、第二静电抑制材料层是由30～40wt％的无机材料、40～50wt％的陶瓷材料及10～30wt％的金属粒子混合而成，而无机材料为氧化锌(ZnO)、氧化镨(Pr₆O₁₁)、氧化钴(CoO)或氧化铬(Cr₂O₃)或上述的组合，以及金属粒子为铂(Pt)；再者，第一抑制材料层、第二抑制材料层是由80～100wt％的陶瓷材料及0～20wt％的玻璃材料混合而成；另外，该中空部形成材料层为石墨、碳黑、或其它可在高温分解气化的高分子化合物及其组合所制作成的印刷油墨胶。

进行压合步骤，如图6所示，将完成第二抑制材料层67制作的半成品再堆迭另一陶瓷生胚层69后进行压合成型。

进行生胚切割，将陶瓷生胚层进行切割形成多静电保护元件的半成品。

进行共烧结，将上述半成品进行低温共烧制造方法，则完成静电保护元件；当低温共烧后，中空部形成材料层会反应形成气体而形成中空部，例如本发明的中空部形成材料层为在高温分解气化的高分子化合物，在低温共烧后会形成二氧化碳，而二氧化碳消散后则留下中空部。利用上述制造方法所形成的静电保护元件的结构则如图1所示。由上述的第一静电抑制材料层、第二静电抑制材料层构成放电诱导部，以及第一抑制材料层、第二抑制材料层构成抑制层。当然，本发明的制造方法进一步包含后续形成端电极步骤，分别在基材相对两端形成端电极，而端电极与第一电极、第二电极连接。

以下提出几种本发明静电保护元件的各种实施例，并说明放电诱导部以及抑制层的材料组成不同，或者电极层间隙的不同宽度，对于本发明中静电保护元件特性的影响。

实施例一：探讨放电诱导部的材料组成不同，对于本发明中静电保护元件特性的影响。

其中，备有样品编号1至6的静电保护元件，而各样品中，其基材材料含有60wt％的Al₂O₃粉末以及40wt％的玻璃粉末，以及抑制层材料含有100wt％的Al₂O₃粉末，电极层间隙的宽度均为22μm，而放电诱导部的材料组成分别如下：

其中，无机材料为氧化锌(ZnO)、氧化镨(Pr₆O₁₁)、氧化钴(CoO)以及氧化铬(Cr₂O₃)的组合。

而上述样品编号1至6其特性如下：

样品编号	触发电压(Vt)	漏电流(pA)	电容(pF)
				1	558V	2	0.136
2	463V	3	0.128
				3	636V	3	0.119
4	520V	2	0.132
				5	583V	4	0.117
6	611V	2	0.113

由实施例一的特性数据可以观察到，放电诱导部的材料组成中，若金属粒子含量越高，其触发电压有越低的趋势；而陶瓷材料含量越高，其触发电压有越高的趋势。

实施例二：探讨抑制层的材料组成不同，对于本发明中静电保护元件特性的影响。

其中，备有样品编号1至3的静电保护元件，而各样品中，其基材材料为DuPont 951(DuPont公司所生产销售的低温陶瓷共烧陶瓷生胚)，以及放电诱导部材料含有38wt％的无机材料、50wt％的ZrO₂以及12wt％的Pt，电极层间隙的宽度均为22μm，而抑制层的材料组成分别如下：

而上述样品编号1至3其特性如下：

样品编号	触发电压(Vt)	漏电流(pA)	电容(pF)
				1	556V	3	0.127
2	673V	2	0.105
				3	964V	2	0.083

由实施例二的特性数据可以观察到，抑制层的材料组成中，若玻璃粉末含量越高，其触发电压有越高的趋势，且电容值则相对越低。

实施例三：探讨电极层间隙的不同宽度，对于本发明中静电保护元件特性的影响。

其中，备有样品编号1至6的静电保护元件，而各样品中，其基材材料为DuPont 951(DuPont公司所生产销售的低温陶瓷共烧陶瓷生胚)，以及放电诱导部材料含有38wt％的无机材料、45wt％的Al₂O₃以及15wt％的Pt，抑制层材料含有99wt％的Al₂O₃粉末以及wt％的玻璃粉末，而电极层的间隙分别如下：

而上述样品编号1至6其特性如下：

样品编号	触发电压(Vt)	漏电流(pA)	电容(pF)
				1	156V	5	0.247
2	283V	3	0.182
				3	494V	2	0.123
4	672V	3	0.109
				5	788V	3	0.101
6	936V	2	0.086

由实施例三的特性数据可以观察到，电极层间隙的宽度越大，其触发电压有越高的趋势，且电容值则相对越低。

综上所述，本发明提供一较佳可行的静电保护元件及其制造方法，并依法提交发明专利的申请；本发明的技术内容及技术特征已公开如上，然而本领域的技术人员仍可能基于本发明的公开而作出各种不背离本申请发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所公开公开的，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为所附的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种静电保护元件，其至少包含：

基材；

第一电极及第二电极，所述第一电极及第二电极设置于该基材内部，且该第一电极、第二电极之间设有一间隙，该间隙的大小为1μm～50μm；

放电诱导部，其设置于该第一电极、第二电极之间，并充填于该间隙；

抑制层，其设置于该基材与该放电诱导部之间，并包覆于该放电诱导部外；以及

中空部，其设置于该放电诱导部与该抑制层之间。

2.根据权利要求1所述的静电保护元件，其中，该放电诱导部是由30～40wt％的无机材料、40～50wt％的陶瓷材料及10～30wt％的金属粒子混合而成。

3.根据权利要求2所述的静电保护元件，其中，该无机材料为氧化锌、氧化镨、氧化钴、氧化铬、氧化镍、氧化铋、氧化锑、氧化锡、氧化钛及其组合。

4.根据权利要求2所述的静电保护元件，其中，该金属粒子为金、银、铂、钯、铑、铱、锇、钌及其组合或合金。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的静电保护元件，其中，该抑制层是由80～100wt％的陶瓷材料及0～20wt％的玻璃材料混合而成。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的静电保护元件，其中，该基材是由陶瓷或玻璃陶瓷材料所制作，为多层共烧的生胚薄带，该生胚薄带经与上述抑制层、放电诱导部、金属电极以及中空部共烧结后形成元件的基材部分。

7.一种静电保护元件的制造方法，其至少包含下列步骤：

提供基材原料的生胚薄带，是由基材原料混合后经薄带成形制造方法制作成一陶瓷生胚层；

进行第一次网版印刷，在该陶瓷生胚层利用网版印刷依次形成一个第一抑制材料层、一个第一静电抑制材料层以及一个电极层；

进行电极间隙制作，将该电极层形成一间隙，该间隙将原电极层分隔成第一电极及第二电极，且该间隙的大小为1μm～50μm；

进行第二次网版印刷，在该陶瓷生胚层利用网版印刷依次形成一个第二静电抑制材料层、一个中空部形成材料层以及一个第二抑制材料层；

进行压合步骤，将完成第二抑制材料层制作的半成品再堆迭另一陶瓷生胚层后进行压合成型；

进行生胚切割，将陶瓷生胚层进行切割形成多静电保护元件的半成品；

进行共烧结，将上述半成品进行低温共烧制造方法，则完成静电保护元件。

8.根据权利要求7所述的静电保护元件的制造方法，其中，该第一静电抑制材料层、第二静电抑制材料层的材料是由30～40wt％的无机材料、40～50wt％的陶瓷材料及10～30wt％的金属粒子混合而成。

9.根据权利要求8所述的静电保护元件的制造方法，其中，该无机材料为氧化锌、氧化镨、氧化钴、氧化铬、氧化镍、氧化铋、氧化锑、氧化锡、氧化钛及其组合。

10.根据权利要求8所述的静电保护元件的制造方法，其中，该金属粒子为金、银、铂、钯、铑、铱、锇、钌及其组合或合金。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的静电保护元件的制造方法，其中，该第一抑制材料层、第二抑制材料层是由80～100wt％的陶瓷材料及0～20wt％的玻璃材料混合而成。

12.根据权利要求7至10中任一项所述的静电保护元件的制造方法，其中，基材原料的生胚薄带也能选用商用的低温共烧陶瓷生胚薄带。

13.根据权利要求7至10中任一项所述的静电保护元件的制造方法，其中，进行电极间隙制作时，在该电极层处进行冲孔、槽而形成间隙，其是利用机械冲床方式制作不同形状大小与深度的孔或凹槽。

14.根据权利要求7至10中任一项所述的静电保护元件的制造方法，其中，进行电极间隙制作时，在该电极层处进行钻孔、槽而形成间隙，其是利用机械钻床或机械铣床或雷射方式制作不同形状大小与深度的孔或槽。

15.根据权利要求7至10中任一项所述的静电保护元件的制造方法，其中，进行电极间隙制作时，在该电极层处进行切割而形成间隙，其是利用刀具或雷射方式切割出不同宽度大小与深度的间隙。

16.根据权利要求7至10中任一项所述的静电保护元件的制造方法，其中，该中空部形成材料层为石墨、碳黑、或其它在高温分解气化的高分子化合物及其组合所制作成的印刷油墨胶。