[發明專利]過電壓保護元件的材料、過電壓保護元件及其制造方法

無效

• 申請號: 200610141109.2
• 申請日: 2006-10-09
• 公開（公告）號: CN101162619A
• 公開（公告）日: 2008-04-16
• 發明（設計）人: 劉德邦;張琇云
• 申請（專利權）人: 佳邦科技股份有限公司
• 主分類號: H01B1/00
• 分類號: H01B1/00;H01B1/14;H01C7/12
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 王允方;王東

技術領域

本發明涉及一種過電壓保護元件的材料與結構。本發明還涉及一種制造所述過電壓保護元件的方法。

背景技術

一般過電壓保護元件，在正常狀態下與希望保護的系統并聯，并呈現高阻抗狀態連接地線。而在不正常的電荷進入所述元件時(過電壓產生)，瞬間由高阻抗轉變成低阻抗，而將此不正常的入侵能量導入地線。

瞬間由高阻抗轉變成低阻抗，也稱作元件作動。當時觀察到的電壓，稱作崩潰電壓(breakdown?voltage)，也稱作觸發電壓(trigger?voltage)。

尖端放電原理，是電荷從一個導體，跳躍到另一個導體，通常觸發電壓隨著兩個導體的間距(gap)縮小而降低。

氣體放電管(gas?tube)是一種常見的過電壓保護元件：讓過電壓能量，在一電極表面產生尖端放電現象，而通過特定氣體，通常是氬氣，導入地線，也就是所述電極表面與地線之間為一中空氣室。放電動作的觸發電壓視所述電極與地線的間距而定。一般來說，間距越小，越容易放電，此時觀察到的觸發電壓越小。如果間距過大，那么所述電極需要累積的電荷要越多，才會放電，所以放電時觀察到的觸發電壓越大。由于元件與希望保護系統呈現并聯狀態，所以一般希望放電時的觸發電壓越小越好，然而氣體放電管的放電間距都是以毫米(mm)為單位，而且只有一個放電點，因此作動時的觸發電壓都很高。同時此種元件作動時，外觀不可以出現「火花」，因此必須讓放電的電弧包覆在一定空間內，所以必需將尖端與地線以圓管等各種形狀的容器密閉起來，且因為放電會產生熱，因此所述密閉容器通常需要具有不小的體積以利于散熱，因此所述元件很難將其芯片(chip)化，對現代化輕薄短小的設計，顯然難以采用。

然而利用尖端放電原理的保護元件，與其它過電壓保護元件最大不同是，放電時兩個電極之間為一個中空狀態。所述中空狀態，可以是真空，也可以是氣體。能量由尖點釋放，通過所述中空而進入地線，不論作動幾次，幾乎沒有材料壽命的問題。而觀察市面上已經商品化的其它類型的保護元件，例如二極管和氧化鋅(ZnO)變阻器等，其主要成分多是半導體或半導體氧化物，由于能量必須進入半導體或半導體氧化物內，經過多次作動后，常會發現擊穿、阻抗降低、漏電流上升或短路的現象，因此造成使用壽命的限制。

現有技術1(本案申請人的中華民國專利公告號第253881號案)利用精密加工，使得兩個相對電極之間形成5到30μm之間的電極間隙，也就是放電間距在5到30μm之間。而使放電能量從一端電極，通過中空氣室放電到另一端的電極。此方法等于是氣體放電管的縮小版，但是生產時需要精密的加工或控制，使每一個元件的電極間間隙在設計的的范圍內，因此存在其設備上的成本與電極間隙的限制。

現有技術2(本案申請人的中華民國專利公告號第475183號案)以具有P-N界面的材料作為主要基礎基質。因此所制成的元件材料結構中有P-N混和的界面，部分放電能量會通過所述界面，也就是進入此基礎基質的材料內部，因為不是所有具有P-N界面的材料，可以承受放電能量，所以壽命較短的疑慮，必須依靠額外的成本，開發所述基礎基質材料。

基本上所述粉體材料具有P-N界面，因此不屬于「非導體」材料。

現有技術3(本案申請人的美國專利第6,645,393號案)與現有技術2類似，以氧化鋅變阻器材料取代具有P-N界面的材料，因此其特色已在前文中描述。而實際制作所述元件，可以觀察到由于氧化鋅的熔點約1700℃，在經過長時間與多次放電沖擊后，所述氧化鋅材料有時會被擊穿而熔化。

基本上氧化鋅變阻器材料具有非線性阻抗(non-linear?resistance)且屬于可變電阻材料(variable?resistor)，因此也不屬于本發明的「非導體」材料。

現有技術4(美國專利第5,068,634號案)揭示的材料結構為導體粉末分散在絕緣的黏結劑(binder)中，且導體粉末完全被黏結劑包覆，導體粉末之間被黏結劑所隔開。其放電的機制是控制于導體間，也就是完全包覆住導體之外的那一層黏結劑的厚度，來決定放電電壓的大小。這種方法所得到的電流-電壓曲線(I-V?curve)如圖1所示。

與傳統變阻器相同，其放電能量一定會經過兩個導體之間的黏結劑，而黏結劑必須承受所述放電能量，因此所述黏結劑有可能被燒毀，而使得原來絕緣兩個導體的功能喪失，造成元件短路。