CN1423287A - 单层及多层可变电压保护装置及其制作方法 - Google Patents

单层及多层可变电压保护装置及其制作方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于电子设备的可变电压保护装置,它一方面包括一个处于接地平面(14)和电导体(10)之间的净介电聚合物,玻璃或陶瓷组成的薄层,用于过压保护,其中所述的净介电聚合物,玻璃或陶瓷层不含有导电或半导电粒子。也公开了处于传统的可变电压保护部件之上的净介电聚合物,玻璃或陶瓷层(12)的组合,包括含有导电的,半导电的或绝缘的粒子的胶合物。公开了一种多层可变电压保护部件,包括三层过压保护材料(15,16,17),其中外面两层含有较低百分比的导电,半导电和/或绝缘的粒子,而内层含有较高百分比的导电,半导电和/或绝缘的粒子。该多层部件可选地可以与净介电聚合物,玻璃或陶瓷层(12,12’)结合使用,并可以可选地插入金属层(18,18’)。公开了一种分散胶态的绝缘粒子和导电,半导电和/或绝缘的粒子的方法,利用一种易挥发性溶剂在将最终粒子与胶合物混合以前分散胶态的绝缘粒子和导电,半导电和/或绝缘的粒子。

Description

单层及多层可变电压保护装置及其制作方法
本申请是申请日为1995年7月14日，申请号为95194112.7的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种可变电压保护装置，用于保护电子线路免受由闪电、电磁脉冲、静电放电、接地环路感应瞬变、或感应电涌所引起的过压瞬变带来的侵害。本发明尤其涉及制作可变电压保护部件的材料以及制作可变电压保护部件的方法和装置。
背景技术
电压瞬变可能引起极高的电流和电压，穿透电气设备并损害它们，或者导致硬件损害，如半导体烧坏，或者引起电子故障，如传输信号丢失或存储数据的丢失。电压瞬变产生带有高峰电流的巨大电压尖峰(即：过压)。有三种基本的过压危险情况：静电放电、线路瞬变和闪电。典型的静电放电发生于从人体逸出的静电荷与一个正在运行的电子系统或集成电路芯片直接产生物理接触。线路瞬变就是交流电路中的电涌。线路瞬变也可能因为关闭开关或启动马达而产生。闪电电弧可以袭击静止目标，如一幢大楼，或运动目标，如飞机或导弹。这类电弧可以突然增加一个系统的电子设备的负载。处于高峰时，每一种这样的危险情况都可能摧毁一块集成电路芯片的敏感结构。
以前人们一直在使用各种各样的过压保护材料。这些材料属于非线性阻抗材料，又称为电压可变材料。在操作中，电压可变材料在初始状态具有很高的电阻抗。当电路经受到一次过压打击时，电压可变材料迅速改变成低电阻抗状态，使过压同地线短路。当过压过去之后，电压可变材料立刻转换回高电阻抗状态。电压可变材料的关键运作参数为反应时间，箝位电压和电压峰值。电压可变材料从绝缘状态转换到导电状态所花费的时间就是反应时间。电压可变材料限制电压涌动时的电压即为箝位电压。换句话说，当材料转换为导电状态后，该材料要确保集成电路芯片不至于有高于箝位电压的电压。电压可变材料将从绝缘状态转换为导电状态(在涌动条件下)时的电压就是开关电压。这些材料典型地由分布在有机树脂或绝缘介质上的、精细分割的粒子构成。例如，美国专利4977357号(Shrier)和美国专利4726991号(Hyatt et al.)披露了这类材料。
电压可变材料和包含电压可变材料的部件一直被以各种方法用于过压保护装置。例如，美国专利5142263号和美国专利5189387号(两者皆发授权给Childers et al.)披露了一种表面封装装置，它由一对导电片和放置在该对导电片之间的电压可变材料组成。美国专利4928199号(Diaz etal.)披露了一种集成电路封装件，它由一个引线架，一块集成电路芯片——该芯片被一个一端接地的电极所保护——和一个可变电压开关装置——该装置包含与电极的另一端相连接的电压可变材料——组成。美国专利5246388号(Collins et al.)说明了一种装置，该装置中第一组电气接头与一个电气连接器的信号接头互连，第二组接头接地，一个刚性的塑料套固定第一和第二组接头，从而形成一个细小的隙缝以便用过压材料填充。美国专利5248517号(Shrier et al.)披露了将电压可变材料涂或印在一个基片上的方法，以便得到具有大面积和精致表面的电压可变材料的共形涂层。通过直接将电压可变材料印制在基片上的方法，电压可变材料既可以用作一个分离装置也可以用作所连接电路的一部分。
上述美国专利在此作为参考。
虽然现有技术披露了各种材料和装置，但人们还是不断有迫切需要，希望提供改进的、成本效益更好的电压可变材料和性能更加一致的装置，以防止在该材料和装置所使用的各种条件下箝位电压的变化。
发明内容
本发明在一个方面包括一种可变电压保护装置，该装置是由放置在一个接地平面和一个电子装置的电导体之间的一层净介电聚合物，玻璃或陶瓷组成。人们已经惊奇的发现，通过这类聚合物，玻璃或陶瓷层，可以有效的提供过压保护，只要该聚合物，玻璃或陶瓷层足够薄，能为给定的电子装置，给定的保护装置提供所希望的开关转换和电压箝位特性。已经发现，对某些聚合物而言，厚度必须小于0.0406毫米(1.6密耳)，而对另外的聚合物而言，厚度必须小于0.0203毫米(0.8密耳)，最好小于0.0127毫米(0.5密耳)，小于0.0051毫米(0.2密耳)则更理想。对某些玻璃和陶瓷而言，厚度必须小于0.127毫米(5密耳)，最好小于0.0965毫米(3.8密耳)，小于0.0406毫米(1.6密耳)则更理想，在很多应用场合下，厚度最好小于0.0203毫米(0.8密耳)。
在本发明的另一个方面，优良的性能可由(a)一层含有导电粒子和/或半导电粒子的胶合物组成的可变电压保护材料；和(b)一层与该可变电压材料层的一个表面相接的净介电聚合物，玻璃或陶瓷的组合而构成的可变电压保护部件来提供；其中净介电聚合物，玻璃或陶瓷层存在于小于0.0406毫米(1.6密耳)的厚度中。在胶合物/粒子型可变电压保护材料的表面有薄层净介电聚合物，玻璃或陶瓷的存在，就提供了一种具有所需电压箝位特性以及其它所需特性的部件。
在另一个方面，本发明提供了一种层状的可变电压保护部件，包括一个第一层由含有至少20％按体积计的导电或半导电粒子分布其中的胶合物所构成的第一层可变电压保护材料；一个与含有至少40％按体积计的导电或半导电粒子分布其中的胶合物所构成的第一层相接的第二层可变电压保护材料；以及一个与含有至少20％按体积计的导电或半导电粒子分布其中的胶合物所构成的第二层相接的第三层可变电压保护材料。已经发现，多层结构提供了一种改变在每一层中装载导体粒子和/或半导体粒子的可能性，使得外层中装载的粒子低于内层，从而获得范围较宽的箝位电压和其它所需特性。在本发明的一个附加方面，与该电子装置的电导体相接的外层中装载的粒子应当低于装载有较高粒子的内层，但是在这种情况下，与接地平面相接的其它外层中装载的粒子可高可低。在本发明的一个附加方面，为了提供该部件的附加特性和性能，这种多层可变电压保护部件还可在一个外表面或两个外表面上备有上述一个薄层的净介电聚合物，玻璃或陶瓷。在本发明的这个方面，电导体这面的这一层可以有比内层或高或低的粒子装载，只要该净介电聚合物，玻璃或陶瓷层放置在外层和电导体之间。在本发明的另一个方面，这种多层部件可以有一个导电，如金属层，插入第一层与第二层之间和/或第二层与第三层可变电压保护材料之间。还是在本发明的另一个方面，这些多层部件本身可以与或不与净介电聚合物，玻璃或陶瓷层的外层层叠，也可与或不与在部件中插入的净介电聚合物，玻璃或陶瓷层层叠，以获得所需的性能特点。
在另一个方面，本发明提供了一种由(a)导电，半导电和/或绝缘粒子和(b)在一种(c)轻有机溶剂中的胶态绝缘粒子的混合而构成的可变电压保护材料的制作方法；混合该混合物，将该胶态绝缘粒子在导电/半导电/绝缘粒子中分散；蒸发至少一部分，最好全部溶剂；混合导电/半导电/绝缘粒子与带有胶合物的胶态绝缘粒子的最终生成物，以得到一种可变电压保护材料。
附图说明
附图1是包含一层净介电聚合物，玻璃或陶瓷的可变电压保护装置的横截面图。
附图2是带有由一种胶合物与导电粒子、半导电粒子组成的，和/或绝缘粒子与一层净介电聚合物，玻璃或陶瓷组合而成的一层可变电压材料的可变电压保护组合物的横截面图。
附图3是根据本发明的多层可变电压保护部件的横截面图，包含可选的外层净介电聚合物，玻璃或陶瓷。
附图4是根据本发明的多层可变电压保护部件的横截面图，包含可选的在可变电压保护材料之间插入的金属层。
具体实施方式
参考本发明的第一个方面，它包括由一个薄层的净介电聚合物，玻璃或陶瓷作为可变电压保护材料而组成的一种可变电压保护装置，已经发现，这种装置在所需的箝位电压范围有令人吃惊的效果，只要该层净介电聚合物，玻璃或陶瓷足够薄。对某些聚合物而言，一个小于0.0203毫米(0.8密耳)的层可以在各种情况下提供有效的过压保护，而对其它聚合物而言，一个小于0.0406毫米(1.6密耳)的层可以提供所需的性能特点。在很多可变电压保护应用场合中，该聚合物层最好是小于0.0127毫米(0.5密耳)，小于0.0051毫米(0.2密耳)则更理想。类似的，当该层是一种玻璃或陶瓷时，则该层最好小于0.0203毫米(0.8密耳)，但对某些应用场合下的玻璃而言厚度到0.0965毫米(3.8密耳)左右是比较合适的。正如现有技术中普通技术人员的理解，该净介电聚合物，玻璃或陶瓷层的实际厚度在可变电压保护中的作用将随所使用的聚合物，玻璃或陶瓷的类型，其介电特性，使用可变电压保护元件的装置的操作条件以及该保护装置所要求的性能特点而变。
附图1显示了本发明的装置，其中层12放置在电导体10和接地平面14之间。
正如本发明说明书中所使用的，术语“净介电聚合物，玻璃或陶瓷”是指一种聚合物，玻璃或陶瓷材料，它可在将要使用的正常电压和电流状态下充当一种介电或绝缘材料，并且尚未填充，就是说，不含在胶合物中典型使用的或其它与现有技术的可变电压保护材料结合使用的那类导电或半导电粒子。然而，“净介电聚合物，玻璃或陶瓷”包括符合上述标准的聚合物，玻璃或陶瓷材料，但它们可含有或加有那些不活跃的或者不干预本发明中所用的聚合物，玻璃或陶瓷层所表现出的介电/可变电压保护性能的绝缘或惰性粒子或材料。本发明中使用的聚合物，玻璃或陶瓷层可在原地形成或固化，或者可以在一张预成型或预固化的片或胶片上提供，并根据本发明放置在适当位置以供使用。此外，聚合物层可以是预固化的聚合物块，从该块上按照所需的厚度可以切割或抛光聚合物片或层。进一步的，聚合物，玻璃或陶瓷层可以以聚合物垫，玻璃或陶瓷纤维或粒子形式提供，它们可以被压缩或经其它处理，以便提供在本发明中使用的，符合所需厚度的聚合物，玻璃或陶瓷层。这种垫可以含有黏合剂或胶合物，因为纤维可经加热或热处理而压缩，从而提供在本发明中使用的，符合所需厚度的聚合物片，玻璃或陶瓷纤维。
在本发明的这个方面所使用的聚合物，玻璃或陶瓷可以从现有技术中已知的，在通用的可变电压保护材料中用作胶合物的聚合物中挑选，只要确定这类聚合物具有很高的抗漏电性和抗电弧性。此外，其它以前不适合或用作这类胶合物的聚合物，玻璃和陶瓷也可在本发明中使用，只要它们在根据本发明针对一种装置所选择的操作条件下表现出足够的介电特性，足够的抗漏电性，足够的抗电弧性即可。
一般而言，本发明中所使用的介电聚合物的类型包括硅橡胶和合成橡胶，天然橡胶，有机聚硅氧烷，聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚(亚甲基甲基丙烯酸酯)，聚丙烯腈，聚缩醛，聚碳酸，聚酰胺，聚酯，酚醛树脂，环氧树脂，烷基树脂，聚氨基甲酸酯，聚酰亚胺，苯氧基树脂，多硫化物树脂，聚苯氧基树脂，聚氯乙烯，含氟聚合物和氯氟聚合物。这些及其它有用的聚合物可以单独使用，或者可以包括各种替代物组，可以是混合物，掺合物或其共聚物，其中最终聚合物是按照上述标准挑选出来的。特别推荐一种聚合物，即一种常规并可在商业上得到的General Electrlc“615”硅酮，建议在200℃左右将该聚合物加工固化约15分钟，以得到更适合在本发明中使用的性能。在这一准备过程中，可固化的液体聚合物被喷涂到所需的接地平面直到所需的厚度，然后再按说明固化。将固化好的聚合物层与一个电子装置的电导体相接放置，构成本发明的可变电压保护装置。已经发现，这种聚合物在厚度为大约0.0051毫米(0.2密耳)时可提供较好的性能。本发明使用的另一种形式的聚合物是被压缩成所需厚度的小垫的纺造或无纺聚合物纤维。例如，本发明中使用的一种聚合物纤维材料是一层无纺的芬芳聚酰胺纤维，市场上可从杜邦纳幕尔公司(E.L.Du Pont deNemours & Company)得到“KEVLAR”或“NOMEX”牌的无纺纤维垫。该无纺芬芳聚酰胺纤维垫约0.0406毫米(1.6密耳)，当压缩为0.0203毫米(0.8密耳)时可提供较好的性能。
本发明中使用的介电玻璃材料也是在如钠硅酸盐的可变电压材料中用作胶合物的玻璃材料。与聚合物类材料一样，玻璃材料既可以喷涂在基片上也可在所需基片，如接地平面的适当位置形成，或者可以在一个片上完成并在接地平面与电导体之间组合以构成本发明的装置。通常在本发明中使用的介电玻璃，如钠硅酸盐，在厚度上类似于上述针对聚合物材料所概括的标准，但也可在某些场合下使用厚层，如直到0.127毫米(5密耳)，不过通常小于0.0965毫米(3.8密耳)，最好小于0.0406毫米(1.6密耳)。此外，按照本发明可以用玻璃纤维构成介电玻璃层。例如，一块纤维玻璃垫可以压缩到所需厚度，如0.0254毫米(1密耳)或更少，以提供在本发明所使用的特定场合下所需的性能特点。与聚合物纤维垫一样，可将一片无纺或纺造玻璃纤维，含或不含黏合剂或胶合物，经热处理，压缩到所需的厚度，以提供本发明所使用的所需厚度的生成片。
本发明中使用的介电陶瓷是玻璃陶瓷，不透明玻璃，结晶玻璃，结晶陶瓷，结晶陶瓷混合物及钻石。钻石在技术意义上讲并非陶瓷，之所以包括在“介电陶瓷”的定义中是因为它可以具有常规陶瓷的介电特性，这在本发明中非常有用。因此，本发明中最佳的陶瓷材料建议使用氧化铝和氮化铝，结晶陶瓷复合物，包括AIN，AL2O3，SI3N4和TiN。如上对玻璃所述，本发明中使用的陶瓷可以到0.127毫米(5密耳)，通常小于0.0965毫米(3.8密耳)，最好小于0.0406毫米(1.6密耳)。
正如“玻璃”可包括非结晶类型玻璃一样，“陶瓷”也可包括结晶型玻璃和陶瓷以及钻石晶体。除上述组合、加工和使用方法外，对现有技术中的普通技术人员而言，也可利用已知的各种方法应用本发明中所使用的玻璃和陶瓷层，例如溶剂沉淀，溶液-凝胶涂敷，喷溅，蒸发，化学蒸气沉淀，等离子喷涂，阳极电镀等等。
正如现有技术中的普通技术人员所理解的那样，只要遵循有关对净介电聚合物，玻璃或陶瓷必须维持一定的厚度以表现所需的箝位电压和其它所需的特性的说明，在本发明中可以挑选和使用各种介电聚合物，玻璃和陶瓷。在本发明中可以应用的聚合物的例子包括在美国专利4298416号，4483973号，4499234号，4514529号，4523001号，4554338号，4563498号，4580794号中所公开的那些聚合物，这些公开出版物此处作为参考。正如所述，根据本发明也可挑选使用其它树脂。
在本发明的另一个方面，已经发现，上述净介电聚合物，玻璃或陶瓷层可以与一种可变电压材料组合使用，以修正和增强该可变电压材料的某些特性和性能。正如本发明所指出的，该可变电压材料可以是一种常规的可变电压材料，包括一种含有与绝缘粒子相混合或处理的导电粒子和/或半导电粒子和/或绝缘粒子的胶合物。如本发明中所使用的，该可变电压材料也可包括其它新颖的，经过修正的和改进的可变电压材料或者可变电压部件，例如本说明书中所披露的，以及1994年7月14日提交的系列号为08/275947的美国专利申请中所公开的。与这类可变电压材料或部件组合使用的净介电聚合物，玻璃或陶瓷层相接放置在该可变电压材料或部件的一个或两个表面，可以是本申请中提到和描述的同样的净介电聚合物，玻璃或陶瓷。
附图2显示本发明的一种装置，其中净介电聚合物，玻璃或陶瓷层12放置在电导体10和可变电压材料13之间。提供一个接地平面14与层13相接。
在本发明的这个方面，上述净介电聚合物，玻璃或陶瓷层可以应用到一种所需的可变电压材料或部件的表面，例如以液体形式和在适当位置固化，或者可以以预固化或预成形片的形式提供并层压到该可变电压材料或部件的表面。对现有技术中的普通技术人员而言，各种常规的可变电压材料和部件均可与净介电聚合物，玻璃或陶瓷层合用以构成本发明的可变电压材料与外层净介电聚合物，玻璃或陶瓷的组合，从而提供所需的性能特性。特别地，最好在本发明的这个方面，以组合形式提供下述的多层产品，并且有一个净介电聚合物，玻璃或陶瓷层在这个多层可变电压部件的一个或两个外层表面上。
本发明的另一个方面包括一个多层的可变电压保护部件，它包括至少三层可变电压材料，后者由含有导电，半导电和/或绝缘粒子的一种胶合物组成，可以根据选择包含胶态绝缘粒子。根据本发明的多层可变电压部件有两个含有较低载入量或浓度的导电，半导电和/或绝缘粒子的外层，而部件的内层含有较高载入量或浓度的导电，半导电和/或绝缘粒子。如上所述，该多层可变电压部件还可有选择的进一步包括，在该部件的任何一个或两个表面有一层净介电聚合物，玻璃或陶瓷以增强或改变所需要的性能特性。
附图3显示本发明在电导体10和接地平面14之间有几个单独的可变电压保护材料层15，16和17构成该多层产品。可选的，一个净介电聚合物，玻璃或陶瓷层12可以放置在外层15上并与导体10相接和/或净介电聚合物，玻璃或陶瓷层12’可以放置在外层17并与接地平面14相接。
本发明的多层产品的单独层可以根据本说明书背景部分所提到的专利中的常规方法构成，或更理想地通过下述方法构成和制作。一般而言，建议本多层产品的两个外层至少包含20％按体积计的导电，半导电和/或绝缘粒子，而其内层至少包含40％按体积计的导电，半导电和/或绝缘粒子在一种胶合物中。更理想的情况是，两个外层至少包含30％按体积计的这类粒子，而其内层至少包含50％，至少包含60％按体积计的这类粒子在该胶合物中则更好。该产品的两个外层包含相同载入量或浓度的这类粒子是不必要的，例如，一个外层可以包含30％按体积计的这类粒子，另一个外层包含40％，而其内层包含60％按体积计的这类粒子在该胶合物中。遵循本发明的方法，对现有技术中的普通技术人员而言，为得到所需的性能特点，导电，半导电和/或绝缘粒子在各种层中的浓度或载入量可以变化是显而易见的。然而还应当认识到，本发明的方法表明该部件的外层所含的粒子载入量比内层或其它层要低。还应当认识到，本装置的内层或内部层本身就是由多层可变电压材料所构成，其所含的粒子载入量或浓度要比外部表面层高。
正如以上所概括的，当第一个外层与该电子装置的电导体直接接触时，该外层所含的导电/半导电和/或绝缘粒子载入量要比内层低，但是另一个外层是可选的，其所含的粒子载入量可高于或低于内层。当第一个外层由一层与电导体相接的净介电聚合物，玻璃或陶瓷组成时，那么第一个外层所含的粒子载入量可高于或低于内层，并且另一个外层是可选的，其所含的粒子载入量可高于或低于内层。
每层的厚度和多层部件的整体厚度可由现有技术中的普通技术人员根据本发明确定，以得到所需的该部件的性能特点。例如，一个推荐的实施例为，一个0.0254毫米(1.0密耳)的第一外层含30％按体积计的导电粒子，一个0.0203毫米(0.8密耳)的内层含60％按体积计的导电粒子，一个0.0178毫米(0.7密耳)的第三层含30％按体积计的导电粒子。类似的，另一个推荐的实施例为，一个0.0254毫米(1.0密耳)的第一外层含30％按体积计的导电粒子，一个0.0508毫米(2密耳)的内层含60％按体积计的导电粒子，一个0.0203毫米(0.8密耳)的第三层含30％按体积计的导电粒子。类似这样的多层配置可提供较好的性能特点。此外，现有技术中的普通技术人员应当认识到，以聚合物形式或其它介电胶合物形式提供的含有所需的导电，半导电，绝缘和/或胶态绝缘粒子的每一层均可以液体形式应用，然后再干燥或固化。本发明的多层产品可通过应用两层或更多层，然后再固化或同时干燥所有的层的方法而构成，或者可以选择的，本发明的多层产品可通过应用第一层到一个金属接地平面部件，再在应用到后续层之前固化或干燥的方法而构成。在这一过程中，在应用到后续层之前，每一层都被施加，固化或干燥至所需的厚度。因此，现有技术中的普通技术人员应当认识到，根据本发明的多层可变电压保护部件可以通过各种方法，使用各种材料而构成。然而此处提供一个实施例使用下述方法准备可变电压保护材料，然后按照上述的粒子载入量和层厚度构成本发明的多层产品。现有技术中的普通技术人员还应当认识到，每个单独的层都可以按照需要选择，因而该多层产品的每一层都可以是不同类型的胶合物材料和/或导电，半导电，绝缘和/或胶态绝缘粒子，只要遵循基本标准，即多层产品外层所含的这类粒子的载入量或浓度较低，而内层所含的这类粒子的载入量或浓度较高。例如，每一层都可以从现有技术中的各种常规可变电压材料中选择，它包括一种含有各种导电和/或半导电和/或绝缘粒子的胶合物。可选的，还应当认识到，每一层均可单独选择应用此处所披露的或在1994年7月14日提交的系列号为08/275947的美国专利申请中所公开的任何新颖的、改进的可变电压保护材料保护或部件。在这一点上说，可以选择含有在该待决申请中所披露的加固垫的新颖的可变电压材料用作本发明的多层产品的特定的具体的层。
本发明的多层产品可以这样构造，即每一层都由一种胶合物组成，例如一种介电聚合物或介电玻璃胶合物，它含有导电粒子，如铝粒子，以及可选的，含有半导电粒子，如碳化硅，进一步可选含有绝缘粒子，如氧化铝和/或胶态绝缘粒子，如一种蒸发的二氧化硅。每一种成分以及利用胶合物构成可变电压材料的方法和固化或干燥胶合物以构成所需的最终材料的方法在现有技术中都是众所周知的。从这一点上说，上面参照的专利的内容提供了基本的材料和部件，可以用于制作本发明的多层产品。
本发明中使用的“导电粒子”包括金属粒子，如铜，铝，钼等等或其它导电材料如碳黑，羰基镍，碳化钽等等。“半导电粒子”包括碳化硅，碳化铍，氧化钙等等。“绝缘粒子”包括氧化铝，玻璃球，碳化钙，硫酸钡等等。“胶态绝缘粒子”包括胶态形式的蒸发的二氧化硅，瓷土，高岭石，三水合氧化铝，长石等等。参见美国专利4726991号，按照前述步骤和方法了解更多的本发明中所使用的每一类中的特定粒子和材料。
附图4显示本发明中单独的可变电压保护材料层15，16和17被可选的金属层18和18’所分离，它们共同组成放置在电导体10和接地平面14之间的多层可变电压保护装置。
在另一个方面，本发明包括一种制作可变电压保护材料的改进方法，该材料含有一种胶合物和导电粒子和/或半导电粒子，与绝缘粒子和胶态绝缘粒子组合，全部分布在该胶合物中。如上所述，胶合物的每一种成分，导电粒子，半导电粒子，绝缘粒子和胶态绝缘粒子都是现有技术中已知的东西，并在所参考的专利中有详细的描述。本发明的这一方面涉及到组合这些常规材料以生产新型的具有增强特点的可变电压保护材料的新方法。本发明的方法包括，将导电和/或绝缘粒子和所需量的胶态绝缘粒子分布在一种有机溶剂中，从而使导电和/或绝缘粒子和胶态绝缘粒子完全散布在该溶剂混合物中。可以以任何顺序将粒子加进溶剂中，但通常是先将导电和/或绝缘粒子散布在溶剂中，然后加进胶态绝缘粒子。再通过蒸发消除溶剂的方法干燥混合物。已干燥的粒子混合物通常呈饼状物形式，然后再置于磨光机中碾成粉末。在研磨过程中向生成的粉末加进一种介电聚合物胶合物以便均匀地将粒子散布到该介电聚合物中。例如，导电粒子可以是铝，绝缘粒子是氧化铝，胶态绝缘粒子是蒸发的二氧化硅，溶剂是甲基乙基酮。在某些中，最好还包括玻璃纤维作为绝缘粒子。在一个推荐的方面，该方法还包括，先构成只包含导电粒子和胶态绝缘粒子的第一种溶剂混合物，再构成包含绝缘粒子和胶态绝缘粒子的第二种溶剂混合物。两种混合物分别干燥；生成的两种干燥混合物分别研磨，再同时加进一个磨粉机与一种聚合物胶合物混合，以便生成所需的可变电压保护材料。
用此推荐方法，将该胶合物-粒子混合物与一种强极化溶剂的过剩物混合，如MEK，以便使该胶合物膨胀。将该混合物放入一个高速混合器中混合，以便形成一种类似于有颜色的颜料的粘性材料。通过将该材料按需要淀积在所需厚度的层中，允许该溶剂蒸发，允许对该胶合物进一步固化而留下所需要的可变电压保护材料层，可以根据需要应用最终的混合物，以便形成可变电压保护部件或层。
在一个推荐的配方中，将STI Dow Corning氟硅酮橡胶(DC-LS2840)按照4∶1的体积比与STI Dow Corning聚二甲基硅氧烷(HA2)组合。研磨该混合物直到均匀和基本半透明。此时，将氧化铝和蒸发的二氧化硅粒子的混合物加进磨粉机。氧化铝粒子和蒸发的二氧化硅粒子的混合物的准备过程如下。理想的氧化铝粒子是来自Alcoa的一种5密耳“A14”粒子。这种粒子散布在甲基醇中，该粒子-溶剂混合物经过一个10密耳的网筛。对生成的散布有氧化铝粒子的溶剂加进1％按重量计的(基于氧化铝的初始重量)蒸发二氧化硅粒子，它是预先散布在甲基醇中的“Cabosil TS530”，并混合直到均匀散布到全部溶剂混合物。然后通过蒸发消除溶剂以形成蛋糕状。再将干燥的氧化铝粒子-Cabosil糕研磨成粉末。第二种铝粒子溶剂混合物定义为来自Alcoa的“H10”，它是10密耳的粒子，同样散布在甲基醇中，然后再与17％按重量计的蒸发二氧化硅混合，它是“Cabosil M5”。如上所述，该H10铝粒子散布在甲基醇中，并经过一个20密耳的网筛，然后散布在甲基醇中的Cabosil M5被加进筛过的溶剂中的H10铝粒子。混合后溶剂蒸发形成饼状物。再将干燥的氧化铝粒子-Cabosil糕研磨成粉末。铝粒子与氧化铝粒子的比约为2∶1，约45份按体积计的粒子与约55份按体积计的胶合物混合。将铝和氧化铝粉末都加进磨粉机研磨成聚合物混合物。研磨足够时间之后，如30分钟到1小时，得到均匀的混合，从磨粉机中取出混合物再与甲基乙基酮按重量计全部混合物对一份溶剂的比率混合。该混合物允许在MEK中待几个小时的时间，如一夜，然后再与小量的如4％按重量计的过氧化物，它是1，1-二叔丁基过氧化-3，3，5-三甲基环己烷，和17％按重量计的交叉耦合剂，即三烷基异氰脲酸酯相混合，其中重量百分比取决于胶合物的重量。再将最终混合物以低速混合以确保彻底的混合，然后再以高速混合直到该混合物变得与颜料一样。该最终可变电压保护组合物可以按照所需的样式涂层或淀积到接地平面或电导体或其它基片上，溶剂允许干燥，该胶合物允许进一步固化或交叉耦合。如果需要，可在200℃时用约20分钟的时间帮助胶合物的干燥，固化或交叉耦合。由此提供所需厚度和配置的可变电压保护材料用作可变电压保护层或部件。这种组合物可用于构成上述多层产品发明或者与上述净介电聚合物，玻璃或陶瓷层发明组合。
正如在本发明的以上方法中所使用的那样，该有机溶剂可以是任何溶剂，其中散布有所需的粒子并与其它粒子混合。一般而言，溶剂可以是一种被替代的或不被替代的C1到C10的碳氢化合物，包括直链和分支链碳氢化合物，酒精，乙醛，酮，芳香剂等等。本发明中使用的这类溶剂的例子包括甲基乙醇，乙基乙醇，正丙醇或异丙醇，甲醛，甲基乙基酮，甲苯，苯，丁烷，戊烷，氯代氟代乙烯(来自杜邦的“Freon”溶剂)及其它。现有技术中的普通技术人员应当认识到，在能得到的状态下，一种可以充分蒸发的溶剂是理想的。
如上所述，正如所参考的专利所提出的，导电粒子，半导电粒子和绝缘粒子都是常规的。
本发明的原理，实施例和操作方式已在前面描述。然而，本发明并不限于所披露的实施例。此外，此处描述的实施例均为指示性而非限制性。他人可以作出变动和修改，应用等同物而不脱离本发明的精神，特别强调的是，所有这类变动，改变和等同物均落入权利要求书所限定的本发明的精神和范围内。

Claims (16)

1.一种可变电压保护装置，包括：
一个接地平面；一层净介电聚合物、玻璃或陶瓷与该接地表面相接；和
至少有一个电子装置的一个导体与该层净介电聚合物、玻璃或陶瓷相接；其特征在于，该层放置在接地平面和电导体之间并与该接地平面相接，它主要由一层厚度小于0.0406毫米(1.6密耳)的净介电聚合物组成或主要由厚度小于0.127毫米(5密耳)的净介电玻璃或陶瓷组成。
2.根据权利要求1的装置，其中该聚合物层小于0.0203毫米(0.8密耳)以及该玻璃或陶瓷层小于0.0965毫米(3.8密耳)。
3.根据权利要求1的装置，其中该聚合物层小于0.0127毫米(0.5密耳)以及该玻璃或陶瓷层小于0.0965毫米(0.8密耳)。
4.根据权利要求1的装置，其中该聚合物层小于0.0051毫米(0.2密耳)以及该玻璃或陶瓷层小于0.0965毫米(0.5密耳)。
5.一种放置在接地平面和电子线路之间的可变电压保护部件，包括：
一层由含有导电粒子或半导电粒子的胶合物组成的可变电压材料；和
一层与该层可变电压材料的一个表面相接的净介电聚合物、玻璃或陶瓷；其特征在于，该净介电聚合物厚度小于0.0406毫米(1.6密耳)或者该净介电玻璃或陶瓷厚度小于0.127毫米(5密耳)。
6.一种放置在接地平面和电子线路之间的可变电压保护部件，包括：
一个由其中含有至少20％按体积计的导电粒子或半导电粒子的胶合物所组成的第一层可变电压保护材料；
一个其中含有至少40％按体积计的导电粒子地导电粒子的胶合物所组成的与第一层相接的第二层可变电压保护材料；和
一个其中含有至少20％按体积计的导电粒子或半导电粒子的胶合物所组成的与第二层相接的第三层可变电压保护材料。
7.根据权利要求6的部件，其中三层中的导电粒子或半导电粒子的体积百分比至少分别为30％，40％和30％，其中含有至少30％按体积计的导电粒子和半导电粒子的胶合物所组成的第三层和接地平面相接。
8.根据权利要求6的部件，其中三层中的导电粒子或半导电粒子的体积百分比至少分别为30％，60％和30％。
9.一种放置在接地平面和电子线路之间的可变电压保护部件，包括：
一个与该电子线路中一个电导体直接接触的第一层可变电压保护材料，并且同中含有至少20％按体积计的导电粒子或半导电粒子的胶合物所组成；和
一个其中含有至少40％按体积计的导电粒子或半导电粒子的胶合物所组成的与第一层相接的第二层可变电压保护材料。
10.根据权利要求9的可变电压保护部件，还包括：一个其中含有至少约20％按体积计的、与第二层不同的导电粒子或半导电粒子的胶合物所组成的与第二层相接的第三层可变电压保护材料。
11.一种放在接地平面和电子线路之间的可变电压保护部件，包括：
一层净介电聚合物、玻璃或陶瓷直接与该电子线路中的一个电导体相接；
一个该层净介电聚合物、玻璃或陶瓷相接的并由其中含有至少20％按体积计的导电粒子或半导电粒子的胶合物所组成的与第一层可变电压保护材料；和
一个其中含有至少约20％按体积计的、与该第一层不同的导电粒子或半导电粒子的胶合物所组成的与第一层可变电压保护材料相接的第二层可变电压保护材料。
12.根据权利要求11的可变电压保护部件，还包括：一个其中含有至少约20％按体积计的、与第二层不同的导电粒子或半导电粒子的胶合物所组成的与第二层相接的第三层可变电压保护材料。
13.一种由以下方法所构成的可变电压保护材料：
构成由在一种轻型有机溶剂中的导电粒子和胶态绝缘粒子所组成的混合物；
混合该混合物以将胶态绝缘粒子散布在导电粒子中；
蒸发至少一部分溶剂；和
将生成的导电粒子和胶态绝缘粒子的最终混合物与一种胶合物混合以构成可变电压保护材料。
14.一种由以下方法所构成的可变电压保护材料：
形成由在一种轻型有机溶剂中的导电粒子和胶态绝缘粒子所组成的混合物；
混合该混合物以将胶态绝缘粒子散布在导电粒子中；
网筛该导电粒子和溶剂；
蒸发足够的溶剂以构成饼状物；
研磨该饼状物以构成导电粒子和胶态绝缘粒子的混合物；和
将生成的导电粒子和胶态绝缘粒子的最终混合物与一种胶合物混合以构成可变电压保护材料。
15.一种由以下方法所构成的可变电压保护材料：
形成由在一种轻型有机溶剂中的导电粒子和胶态绝缘粒子所组成的第一种混合物；
混合该第一种混合物以将胶态绝缘粒子散布在导电粒子中；
从第一种混合物中蒸发至少一部分溶剂；
构成由在一种轻型有机溶剂中的绝缘粒子和胶态绝缘粒子所组成的第二种混合物；
混合该第二种混合物以将胶态绝缘粒子散布在绝缘粒子中；从第二种混合物中蒸发至少一部分溶剂；和
将生成的导电粒子和胶态绝缘粒子的第一种混合物以及绝缘粒子和胶态绝缘粒子第二种混合物与一种胶合物混合以构成可变电压保护材料。
16.一种由胶合物的混合物、导电粒子和蒸发二氧化硅的混合物以及绝缘粒子和蒸发二氧化硅的混合物组成的可变电压保护组合物。
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