TWI446519B - Manufacturing method of electrostatic discharge protection element with low capacitance - Google Patents

Description

具低容值之靜電放電保護元件製造方法

本發明係提供一種具低容值之靜電放電保護元件製造方法，尤指基板上設有下電極後並設有覆蓋至下電極上表面之金屬膜，且對金屬膜作化成處理成障壁絕緣層，再覆蓋有位於障壁絕緣層上表面並與下電極呈上下層疊之上電極，藉此降低電容值及觸發電壓。

按，隨著電子科技及技術的不斷精進，越來越多的電子產品出現在人們的生活周遭，由於電子產品具有使用方便、娛樂及各式各樣的協助功能，便受到人們廣泛的運用，但隨之也產生了許多使用上的問題，如靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)，由於ESD會損壞電子產品，廠商在製造時便需在電路設計時對ESD保護進行考慮及佈署，一般ESD分為三種類型，第一種為各種機器所引起的ESD，第二種為傢俱移動或設備移動引起的ESD，第三種為人體接觸所引起的ESD，電子產品在使用時最容易受到第三種ESD的損壞，不僅會損壞連接介面之構件，更可能損壞積體電路(IC)。

隨著電子產品的體積持續縮小，內部構件的密度便不斷的提高，ESD的問題也越來越嚴重，ESD暫態電壓是快速變化的，當暫態電壓升高到一定程度，達到ESD保護元件的箝位電壓時，ESD保護元件將對暫態電壓進行抑制，使之變得「平坦」起來，此時暫態電壓值等于抑制器的箝位電壓，以消除高暫態電壓對後面的IC或者是收發器的影响，達到保護電路的目的，暫態电流通過後，ESD保護元件自動復位到正常的高阻狀態，ESD保護元件通常置於連接器以及輸出入電路收發器之間，大半的電荷會經由ESD保護元件流經接地，因而可降低靜電來防止瞬間的大量電荷流入大型積體電路造成破壞。

但傳統ESD保護元件因靜電容值高，對於高速的高頻訊號傳輸有衰減作用。因此會引起傳輸路線整合性不佳，使得高頻訊號傳輸過程中產生資料訊息流失或失真，是以，許多廠商便紛紛針對此一問題提出改良，傳統的作法是使用變阻器(Varistor)或是齊納二極體(Zener Diode)的元件，但上述元件之結構無法兼具靜電容量與高ESD耐性要求，因此低容值ESD的關鍵技術係在於，如何利用低容值電壓敏感材料VVM(Voltage Variable Material)配合形成二電極間微小間隙(10μm～100μm)的製程，現今ESD保護元件主要有三種製程。

第一種製程為利用高分子聚合物、導電粒子、半導體粒子及絕緣粒子混合成有機電壓敏感材料VVM材料，但絕緣材料隔絕導體或半導體粉末時，易發生導體粉末聚集在一起之情形而產生短路，且隔絕導體或半導體之絕緣層厚度太薄時易造成短路，而厚度稍厚時又會提高崩潰電壓造成產品電性特性穩定性不佳，一般VVM材料為利用蝕刻、雷射或機械切割的方法在電路板(PCB)製程內，由銅箔上雕刻出電極圖狀和兩電極間的間隙，再將電壓敏感材料VVM材料填入間隙，或是使用氧化鋁基板，並利用厚膜製程以及使用鑽石切割機(Dicing Saw)切割間隙，但不論是蝕刻、雷射或鑽石切割都是通過間隙的寬度來控制靜電放電的觸發電壓，其線路形狀會產生有毛邊或突出物，不僅導致耐壓的穩定性降低，且無法將電極間隙製作的非常細小的，以此種方式製作的元件雖然可以獲得低電容值特性，但其觸發電壓(Trigger Voltage)、箝制電壓(Clamping Voltage)卻都太高，導致保護效果差。

第二種製程為利用導電粒子、半導體粒子、絕緣粒子、玻璃粉及粘結劑混合成無機電壓敏感材料VVM，且利用調整金屬導體粉末用量及粒徑尺寸之方式，來控制、改變非導體表面上均勻附著的金屬導體粉末之間的距離，且此種材料一般採用厚膜製程來印刷上下疊層狀之放電電極，並在二電極間設置無機電壓敏感材料VVM材料層，或將無機電壓敏感材料VVM燒結形成多孔結構，由於中間的無機電壓敏感材料VVM以厚膜網印時不易控制將厚度變小，且多孔結構之孔徑大小及比率也不易控制，因此不僅無法獲得低觸發電壓、箝制電壓電性，且ESD保護之效果也較差，同時電性的穩定性也不佳。

第三種製程為在二放電電極間形成中空微孔氣室，當有過電壓時，會在兩電極間產生空氣放電(Air Discharge)，將過多的電壓導走，間距越小越容易放電且觸發電壓就越小，然而，當電極間有其他物質存在或使用環境溼度發生變化時，放電就會不穩定，且電極形狀做的不好時耦合能力也會減弱，此外，又因空氣介質之觸發電壓高，讓上述空氣放電的保護元件雖然可具有較低電容值，但因製程問題使其觸發電壓、箝制電壓卻都太高，導致其保護元件具有保護效果及穩定性差之缺失。

上述習用之ESD保護元件在製程及使用上，因具有諸多問題與缺失，此即為本發明人與從事此行業者所亟欲改善之目標所在。

故，發明人有鑑於上述缺失，乃蒐集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種具低容值之靜電放電保護元件製造方法的發明專利者。

本發明之主要目的乃在於，該基板上設有下電極後，於基板上設有覆蓋至下電極上表面之金屬膜，且金屬膜進行化成處理成障壁絕緣層後，再設有覆蓋至障壁絕緣層上表面並與下電極呈上下層疊之上電極，由於製造步驟少，而可達到降低製造成本及增加產量之目的，更因容易控制障壁絕緣層之厚度，以利用厚度薄之障壁絕緣層來達到降低電容值及觸發電壓之目的。

本發明之次要目的乃在於，該金屬膜可持續化成處理，讓障壁絕緣層上再形成複數六角體緊鄰之多孔層，且使各六角體內形成孔洞，由於金屬膜在進行化成處理形成多孔層時，可調整處理時間長短、電壓大小及電解質之種類，藉此得到不同厚度之六角體及不同孔徑大小、深度之孔洞，便可調整觸發電壓及箝制電壓，且透過孔洞內空氣介質不易擊穿之特性，便可在觸發電壓過低造成漏電流過大或電容值太高時，增高觸發電壓以降低漏電流及電容值，且若觸發電壓增高後過大時，則可進一步在孔洞側壁電鍍導電層來降低觸發電壓，透過上述製程中各步驟或條件之改變，便可調整元件的觸發電壓及電容值之大小，藉此提昇產品之適用性。

本發明之另一目的乃在於，該金屬膜化成處理加工後形成之障壁絕緣層或多孔層可進行化學拋光，讓側壁不會產生毛邊、突出物等不平整部份，便可準確的控制障壁絕緣層及間隙大小尺寸，進而讓產品具有穩定的觸發電壓。

本發明之又一目的乃在於，該金屬化成絕緣膜之多孔層為成形有複數相鄰緊貼間隔排列之六角體，且各六角體中央凹陷形成有孔洞，由於複數六角體為相鄰緊貼間隔排列，使得電極形狀固定，可具有放電穩定及提昇耦合能力之優點，便可達到產品進行放電靜電時具有良好穩定性之目的。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及其構造，茲繪圖就本發明之較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全瞭解。

請參閱第一、二、三、四、五、六圖所示，由圖中可以清楚看出，其靜電放電保護元件係包括基板1、下電極2、金屬化成絕緣膜3、上電極4、保護層5及二端電極6，其中：該基板1為利用非導體之材質(如玻璃或陶瓷)所製成。

該下電極2為由基板1表面一側朝另側披覆至中間區域。

該金屬化成絕緣膜3為以金屬膜31披覆於基板1表面且緊貼於下電極2末端形成基部311，且基部311相鄰且高於下電極2之側壁延伸有覆蓋於下電極2上表面之覆蓋部312，其金屬膜31為利用如鋁、鎂、鈦等閥金屬(valve metal)或其合金材料所製成，再經過化成處理(Chemical Conversion)進行加工，其化成處理可為有機酸鹽皮膜處理(如磷酸鹽、硼酸鹽或草酸鹽等)、微弧氧化處理(Micro Arc Oxidation)或陽極氧化處理(Anodization)，其有機酸鹽皮膜處理為讓金屬膜31形成有絕緣材質之障壁絕緣層32，而陽極氧化處理及微弧氧化處理則讓金屬膜31形成有障壁絕緣層32，且障壁絕緣層32上方形成有非晶質結構之多孔層33，其多孔層33為形成有複數相鄰緊貼間隔排列之六角體331，各六角體331中央凹陷形成有孔洞332，並可進一步在孔洞332側壁電鍍導電層333，其導電層333可為導體(如鎳、銅等金屬材質)或半導體(如氧化鋅(ZnO)或二氧化錫(SnO2)等)材質，導電層333可於孔洞332側壁成形一薄層或加厚填滿孔洞332，且金屬化成絕緣膜3之障壁絕緣層32及多孔層33厚度可為1μm～50μm，金屬化成絕緣膜3之障壁絕緣層32及多孔層33較佳厚度為3μm～25μm，而障壁絕緣層32之厚度為小於1μm。

該上電極4則設有由基板1表面相對下電極2另側延伸至緊貼金屬化成絕緣膜3內金屬膜31基部311側壁之底部41，底部41再延基部311側壁朝上設有轉折部42，轉折部42並延伸有覆蓋於金屬化成絕緣膜3上表面，並與下電極2呈上下重疊狀之延伸部43。

該保護層5為覆蓋於基板1、下電極2、金屬化成絕緣膜3及上電極4外，且保護層5可為有機的環氧樹脂或無機的玻璃材料所製成，並使下電極2及上電極4之相對外側露出於保護層5外。

該二端電極6為設置於保護層5兩側或兩角落處，且端電極6可為銀、鎳、銅或錫等導電金屬材質所製成，並使二端電極6分別與下電極2及上電極4電性連接。

請參閱第一、二、三、四、五、六、七圖所示，由圖中可以清楚看出，本發明靜電放電保護元件在製造時之步驟流程為包括：

(100)開始。

(101)基板1上設有下電極2。

(102)基板1上設有覆蓋至下電極2上表面之金屬膜31。

(103)金屬膜31進行化成處理加工形成障壁絕緣層32。

(104)金屬膜31持續進行化成處理加工，使障壁絕緣層32上形成複數六角體331緊鄰之多孔層33，且使各六角體331內形成孔洞332，使金屬膜31、障壁絕緣層32及多孔層33形成金屬化成絕緣膜3。

(105)金屬化成絕緣膜3之障壁絕緣層32或多孔層33進行化學拋光。

(106)電鍍導體或半導體於各六角體331之孔洞332側壁形成導電層333。

(107)基板1上設有覆蓋至金屬化成絕緣膜3上表面並與下電極2呈上下層疊之上電極4。

(108)保護層5塗佈覆蓋。

(109)晶粒成型。

(110)形成端電極6。

(111)結束。

上述金屬化成絕緣膜3之障壁絕緣層32或多孔層33進行化學拋光製程時，為利用磷酸、硝酸、水、硫酸銅依預定比例混合調製成拋光液，再將拋光液加熱至90-110℃後讓物件浸漬4-6分鐘，便可完成拋光處理；該保護層5塗佈、晶粒成型及形成端電極6之處理步驟係為習知之技術，且該細部構成及處理細節、方式非本案發明要點，茲不再贅述。

請參閱第一、八、九、十圖所示，其中該第八圖係以完成拋光的鋁材質金屬膜31作為陽極，且以鉛板作為陰極，陽極、陰極之間距為2.5公分(cm)，電解質為15重量百分比(wt%)的硫酸，溫度維持於20℃之條件下，改變電壓值進行30分鐘(min)化成處理後進行測試所得到的特性數據，該第九圖則相同的陽極、陰極以及相同的間距，並以濃度10%的磷酸作為電解質，溫度維持於20℃，改變電壓值進行40分鐘化成處理後測試所得到的特性數據，該第十圖亦以相同的陽極、陰極以及相同的間距，再以濃度15%的硫酸作為電解質，溫度維持於20℃，且改變電壓值進行30分鐘化成處理後，再於孔洞332鍍上厚度1-2微米(μm)的鎳材質導電層333，測試所得到的特性數據。

請參閱第一、十二、十三圖所示，該第十二圖係以完成拋光的鋁材質金屬膜31作為陽極，且以鉛板作為陰極，電解質為濃度15%的硫酸，溫度維持於20℃，並於固定電壓下進行不同時間長短的化成處理後，測試所得到的特性數據，該第十三圖同樣以完成拋光的鋁材質金屬膜31作為陽極，浸泡入比例為280克(g)磷酸錳與2公升水之電解質中，溫度維持於90℃～95℃，並進行不同時間長短的化成處理後，經水洗、乾燥後即形成一磷酸錳系不溶解性金屬化成絕緣膜3，測試所得到的特性數據。

請參閱第一、三、八、九、十、十一、十二、十三圖所示，由圖中可以清楚看出，該金屬化成絕緣膜3之孔洞332深度為與陽極氧化處理之時間成正比，且六角體331之厚度及孔洞332之孔徑大小則隨陽極氧化處理之電壓大小及電解質之種類改變，其電解質可為硫酸、草酸或磷酸，且硫酸、草酸及磷酸進行化成處理後為可分別產生由較小至較大的厚度及孔徑，是以，便可透過改變處理時間長短、電壓大小及電解質之種類來得到所需的六角體331之厚度及孔洞332之孔徑大小、深度，如此便可對觸發電壓及箝制電壓進行調整。

該下電極2與上電極4呈上下重疊之區域為可透過金屬化成絕緣膜3進行隔離來控制靜電放電的觸發電壓；是以，便可透過金屬化成絕緣膜3之障壁絕緣層32厚度增大來降低電容值、增大觸發電壓(Trigger Voltage)及箝制電壓(Clamping Voltage)，或讓障壁絕緣層32厚度變薄來降低觸發電壓及箝制電壓但增大電容值，且當障壁絕緣層32之觸發電壓與箝制電壓過低而使得元件之漏電流過大時，則可在金屬化成絕緣膜3之障壁絕緣層32上設有多孔層33，讓孔洞332內進行空氣放電(Air Discharge)，由於空氣介質具有不易擊穿之特性，便可在觸發電壓過低造成漏電流過大或電容值太高時，達到增高觸發電壓、箝制電壓以降低漏電流及電容值之效果；另，若觸發電壓及箝制電壓仍然過大時，則可在六角體331之孔洞332側壁電鍍導電層333，透過導電層333讓需擊穿的空氣介質減少來降低觸發電壓及箝制電壓，且導電層333亦可持續電鍍而填滿孔洞332，便可讓導體或半導體材質之導電層333完全取代導電性較低之空氣介質，藉此讓觸發電壓及箝制電壓再次降低，便可得到具低電容值、低觸發電壓及低箝制電壓之靜電放電保護元件。

再者，由於本發明之靜電放電保護元件具有低電容值之特性，當本發明裝設使用於高頻影音訊號傳輸上(如HDMI、DVI)，其低電容值便不會破壞高頻影音訊號，便可確保高頻影音訊號透過播放裝置播放時，不會產生雜訊、斷訊或雜音等問題，進而達到靜電放電保護及保持訊號完整之雙重功效。

上述本發明之具低容值之靜電放電保護元件製造方法於實際使用時，為具有下列各項優點，如：

(一)該基板1上設有下電極2後，設有覆蓋至下電極2上表面之金屬膜31，且進行化成處理形成金屬化成絕緣膜3後，再設有覆蓋至金屬化成絕緣膜3上表面並與下電極2呈上下層疊之上電極4，不僅製造步驟少而讓製造成本降低、產量增加，且因容易控制金屬膜31化成處理後所產生障壁絕緣層32之厚度，便可達到厚度薄、電容值低及觸發電壓低之特性。

(二)該金屬膜31形成障壁絕緣層32後可持續化成處理，讓障壁絕緣層32上形成複數六角體331緊鄰之多孔層33，且使各六角體331內形成孔洞332，由於孔洞332內空氣介質具有不易擊穿之特性，便可在觸發電壓過低造成漏電流過大或電容值太高時，增高觸發電壓以降低漏電流及電容值，且若觸發電壓過大時，可進一步在孔洞332側壁電鍍導電層333，讓導體或半導體材質之導電層333來降低觸發電壓，因可調整元件的觸發電壓及電容值大小，進而可得到具有較低觸發電壓之產品。

(三)由於金屬膜31在進行化成處理形成多孔層33時，可調整處理時間長短、電壓大小及電解質之種類，藉此得到不同厚度之障壁絕緣層32、不同厚度之六角體331及不同孔徑大小、深度之孔洞332，便可調整觸發電壓、電容值及箝制電壓來符合需求。

(四)該金屬化成絕緣膜3之障壁絕緣層32或多孔層33可進行化學拋光，讓其側壁不會產生毛邊、突出物等不平整部份，便可讓間隙大小尺寸固定，得到穩定的觸發電壓。

(五)該金屬化成絕緣膜3之多孔層33為成形有複數相鄰緊貼間隔排列之六角體331，且各六角體331中央凹陷形成有孔洞332，由於六角體331相鄰緊貼間隔排列使得電極形狀固定，放電便會穩定，且產生耦合之能力亦會提昇，便可讓靜電穩定的進行放電。

故，本發明為主要針對具低容值之靜電放電保護元件製造方法，而可於基板1上設有下電極2後，設有覆蓋至下電極2上表面之金屬膜31，並對金屬膜31進行化成處理形成金屬化成絕緣膜3後，再於基板1上設有覆蓋至金屬化成絕緣膜3上表面並與下電極2呈上下層疊之上電極4，以此流程製造出具有低電容值及低觸發電壓之靜電放電保護元件為主要保護重點，惟，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

綜上所述，本發明上述之具低容值之靜電放電保護元件製造方法於實施、操作時，為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼　審委早日賜准本案，以保障發明人之辛苦研發，倘若　鈞局貴審委有任何稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，至感德便。

1．．．基板

2．．．下電極

3．．．金屬化成絕緣膜

31．．．金屬膜

311．．．基部

312．．．覆蓋部

32．．．障壁絕緣層

33．．．多孔層

331．．．六角體

332．．．孔洞

333．．．導電層

4．．．上電極

41．．．底部

42．．．轉折部

43．．．延伸部

5．．．保護層

6．．．端電極

第一圖　係為本發明較佳實施例之側視剖面圖。

第二圖　係為本發明較佳實施例金屬化成絕緣膜之側視剖面圖。

第三圖　係為本發明另一實施例金屬化成絕緣膜之立體剖面圖。

第四圖　係為本發明孔洞電鍍導電層後之側視剖面圖。

第五圖　係為本發明塗佈保護層後之側視圖。

第六圖　係為本發明形成端電極後之俯視圖。

第七圖　係為本發明之步驟流程圖。

第八圖　係為本發明金屬膜化成處理時調整電壓大小之實驗數據圖(一)。

第九圖　係為本發明金屬膜化成處理時調整電壓大小之實驗數據圖(二)。

第十圖　係為本發明金屬膜化成處理時調整電壓大小再鍍上導電層後之實驗數據圖。

第十一圖　係為本發明金屬膜化成處理時調整時間長短之曲線圖。

第十二圖　係為本發明金屬膜化成處理時調整時間長短之實驗數據圖(一)。

第十三圖　係為本發明金屬膜化成處理時調整時間長短之實驗數據圖(二)。

1．．．基板

2．．．下電極

3．．．金屬化成絕緣膜

31．．．金屬膜

311．．．基部

312．．．覆蓋部

32．．．障壁絕緣層

4．．．上電極

41．．．底部

42．．．轉折部

43．．．延伸部

Claims (13)

1. 一種具低容值之靜電放電保護元件製造方法，其製造時之流程步驟係包括：(一)基板上設有下電極；(二)基板上設有覆蓋至下電極上表面之金屬膜；(三)金屬膜進行化成處理(Chemical Conversion)加工形成障壁絕緣層，且金屬膜進行化成處理形成絕緣材質之障壁絕緣層後，可持續進行化成處理加工，使障壁絕緣層上形成複數六角體緊鄰間隔排列狀之多孔層，且使各六角體內形成孔洞，該金屬化成絕緣膜形成孔洞後，可電鍍導體或半導體材質於各六角體之孔洞側壁形成導電層，其金屬膜與障壁絕緣層形成金屬化成絕緣膜；(四)基板上設有覆蓋至金屬化成絕緣膜上表面並與下電極呈上下層疊之上電極。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具低容值之靜電放電保護元件製造方法，其中該金屬化成絕緣膜電鍍導電層之前，可先對障壁絕緣層或多孔層進行化學拋光。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具低容值之靜電放電保護元件製造方法，其中該金屬化成絕緣膜可持續電鍍使導電層填滿各六角體之孔洞。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具低容值之靜電放電保護元件 製造方法，其中該基板為利用非導體之材質所製成，且非導體材質可為玻璃或陶瓷。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具低容值之靜電放電保護元件製造方法，其中該金屬膜可為鋁、鎂、鈦或其合金材料所製成。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具低容值之靜電放電保護元件製造方法，其中該金屬膜進行之化成處理加工可為有機酸鹽皮膜處理。
7. 如申請專利範圍第6項所述之具低容值之靜電放電保護元件造方法，其中該有機酸鹽皮膜處理之有機酸鹽可為磷酸鹽、硼酸鹽或草酸鹽。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具低容值之靜電放電保護元件製造方法，其中該金屬膜進行之化成處理加工可為微弧氧化處理(Micro Arc Oxidation)。
9. 如申請專利範圍第1項所述之具低容值之靜電放電保護元件製造方法，其中該金屬膜進行之化成處理加工可為陽極氧化處理(Anodization)。
10. 如申請專利範圍第1項所述之具低容值之靜電放電保護元件製造方法，其中該金屬化成絕緣膜之障壁絕緣層及多孔層的厚度可為1μm~50μm。
11. 如申請專利範圍第1項所述之具低容值之靜電放電保護元件製造方法，其中該金屬化成絕緣膜之障壁絕緣層及多孔 層的較佳厚度為3μm~25μm。
12. 如申請專利範圍第1項所述之具低容值之靜電放電保護元件製造方法，其中該障壁絕緣層之厚度為小於1μm。
13. 如申請專利範圍第1項所述之具低容值之靜電放電保護元件製造方法，其中該基板及金屬化成絕緣膜上覆蓋上電極後，於基板、金屬化成絕緣膜及上電極外側塗佈覆蓋有保護層，並在晶粒成型後，於保護層兩側或兩角落處形成分別與下電極及上電極電性連接之二端電極。