CN109564805A - 电瞬变材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了电瞬变材料。此外，本发明公开了提供电瞬变材料的方法。在一个实施方式中，一种装置包括：电瞬变材料；以及被放置在电瞬变材料中的导电颗粒，导电颗粒中的至少一个或多个具有不规则形状。

Description

电瞬变材料及其制备方法
技术领域
本发明整体涉及电瞬变材料及制备电瞬变材料的方法。更具体地，本发明涉及电压可变材料(VVM)及制备VVM的方法。
背景技术
电瞬变产生高电场并且通常产生可致使电路或电路中的高灵敏度的电气部件暂时或永久失效的高峰值功率。电瞬变可包括能立刻中断电路操作或破坏电路的瞬变电压。例如，电瞬变可起因于电磁脉冲、静电放电、闪电、静电积累或受其他电子或电气部件的操作感应。电瞬变可在亚纳秒至毫秒时间内上升到其最大幅度并且具有重复的幅度峰值。
为防护电瞬变而存在的材料被设计用来非常迅速地响应，理想地是在瞬变波到达其峰值之前响应，以在电瞬变持续时间内将传输的电压降低到低得多的值。电瞬变材料的特征在于在低工作电压或正常工作电压处的高电阻值。响应于电瞬变，该材料非常迅速地切换到低电阻态。当电瞬变消散，这些材料回到它们的高电阻态。电瞬变一消散，电瞬变材料也非常迅速地恢复到它们最初的高电阻值。
电瞬变材料或VVM可被用在传统电路保护设备中。通常，电瞬变材料和VVM’s呈现触发电压(VT)和箝位电压(VC)。具体地说，电瞬变材料和VVM’s在VT处从高阻抗态触发或变化到低阻抗态，VT低于最大浪涌电压。在VT之后的一定持续时间处，电瞬变材料和VVM’s达到稳定的VC。最终，因静电放电事件引起的电压将从VC逐渐减小到0。
总之，拥有低VT和VC值对于电瞬变材料和VVM’s来说是期望的。例如，由于对在低电压和低功率水平处工作的较小型的设备和集成电路的需求增长，提供在低电压水平触发和箝位的电瞬变材料和VVM’s的必要性提高。然而，用在电瞬变材料和VVM’s中的材料限制了VT和VC值的进一步降低。
鉴于电瞬变材料和VVM’s的上述特性和优势，存在继续开发改进的电瞬变材料和VVM’s的需求。
发明内容
本发明描述了电瞬变材料和电压可变材料(VVM’s)。本发明也公开了提供这样的电瞬变材料和VVM’s的方法。
在一些实施方式中，一种装置包括：电瞬变材料；以及被放置在该电瞬变材料中的导电颗粒，这些导电颗粒中的至少一个或多个具有不规则形状。
在另外的实施方式中，一种方法包括：提供电瞬变材料；以及将导电颗粒放置在该电瞬变材料中，这些导电颗粒中的至少一个或多个具有不规则形状。
在又一些实施方式中，一种装置包括：电瞬变材料；以及被放置在该电瞬变材料中的导电颗粒，这些导电颗粒中的至少一个或多个具有不规则形状，其中电瞬变材料的宽度在0.6-1mil之间或15.2-24.4μm之间，并且电瞬变材料具有8.2-4.9的电压峰值电压密度，电压峰值电压密度被定义为电压峰值/宽度(宽度单位为μm)，并且其中电压峰值为125-130V而宽度为15.2-24.4μm。
附图说明
图1示出了根据一个示例性实施例的包括电瞬变材料的电路保护设备或装置的截面图。
图2更详细地示出了根据一个示例性实施例的电瞬变材料。
图3示出了根据本公开的一个实施例的制造包括电瞬变材料的电路保护设备或装置的一组示例性操作。
具体实施方式
电路保护设备和装置可使用电瞬变材料(例如，电压可变材料(VVM))。在一些实施方式中，电瞬变材料包括粘合剂材料。粘合剂材料可包括在其中的导电颗粒和半导电颗粒的混合物。此外，粘合剂材料可包括在其中的绝缘颗粒或不导电颗粒的混合物。在另一个示例中，电瞬变材料包括包含导电颗粒和半导电颗粒的粘合剂材料。这些导电颗粒和半导电颗粒中的至少一些可被绝缘氧化物薄膜、氮化物、硅或者另外一种或更多种无机绝缘涂层所涂覆。
电瞬变材料的至少一个实施方式包括具有不规则形状的导电颗粒。在一个实施方式中，电瞬变材料包括具有不规则形状的导电颗粒以及具有边界通常为圆形的形状的不导电颗粒。例如，不导电颗粒可以是圆形的，椭圆形的或类似的。在一个实施方式中，具有不规则形状的导电颗粒具有至少一个不是圆形的边界表面或外表面。例如，具有不规则形状的导电颗粒可具有至少一个为直线的边界表面、外表面或侧面。在另一个示例中，具有不规则形状的导电颗粒可具有至少多个为直线的边界表面、外表面或侧面。
图1示出了根据一个示例性实施例的包括电瞬变材料102(例如，VVM)的电路保护设备或装置100的截面图。在所示的实施例中，至少一个导电层104被施加在电瞬变材料102的第一表面106上。导电层104被示出为与电瞬变材料102接触。然而，在电瞬变材料102和导电层104之间可以放置一个或多个层。在另一个实施例中，另一个导电层108被施加在电瞬变材料102的第二表面110上。
在图1中，导电层108被示出为与电瞬变材料102接触。然而，在电瞬变材料102和导电层108之间可放置一个或多个层。在一些实施方式中，导电层104和108包括铜(Cu)。在一些实施例中，可在层104上放置层112。而且，在一些实施例中，可在层108上放置层114。在一些实施例中，层112和114包括锡(Tn)。层112可减轻在导电层104上形成氧化物的情况。类似的，层114可减轻在导电层108上形成氧化物的情况。在一些实施例中，层112和114由绝缘材料制备。电瞬变材料102的宽度116可以是1mil或25.4μm。在一个实施方式中，电瞬变材料102的宽度116可在0.6-1mil或15.2-25.4μm之间。在另一个实施方式中，电瞬变材料102的宽度116可以在0.6-6mil或15.2-152.4μm之间。针对宽度116所公开的宽度不限于示例。在一些示例中，宽度116可影响与电瞬变材料102相关联的触发电压(VT)和箝位电压(VC)。
图2更详细地示出了根据一个示例性实施例的电瞬变材料102。如图所示，电瞬变材料102包括基体材料202。基体材料202可以是包括橡胶、聚酯、环氧树脂、聚酰亚胺和/或其他聚合物的制剂。基体材料202可包括多个导电颗粒204和多个不导电颗粒206。在一个实施例中，导电颗粒204具有不规则形状。更具体地说，在一个具体的实施例中，至少一个或多个导电颗粒204具有包括至少一个为直线的边界表面、外表面或侧面的形状。在至少一个实施方式中，至少一个或多个导电颗粒204具有包括至少多个平的或直的边界表面、外表面或外部表面或者侧面的不规则形状。在一个实施方式中，不导电颗粒206具有边界或外部表面通常为圆形的形状。在一个具体的实施方式中，不导电颗粒206中的一个或多个是球形颗粒和/或椭圆形颗粒。在另一个实施方式中，不导电颗粒206的一个或多个可具有至少一个或多个平的或直的边界表面、外表面或外部表面或者侧面。
使用具有不规则形状的导电颗粒204有几个优点。具体地说，与传统的圆形和/或椭圆形的导电颗粒相比，具有不规则形状的导电颗粒204增强了导电颗粒204之间的导电性。特别地，导电颗粒204的(一个或多个)平的或直的表面增强了穿过基体材料202的隧穿效应。例如，在一个实施方式中，导电颗粒204的(一个或多个)平的或直的表面可允许导电颗粒204在基体材料202内被放置得与另一个导电颗粒紧密接近。导电颗粒204的这种紧密接近的布置可增强穿过基体材料202的隧穿效应。和与传统电瞬变材料相关联的VT和VC相比，由具有不规则形状的导电颗粒204实现的被增强的隧穿效应提供了较低的VT和VC。电瞬变材料和VVM’s在VT处从高阻抗态触发或变化到低阻抗态，VT低于最大浪涌电压。在VT之后的一定持续时间处(例如，在ns内)，电瞬变材料和VVM’s达到稳定的VC。在一个实施方式中，稳定的VC在25ns或25ns附近达到。最终，因静电放电事件引起的电压将从VC逐渐减小到0。
在各个实施方式中，电瞬变材料102呈现了在125-130V范围内的VT。另外，在各个实施方式中，电瞬变材料102呈现了在70-90V范围内的VC。在一个实施方式中，电瞬变材料102具有在0.6-1mil或15.2-24.2μm之间的宽度，以及电瞬变材料具有8.2-4.9的电压触发电压密度，电压触发电压密度被定义为VT/宽度(宽度单位为μm)，并且其中VT为125-130V而宽度为15.2-24.4μm。相应地，电瞬变材料102具有4.6-2.8的箝位电压密度，箝位电压密度被定义为VC/宽度(宽度单位为μm)，并且其中VC为70-90V而宽度为15.2-24.4μm。
图3说明了制造包括电瞬变材料102的电路保护设备或装置100的一组示例性操作300。在块302，电瞬变材料可以粉末形式被提供。可替代地，电瞬变材料可以液体形式被提供，也即所知的电瞬变材料墨水。电瞬变材料可包括一个或多个导电和不导电颗粒。此外，在一些实施方式中，电瞬变材料可包括聚合物和/或聚酰亚胺材料，包括但不限于环氧树脂。在各个实施方式中，导电颗粒中的至少一些可具有不规则形状。
在块304，电瞬变材料被形成为期望的形状及厚度。在一个实施例中，电瞬变材料被施加在诸如导电基底或导电板的刚性表面上。例如，浆料形式的电瞬变材料可被施加在刚性表面上。在另一个示例中，墨水形式的电瞬变材料可被喷涂、印刷、旋涂或浇注在刚性表面上。在一个示例中，可用涂覆刀片将墨水形式的电瞬变材料施加在刚性表面上。在一个实施方式中，可通过压缩的方式来将电结构化，使用按压或滚压来实现电瞬变材料的期望厚度。在另一个实施方式中，可使用涂覆刀片(例如，刮墨刀片)来实现电瞬变材料的期望厚度从而将墨水形式的电瞬变材料结构化。在一个或多个实施例中，形成电瞬变材料的过程可包括在电瞬变材料的一个或多个表面上提供一个或多个导电表面。
在块306，如果需要，作为形成电瞬变材料的过程的一部分，通过干燥来硬化形成的电瞬变材料是允许的。在一个实施方式中，在烤箱中硬化形成的电瞬变材料。
虽然已参照了某些实施例来描述电瞬变材料和制备电瞬变材料的方法，本领域的技术人员将理解在不背离本申请的权利要求的精神和范围的情况下可作各种变化以及替代等同物。在不背离权利要求的范围的情况下可作其他修改以使具体的情境或材料适应于所公开的教导。因此，权利要求不应被解释为受限于所公开的任何一个具体的实施例，而应是落入了权利要求范围内的任何实施例。

Claims (19)

1.一种装置，包括：
电瞬变材料；以及
被放置在所述电瞬变材料中的导电颗粒，所述导电颗粒中的至少一个或多个具有不规则形状。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述导电颗粒中的至少一个或多个具有平的或直的外部表面。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括被放置在所述电瞬变材料中的不导电颗粒。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述不导电颗粒中的至少一个被形成为球形或椭圆形。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述电瞬变材料包括第一相对表面和第二相对表面，并且包括被放置在所述第一相对表面和所述第二相对表面中的至少一个上的导电层。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述电瞬变材料为电压可变材料(VVM)。
7.一种方法，包括：
提供电瞬变材料；以及
将导电颗粒放置在所述电瞬变材料中，所述导电颗粒中的至少一个或多个具有不规则形状。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述导电颗粒中的至少一个或多个具有平的或直的外部表面。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括将不导电颗粒放置在所述电瞬变材料中。
10.根据权利要求9所述的装置方法，其中所述不导电颗粒中的至少一个被形成为球形或椭圆形。
11.根据权利要求7所述的装置方法，其中所述电瞬变材料包括第一相对表面和第二相对表面，并且在所述第一相对表面和所述第二相对表面中的至少一个上形成导电层。
12.根据权利要求7所述的装置方法，其中所述电瞬变材料为电压可变材料(VVM)。
13.一种装置，包括：
电瞬变材料；以及
被放置在所述电瞬变材料中的导电颗粒，所述导电颗粒中的至少一个或多个具有不规则形状，
其中所述电瞬变材料的宽度在0.6-1mil之间或15.2-24.4μm之间，并且所述电瞬变材料具有8.2-4.9的电压触发电压密度，电压触发电压密度被定义为电压触发/单位为μm的宽度，并且其中电压触发为125-130V并且宽度为15.2-24.4μm。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述电瞬变材料具有4.6-2.8的箝位电压密度，箝位电压密度被定义为箝位电压/单位为μm的宽度，并且其中箝位电压为70-90V并且宽度为15.2-24.4μm。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述导电颗粒中的至少一个或多个具有平的或直的外部表面。
16.根据权利要求13所述的装置，还包括被放置在所述电瞬变材料中的不导电颗粒。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述不导电颗粒中的至少一个被形成为球形或椭圆形，或所述不导电颗粒中的至少一个具有不规则形状。
18.根据权利要求13所述的装置，其中所述电瞬变材料包括第一相对表面和第二相对表面，并且包括被放置在所述第一相对表面和所述第二相对表面中的至少一个上的导电层。
19.根据权利要求13所述的装置，其中所述电瞬变材料为电压可变材料(VVM)。
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