SI9600330A - Zaščitna komponenta z več funkcijami - Google Patents

Abstract

Predmet novopredloženega izuma je zaščitna komponenta z več funkcijami. Tako nova komponenta istočasno zagotavlja zaščito proti napetostnim sunkom in proti nizko in visokofrekvenčnim motnjam. Sestavljena je iz dveh diskretnih čip komponent in sicer iz večplastne ZnO polikristalične diode in večplastnega keramičnega kondenzatorja ali večplastnega samo-omejevalnega kondenzatorja in večplastnega keramičnega kondenzatorja, ki sta med seboj mehansko povezani s pomočjo neprevodnega nizkotemperaturnega stekla (frite), vzporedna električna povezava med obema čipoma pa je ustvarjena s pomočjo druge metalizacije oziroma s pomočjo skupnih zunanjih elektrod novoformiranega čipa. Novopredložena komponenta je primerna za površinsko montažo kakor tudi v ožičeni izvedbi.ŕ

Description

Opis predmeta izuma

Področje tehnike

Novopredložena komponenta sodi v področje zaščitnih elektronskih elementov, ki se uporabljajo za zaščito drugih elektronskih elementov in naprav proti napetostnim in tokovnim sunkom, ter proti visoko in nizko - frekvenčnim motnjam.

Tehnični problem

Miniaturizacija in povečanje kompleksnosti sodobnih elektronskih komponent in sistemov, kakor tudi njihova vse širša uporaba istočasno povečujejo njhovo občutljivost na elektrostatska praznjenja (ESD), napetostne presežke in sunke ter frekvenčne motnje. Omenjeni pojavi lahko onemogočijo normalno delovanja posameznih komponent, zmanjšujejo njihovo stabilnost in zanesljivost in jih lako tudi popolnoma uničijo. S tem tudi ogrožajo normalno delovanje zelo zahtevnih in dragih elektronskih sistemov. Viri teh pojavov so lahko različni. Tako je naprimer največji vir elektrostatskega praznjenja, sam človek v procesu manipulacije z elektronskimi napravami. Najbolj tipičan vir napetostnih sunkov je strela, ki inducira naboj v električnih in telekomunikacijskih vodih, ki se potem prek njih prenaša do samih elektronskih elementov. In ne na zadnje, nekateri sami elektronski elementi posebej elektromehanski (elektromotoiji, releji,...) sami inducirajo motnje različnih frekvenc in jih pošiljajo v najbliže okolje.

To po eni strani pomeni, daje posamične elektronske komponenta in sestavne dele potrebno zaščititi s posebnimi komponentami, ki takšno zaščito zagotavljajo. Po drugi strani to pomeni, da je potrebno preprečiti šiijenje motenj oziroma, da ih je potrebno ustaviti že pri samem viru.

Za zaščito proti ESD in napetostnim sunkom je možno uporabiti samo komponente, ki imajo naslednje lastnosti: nelinearno I-U karakteristiko, kratak odzivni čas in sposobnost absorbiranja večjih količin energije. Takšne karakteristike imajo elementi kot so: Zener diode, večplastne ZnO polikristalične diode (Varicon), varistoiji, kondenzatoiji z varistorsko karakteristiko ali z samoomejevalnim prebojem.

Najenostavnejši elementi za zaščito proti frekvenčnim motnjam so kondenzatorji s kapacitivnostjo do 100 nF v primeru visokih frekvenc in s kapacitivnostjo do 2000 nF v primeru nizkih ali radiofrekvenc.

Iz navedenega je jasno, da mora komponenta, ki istočasno ščiti proti vsem naštetim nezaželjenim pojavom, imeti tudi vse potrebne lasnosti: nelinearno I-U karakteristiko, kratak odzivni čas, sposobnost absorbiranja večjih količin energije, ter nastavljivo kapacitivnost v območju od 10 2000 nF. Poleg tega mora biti manjša od vseh dosedanjih rešitev in mora kakor varianto ponujati možnost površinske montaže z ožičenimi priključki.

Prav takšne lastnosti ima zaščitna komponenta z več funkcijami, kije predmet novopredloženega izuma.

Stanje tehnike

Poleg najdražje rešitve oz. uporabe dveh diskretnih elementov v vzporedni električni povezavi kot so naprimer kombinacije Zener dioda - kondenzator ali varistor - kondenzator obstajajo še nekatere sodobnejše rešitve. Ena od takšnih je kondenzator z varistorskimi karakteristikami, kot je opisano v EP-418-394-A. Omenjeni kondenzatorje narejen na osnovi stroncij evega titanata SrTiO3, ki zagotavlja visoko vrednost dielektrične konstante (ε > 20000). Njegova izdelava v večplastni tehnologiji mu zagotavlja širok obseg kapacitivnosti (10 - 2000 nF) pri relativno majhnih dimenzijah. Vendar je njegova slaba stran, slaba varistorska karakteristika,oziroma majhna vrednost koeficienta nelineamosti, mehko koleno in s tem tudi velik tok puščanja, velika vrednost temperaturnega koeficienta prebojne napetosti, ter zelo ozko področje delovne napetosti. Poleg tega so, sami materijah iz katerih je narejen pa tudi tehnologija izdelave, zelo dragi. V patentu US 5,146,200 je prikazana hibridna povezava večplastnega čip varistorja in večplastnega čip kondenzatorja. Z lepljenjem je ustvaijena njihova fizična povezava dočem je vzporedna električna povezava ustvaijena s pomočjo spajke.

Komponenti kot sta samo-omejevalni večplastni kondenzator prikazan v USA Pat. 4,729,058 in večplastna ZnO polikristalična dioda (Varicon dioda) imata zelo nelinearno I-U karakteristiko in visoko lastno kapacitivnost, ki v obsegu realnih dimenzij lahko doseže vrednost do 100 nF. S tem omenjeni komponenti zagotavljata zaščito proti ESD in napetostnim sunkom in učinkovito filtrirata visokofrekvenčne motenje, ne pa tudi nizkofrekvenčnih.

Opis rešitve tehničnega problema

Novopredložena zaščitna komponenta s več funkcijami sloni na naslednjih dejstvih :

- da imata samo-omejevalni večplastni kondenzator in Varicon dioda takšne lastnosti, da zagotavljata odlično zaščito proti ESD in napetostnim sunkom v napetostnem območju od 4-150 V.

- da imajo sodobni komercijalni čip kondenzatorji zelo visoke kapacitivnosti pri majnih dimenzijah.

- da imajo ene in druge komponente podobno obliko in podobne dimenzije.

Novopredloženi izum dokazuje daje s pomočjo nizkotemperatumega pečenja možno iz dveh diskretnih elementov ustvarit monolitni element, ki ohranja vse funkcije obeh diskretnih elementov brez sprememb in ki sta v novem elementu medseboj električno vzporedno povezana. Pri izdelavi nove komponente kot je že rečeno uporabljamo dve diskretni komponenti. Ena od teh mora zagotavljat dobro zaščito proti elektrostatskemu praznjenju in proti napetostnim sunkom. V ta namen se lahko uporabita samo-omejevalni kondenzator ali Varicon dioda, od katerih imata obe odlične lastnosti zaščitne komponente.

Druga komponenta samo dopolnjuje že visoko lastno kapacitivnost Varicon diode ali samoomejevalnega kondenzatorja do željene vrednosti, kije potrebna za uspešno zaščito proti visoko ali nizkofrekvenčnim motnjam. V ta namen je najprimernejša uporaba večplastnega keramičnega kondenzatoqa. Poleg tega, da zelo enostavno zagotavlja dosego željenih kapacitivnosti, celo do 2000 nF se keramični kondenzator izdeluje v podobni obliki in v podobnih dimenzijah kakor Varicon dioda ali samo-omejevalni konenzator.

Oba elementa, kijih povezujemo morata imet enaki planami dimenziji (dolžino in širino) pa tudi nihovi največji strani morata biti ravni.

Na Sliki 1. sta ločeno prikazana čip Varicon dioda (1) in čip kondenzator (2). Kot se na Sliki 1. vidi imata obe komponenti enako obliko, enaki planami dimenziji in na svojih manjših straneh že formirane srebrne zunajne elektrode (3) in (4), ki omogočajo električno preveijanje obeh posamičnih komponent. Fizično povezovanje čipov se izvaja tako, da se na samo eno največjo površino Varicon diode ali kondenzatoija nanese tenka plast suspenzije in to tako, da pokrije celotno površino čipa med obema elektrodama (5). Suspenz je sestavljen iz prahu nizkotemperatumega visokoodpomega stekla (frite), ki ima temperaturo glazifikacije med 500 in 800 °C, ter veziva in topila, ki omogočata da se steklo (frita) na površino čipa lahko nanaša s pomočjo sitotiska, čopiča ali kako drugače. Debelina nanosa suspenza je med 10 in 500 pm. Takoj po nanosu se drugi, nenamazani čip s svojo največjo stranjo postavi na namazano stran prvega tako da so vsi robovi poravnani in da njihovi zunanji elektrodi (3) in (4) sovpadata in ležita ena na drugi na obeh straneh čipov, kot je prikazano na Sliki 2. Oba čipa z vmestno plastjo stekla tvorita sendvič strukturo. Tako postavljeni čipi se potem pečejo na temperaturi med 500 in 800 °C. Pri nižjih temperaturah topilo in vezivo izhlapijta tako, da med čipoma (1) in (2) ostane samo steklo. Pri določeni temperaturi steklo postane tekoče in takrat difundira v telo ene in druge komponente. Na glubino difundiranja stekla se da vplivati preko parametrov glazifikacije (temperature in časa) preko katerih je potrebno zagotoviti, da steklo ne difundira do globine notranjih elektrod. V določenem temperaturnem obsegu se steklo spremeni v tenko amorfno plast, ki ima po ohlajanju zelo dobre mehanske, toplotne in izolatorske lastnosti. Zarad difuzije v telesa obeh čipov je steklena plast mehansko zelo dobro povezana z obema čipoma. Na tak način je s pomočjo steklene plasti ustvaijena odlična mehanska povezava med obema čipoma pri čemer na medpovršini dotika dveh čipov ni več nobene poroznosti. Zaradi tega lahko rečemo da je s pomočjo stekla iz dveh diskretnih elementov ustvatjen en monolitni element, kije sestavljen iz dveh diskretnih.

Ne glede na to, da sta zunajni elektrodi obeh čipov v fizičnem stiku, še ne moremo trditi, da med njimi obstaja zanesljiva električna povezava. Zaradi tega se tako formiran sestav- monolit ponovno metalizira s pomočjo Ag ali AgPd paste in to tako, da se obe manjši strani, do določene globine potopita v Ag ali AgPd pasto. S tem sta ustvaijem neprekinjeni zunajni elektrodi nove komponente (6), ki sta na notranji strani istočasno v stiku z obema zunajnima elektrodama obeh čipov. Ko se ta pasta zapeče na temperaturi med 550 in 850 °C je ustvarjen zanesljiv električni kontakt oziroma vzporedna električna povezava med Varicon diodo in keramičnim kondenzatorjem.

V primeru, ko se kot druga elektrodna pasta uporabi AgPd pasta, je novoformirani čip, oz. zaščitna komponenta z več funkcijami, primerna za površinsko montažo.

V primeru, da želimo ustvariti ožičeno komponento se za drugo metalizacijo lahko uporabi Ag pasta. Tako formirana komponenta se vtakne med žične priključke, ki se metalurško in električno z zunajnima elektrodama dokončno povežejo v postopku spajkanja. Z dodatnim zalivanjem v epoksidne smole dobimo standardno obliko ožičene komponente.

Primer

Z uporabo samo-omejevalnih kondenzatoijev in Varicon diod na eni strani in večplastnih keramičnih kondenzatoijev na drugi, je na opisani način je izdelano več različnih zaščitnih komponent z več funkcijami. Del rezultatov prikazuje Tabela 1.

Tabela 1

Dimenzija čipov	Un	a	Imax (8/20 ps)	C(lkHz)
(mm)	(V)	l-10mA	(A)	(nF)
	4	32	50	33
32x2.5	15	29	100	33
	22	28	250	47
	27	28	500	1000
5.7 x 5.0	27	27	1000	680
	33	35	2000	470
	33	35	2000	1500

Oznake v tabeli pomenijo :

Un - Prebojna napetost 1 mA a - Koeficient nelineamosti

Imax - Največji impulzni tok, ki ga komponenta lahko zdrži brez posledic C - Kapacitivnost

Claims (8)

1. Patentni zahtevki

   1. Zaščitna komponenta z več funkcijami, značilna po tem, da istočasno zagotavlja zaščito proti napetostnim sunkom in frekvenčnim motnjam, pri čemer je sestavljena iz dveh čip komponent kot sta večplastna ZnO polikristalična dioda in večplastni keramični kondenzator ali večplastni samo-omejevalni kondenzator in večplastni keramični kondenzator, ki sta med seboj mehansko povezani s pomočjo tanke plasti neprevodnega stekla kjer je vzporedna električna povezava med obema čipoma ustvaijena s pomočjo druge metalizacije oziroma s pomočjo skupnih zunajnih elektrod novoformiranega čipa.
2. 2. Zaščitna komponenta z več funkcijami po zahtevku 1, sestavljena iz dveh različnih čip komponent, značilna po tem, da imata oba čipa enako obliko in enake planame dimenzije in da ležita drug na drugem tako, da jim zunajni elektrodi sovpadata in se medeboj dotikata, pri čemer se med njihovimi največjimi stranmi dotika nahaja tenka plast stekla, ki v postopku glazifikacije difundira v telo enega in drugega čipa in s tem ustvaija mehansko povezavo med obema čipoma.
3. 3. Zaščitna komponenta z več funkcijami po zahtevku 1, značilna po tem, da se vzporedna električna povezava med obema mehansko povezanima čipoma ustvaija z nanosom in žganjem skupnih Ag ali AgPd zunajnih elektrod novoformiranega čipa.
4. 4. Zaščitna komponenta z več funkcijami po zahtevku 1, značilna po tem, daje narejena s pomočjo postopka, kije sestavljen iz naslednjih pomembnih procesnih korakov:

   a) Nanos suspenzije visokoodpomega nizkotemperatumega stekla (frite) na največjo površino ene izmed komponent

   b) Formiranje sendvič strukture in poravnava čipov

   c) Nizkotemperatumo pečenje v temperaturnem območju med 500 in 850 °C

   d) Formiranje zunajnih elektrod s pomočjo Ag ali AgPd paste in žganje
5. 5. Postopek po zahtevku 4, značilen po tem, da se 10 - 500 pm debela plast visokoodpome nizkotemperatume steklene fiite, ki je v obliki suspenzije nanese na samo eno večjo površino samo enega od čipov v paru, s pomočjo sitotiska, čopiča ali kako drugače in to tako, da pokrije celo površino čipa med obema zunajnima elektrodama.
6. 6. Postopek po zahtevku 4, značilen po tem, da se drugi čip naloži na namazanega tako, da se ustvari sendvič, pri čemer plast stekla leži med njima in tako, da so vsi njuni robovi medseboj poravnani in da jima po dve zunajni elektrodi sovpadata in se med seboj dotikata.
7. 7. Postopek po zahtevku 4, značilen po tem, da se ustvarjeni sendvič, kije sestavljen iz dveh čipov in tenke plasti stekla med njima, po odstranjevanju topil in veziva iz nanesene plasti, peče na temperaturi, ki leži v temperaturnem območju med 500 in 850 °C.
8. 8. Postopek po zahtevku 4, značilen po tem, da jesnovoformirani monolitni Čip, kije sestavljen iz dveh elementov, po obeh manjših straneh metalizira z Ag ali AgPd pasto tako, da se ustvarijo skupne zunajne elektrode novega čipa, ki v postopku žganja metalizacije v temperaturnem območju med 550 in 850 °C zagotavljajo vzporedno električno povezavo med obema čipoma, gradbenikoma novega čipa.

   za

   Zoran Živič Medvode, Sl

   Zastopnik: Janka Pučni

   IZVLEČEK

   Predmet novopredloženega izuma je zaščitna komponenta z večimimi funkcijami. Tako nova komponenta istočasno zagotavlja zaščito proti napetostnim sunkom in proti nizko in visokofrekvenčnim motnjam.

   Sestavljena je iz dveh diskretnih čip komponent in sicer iz večplastne ZnO polikristalična diode in večplastnega keramičnega kondenzatoija ali večplastnega samo-omejevalnega kondenzatoija in večplastnega keramičnega kondenzatoija, ki sta med seboj mehansko povezani s pomočjo neprevodnega nizkotemperatumega stekla (frite), vzporedna električna povezava med obema čipoma pa je ustvaijena s pomočjo druge metalizacije oziroma s pomočjo skupnih zunajnih elektrod novoformiranega čipa.

   Novopredložena komponenta je primerna za površinsko montažo kakor tudi v ožičeni izvedbi.