CN210535433U - 抗工频灭弧封装压敏电阻器 - Google Patents

Abstract

一种抗工频灭弧封装压敏电阻器，是在压敏芯片外用绝缘塑胶和防弧材料混合对压敏芯片进行封装；或者在压敏芯片外先包封绝缘敷形层然后再包封绝缘塑胶与防弧混合材料；或者在上述封装完成后再在其外包封一层固沙保护层。防弧材料首选石英砂或硅烷化石英，绝缘材料首选环氧树脂、硅酮树脂、硅树脂、硅橡胶。通过固定石英砂位置利用石英砂软化温度低于氧化锌压敏器件熔点的特点，在压敏芯片劣化过程中首先熔融的SiO2能对压敏器件进行修复、阻断其劣化过程的发生。本技术封装的压敏器件的工频耐受性、抗拉弧和抗浪涌冲击能力都有很大的提高，同时制造成本也有一定的下降。

Description

抗工频灭弧封装压敏电阻器

技术领域

本实用新型涉及电子器件技术领域，特别涉及具有高灭弧性能的压敏电阻的结构及封装方法。

背景技术

压敏电阻由于其出色的浪涌脉冲响应时间及强大的电流通过能力被广泛应用于各种电路的浪涌保护电路中。但是，他有一个致命的弱点，那就是在持续工频电压的作用下，会有持续的漏电流产生，并持续地破坏压敏的内在结构，使得漏电流通道阻抗逐渐变小，漏电流扩大。随着压敏器件性能的退化或工频电压的波动，最后导致压敏晶体局部熔穿甚至发生拉弧，电弧使周围的空气、水分、环氧等介质被电离，形成明火，导致烧机甚至火灾。通常弧外温度为1500～1600℃，弧内温度则高达2500～3500℃。

严重的是，与金属性短路不同，是这种燃烧的形成并不需要太大的漏电流，只要达到mA级就可能发生；所以，其他的过流防护电路，比如保险丝、空气开关等均不会产生保护动作，因此较难防护，十分危险。

金属性短路发生时，大电流通过较大的接触电阻，形成高温可使金属熔化。熔化后的金属，在表面张力的作用下，会收缩成球形，使电路中断。金属性短路虽然起火危险大，但只要按规范要求安装短路防护电器并保持其防护的有效性，这种短路火灾是不难避免的。但压敏工频失效并不会产生这种自动断开的动作。

压敏电阻的另外两种失效模式有：短波大电流冲击下的炸裂和爬电拉弧(也称为侧闪)造成的短路。炸裂一般发生在50us以内的短波冲击下，当浪涌能量远远高出压敏的吸收功率时，会发生炸裂现象。而穿孔失效模式则主要发生在脉冲宽度大于100us的电流的作用下。爬电模式导致的失效则在两种情况下都可能发生。

如果导体间施加不大于300V的电压，那么不论导体间空气间隙多小，间隙是不会击穿燃弧的。如果空气间隙为10mm，则需施加3kV 的电压才能击穿燃弧。维持这10mm的电弧只需要20V的电压。电弧的局部温度甚高，会引燃近旁的可燃物，成为火灾的起源。电气线路的短路火灾大多是电弧性短路而非金属性短路引起。

SPD防雷器件中，为防止压敏芯片承受长期工频电压的造成工频漏电流逐渐增大乃至发生火灾的影响，特地制作了一种脱扣结构，芯片本体由于漏电流过大温度升高到一定值时，便会自动脱扣，使芯片与被保护电路脱离，切断压敏芯片的电流，防止灾害的发生。但是这种方式有三个缺陷；第一、脱扣机构未必能及时脱扣；二、很可能脱扣机构在器件焊接到PCB版上时由于焊接温度较高，就已经发生脱扣，从而失去保护作用，给被保护电路系统带来隐患。第三、脱扣以后，压敏器件失去作用，被保护电路系统处于雷击损坏的威胁之下， SPD就完全失去了保护作用。若不能及时发现，危害十分巨大。这种设计是一种十分无奈的设计。

因此，提高压敏电阻工频耐受能力，使之阻燃并具有灭弧能力就非常重要。从上述机理可见，这些能力是与压敏的封装有关的。

压敏电阻的封装目前主要有两种方式，一是环氧树脂包封，如现在大多数的插件压敏电阻。二是在压敏电环氧树脂包封层外再在外面包裹石英砂来阻断电弧的形成，最后再用一个外壳来包裹石英砂。

塑封材料的改进已使塑封器件的性能有很大改善，但由于一些本质的特性，仍存在一些可靠性问题。

第一是温度适应性问题：塑封材料玻璃化转换温度为130～160℃，由于芯片、引线、树脂各自的膨胀系数不同，树脂模注后会产生内应力。这种应力作用下，包装之下或引线之间易产生裂纹。

第二是潮气入侵问题：由于塑封材料固有的吸湿性以及环氧成型材料的吸附性，塑封件会吸附水汽和一些离子，从而导致大量的与腐蚀相关的失效。在塑封材料吸收了水汽的情况下进行焊接，因为突然受热使水汽快速膨胀，会对器件造成损伤甚至爆裂。湿度引起的封装损伤(如内部分层和再流焊开裂)会导致一系列可靠性问题。

第三是塑封导致的分层：这与上述两个因素直接相关，表现为模压材料和器件各部件之间的分层。进而导致键合退化、芯片和钝化层开裂甚至出现金属化台阶退化。

比较常见的有温变分层和爆米花效应。尤其后者，易发生在器件焊接过程中。红外回流焊(235～240℃)、气相回流焊(215+5℃)、波峰焊(260+5℃)，当温度超过塑封材料的玻璃化转换温度时，塑封材料变软，如果器件内部有较多的水分，水汽会在短时间被膨胀、爆裂，发生爆米花现象。

同一厂家、同批次同规格芯片在不同包封层的处理下，表现差异很大。

环氧材料具有优良的电绝缘性、耐热性、耐化学药品性，力学性能和低吸潮性好，易固化、好加工被广泛的应用到电子元器件和集成电路的封装中。表1是常见环氧种类。

表1常见环氧种类

品种	环氧树脂	特点
			1	酚醛型-ECN	固化成型 耐热性好 低吸潮性流动性差 填充性能差
2	联苯型-biphenyl	熔点高105℃
			3	二茂铁型-DCPD	桥接密度为ECN 1/4
4	萘型-BEBN	″骨架″型的高粘合力

表2各种树脂体系的抗湿能力-应力比较

提高环氧树脂的耐热性和降低吸湿性是一对结构性矛盾。因为要提高环氧封装材料的耐热程度，一般要提高封装材料的交联度；但同时封装材料中的自由体积也因此而增加，从而导致吸湿性也提高了。这就需要在二者之间找到最佳平衡使得环氧封装材料即具有高耐热性也具有低吸湿性，当然这个方法的作用是有限的。

第二种封装方式的主要目的是用石英砂阻断电弧的产生，防止电弧引起火灾。但是由于石英砂中有空隙存在，里面会存有少量的空气和水。因此，局部高温会导致气体膨胀，进而引起壳体破裂或使石英砂吹离，破坏石英砂阻断电弧的能力；另外，这些空气和水分还会产生两个作用，一是能够提供一部分内部燃烧所需的氧气，二是在熔化穿孔拉弧和爬电拉弧时存在电离的可能，所以它的阻燃效果是有不足的。因此，这种封装方式的效果也是有限的。

MOV芯片封装对于封装材料的要求多种多样，大致可以归纳为“五高五低”列表如下：

一个优秀的封装方案，这些基本要求之上，还要有自保护作用。也就是在发生压敏性能劣化时，表面封装层能够有自动修补缺陷、阻止劣化的作用。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对以上现有技术的不足，设计一种结构简单、可有效的防止压敏电阻内部发生燃烧和拉弧现象的抗工频灭弧的压敏电阻器及封装方法。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现，一种抗工频灭弧封装压敏电阻器，包括压敏芯片本体1、引脚2及保护外壳层3，其保护外壳层3为防弧材料石英砂与可塑绝缘材料混合而成；石英砂间的空隙被可塑绝缘材料填满、空气和水分被挤出,石英砂的位置被固定。

所述抗工频灭弧封装压敏电阻器，其压敏芯片本体1与保护外壳层3之间设有一层首选材料为硅酮树脂或环氧树脂的绝缘敷形涂层4。

所述的抗工频灭弧封装压敏电阻器，其保护外壳层3的外部设有一层保护层5。

所述的抗工频灭弧封装压敏电阻器，其抗工频灭弧封装压敏电阻器，其防弧材料石英砂的软化温度或熔化温度低于被包裹的压敏材料的熔点。

本实用新型的技术进步在于，所设计的抗工频灭弧封装压敏电阻器结构简单、可有效的防止压敏电阻内部发生燃烧和拉弧现象。

附图说明

图1为本实用新型的圆柱形结构的透视示意图；

图2为本实用新型的长方体形结构的透视示意图；

图3为本实用新型内有绝缘敷形涂层的长方体形结构的透视示意图；

图4为本实用新型外有固沙层的长方体形结构的透视示意图；

图5为普通压敏工频耐受温度变化曲线示意图；

图6为本实用新型封装工频耐受温度变化曲线示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4所示，一种抗工频灭弧封装压敏电阻器，包括压敏芯片本体1、引脚2及保护外壳层3，其所述保护外壳层3为防弧材料与可塑绝缘材料混合而成。

所述防弧材料为半金属和金属氧化物、金属氢氧化物、半金属和金属氮化物、半金属和金属碳化物、金属碳酸盐、金属硫酸盐、磨碎的矿物。其中半金属和金属氧化物为：SiO、Al2O3。金属氢氧化物为： Mg(OH)2、Al(OH)3。半金属和金属氮化物为：淡化硅、氮化硼、氮化铝。半金属和金属碳化物为：SiC、碳化硼。金属碳酸盐为：CaCO3、白云石。金属硫酸盐为：石膏、重晶石。磨碎的矿物为：水菱镁石、滑石、高岭土、云母。

首选的防弧材料为：石英砂、硅烷化石英砂、氮化硅、碳化硅、三氧化二铝、氧化钛。

本实用新型给出的这种结构，将芯片的外围用石英砂和环氧树脂或硅树脂或硅橡胶的混合材料组成的保护外壳层3包封起来，这样就可以挤出石英砂空隙间的空气和水分，防止了内部空气和水电离发生燃烧和拉弧的可能。同时，这种混合材料使用后，石英砂的位置被固定，当熔化发生时，就不会由于气体的膨胀及金属的气化而被吹离高温点。由于石英砂的软化点(1500～1720℃)低于ZnO的熔点(1975℃)，所以温度过高时，石英砂会首先熔化吸收大量的热量，阻止压敏芯片本体1的熔化和拉弧的产生，有助于阻止明火的发生。对于爬电现象，石英砂也会一方面阻断拉弧的产生。一方面，温度过高时，爬电通路上的石英砂会首先熔化，进而流动覆盖到爬电通路上，使电流中断。当然，由于包裹层里没有气体，所以也不会出现由于气体过热发生膨胀引起炸裂的现象。适当加入其他混合物(如安米微纳的低温玻璃粉 D250，熔融温度450℃)，可以使其的熔点更低。石英砂的另外一个作用是，熔融后可渗入压敏本体，在其晶界上产生SiO2膜，起到阻止各种杂质的扩散的掩膜作用，降低芯片的漏电流，使其电性能的稳定性大大提高。

与集成电路封装不同的是，压敏器件的封装不仅仅考虑焊接开裂，更要注重封装的阻燃能力。

本实用新型中，绝缘层4的选择条件为：

·高纯度----与芯片直接接触；

·低吸水率；

·低气体渗透性；

·良好的热性能---良好的热导率和热膨胀系数；合适的使用温度 (-50～150℃)；

·高绝缘度---介电强度大于250V/mil；

·高机械强度；

·高抗化学腐蚀性；

·优良的使用性能；

·无毒性、无污染、UL认证。

在通常情况下，可选以下几类材料作为绝缘敷形涂层4：

硅酮树脂、聚对二亚甲苯(聚对二甲苯)、氮化硅、丙烯酸、聚氨基甲酸乙酯、环氧树脂。

绝缘敷形涂层4要求安全、易使用、无污染、不会在元器件上产生大的收缩和应力、能阻止水分和化学污染、足够绝缘强度、在预期温度下不产生裂纹。难得有一种材料满足上述所有要求，为此，内绝缘敷形涂层也可以采用多层结构加以实现。敷形涂层中能与电子器件紧密接触的首选是硅酮树脂。本实用新型中要求绝缘敷形涂4层与压敏芯片1及其引脚2紧密接触，并保证无其他材料直接与1、2相接。

在本实用新型中使用SiO2来起填充、防弧、熔化吸热、钝化、掩膜的作用，再加上SiO2良好的导热性(热导率：10W/m.K),可以很好地起到降温、灭弧、阻燃的作用。

如图5所示，在工频耐受对比实验中，普通环氧封装压敏电阻14D681在开始升压8分钟后温度开始快速上升，再经过4分钟后，本体温度达到646℃，烧毁，引脚温度达到51～54℃。而本实用新型封装的压敏电阻，如图6所示，在开始升压11分钟后温度才开始快速上升，再经过3分钟后，本体温度只达到363℃，温度上升曲线较为平缓，无急速跳变，冒烟不燃，引脚温度达到45℃；工频耐受能力明显增强。最高实验中温升速率，普通封装压敏要比本实用新型的一体化封装压敏快74倍；可见，本实用新型中封装材料阻止压敏本体劣化的能力发挥了很大作用。

在8/20us、5KA、预存4.2KV的冲击耐受对比实验中，普通环氧封装14D681K压敏在冲击9次以后，本体炸裂；而采用本实用新型一体化封装的压敏，在冲击16次以后，仅压敏电压下降约10％，外观正常。可见其抗浪涌冲击能力也明显增强(表4)。

表4普通环氧压敏与一体化封装压敏抗冲击对比实验

在灼热丝实验中，本实用新型样品耐受温度达到900℃以上，而普通带壳压敏耐受温度在750℃左右，并发生燃烧。鉴于设备能力，本实用新型封装压敏未能继续升温测试。实验完成后，普通封装压敏外壳已经烧毁，本实用新型封装压敏外表只有一块烧灼疤痕，烟都没冒。

由于混合材料的特性，它可以自成一个有效的封装体，所以这种封装不需要专门的外壳，可以降低封装成本和组装工艺的难度。

适当选择可塑绝缘阻热材料的填充料(如：低温玻璃粉)，还可以增强混合材料的延展性，从而保持包封层和芯片本体的紧密结合，减少热应力，防止包封的开裂。

本实用新型最优防弧材料的软化温度要求低于压敏材料的熔点，可以在压敏发生融穿之前启动修补、阻断劣化的作用。本实用新型的最优选择为石英砂。

本实用新型的防弧材料选择两种以上不同目数的颗粒料按一定比例配比。大颗粒材料有助于增加材料的导热能力和降低成本，小颗粒材料有助于改善灌封料的流动性和防弧材料的致密性。本实用新型中其防弧材料石英砂可由不同目数的石英砂混合而成，其目数为60—70 的石英砂与目数为300—330的石英砂的重量配比为，目数为60—70 的石英砂为30---70％，其余为300—330的石英砂；最佳配比为，目数为60—70的石英砂与目数为300—330的石英砂按照1:1的比例配置。

本实用新型的重要性在于，在SPD压敏器件中，由于导热性提高， SPD的耐热性得到提高；在工频过电压的作用下，用本实用新型封装压敏，即使发生较大工频漏电流，也可以自动修补缺陷；即使缺陷修补作用有限，也能忍受较大的工频漏电流并尽快的散热；即使工频漏电流引起发热，也不会引起燃烧和拉弧。

实施例1、一种抗工频灭弧封装压敏电阻器及封装方法，其结构是压敏芯片本体1外包裹的保护外壳层3的成分比例是：石英砂:环氧树脂为3:1。

实施例2、一种抗工频灭弧封装压敏电阻器及封装方法，其结构是压敏芯片本体1外包裹的保护外壳层3的成分比例是：石英砂:硅树脂为3:0.5。

实施例3、一种抗工频灭弧封装压敏电阻器及封装方法，其结构是压敏芯片本体1外包裹的保护外壳层3的成分比是：石英砂:硅橡胶为3:1.5。

实施例4、一种抗工频灭弧封装压敏电阻器及封装方法，其结构是压敏芯片本体1外包裹有保护外壳层3，在保护外壳层3外，包裹有一层固沙保护层5为水玻璃，防止砂粒的脱落。

实施例5、如图3所示，一种抗工频灭弧封装压敏电阻器及封装方法，其结构是压敏芯片本1外设有一层绝缘层4为硅酮树酯；在绝缘层外有石英砂和环氧树脂混合的保护外壳层3。

实施例6、如图4所示，一种抗工频灭弧封装压敏电阻器及封装方法，其结构是压敏芯片本1外设有一层绝缘层4为环氧树脂，在绝缘层外有石英砂和环氧混合而成的保护外壳层3，石英砂和环氧的比例为3:1。在保护外壳层3外设有清漆固沙保护层5。

Claims (4)

1.一种抗工频灭弧封装压敏电阻器，包括压敏芯片本体(1)、引脚(2)及保护外壳层(3)，其特征在于，保护外壳层(3)为防弧材料石英砂与可塑绝缘材料混合而成；石英砂间的空隙被可塑绝缘材料填满、空气和水分被挤出,石英砂的位置被固定。

2.根据权利要求1所述抗工频灭弧封装压敏电阻器，其特征在于，所述压敏芯片本体(1)与保护外壳层(3)之间设有一层首选材料为硅酮树脂或环氧树脂的绝缘敷形涂层(4)。

3.根据权利要求1所述的抗工频灭弧封装压敏电阻器，其特征在于，在所述保护外壳层(3)的外部设有一层保护层(5)。

4.根据权利要求1所述的抗工频灭弧封装压敏电阻器，其特征在于，所述的抗工频灭弧封装压敏电阻器，其防弧材料石英砂的软化温度或熔化温度低于被包裹的压敏材料的熔点。

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