过电压保护元件的材料、过电压保护元件及其制造方法

专利名称：过电压保护元件的材料、过电压保护元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种过电压保护元件的材料与结构。本发明还涉及一种制造所述过电压 保护元件的方法。背景技水一般过电压保护元件，在正常状态下与希望保护的系统并联，并呈现高阻抗状态连 接地线。而在不正常的电荷进入所述元件时(过电压产生)，瞬间由高阻抗转变成低阻 抗，而将此不正常的入侵能量导入地线。瞬间由高阻抗转变成低阻抗，也称作元件作动。当时观察到的电压，称作崩溃电压 (breakdown voltage)，也称作触发电压(trigger voltage)。尖端放电原理，是电荷从一个导体，跳跃到另一个导体，通常触发电压随着两个导 体的间距(gap)縮小而降低。气体放电管(gas tube)是一种常见的过电压保护元件让过电压能量，在一电极表 面产生尖端放电现象，而通过特定气体，通常是氩气，导入地线，也就是所述电极表面 与地线之间为一中空气室。放电动作的触发电压视所述电极与地线的间距而定。 一般来 说，间距越小，越容易放电，此时观察到的触发电压越小。如果间距过大，那么所述电 极需要累积的电荷要越多，才会放电，所以放电时观察到的触发电压越大。由于元件与 希望保护系统呈现并联状态，所以一般希望放电时的触发电压越小越好，然而气体放电 管的放电间距都是以毫米(mm)为单位，而且只有一个放电点，因此作动时的触发电 压都很高。同时此种元件作动时，外观不可以出现「火花」，因此必须让放电的电弧包 覆在一定空间内，所以必需将尖端与地线以圆管等各种形状的容器密闭起来，且因为放 电会产生热，因此所述密闭容器通常需要具有不小的体积以利于散热，因此所述元件很 难将其芯片(chip)化，对现代化轻薄短小的设计，显然难以采用。然而利用尖端放电原理的保护元件，与其它过电压保护元件最大不同是，放电时两 个电极之间为一个中空状态。所述中空状态，可以是真空，也可以是气体。能量由尖点 释放，通过所述中空而进入地线，不论作动几次，几乎没有材料寿命的问题。而观察市 面上已经商品化的其它类型的保护元件，例如二极管和氧化锌(ZnO)变阻器等，其主 要成分多是半导体或半导体氧化物，由于能量必须进入半导体或半导体氧化物内，经过
多次作动后，常会发现击穿、阻抗降低、漏电流上升或短路的现象，因此造成使用寿命 的限制。
现有技术l (本案申请人的中华民国专利公告号第253881号案)利用精密加工，使 得两个相对电极之间形成5到30nm之间的电极间隙，也就是放电间距在5到30nm之间。 而使放电能量从一端电极，通过中空气室放电到另一端的电极。此方法等于是气体放电 管的縮小版，但是生产时需要精密的加工或控制，使每一个元件的电极间间隙在设计的 的范围内，因此存在其设备上的成本与电极间隙的限制。
现有技术2 (本案申请人的中华民国专利公告号第475183号案)以具有P-N界面的材 料作为主要基础基质。因此所制成的元件材料结构中有P-N混和的界面，部分放电能量 会通过所述界面，也就是进入此基础基质的材料内部，因为不是所有具有P-N界面的材 料，可以承受放电能量，所以寿命较短的疑虑，必须依靠额外的成本，开发所述基础基 质材料。
基本上所述粉体材料具有P-N界面，因此不属于「非导体」材料。
现有技术3 (本案中请人的美国专利第6，645,393号案)与现有技术2类似，以氧化锌 变阻器材料取代具有P-N界面的材料，因此其特色已在前文中描述。而实际制作所述元 件，可以观察到由于氧化锌的熔点约nO(TC，在经过长时间与多次放电冲击后，所述氧 化锌材料有时会被击穿而熔化。
基本上氧化锌变阻器材料具有非线性阻抗(non-linear resistance)且属于可变电阻 材料(variable resistor),因此也不属于本发明的「非导体」材料。
现有技术4 (美国专利第5，068,634号案)揭示的材料结构为导体粉末分散在绝缘的 黏结剂(binder)中，且导体粉末完全被黏结剂包覆，导体粉末之间被黏结剂所隔开。 其放电的机制是控制于导体间，也就是完全包覆住导体之外的那一层黏结剂的厚度，来 决定放电电压的大小。这种方法所得到的电流-电压曲线(I-V curve)如图1所示。
与传统变阻器相同，其放电能量一定会经过两个导体之间的黏结剂，而黏结剂必须 承受所述放电能量，因此所述黏结剂有可能被烧毁，而使得原来绝缘两个导体的功能丧 失，造成元件短路。
现有技术5 (美国专利第4，726，991号案)。所述专利所揭示的材料，是在导体或半导 体粉体表面完整被覆(coating) —层绝缘层，利用控制绝缘层的厚度来调整放电电压。 此绝缘层的厚度小于数百原子径(angstroms)的厚度，此种材料结构在实用上具备一些 缺点。首先，绝缘层的厚度仅在数百原子径内，此厚度控制的制程困难度相当高。当被
覆的绝缘层太薄时，造成元件短路当绝缘层的厚度稍厚实，却又会提高触发电压。这
是使用绝缘层被覆在导体或半导体粉体表面的缺点。
现有技术6 (美国专利第5，294，374号案)的材料结构为导体粉末被覆一层绝缘层， 与没有被覆粉末的半导体的混和物，其被覆厚度介于70原子径与1微米之间，其被覆材 料可以用半导体。基本上，这些材料都是以绝缘材料或半导体材料阻绝电流的通过，而 达高电阻的目的，但被覆层的厚度直接影响元件的触发电压，因此厚度的均匀性十分重 要。
各种导体粉末、半导体粉末或非导体粉末均匀混合于含有黏结剂的可变电阻材料， 已被发表多篇于美国专利中，其专利号分别为3，685,026、3,685，028、4,977，357、5,260，848、 5,393，596和5，807，509等，这些材料的崩溃/触发特性，取决于粉末的组成，而非结构，也 就是说，放电的能量，会通过这些粉体内部。因此，其原理不同于本发明所叙述的内容。

发明内容
本发明的一目的是提供一种低制造成本和容易制造的过电压保护元件的材料、使用 所述材料制造的过电压保护元件及其制造方法。
本发明的一实施例提供一种过电压保护元件的材料。所述材料包含 一非导体粉末； 一金属导体粉末；和一黏结剂。
本发明的另一实施例提供一种制造过电压保护元件的方法。所述方法包含均匀混
和一预定比例的 -非导体粉末、 一金属导体粉末和一黏结剂以形成一材料膏(paste);
在一衬底上印刷所述材料膏；和将所述衬底进行一烧成处理以产生所述过电压保护元 件。
本发明的又一实施例提供一种过电压保护元件。所述元件包含 一第一电极； 一第 二电极；和一多孔结构，其连接在所述第一电极与所述第二电极之间。
本发明的材料与结构，基本上是将尖端放电原理与气体放电元件的机构微型化，使 其具有低触发电压与长寿命的优点，而且可以利用常规的商业化制程，制作成芯片型元件。
根据本发明制成的过电压保护元件，无须使用精密的加工设备，就可以轻易达成5pm 以下的电极间距，且放电点数量庞大，大大降低不正常电荷进入系统时所产生的过电压。
本发明的过电压保护元件的材料与其所烧成的结构，由于使用的基础基质属于非导 体材料，并没有P-N界面或P粉体与N粉体混和的结构，放电能量只会通过放电点释放， 放电能量对于本发明的基础基质来说，没有界面可以破坏。因此利用本发明制成的元件， 使用寿命得以提升。


图l展示现有技术美国专利第5，068，634号案所揭示的材料结构的电流-电压曲线。 图2展示传输线脉冲(transmission line pulse，TLP)系统的电路图。 图3展示图2的TLP系统的等效电路图。
图4展示使用常规技术高熔点非导体将材料烧结产生的致密的结构或孔隙很少的结 构的照片。
图5展示使用本发明的过电压保护元件的材料所烧成的多孔结构的照片。
图6展示本发明的材料与结构的电流-电压曲线。
图7展示本发明的一实施例的过电压保护元件70的前视图。
图8展示图7的过电压保护元件70的侧视图。
图9展示本发明的一实施例的电流-电压曲线。
图10展示本发明的另一实施例的过电压保护元件100的前视图。
图11展示图10的过电压保护元件100的侧视图。
图12展示本发明的另一实施例的电流-电压曲线。
图13展示本发明的又一实施例的电流-电压曲线。
具体实施例方式
本发明参看附图以进行更详细叙述，所述附图描述实施本发明的优选实施例。然而， 本发明以数种实施例例示，但不应限于所述实施例。
静电放电保护电路中，大多是利用元件在其一次崩溃(first breakdown)区来排放 ESD电流。元件在其一次崩溃区内仍不会被损伤。此崩溃区域有其极限存在。此极限就 是所谓的二次崩溃(secondary breakdown)的特性，当元件因为外加过压的(overstress) 电压或电流而进入二次崩溃区后，元件会造成永久的损坏。因此，二次崩溃点的电流即 代表ESD保护元件的ESD承受能力的上限。传输线脉冲(transmission line pulse, TLP)系
统就是专门设计来测量元件或集成电路的二次崩溃点特性，和能够在高电压/电流测试下 分析元件物理特性的一种特殊测量设备。TLP系统运用了传输线脉冲产生的原理，用以 提供单一且不断升高能量的脉冲。其原理和等效电路图如图2和图3所示。先利用高电压 产生器23，在开关SW1闭合而开关SW2断开的状况下，经由电阻RH提供一高电压给传输 线22。然后，将开关SW2闭合，使充电的传输线22产生脉冲，传给待测元件(device under test，DUT)21，并在示波器上测量DUT21的电压电流值。图3为图2的等效电路图。 一个 固定脉冲宽度t的脉冲产生源31,经由一负载电阻RL提供能量给待测元件21。并在示波
器(未图示)上测量待测元件21的电压和电流值。
本发明图6、 9、 12、 13的电流-电压曲线，均是使用图2和图3所示的TLP系统而测得。 本发明的过电压保护元件的材料至少包含 一非导体粉末，其粒径为l到50pm之间； 一金属导体粉末，其粒径为0.01到5pm之间；和一黏结剂。所述黏结剂可以是玻璃(glass) 和/或聚合树脂(polymer resin)，如果黏结剂为玻璃粉末，那么烧成处理在300到1200'C 之间进行，如果黏结剂为聚合树脂，那么烧成处理在室温到60(TC之间进行，如果黏结 剂为玻璃粉末和聚合树脂，那么烧成处理在300到600'C之间进行。将上述材料均匀混和 后，经过烧成(firing)形成具有10pm以下的孔隙的多孔结构。孔隙约占体积的5%到90 %之间。金属导体粉末均匀附着在所述非导体表面，呈点状分布。电流利用结构中的金 属导体当作传导媒介，以尖端放电的方式连续跳跃，让过电压能量通过具有微间隙放电 点材料结构的元件。
而本发明的材料与结构，基本上是将尖端放电原理与气体放电元件的机构微型化， 使其具有低触发电压与长寿命的优点，而且可以利用常规的商业化制程，制作成芯片型元件。
本发明的材料烧成成品后呈现多孔结构，而金属导体均匀分布在非导体表面。金属 导体间距离在0.1到l(^m之间。所形成的多孔结构由非导体粉末堆迭时自然产生堆迭孔 隙。结构上的强度，也就是粉体之间的接着力，并非由烧结(sintering)产生，而是利 用适当适量的黏结剂接着。
本发明的材料的非导体可以选择高熔点的氧化物或碳化物，由于这种高熔点的非导 体，要使所述材料烧结(sintering)致密的结构或孔隙很少的结构，如图4所示的氧化锌 变阻器，需要120(TC以上的高温，有时还需要加高压，甚至需要特殊的烧结制程。本发 明利用这些非导体的不易烧结的特性，选用适当的玻璃作为粉体与粉体之间的黏结剂， 而制作成多孔结构。
例如分解温度在260(TC左右的碳化硅(SiC)，在厚膜(thick film)制程或积层 (multilayer)制程惯用的制造温度1200'C以下没有烧结现象，而颗粒与颗粒之间是通过 适量且适当的黏结剂黏结同定，而形成多孔(porous)结构。而选择适当特性的黏结剂， 并调整用量，使黏结剂不会覆盖住此基础基质与金属导体的所有表面，而形成绝缘的覆 膜(insulation coating)。
又例如熔点约200(TC的氧化铝(Al203)，在厚膜制程惯用的烧成制造温度100(TC以下 没有烧结现象，而颗粒与颗粒之间是通过适量且适当的黏结剂黏结固定，而形成多孔结 构。选择适当特性的黏结剂，并调整用量，使黏结剂不会覆盖所述多孔结构与金属导体
中工作电压的电平来控制第一脉冲宽度调整单元202设定该第一脉冲宽度调 整量以及控制第二脉冲宽度调整单元206设定该第二脉冲宽度调整量；在此 请注意到，在本实施例中，第一脉冲宽度调整单元202与第二脉冲宽度调整 单元206以可控制延迟单元来加以实现，以便通过施加不同的延迟量来达到 延长或缩短脉冲宽度的目的，而第一脉冲宽度调整量与第二脉冲宽度调整量 便是第一脉冲宽度调整单元202与第二脉冲宽度调整单元206所分别施加的 延迟量，然而，这并非本发明的限制，亦即，任何可调整脉冲宽度的机制也 可被第一脉沖宽度调整单元202与第二脉沖宽度调整单元206采用；另外， 在本实施例中，检测器208用来检测存储器中工作电压的电平，然而，在其 它实施例中，检测器208也可以使用一电阻单元并检测通过该电阻单元的电 流值来得到该工作电压的电平，因此，凡是利用检测该存储器中一特定信号 的电力特性(例如用来提供存储器工作电压的一输入信号Sin的电力特性(电压 或电流))以控制第 一脉冲宽度调整单元202与第二脉冲宽度调整单元206的机 制，皆属于本发明的范畴。如上所述，在本实施例中，对于第一脉冲宽度调整单元202的操作而言， 当输入信号Sin对应于第 一电压电平V,使得输入指令信号COM的脉冲宽度对 应于一第一宽度W,时，检测器208会控制第一脉冲宽度调整单元202设定第 一延迟量D,来作为第一脉冲宽度调整量以缩短第一宽度Wp以及当输入信 号Si。对应高于第一电压电平V!的一第二电压电平V2使得输入指令信号COM 的脉冲宽度对应小于第 一宽度的一第二宽度W2时，检测器208会控制第一脉 冲宽度调整单元202设定小于第一延迟量D,的一第二延迟量D2来作为第一 脉冲宽度调整量以缩短第二宽度W2,换句话说，当输入信号Sin对应到较低 的电压电平(亦即第一电压电平V,)时，由于该较低的电压电平对应的脉冲宽 度会变得较宽，因此，为了避免影响到解码器204的解码操作，检测器208 会控制第一脉沖宽度调整单元202设定较大的延迟量(亦即第一延迟量D0来缩短脉冲宽度，反之，当输入信号Sin对应到较高的电压电平(亦即第二电压电平V2)时，第一脉冲宽度调整单元202则设定较小的延迟量(亦即第二延迟 量D2)来缩短脉冲宽度，在此请注意到，第一、第二电压电平V1、 V2皆低于 临界电压电平Vth"低临界电压电平)，亦即，第一、第二电压电平Vp V2皆比正常电压电平更低而使得其对应的第一、第二宽度W1、 W2皆比正常脉冲宽度更宽，因此，需要缩短其所对应的第一、第二宽度W1、 W2来避免影响
发明的材料75便附着在氧化铝衬底71，第一电极72和第二电极73上。第一电极72与系统 的线路相接，而第二电极73与地线相接，形成此元件70与系统(未图示)并联。当异常 能量进入所述系统时，便由第一电极72引导到材料75，然后通过材料75内部的微间隙放 电，将过电压能量传到第二电极73，接着导入地线。本实施例的电流-电压曲线如图9所示。图10和11是本发明的另一实施例的过电压保护元件100的前视图和侧视图，在本实 施例中，材料膏104与前一实施例的材料膏75成分相同。在氧化铝衬底101上，先制作一 第一电极102。然后在第一电极102上，印刷本发明的材料膏104,材料膏104部分附着在 电极102上，另一部份附着在氧化铝衬底101上。最后再制作电极103，其部分附着在材 料膏104上，另一部份附着在氧化铝衬底101上。经过85(TC的烧成后，本发明的材料104 便附着在氧化铝衬底101与第一电极102上，而第二电极103则附着在材料104与氧化铝衬 底101上。第一电极102与系统(未图示)的线路相接，而第二电极103与地线相接，形 成此元件100与系统并联。当异常能量进入系统时，便由第一电极102引导到材料104， 然后通过材料104内部的微间隙放电，将过电压能量传到第二电极103,而导入地线。本 实施例的电流-电压曲线如图12所示。本发明的又一实施例取重量比15%的铂粉末、重量比45%的氧化铝粉末、重量比15 %的玻璃粉末与重量比25%的乙基纤维树脂溶液，以三滚筒混练，形成可以印刷的材料 膏，制作成与上一实施例相同的结构。本实施例的电流-电压曲线如图13所示。上文已充分揭示本发明的特点和技术内容，所属领域的技术人员可依据本发明的揭 示内容和教示而作各种不脱离本发明精神的替代或修改，因此本发明的保护范围不应仅 限于所揭示的实施例，而应涵盖这些替代和修改。
权利要求
1.一种过电压保护元件的材料，其包含一非导体粉末；一金属导体粉末；和一黏结剂。
2. 根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述非导体粉末的粒径在1到 50 (xm之间。
3. 根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述金属导体粉末的粒径在 0.01至U 5 jim之间。
4. 根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述黏结剂包含一玻璃粉末。
5. 根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述黏结剂包含一聚合树脂溶液。
6. 根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述黏结剂包含一玻璃粉末和 一聚合树脂溶液。
7. 根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述非导体粉末为一高熔点的 碳化物。
8. 根据权利要求7所述的过电压保护元件的材料，其中所述高熔点的碳化物为碳化硅。
9. 根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述非导体粉末为一高熔点的 氧化物。
10. 根据权利要求9所述的过电压保护元件的材料，其中所述高熔点的氧化物为氧化铝。
11. 根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述非导体粉末为一高温玻璃 粉末。
12. 根据权利要求11所述的过电压保护元件的材料，其中所述高温玻璃粉末为一碳化 硅含量为90%以上的玻璃粉末。
13. 根据权利要求1所述的过电压保护元件的材料，其中所述金属导体粉末选自下列金属组成的群组，其混和物或其合金铝、金、镍、铜、铬、铁、锌、铌、钼、钌、铅、铱、钛、银、钯、铂和鸨。
14. 一种制造一过电压保护元件的方法，其包含均匀混和一预定比例的一非导体粉末、一金属导体粉末和一黏结剂以形成一材料 膏；在一衬底上印刷所述材料膏；和将所述衬底进行一烧成处理以产生所述过电压保护元件。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述在所述衬底上印刷所述材料膏的步骤包含在所述衬底上形成一第一电极和一第二电极；和在所述衬底上印刷所述材料膏，所述材料膏部分地重迭在所述第一电极和所述第二电极上。
16. 根据权利要求14所述的方法，其中所述在所述衬底上印刷所述材料膏的步骤包含在所述衬底上形成一第一电极；将所述材料膏印刷在所述衬底上，所述材料膏部分地与所述第一电极重迭；和 在所述衬底上产生一第二电极，所述第二电极部分地与所述材料膏重迭。
17. 根据权利要求14所述的方法，如果黏结剂为一玻璃粉末，那么其烧成处理在300到12ocrc之间进行。
18. 根据权利要求14所述的方法，如果黏结剂为一聚合树脂溶液，那么其烧成处理在 室温到600'C之间进行。
19. 根据权利要求14所述的方法，如果黏结剂为一玻璃粉末和一聚合树脂溶液，那么 其烧成处理在300到600'C之间进行。
20. —种过电压保护元件，其包含一第一电极； 一第二电极；和一多孔结构，其连接在所述第一电极和所述第二电极之间，其中所述多孔结构是 使用根据权利要求1到13中任一权利要求所述的过电压保护元件的材料进行一烧 成处理而产生。
21. 根据权利要求20所述的过电压保护元件，其中所述多孔结构的孔隙在10pm以下。
22. 根据权利要求20所述的过电压保护元件，其中所述多孔结构的孔隙占其体积的5% 到90%之间。
23. 根据权利要求20所述的过电压保护元件，其进一步包括一衬底，其中所述第一电 极和所述第二电极均附着在所述衬底上并相隔一间隙，并且所述多孔结构附着在部 分所述第一电极和所述第二电极上方和所述间隙中。
24.根据权利要求20所述的过电压保护元件，其进一步包括一衬底，其中所述第一电极 附着在所述衬底上，所述多孔结构附着在所述衬底和所述第一电极上，且所述第二 电极附着在所述衬底和所述多孔结构上方。
全文摘要
本发明涉及一种过电压保护元件的材料和使用所述材料制造的过电压保护元件。所述材料包含一非导体粉末；一金属导体粉末；和一黏结剂。所述过电压保护元件包含一第一电极；一第二电极；和一多孔结构，其连接在所述第一电极与一第二电极之间。本发明还涉及一种制造所述过电压保护元件的方法。本发明还涉及一种调整过电压保护元件的崩溃电压的方法。
文档编号H01B1/00GK101162619SQ200610141109
公开日2008年4月16日 申请日期2006年10月9日 优先权日2006年10月9日
发明者刘德邦, 张琇云 申请人:佳邦科技股份有限公司