專利名稱：過電壓保護(hù)元件的材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種過電壓保護(hù)元件的材料及其制造方法。
現(xiàn)有的氧化鋅變阻器的材料及其結(jié)構(gòu)，是以氧化鋅與B、Bi、Ba、Si、Sr、Pb、Pr、Co、Mn、Sb或Cr等氧化物或其混合材料所構(gòu)成，氧化鉍等是在氧化鋅的粒子間形成一晶界層，此種材料的結(jié)構(gòu)要求是將材料密度制作成接近理論密度的結(jié)構(gòu)，一般是在理論密度的90％以上，是一種商品化的產(chǎn)品，但此種元件卻具有高電容值的缺點(diǎn)。晶界層在電性的表現(xiàn)上類似一種電容器，因此這種材料所制成的變阻器具有較高的電容值，不適合用于高頻電路中，這是此種變阻器的一項(xiàng)重大的缺點(diǎn)。本發(fā)明的過電壓保護(hù)元件的材料，乃屬多孔性結(jié)構(gòu)，因此如果使用相同的材料組成及相同的元件結(jié)構(gòu)，也因?qū)俣嗫仔圆牧辖Y(jié)構(gòu)，而具有較低的電容值與漏電流，因此能適用于高頻電路中。
氧化鋅阻器的崩潰電壓與兩電極間的氧化鋅晶粒有關(guān)，如

圖1所示的傳統(tǒng)氧化鋅變阻器的顯微結(jié)構(gòu)，氧化鋅晶粒間存在一層晶界層，此晶界層為氧化鉍等氧化物，一般稱為富鉍區(qū)，氧化鋅與富鉍區(qū)間形成一P-N界面，如果從電極的一端到另一端，以N表示氧化鋅半導(dǎo)體，以P表示富鉍區(qū)，因此變阻器的P-N結(jié)構(gòu)可表示為E-P-N-P-N-……-N-P-N-P-E其中，E為導(dǎo)體電極，每個(gè)P-N界面皆存在一崩潰電壓Vb1，假設(shè)電極間總共存在X個(gè)P-N界面，崩潰電壓Vb可描述為Vb＝∑Vb1。
過去發(fā)表的過電壓保護(hù)元件的材料，曾經(jīng)在US Pat.4,726,991發(fā)表了一種材料，其材料結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體或半導(dǎo)體粉末被覆一層絕緣層，此絕緣層小于數(shù)百埃(angstroms)的厚度，此種材料結(jié)構(gòu)在實(shí)用上存在一些缺點(diǎn)，首先，絕緣層的厚度僅在數(shù)百埃之內(nèi)，此厚度的制作過程的困難度極高，當(dāng)被覆的絕緣層厚度太薄時(shí)，易造成元件的短路，當(dāng)絕緣層厚度稍厚，卻又會(huì)提高崩潰電壓，這是使用絕緣層被覆于導(dǎo)體或半導(dǎo)體粉末表面的缺點(diǎn)。
同樣屬于被覆型材料，US Pat.5,294,374發(fā)表了一種材料，其材料結(jié)構(gòu)為導(dǎo)體粉末被覆一層絕緣層與沒有被覆的半導(dǎo)體的混合物，其被覆厚度介于70埃與1微米之間，其被覆層材料可以用半導(dǎo)體，基本上，這些材料都是以絕緣材料或半導(dǎo)體材料阻絕電流的通過，而達(dá)到高電阻的目的，但被覆層的厚度直接影響元件的崩潰電壓，因此厚度的均勻性十分重要。
本發(fā)明的目的在于提供一種過電壓保護(hù)元件的材料及其制造方法，依本發(fā)明的過電壓保護(hù)元件的材料，是一種粉體材料，粉體材料的顆粒本身具備P-N界面，因這種界面的存在，使粉體材料本身具備低漏電流特性，當(dāng)電路中有突波產(chǎn)生的情況時(shí)，電壓突然增加，材料便會(huì)瞬間崩潰，材料瞬間成為導(dǎo)體，而能當(dāng)作過電壓保護(hù)元件的材料，此為本發(fā)明的一個(gè)目的。
本發(fā)明為P-N界面的多孔性材料，材料結(jié)構(gòu)如圖2或圖3所示，從電極的一端到另一端，以P表示氧化鋅半導(dǎo)體，以N表示包覆層即含氧化鉍的氧化物，因此本發(fā)明的過電壓保護(hù)元件的P-N結(jié)構(gòu)可表示為E-P-N-P-S-P-N-P-……-P-N-P-S-P-N-P-E其中，P-N-P代表一顆晶粒，S表示晶粒與晶粒之間的間隔層，S可以是空氣或玻璃等的絕緣體，其間的崩潰電壓以Vs表示，也可以因晶粒與晶粒接觸而使得S不存在，每個(gè)P-N-P存在一崩潰電壓Vb2，電極間由數(shù)個(gè)晶粒所組成，因此元件的崩潰電壓可表示為Vb＝∑Vb2+∑Vs，因此本發(fā)明的過電壓保護(hù)元件的原理不同于傳統(tǒng)的過電壓保護(hù)元件。
以此粉體材料均勻分布于溶劑中、或均勻分布于含粘結(jié)劑(binder)的溶劑中、或與玻璃粉末均勻分布于溶劑中、或與玻璃粉末均勻分布于含粘結(jié)劑的溶劑中，而調(diào)成適當(dāng)?shù)暮隣铙w，填入有間距的電極間，再經(jīng)干燥、燒結(jié)后，使材料燒結(jié)成多孔性結(jié)構(gòu)體，此多孔性結(jié)構(gòu)體(或稱之為多孔性材料體)的密度控制在理論密度的30-90％之間，以此制成的元件具備了低電容值與低漏電流的優(yōu)點(diǎn)，此為本發(fā)明的另一目的。
現(xiàn)有的過電壓保護(hù)材料，有以絕緣材料隔絕導(dǎo)體或半導(dǎo)體粉末所構(gòu)成的元件，這些元件在制作上，極易因?qū)w粉末分布于絕緣材料時(shí)，發(fā)生導(dǎo)體粉末聚集在一起，而產(chǎn)生短路的情形，本發(fā)明的粉體材料本身具備P-N-P界面，因此電阻很高，粉體與粉體聚集在一起，并不影響元件的任何特性，不會(huì)有類似的短路現(xiàn)象發(fā)生，因此是一種制作優(yōu)良率很高且特性相當(dāng)穩(wěn)定的制作過程，此為本發(fā)明的另一目的。
現(xiàn)有的過電壓保護(hù)材料，有以絕緣材料被覆導(dǎo)體或半導(dǎo)體粉末表面為過電壓保護(hù)材料所構(gòu)成的元件，也有以絕緣材料隔絕導(dǎo)體或半導(dǎo)體粉末為過電壓保護(hù)材料所構(gòu)成的元件，這些絕緣材料的厚度直接影響元件的崩潰電壓，本發(fā)明的過電壓保護(hù)材料，粉體材料本身具備晶界層，因此元件的崩潰電壓與被覆層的厚度并無直接關(guān)系，而與P-N-P界面的數(shù)量、界面的崩潰電壓有關(guān)，因此本發(fā)明的元件崩潰電壓極易被控制，此為本發(fā)明的另一目的。
下面參照實(shí)施例以及附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)造、制造方法、應(yīng)用原理、作用與功效，作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1為傳統(tǒng)氧化鋅變阻器的材料結(jié)構(gòu)說明圖；圖2為本發(fā)明的過電壓保護(hù)元件的材料微觀結(jié)構(gòu)說明圖；圖3為本發(fā)明的過電壓保護(hù)元件的材料另一微觀結(jié)構(gòu)說明圖4為本發(fā)明的過電壓保護(hù)元件的制造流程圖；圖5為本發(fā)明制成的過電壓保護(hù)元件的實(shí)施例圖；圖6為本發(fā)明的過電壓保護(hù)元件的另一制造流程圖；圖7為本發(fā)明的過電壓保護(hù)材料的電子顯微照片；圖8為本發(fā)明的過電壓保護(hù)元件的靜電放電保護(hù)電壓反應(yīng)曲線；圖9為本發(fā)明的過電壓保護(hù)元件的靜電放電保護(hù)電流反應(yīng)曲線。
具體實(shí)施例之一圖2、圖3所示為粉體材料的微觀結(jié)構(gòu)，10為氧化鋅粉末，氧化鋅本身為N型半導(dǎo)體，室溫時(shí)的電阻系數(shù)只有Ω-cm，被覆層12其組成包括B、Bi、Ba、Si、Sr、Pb、Pr、Co、Mn、Sb或Cr等氧化物或其混合物，此為P型半導(dǎo)體，此被覆層與氧化鋅間形成一P-N界面，粉體呈現(xiàn)P型半導(dǎo)體被覆N型半導(dǎo)體的情況，因此為P-N-P的結(jié)構(gòu)，因此在平常的工作電壓下，呈現(xiàn)高電阻的狀況，當(dāng)有突波出現(xiàn)時(shí)，電壓迅速增加，當(dāng)達(dá)到界面的崩潰電壓的總合時(shí)，材料瞬間崩潰，此時(shí)的電阻僅在數(shù)Ω-cm間，允許大電流通過，而將突波能量導(dǎo)入地線，當(dāng)突波能量通過后，界面回到原來的高電阻狀態(tài)，這個(gè)過程就可以達(dá)到保護(hù)電路的目的。
本發(fā)明的過電壓保護(hù)材料的制造方法，如圖4所示，其各步驟的說明如下(1)，(2)步驟均勻混合氧化鋅粉與氧化鉍等P型半導(dǎo)體粉，其中，較佳的氧化鋅粉的重量百分比為50-97。
(3)，(4)步驟將(2)步驟的混合氧化物粉末，以800-1600℃的溫度煅燒，經(jīng)過煅燒(3)及研磨(4)后，材料的晶粒構(gòu)造即成為圖2所示，氧化鉍等P型半導(dǎo)體12與氧化鋅10間形成P-N界面的狀態(tài)。
(5)步驟將(4)步驟所得的粉體材料及玻璃粉末均勻分布于含粘結(jié)劑的溶劑中，而得到糊狀材料。
(6)步驟經(jīng)過(5)步驟所得的糊狀材料，即可如圖5所示覆蓋于電極21、22與基體30之上；再經(jīng)過干燥(7)、燒附(8)，即得到過電壓保護(hù)元件的成品。
具體實(shí)施例之二另一種材料組成仍可為此過電壓保護(hù)元件的材料，其中兩種陶瓷粉末分別為鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鈣或其混合物的陶瓷粉末，稱為A粉，另一種可為含Nb、Mn、Cu、Co、Si等氧化物或其混合物，稱為B粉，其制造方法，如圖6所示，其各步驟的說明如下(1)，(2)步驟均勻A粉與B粉，其中，較佳的A粉的重量百分比為70-95。
(3)，(4)步驟將(2)步驟的混合氧化物粉末，以800-1500℃的溫度煅燒，經(jīng)過煅燒(3)及研磨(4)后，兩半導(dǎo)體間形成P-N界面。
(5)步驟將(4)步驟所得的材料均勻分布于含粘結(jié)劑的溶劑中，而得到糊狀材料。
(6)步驟經(jīng)過(5)步驟所得的糊狀材料，即可如圖5所示覆蓋于電極21、22與基體30之上；再經(jīng)過干燥(7)、燒附(8)，即得到過電壓保護(hù)元件的成品。
由此粉體材料制成過電壓保護(hù)元件，材料的結(jié)構(gòu)體為多孔性結(jié)構(gòu)，如圖7所示的電子顯微鏡照片，其中較淡顏色者為粉體材料40，較深顏色者為氣室50，此材料密度被控制在為理論密度的30-90％。
圖8是本發(fā)明的靜電放電的電壓反應(yīng)曲線，圖9是本發(fā)明的靜電放電的電流反應(yīng)曲線，靜電來源為8kV，由該圖所示，可以很明顯地看出，材料崩潰后的狀況，此時(shí)允許大量的電流通過該元件，如圖9所示的電流曲線，而電壓峰(peak voltage)也僅在300V以下，如圖8所示的電壓曲線。
本發(fā)明的過電壓保護(hù)材料，具備過電壓保護(hù)材料的新穎性與實(shí)用性，此過電壓保護(hù)材料結(jié)構(gòu)的改變，使得所得的過電壓保護(hù)元件，更具有制造穩(wěn)定及特性穩(wěn)定的特點(diǎn)，同時(shí)還具有漏電流較低、電容小的優(yōu)點(diǎn)。
需要說明的是，以上所述的內(nèi)容是本發(fā)明具體的最佳實(shí)施例，所以按照本發(fā)明的構(gòu)想所作的改變，其產(chǎn)生的功能作用，未超出說明書與附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種過電壓保護(hù)元件的材料，其特征是，將至少兩種陶瓷粉末充分混合后煅燒，使其形成含P-N半導(dǎo)體界面的粉體材料。
2.如權(quán)利要求1所述的過電壓保護(hù)元件的材料，其特征是，所述粉體材料中的陶瓷粉末的其中一種為含氧化鋅的陶瓷粉末，另一種為含B、Bi、Ba、Si、Sr、Pb、Pr、Co、Mn、Sb或Cr等氧化物或其混合物所組成的陶瓷粉末。
3.如權(quán)利要求1所述的過電壓保護(hù)元件的材料，其特征是，所述粉體材料中的陶瓷粉末的其中一種為含鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鈣或其混合物的陶瓷粉末，另一種為含Nb、Mn、Cu、Co或Si等氧化物或其混合物所組成的陶瓷粉末。
4.如權(quán)利要求1所述的過電壓保護(hù)元件的材料，其特征是，所述粉體材料的平均粒徑介于0.1-100μm。
5.一種過電壓保護(hù)元件，其特征是由下列步驟制成首先是將至少兩種陶瓷粉末充分混合后煅燒，使其形成含P-N半導(dǎo)體界面的粉體材料，然后將粉體材料均勻分布于溶劑中，得到糊狀材料，再將此糊狀材料填入有間距的兩電極間，使糊狀材料同時(shí)接觸兩電極，最后干燥并燒附此糊狀材料，使材料粉體接合，得到多孔性材料體，即得到過電壓保護(hù)元件。
6.如權(quán)利要求5所述的過電壓保護(hù)元件，其特征是，所述的陶瓷粉末的其中一種為含氧化鋅的陶瓷粉末，另一種為含B、Bi、Ba、Si、Sr、Pb、Pr、Co、Mn、Sb、或Cr等氧化物或其混合物所組成的陶瓷粉末。
7.如權(quán)利要求5所述的過電壓保護(hù)元件，其特征是，所述的陶瓷粉末的其中一種為含鈦酸鋇、鈦酸鍶或鈦酸鈣或其混合物的陶瓷粉末，另一種為含Nb、Mn、Cu、Co或Si等氧化物或其混合物所組成的陶瓷粉末。
8.如權(quán)利要求5所述的過電壓保護(hù)元件，其特征是，所述多孔性材料體的材料密度在理論密度的30-90％之間。
9.一種過電壓保護(hù)元件的制造方法，其特征是，包括下列步驟將至少兩種陶瓷粉末充分混合后煅燒，使其形成含P-N半導(dǎo)體界面的粉體材料，均勻分布粉體材料于溶劑中，得到糊狀材料，將此糊狀材料填入有間距的兩電極間，使糊狀材料同時(shí)接觸兩電極，干燥并燒附此糊狀材料，使材料粉體接合，得到多孔性材料體，即得到過電壓保護(hù)元件。
10.如權(quán)利要求9所述的過電壓保護(hù)元件的制造方法，其特征是，所述溶劑中含有粘結(jié)劑。
11.如權(quán)利要求9或10所述的過電壓保護(hù)元件的制造方法，其特征是，所述粉體材料中添加有玻璃粉末。
12.如權(quán)利要求9或10所述的過電壓保護(hù)元件的制造方法，其特征是，所述陶瓷粉末的其中一種為含氧化鋅的陶瓷粉末，另一種為含B、Bi、Ba、Si、Sr、Pb、Pr、Co、Mn、Sb或Cr等氧化物或其混合物所組成的陶瓷粉末。
13.如權(quán)利要求9或10所述的過電壓保護(hù)元件的制造方法，其特征是，所述陶瓷粉末的其中一種為含鈦酸鋇、鈦酸鍶或鈦酸鈣或其混合物的陶瓷粉末，另一種為含Nb、Mn、Cu、Co或Si等氧化物或其混合物所組成的陶瓷粉末。
14.如權(quán)利要求9或10所述的過電壓保護(hù)元件的制造方法，其特征是，所述多孔性材料體的材料密度在理論密度的30-90％之間。
15.如權(quán)利要求11所述的過電壓保護(hù)元件的制造方法，其特征是，所述陶瓷粉末的其中一種為含氧化鋅的陶瓷粉末，另一種為含B、Bi、Ba、Si、Sr、Pb、Pr、Co、Mn、Sb或Cr等氧化物或其混合物所組成的陶瓷粉末。
16.如權(quán)利要求11所述的過電壓保護(hù)元件的制造方法，其特征是，所述陶瓷粉末的其中一種為含鈦酸鋇、鈦酸鍶或鈦酸鈣或其混合物的陶瓷粉，另一種為含Nb、Mn、Cu、Co或Si等氧化物或3其混合物所組成的陶瓷粉末。
17.如權(quán)利要求11所述的過電壓保護(hù)元件的制造方法，其特征是，所述多孔性材料體的材料密度在理論密度的30-90％之間。
全文摘要
一種過電壓保護(hù)元件的材料及其制造方法,其為均勻混合至少兩種陶瓷粉末,經(jīng)煅燒后形成具P－N界面的粉體材料,將此粉體材料均勻分布于含粘結(jié)劑的溶劑中,形成糊狀材料,將此糊狀材料填入有間距的電極間,再經(jīng)燒結(jié)使粉體接合,形成多孔性結(jié)構(gòu)體,而制成過電壓保護(hù)元件。此元件具備低漏電流、低電容及反應(yīng)速率快的優(yōu)點(diǎn),制作過程上也具備高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01C7/12GK1342985SQ0012476
公開日2002年4月3日 申請(qǐng)日期2000年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月14日
發(fā)明者李俊遠(yuǎn), 劉世寬 申請(qǐng)人:佳邦科技股份有限公司