專利名稱：過電壓抑制器材料的制作方法及其過電壓抑制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明關于一種過電壓抑制器材料的制作方法及其過電壓抑制器。
背景技術：
隨著各式電子產(chǎn)品的小型輕量化、多功能及可攜帶式的需求，其內(nèi)部線路制作的密度也隨之日益提高，以提升單位體積的電路功能。然而，由于線路的寬度與間距不斷縮小，以及集成電路(IC)芯片設計朝向細線路、高密度及高速傳輸?shù)内厔莅l(fā)展，再加上電磁干擾(EMI)、電磁兼容性(EMC)等實際需求背景下，將屬于過電壓抑制或放電保護特性的元件與其它被動元件模塊化，或是整合于IC封裝基板中也是必然的發(fā)展趨勢。
目前已商品化的過電壓抑制器結(jié)構，是將一種可變阻抗材料設計于元件結(jié)構中，透過可變阻抗材料將訊號導電電極(signal electrode)與接地導電電極(ground electrode)作電性連接。當過電壓抑制器處于正常工作電壓的范圍內(nèi)時，可變阻抗材料是處于高阻抗狀態(tài)，此時，訊號導電電極上的電壓與電流不會被導入接地導電電極。只是，當訊號導電電極上出現(xiàn)異常的過電壓突波時，利用可變阻抗材料的特性會轉(zhuǎn)變成低阻抗狀態(tài)，此時，突波能量會由訊號導電電極經(jīng)過可變阻抗材料導入接地導電電極而排入接地端(ground)。因此，藉由可變阻抗材料的特性，可將訊號導電電極上的電壓維持于不會損壞電路的范圍內(nèi)，進而達到保護電路的目的。
已知過電壓抑制器為陶瓷氧化鋅變阻器，此一元件的陶瓷材料及結(jié)構是以氧化鋅為主體，添加Bi、Sb、Co、Mn、Cr、Ni、B、Al或稀土元素等金屬的氧化物或化合物所構成，是一種極為常見的過電壓抑制器商品。只是，由于此氧化鋅變阻器陶瓷元件材料本身就具有高的介電特性，所以從另一角度來看陶瓷氧化鋅變阻器也屬于一種電容器。
在較高頻率的一般情況下，運用陶瓷氧化鋅變阻器抑制過電壓的電子電路，常會發(fā)生訊號因陶瓷氧化鋅變阻器所具有的電容，產(chǎn)生訊號變形而無法使用。再加上，隨著近年來高頻無線通訊與寬頻通訊蓬勃發(fā)展，使得此陶瓷氧化鋅變阻器具有更高的電容性，這更顯現(xiàn)出用在高頻電路上是一項重大缺點。
為解決上述問題，美國專利第5,068,634號提出另一種材料，其材料結(jié)構是導電顆粒均勻混合在絕緣性的黏結(jié)基體中，此絕緣層的厚度要控制25～350原子徑內(nèi)，其崩潰機制是利用在一電壓下兩導體中隔有一非常薄絕緣層，當電壓過高時會有量子穿隧現(xiàn)象而崩潰，但要控制絕緣層厚度的制程是相當困難，當絕緣層太薄時，易造成此電壓抑制器元件短路，相反的當絕緣層太厚，又會提高崩潰電壓。
先前發(fā)表過電壓抑制器的材料，已被多篇美國專利揭露，其專利號碼如下3,685,026、3,685,0283、4,726,991、4,977,357、5,260848、5,294,374、5,393,596、5,807,509。這些都利用各種導電粉體或半導性粉體與非導電粉體及結(jié)合劑充分均勻混合。基本上這些形成的材料結(jié)構都是以一非常薄的絕緣體包覆導電粉體或半導性粉體的組合體，而達到低電壓時有高電阻低漏電流特性，并于一定電壓下其非常薄的絕緣體會崩潰，但被披覆的厚度將影響元件的崩潰電壓，固此披覆厚度的均勻性是十分重要。
臺灣第469188公開號專利則提出一種過電壓保護元件材料，其具有P-N界面的粉體與玻璃均勻分布形成一多孔P-N-P與絕緣體或空氣的結(jié)構，崩潰電壓(Vbt)是兩個電極間存在的最小P-N-P粉體崩潰電壓總合(∑Vb2)再加上此路徑上絕緣體玻璃或空氣的崩潰電壓總合(∑Vs)，但此結(jié)構的電子特性要控制較小的崩潰電壓是較為困難，而且承受能量非常小都是其缺點。所以，469188公開號專利是改善上篇專利崩潰電壓太高的缺點，又提出在上述材料組成中加入金屬粉體以降低其崩潰電壓，但此材料元件承受能量并未能改善。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在提供一種過電壓抑制器的材料與結(jié)構，本發(fā)明的過電壓抑制器的材料，是一種提供會形成連續(xù)接通開孔的多孔非導體物質(zhì)，因這種材料連續(xù)接通開孔的多孔結(jié)構存在，其絕緣阻抗非常大，使得本身具有非常低的漏電流，當電子電路系統(tǒng)中突然有過電壓突波現(xiàn)象發(fā)生，電壓會急遽上升，電壓升至空間放電崩潰電壓，本發(fā)明的材料提供的連續(xù)接通開孔多孔結(jié)構的空間信道，會產(chǎn)生電弧放電而瞬間導通，將此過電壓突波抑制消除，而能當作過電壓抑制器的材料，此為本發(fā)明的主要目的。本發(fā)明同時利用外加金屬顆粒的方式縮短空間放電信道的距離，藉以控制放電崩潰電壓的大小，請參閱圖1(b)的示意圖。
已知的過電壓抑器材料，都以絕緣材料披覆導體或半導體為過電壓抑制器材料所構成，這些絕緣材料的厚度直接影響過電壓抑器的崩潰電壓。也有以P-N-P粉體混合金屬為過電壓抑制器材料，P-N-P界面與金屬粉體量也是此類過電壓抑制器的崩潰電壓主要控制因素，本發(fā)明的過電壓抑制器材料，無如上述問題，因此過電壓抑制器的崩潰電壓極易被控制，此為本發(fā)明的另一目的。
此連續(xù)接通開孔的多孔結(jié)構材料所制作的過電壓抑器，可適用于多種的過電壓抑制器元件結(jié)構；請參閱第3圖(a)、第3圖(b)所示，為本發(fā)明的可行的過電壓抑制器元件結(jié)構實施例。以絕緣材質(zhì)基板做為基材，再利用印刷、轉(zhuǎn)印、切割及熱處理等相關技術，將過電壓抑制器的材料形成于金屬電極之間，即可得到兩種過電壓抑制器元件結(jié)構。另一種可行的元件結(jié)構，請參閱圖3(c)所示，是以本發(fā)明的材料為主體，經(jīng)成型成塊狀，再將材料的相對兩面金屬化形成所需的電極，即是另一種過電壓抑制器元件結(jié)構。最后本發(fā)明也利用積層共燒陶瓷制作技術，將連續(xù)接通開孔的多孔結(jié)構材料與共燒陶瓷中的金屬導體及陶瓷生胚一起燒結(jié)熱處理，以得到內(nèi)埋過電壓抑制器于積層共燒陶瓷中。
為使對本發(fā)明的目的、構造特征及其功能有進一步的了解，茲配合圖標詳細說明如下，茲以下實施進一步說明本發(fā)明，唯并不意味本發(fā)明緊促限于此等實施例所揭示的內(nèi)容。
圖1(a)為本發(fā)明的過電壓抑制器連續(xù)接通開孔的多孔結(jié)構材料的微觀結(jié)構說明1(b)為本發(fā)明的過電壓抑制器連續(xù)接通開孔的多孔結(jié)構材料的另一微觀結(jié)構說明2為本發(fā)明的過電壓抑制器制作流程3(a)、(b)、(c)為本發(fā)明的過電壓抑制器的實施例圖4(a)、(b)為本發(fā)明的過電壓抑制器的另一組實施例圖5為本發(fā)明的過電壓抑制器TLP測試的電流電壓反應曲線。
其中100連續(xù)接通開孔200非導體250導體300金屬導電電極400具有連續(xù)接通開孔的多孔結(jié)構材料500絕緣基板600陶瓷生胚基板700通孔金屬導體電極具體實施方式
請參閱圖1(a)，圖1(a)為本發(fā)明過電壓抑制器材料的示意圖。其結(jié)構如圖1(a)所示，本發(fā)明過電壓抑制器材料主要為具有連續(xù)接通開孔100的多孔非導體200。本發(fā)明過電壓抑制器材料具有非常低的電容特性、漏電流及較高的過電壓抑制能力，因此能適用于高頻的電子電路上的過電壓抑制與靜電消除。下面，將更進一步以4個實施例，來具體說明本發(fā)明的技術特征。
實施例1.
請參閱圖2，圖2為本發(fā)明過電壓抑制器制作流程圖。稱取如下表一所示組成配方，并依圖2方法步驟將為粉體顆粒的非導體200(非導體粉體顆?；蛭镔|(zhì))加入有機溶劑與黏度調(diào)整劑，并利用旋轉(zhuǎn)攪拌混合機與三滾筒混合機進行混合，而制成適合印刷的膏狀材料(用來形成如圖3(a)的具有連續(xù)接通開孔的多孔結(jié)構材料400)，然后利用印刷方式制作具有連續(xù)接通開孔的多孔結(jié)構材料400于兩金屬電極(如圖3(a)的金屬導電電極300)之間，再經(jīng)熱處理程序之后完成過電壓抑制器的制作。為粉體顆粒的非導體200于室溫25℃的電阻系數(shù)，范圍從108～1017Ω-cm，且可為高分子聚合體、陶瓷、金屬氧化物及玻璃。
請參閱圖3(a)～3(b)，圖3(a)～3(b)為本發(fā)明的過電壓抑制器的實施例。圖3(a)為本發(fā)明其中一種過電壓抑制器結(jié)構，此結(jié)構是利用厚膜印刷或是薄膜鍍層的方式，在絕緣性氧化鋁絕緣基板500上制作一層金屬導電電極300，并將如上所述的膏狀材料覆蓋于此金屬導電電極300上，并經(jīng)500～1100℃的熱處理，以得到具有連續(xù)接通開孔100的多孔結(jié)構材料400(厚度約3～20μm)。最后在此多孔結(jié)構材料400上，再制作一層金屬導電電極300。
由表二得知，只要是可以制作出非導體200物質(zhì)具有連續(xù)接通開孔100的多孔結(jié)構材料400，即可提供過電壓波抑器于過電壓突波時空間放電的信道。而上述的厚膜印刷方法包含有網(wǎng)板印刷、移印、轉(zhuǎn)印、雷射轉(zhuǎn)印、噴墨印刷等方法。
表一
表二
實施例2第二個具體實施例是將非導體Al2O3掛上500ppm Pt金屬點(Al2O3-Pt)，再稱取如表三所示組成配方，再就圖2所示的方法步驟將經(jīng)預處理的(Al2O3-Pt)作為粉體顆粒的非導體200加入有機溶劑與黏度調(diào)整劑，利用旋轉(zhuǎn)攪拌混合機與三滾筒混合機進行混合，調(diào)制成適合印刷的膏狀材料。
如圖3(b)所示，此乃以相似于具體實施例1的制作流程所形成的過電壓波抑器，亦即多孔結(jié)構材料400是于形成兩端的金屬導電電極300的后才于其上形成的。圖3(c)則是將非導體粉體混合，加入有機溶劑與黏度調(diào)整劑，利用旋轉(zhuǎn)攪拌混合制成漿料，經(jīng)刮刀成型制成薄片，之后裁切、熱處理，再利用厚膜印刷或是薄膜鍍層的方式，于此具有連續(xù)接通開孔100的多孔結(jié)構材料400兩面制作金屬導電電極300。
由表四可見利用不同元件結(jié)構，其多孔結(jié)構材料400厚度不同，均可制作過電壓抑制器。隨著厚度增加，空間放電崩潰電壓上升。配方1與配方5比較，Al2O3掛上Pt金屬點，有助于降低空間放電崩潰電壓。
表三
*G1＝玻璃粉1表四
實施例3請參閱圖4(a)、(b)，圖4(a)、(b)為本發(fā)明的過電壓抑制器的另一組實施例。第三個具體實施例是利用積層共燒陶瓷制作技術，并利用配方1制作出如圖4(a)及圖4(b)所示的過電壓抑制器元件。過電壓抑制器元件的制作步驟中，首先，將一層共燒陶瓷生胚基板600的表面分別以厚膜印刷或是薄膜鍍層的方式制作一層金屬導電電極300以及一層具有連續(xù)接通開孔100的多孔結(jié)構材料400。同時，并將另一層共燒陶瓷生胚基板600相對應的表面以厚膜印刷或是薄膜鍍層的方式，制作另一層金屬導電電極300，如圖4(a)所示?；蛘呷鐖D4(b)所示，將此層改利用通孔(via)填充導電金屬膏的方式連接導通至其它層或表面，以與其它線路或元件的導電電極連接，成為通孔金屬導體電極700。
金屬導電電極300系互相重疊一特定面積的區(qū)域，其中一端系為接地導電電極，而另一端系為訊號導電電極，以與其它電路或是元件的導電電極相連接。而具有連續(xù)接通開孔100的多孔結(jié)構材料400是夾置于金屬導電電極300之間，且與金屬導電電極300構成電性連接，之后，如圖4(a)及圖4(b)所示，將共燒陶瓷生胚基板600依序堆棧，再將堆棧完成的結(jié)構進行共燒制程，即可形成積層共燒陶瓷過電壓抑制器。
表五為圖4(a)和4(b)所示的過電壓抑制器的崩潰電壓、漏電流、反應時間、電容等特性值，從此表中可知圖4(a)和4(b)所示的過電壓抑制器也有不錯效果。
表五
實施例4請參閱圖1(b)的示意圖，圖1(b)為本發(fā)明的過電壓抑制器連續(xù)接通開孔的多孔結(jié)構材料的另一微觀結(jié)構說明圖。第四個具體實施例是將非導體Al2O3及G1等非導體200粉體顆粒加上Pt金屬導體250粉體顆粒，稱取如表六所示組成配方，再就圖2所示的方法步驟加入有機溶劑與黏度調(diào)整劑，利用旋轉(zhuǎn)攪拌混合機與三滾筒混合機進行混合，調(diào)制成適合印刷的膏狀材料。并以如具體實施例1的方法制作成如圖3(a)的過電壓抑制器。配方1與配方8、9比較，具有連續(xù)接通開孔100的多孔結(jié)構材料400中加入Pt金屬顆粒，有助于降低空間放電崩潰電壓。上述Pt金屬導體250粉體顆粒的大小為0.005μm～100μm，且其重量百分比為40％以下。
表六
*G1＝玻璃粉1表七
請參閱圖5，圖5為本發(fā)明的過電壓抑制器TLP測試的電流電壓反應曲線。如圖5所示，本發(fā)明的過電壓抑制器經(jīng)由TLP測試，確實可以借著產(chǎn)生電弧放電而瞬間導通，將此過電壓突波抑制消除，而能當作過電壓抑制器的材料。
以上所述，僅為本發(fā)明其中的較佳實施例而已，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；即凡依本發(fā)明申請專利范圍所作的均等變化與修飾，皆為本發(fā)明專利范圍所涵蓋。
權利要求
1.一種過電壓抑制器材料的制作方法，該方法包含將一種或一種以上一非導體粉體顆?；蛭镔|(zhì)充分混合，而形成具有一連續(xù)接通開孔的一多孔結(jié)構材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的過電壓抑制器材料的制作方法，其中該非導體粉體顆粒或物質(zhì)于室溫25℃的電阻系數(shù)，范圍從108～1017Ω-cm。
3.根據(jù)權利要求1所述的過電壓抑制器材料的制作方法，其中該非導體粉體顆?；蛭镔|(zhì)為高分子聚合體、陶瓷、金屬氧化物及玻璃。
4.根據(jù)權利要求1所述的過電壓抑制器材料的制作方法，其中在形成該多孔結(jié)構材料的過程中，加入40wt％以下的導體材料，此導體的材質(zhì)為金(Au)、銀(Ag)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、釕(Ru)、鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鎢(W)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鉻(Cr)中的任一元素或以上任意兩種或任意兩種以上的合金。
5.根據(jù)權利要求1所述的過電壓抑制器材料的制作方法，其中在形成該多孔結(jié)構材料的過程中，加入顆粒大小為0.005μm～100μm的導體顆粒。
6.一種過電壓抑制器，包含一組導體電極，該組導體電極中之一是接地導電電極，而另一則是其它電路或是元件的導電電極相連接；以及具有一連續(xù)接通開孔之一多孔結(jié)構材料，具有該連續(xù)接通開孔的該多孔結(jié)構材料設置于該組導體電極之間。
7.根據(jù)權利要求6所述的過電壓抑制器，其中該組導體電極的材質(zhì)為金(Au)、銀(Ag)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、釕(Ru)、鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鎢(W)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鉻(Cr)中的任一元素或以上任意兩種或任意兩種以上的合金。
8.根據(jù)權利要求6所述的過電壓抑制器，其中該多孔結(jié)構材料的形成方法包含將一種或一種以上一非導體粉體顆?；蛭镔|(zhì)充分混合。
9.根據(jù)權利要求8所述的過電壓抑制器，其中該非導體粉體顆?；蛭镔|(zhì)于室溫25℃的電阻系數(shù)，范圍從108～1017Ω-cm。
10.根據(jù)權利要求8所述的過電壓抑制器，其中該非導體粉體顆?；蛭镔|(zhì)為高分子聚合體、陶瓷、金屬氧化物及玻璃。
11.根據(jù)權利要求8所述的過電壓抑制器，其中在形成該多孔結(jié)構材料的過程中，加入40wt％以下的導體材料，此導體的材質(zhì)為金(Au)、銀(Ag)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、釕(Ru)、鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鎢(W)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鉻(Cr)中的任一元素或以上任意兩種或任意兩種以上的合金。
12.根據(jù)權利要求8所述的電壓抑制器法，其中在形成該多孔結(jié)構材料的過程中，加入顆粒大小為0.005μm～100μm的導體顆粒。
全文摘要
一種過電壓抑制器的材料、結(jié)構及制造方法，此材料主要是將一種或一種以上非導體顆粒粉體或非導體物質(zhì)充分混合后經(jīng)熱處理，使其形成連續(xù)接通開孔的多孔結(jié)構材料。制作成的過電壓抑制器結(jié)構特征，是將連續(xù)接通開孔的多孔結(jié)構材料設置于兩導體電極間。此過電壓抑制器具備有快的反應速度、低漏電流、低電容量、制作容易及高穩(wěn)定性的優(yōu)點。
文檔編號H01C7/105GK1862716SQ20051006937
公開日2006年11月15日 申請日期2005年5月13日 優(yōu)先權日2005年5月13日
發(fā)明者鄧圣明 申請人:威瑞科技有限公司