[发明专利]单层及多层可变电压保护装置及其制作方法

说明书

本发明涉及一种可变电压保护装置，用于保护电子线路免受由闪电、电磁脉冲、静电放电、接地环路感应瞬变、或感应电涌所引起的过压瞬变带来的侵害。本发明尤其涉及制作可变电压保护部件的材料以及制作可变电压保护部件的方法和装置。

电压瞬变可能引起极高的电流和电压，穿透电气设备并损害它们，或者导致硬件损害，如半导体烧坏，或者引起电子故障，如传输信号丢失或存储数据的丢失。电压瞬变产生带有高峰电流的巨大电压尖峰(即：过压)。有三种基本的过压危险情况：静电放电、线路瞬变和闪电。典型的静电放电发生于从人体逸出的静电荷与一个正在运行的电子系统或集成电路芯片直接产生物理接触。线路瞬变就是交流电路中的电涌。线路瞬变也可能因为关闭开关或启动马达而产生。闪电电弧可以袭击静止目标，如一幢大楼，或运动目标，如飞机或导弹。这类电弧可以突然增加一个系统的电子设备的负载。处于高峰时，每一种这样的危险情况都可能摧毁一块集成电路芯片的敏感结构。

以前人们一直在使用各种各样的过压保护材料。这些材料属于非线性阻抗材料，又称为电压可变材料。在操作中，电压可变材料在初始状态具有很高的电阻抗。当电路经受到一次过压打击时，电压可变材料迅速改变成低电阻抗状态，使过压同地线短路。当过压过去之后，电压可变材料立刻转换回高电阻抗状态。电压可变材料的关键运作参数为反应时间，箝位电压和电压峰值。电压可变材料从绝缘状态转换到导电状态所花费的时间就是反应时间。电压可变材料限制电压涌动时的电压即为箝位电压。换句话说，当材料转换为导电状态后，该材料要确保集成电路芯片不至于有高于箝位电压的电压。电压可变材料将从绝缘状态转换为导电状态(在涌动条件下)时的电压就是开关电压。这些材料典型地由分布在有机树脂或绝缘介质上的、精细分割的粒子构成。例如，美国专利4977357号(Shrier)和美国专利4726991号(Hyatt et al.)披露了这类材料。

电压可变材料和包含电压可变材料的部件一直被以各种方法用于过压保护装置。例如，美国专利5142263号和美国专利5189387号(两者皆发授权给Childers et al.)披露了一种表面封装装置，它由一对导电片和放置在该对导电片之间的电压可变材料组成。美国专利4928199号(Diaz etal。)披露了一种集成电路封装件，它由一个引线架，一块集成电路芯片——该芯片被一个一端接地的电极所保护——和一个可变电压开关装置——该装置包含与电极的另一端相连接的电压可变材料——组成。美国专利5246388号(Collins et al.)说明了一种装置，该装置中第一组电气接头与一个电气连接器的信号接头互连，第二组接头接地，一个刚性的塑料套固定第一和第二组接头，从而形成一个细小的隙缝以便用过压材料填充。美国专利5248517号(Shrier et al.)披露了将电压可变材料涂或印在一个基片上的方法，以便得到具有大面积和精致表面的电压可变材料的共形涂层。通过直接将电压可变材料印制在基片上的方法，电压可变材料既可以用作一个分离装置也可以用作所连接电路的一部分。

上述美国专利在此作为参考。

虽然现有技术披露了各种材料和装置，但人们还是不断有迫切需要，希望提供改进的、成本效益更好的电压可变材料和性能更加一致的装置，以防止在该材料和装置所使用的各种条件下箝位电压的变化。

本发明在一个方面包括一种可变电压保护装置，该装置是由放置在一个接地平面和一个电子装置的电导体之间的一层净介电聚合物，玻璃或陶瓷组成。人们已经惊奇的发现，通过这类聚合物，玻璃或陶瓷层，可以有效的提供过压保护，只要该聚合物，玻璃或陶瓷层足够薄，能为给定的电子装置，给定的保护装置提供所希望的开关转换和电压箝位特性。已经发现，对某些聚合物而言，厚度必须小于0.0406毫米(1.6密耳)，而对另外的聚合物而言，厚度必须小于0.0203毫米(0.8密耳)，最好小于0.0127毫米(0.5密耳)，小于0.0051毫米(0.2密耳)则更理想。对某些玻璃和陶瓷而言，厚度必须小于0.127毫米(5密耳)，最好小于0.0965毫米(3.8密耳)，小于0.0406毫米(1.6密耳)则更理想，在很多应用场合下，厚度最好小于0.0203毫米(0.8密耳)。