阅读说明：本技术 具有改进的能量处理能力的级联变阻器 (Cascaded varistor with improved energy handling capability ) 是由 M.柯克 M.贝罗里尼 P.拉文德拉纳坦 于 2019-03-04 设计创作，主要内容包括：提供了一种变阻器,该变阻器具有限定沿长度方向偏移的第一和第二相对端面的矩形构造。变阻器可以包括邻近第一相对端面的第一端子和邻近第二相对端面的第二端子。变阻器可以包括有源电极层,该有源电极层包括与第一端子电连接的第一电极和与第二端子电连接的第二电极。第一电极可以在长度方向上与第二电极间隔开,以形成有源电极端部间隙。变阻器可以包括具有浮动电极的浮动电极层。浮动电极层可以在高度方向上与有源电极层间隔开,以形成浮动电极间隙。有源电极端部间隙与浮动电极间隙的比可以大于约2。(A varistor is provided having a rectangular configuration defining first and second opposed end faces offset along a length direction. The varistor may include a first terminal adjacent the first opposing end face and a second terminal adjacent the second opposing end face. The varistor may include an active electrode layer including a first electrode electrically connected to the first terminal and a second electrode electrically connected to the second terminal. The first electrode may be spaced apart from the second electrode in a length direction to form an active electrode end gap. The varistor may include a floating electrode layer having a floating electrode. The floating electrode layer may be spaced apart from the active electrode layer in a height direction to form a floating electrode gap. The ratio of the active electrode tip gap to the floating electrode gap may be greater than about 2.)

具有改进的能量处理能力的级联变阻器

相关申请的交叉引用

本申请要求申请日为2018年3月5日的美国临时专利申请No.62/638，369的申请日权益，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本主题总体上涉及适于安装在电路板上的电子元件，更具体地说，涉及变阻器和变阻器阵列。

背景技术

多层陶瓷器件，例如多层陶瓷电容器或变阻器，通常由多个堆叠的电介质-电极层构成。在制造过程中，这些层通常可以被压制并形成垂直堆叠的结构。多层陶瓷器件可以包括单个电极或阵列中的多个电极。

变阻器是电压相关的非线性电阻，已被用作浪涌吸收电极、避雷器和电压稳定器。例如，变阻器可以与敏感的电子元件并联。变阻器的非线性电阻响应通常由称为钳位电压的参数表征。对于小于变阻器钳位电压的施加电压，变阻器通常具有非常高的电阻，因此，其作用类似于开路。然而，当变阻器暴露于大于其钳位电压的电压时，其电阻减小，使得变阻器的作用更类似于短路，并允许更大的电流流动。这种非线性响应可用于转移电流浪涌和/或防止电压尖峰损坏敏感的电子元件。

一段时间以来，各种电子元件的设计一直受到小型化的工业总趋势的驱动。电子元件的小型化导致了较低的工作电流和降低的耐用性。变阻器的电流和能量处理能力通常受到电流产生的热量的限制。如果太大的电流流过变阻器，变阻器将过热，导致诸如熔化、燃烧等损坏。

因此，具有改进的能量处理能力的紧凑型变阻器将是理想的。

发明内容

根据本公开的一个实施例，变阻器可以具有限定沿长度方向偏移的第一和第二相对端面的矩形构造。变阻器可以包括邻近第一相对端面的第一端子和邻近第二相对端面的第二端子。变阻器可以包括有源电极层，该有源电极层包括与第一端子电连接的第一电极和与第二端子电连接的第二电极。第一电极可以在长度方向上与第二电极间隔开，以形成有源电极端部间隙。变阻器可以包括具有浮动电极的浮动电极层。浮动电极层可以在高度方向上与有源电极层间隔开，以形成浮动电极间隙。有源电极端部间隙与浮动电极间隙的比可以大于约2。

根据本公开的另一实施例，变阻器可以包括第一端子、第二端子和多个有源电极层。多个有源电极层中的每一个可以与第一端子或第二端子中的至少一个电连接。变阻器可以包括以级联(cascade)配置与多个有源电极层交错的多个浮动电极层。变阻器的电容可以小于约100pF。

根据本公开的另一实施例，变阻器可以包括第一端子、第二端子和多个有源电极层。多个有源电极层中的每一个可以与第一端子或第二端子中的至少一个电连接。变阻器可以包括以级联配置与多个有源电极层交错的多个浮动电极层。变阻器的比瞬时能量能力可以大于约1×10⁷焦耳/立方米。

附图说明

在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本主题的完整且能够实现的公开，包括其最佳模式，该说明书参考了附图，其中:

图1A-1C示出了根据本公开各方面的变阻器的一个实施例的各种视图；

图2示出了根据本公开的方面的用于测试变阻器各种特性的示例性电流脉冲；和

图3示出了根据本公开的方面的变阻器的示例性测试期间的电流和电压。

在本说明书和附图中重复使用参考符号旨在表示本主题的相同或相似的特征、电极或步骤。

具体实施方式

本领域技术人员应当理解，本公开仅是示例性实施例的描述，并不旨在限制本主题的更广泛的方面，这些更广泛的方面体现在示例性构造中。

通常，本公开针对级联变阻器。变阻器可以具有优异的能量耗散特性。例如，变阻器的瞬时能量能力可以由静电放电(ESD)重复冲击处理能力、瞬时能量能力和/或比瞬时能量能力(单位体积能量)来表示。此外，根据本公开的方面，变阻器还可以表现出几个其他期望的特性，包括低电容(使得变阻器特别适用于电容敏感电路)和变阻器工作电压下的低泄漏电流。

变阻器可以包括限定出沿长度方向偏移的第一和第二相对端面的矩形结构。变阻器可以包括邻近第一相对端面的第一端子和邻近第二相对端面的第二端子。变阻器还可以包括有源电极层，该有源电极层包括与第一端子电连接的第一电极和与第二端子电连接的第二电极。第一电极可以在长度方向上与第二电极间隔开，以形成有源电极端部间隙。变阻器可以包括具有浮动电极的浮动电极层。浮动电极层可以在高度方向上与有源电极层间隔开，以形成浮动电极间隙。有源电极端部间隙与浮动电极间隙的比可以大于约2。

不限于理论，上述级联构造可以有助于增加能量处理能力。例如，在大于变阻器击穿电压的电压下，浮动电极(一个或多个)可以改善端子之间的导电。然而，对于低于击穿电压的电压，浮动电极(一个或多个)可能不会损害变阻器的性能。此外，浮动电极可以改善约长度方向上的热传导，从而改善散热。在大电流/能量浪涌期间，电流流过电介质层时会产生热量。浮动电极层(一个或多个)可以有助于改善热量从电介质层的中部向外流向端子，在端子处热量可以更容易地消散。结果，变阻器能够处理更大的能量浪涌而不会过热。因此，浮动电极层(一个或多个)可以改善变阻器的能量处理能力。

电介质层可以被压在一起并烧结以形成整体结构。电介质层可以包括任何合适的电介质材料，例如钛酸钡、氧化锌或任何其他合适的电介质材料。电介质材料中可以包括各种添加剂，例如，产生或增强电介质材料的电压相关电阻的添加剂。例如，在一些实施例中，添加剂可以包括钴、铋、锰或其组合的氧化物。在一些实施例中，添加剂可以包括镓、铝、锑、铬、钛、铅、钡、镍、钒、锡或其组合的氧化物。电介质材料可掺杂范围从约0.5摩尔百分比至约3摩尔百分比的添加剂(一种或多种)，在一些实施例中，从约1摩尔百分比至约2摩尔百分比。电介质材料的平均粒度可以有助于电介质材料的非线性特性。在一些实施例中，平均粒度可以为约10微米至100微米的范围，在一些实施例中，为约20微米至80微米的范围。

变阻器的端子和电极可以由各种导电材料形成。导电材料的例子包括钯、银、铂和铜。可以使用能够印刷在电介质层上的任何其他合适的导体来形成电极和/或端子。

不管所采用的具体配置如何，本发明人已经发现，通过对电极的配置以及有源电极端部间隙对浮动电极间隙之比的选择性控制，可以实现表现出优异能量处理能力的变阻器。在一些实施例中，有源电极端部间隙对浮动电极间隙的比可以大于约2。例如，在一些实施例中，该比可以为从约2到约50的范围，在一些实施例中为从约2到约30，并且在一些实施例中为从约3到约25。

有源电极端部间隙的范围可以为从约100微米到约1000微米，并且在一些实施例中为从约200微米到约800微米。浮动电极间隙的范围可以为从约15微米到约300微米，并且在一些实施例中为从约25微米到约150微米。

如上所述，变阻器可以表现出优异的能量处理能力。例如，变阻器可以具有由10×1000微秒脉冲确定的瞬时能量能力，其大于约0.01焦耳，在一些实施例中大于约0.03焦耳，在一些实施例中大于约0.04焦耳。例如，在一些实施例中，瞬时能量能力可以为约0.02至约0.04焦耳的范围。

此外，变阻器可以是紧凑的，导致出色的比瞬时能量能力。例如，变阻器的比瞬时能量能力可以大于6×10⁷焦耳/立方米(J/m³)。在一些实施例中，比瞬态能量能力可以为从约1×10⁷J/m³到约20×10⁷J/m³的范围，在一些实施例中为从约1.5×10⁷J/m³到约10×10⁷J/m³，并且在一些实施例中为从约2×10⁷J/m³到约7×10⁷J/m³。

在一些实施例中，根据本公开的一些方面的变阻器能够承受重复的静电放电冲击，而性能没有显著下降。例如，在约8000伏的5000次或更多次静电放电之后，变阻器的击穿电压可以大于变阻器的初始击穿电压的约0.9倍，在一些实施例中大于初始击穿电压的约0.95倍，并且在一些实施例中大于初始击穿电压的约0.98倍。

在一些实施例中，根据本公开的方面的变阻器也可以表现出低电容。例如，变阻器可以具有小于约100皮法(“pF”)的电容。例如，在一些实施例中，变阻器可以具有小于约50pF的电容，在一些实施例中小于约20pF，在一些实施例中小于约10pF。例如，在一些实施例中，变阻器可以具有范围从约0.1pF到约20pF的电容，在一些实施例中为从约0.1pF到约10pF，在一些实施例中为从约0.7pF到约5pF，并且在一些实施例中为从约0.1pF到约1pF。

在一些实施例中，变阻器可以表现出低泄漏电流。例如，在约30伏的工作电压下的泄漏电流可以小于约10微安(μA)。例如，在一些实施例中，在约30伏的工作电压下的泄漏电流可以为从0.01μA到约5μA的范围，在一些实施例中，为从约0.005μA到约1μA，在一些实施例中，为从约0.05μA到约0.15μA，例如0.1μA。

现在参考附图，现在将详细讨论本公开的示例性实施例。图1A-1C示出了根据本公开各方面的变阻器10的一个实施例。图1A是示出变阻器10的一个实施例的各个层的示意性截面图。在一个实施例中，变阻器10可以包括由例如陶瓷电介质材料制成的多个大致平面的电介质层，如上所述。

参考图1A，变阻器10可以包括沿Z方向13堆叠的多个有源电极层12。每个有源电极层12可以包括与第一端子16电连接的第一电极14和与第二端子20电连接的第二电极18。每个第一电极14可以在长度方向22上与同一有源电极层12内的相应第二电极18间隔开，以形成有源电极端部间隙24。长度方向22通常可以垂直于高度方向13。

变阻器10还可以包括多个浮动电极层26。多个浮动电极层26可以交替配置(例如，交错)在相应的成对有源电极层12之间。每个浮动电极层26可以包括浮动电极28。在一些实施例中，浮动电极28可以不与任何外部结构直接电连接。例如，浮动电极28可以与端子16、20电断开。在一些实施例中，相对于约长度方向22，浮动电极28通常可以设置在浮动电极层26的中间。例如，浮动电极层26可以在长度方向22上距第一端子16和第二端子20中的每一个近似相等的距离设置。

在一些实施例中，变阻器10还可以包括多个电介质层40。例如，电介质层40可以以交替的方式设置在有源电极层12和浮动电极层26之间。尽管图示为设置在每个有源电极层12和相邻浮动电极层26之间，但是在一些实施例中，电介质层40可以设置在少于所有的有源电极层12和相邻浮动电极层26之间。另外，在一些实施例中，每个电介质层40可以具有大致相同的厚度。然而，在其他实施例中，电介质层40可以具有变化的厚度，使得浮动电极28和相邻有源电极16、18之间的距离可以在变阻器10内变化。

浮动电极层26可以在高度方向13上与相邻的有源电极层12间隔开，以形成浮动电极间隙42。如上所述，在一些实施例中，有源电极端部间隙24与浮动电极间隙42的比率可以大于约2。

另外，在一些实施例中，第一电极14和/或第二电极18可以沿着重叠距离44在约长度方向22上与浮动电极28重叠。有源电极层12可以在第一端子16和第二端子20之间在长度方向22上具有长度46。重叠比可以定义为有源电极层12的长度46除以重叠距离44。如上所述，在一些实施例中，重叠比可以大于约5。电容可以沿着第一和第二电极14、18与浮动电极28之间的重叠距离44形成。因此，具有大于约5的重叠比可以降低这种电容，而不会显著降低变阻器10的能量耗散能力。然而，在其他实施例中，第一和第二电极14、18可以不与浮动电极层28重叠。在其他实施例中，重叠比可以小于约5。

还应该理解，本公开不限于任何特定数量的电介质电极层。例如，在一些实施例中，变阻器10可以包括2个或更多个电介质电极层、4个或更多个电介质电极层、8个或更多个电介质电极层、10个或更多个电介质电极层、20个或更多个电介质电极层、30个或更多个电介质电极层，或者任何合适数量的电介质电极层。

参考图1B和1C，变阻器10可以具有第一端面30。尽管从图1B和1C的视角来看没有示出，但是应当理解，变阻器10可以包括与第一端表面30相对并且在长度方向22上偏移的第二端表面32。变阻器10也可以具有第一侧表面34，并且尽管从图1B和1C的视角来看没有示出，但是应当理解，变阻器可以包括与第一侧表面34相对的第二侧表面36，并且在垂直于长度方向22的宽度方向38上偏移。

图1B示出了没有端子的变阻器10(例如，在端子形成在变阻器10上之前)。在一些实施例中，变阻器10的顶层可以包括暴露的有源第一和第二电极14、18。第一电极14的边缘可以延伸到第一端面30，第二电极18的边缘可以延伸到第二端面32以与端子16、20连接。另外，在其他实施例中，第一和第二电极16、18也可以延伸到侧表面34、36，以提供与端子的改善连接，在这样的实施例中，端子可以被配置成绕侧表面弯曲。

参考图1C，变阻器10可以包括用于将变阻器10的有源电极14、18电连接到电路(例如，在印刷电路板上)的端接结构。端接结构可以包括第一端子16和第二端子20。第一和第二端子16、20可以包括铂、铜、钯银或其他合适的导体材料的金属化层。铬/镍层，随后是银/铅层，通过典型的处理技术如溅射来施加，可以用作端接结构的外部导电层。

如图1C所示，第一端子16可以设置在变阻器10的第一端面30上，使得其与第一电极14电连接。换句话说，第一电极14可以在第一端表面30处与第一端子16电连接。第二端子20可以在第二端面32处与第二端子20电连接。

在一些实施例中，变阻器10的顶部电介质层和/或底部电介质层可以包括虚置电极(dummy electrode)。虚置电极可以改善端子16、20对变阻器10的机械粘附，而基本上不会对变阻器10的电特性有所贡献。例如，虚置电极在长度方向22上可以比有源电极14、18短。虚置电极可以形成在任何电介质层40中，以改善与端子14、18的电连接和/或改善端子14、18的形成(例如，通过无电和/或电解电镀，例如通过使用精细铜端接工艺)。

应用

这里公开的变阻器可以在各种各样的装置中找到应用。例如，变阻器可用于射频天线/放大器电路。变阻器还可以应用于各种技术，包括激光驱动器、传感器、雷达、射频识别芯片、近场通信、数据线、蓝牙、光学、以太网以及任何合适的电路。

本文公开的变阻器也可以在汽车工业中找到特定的应用。例如，变阻器可用于汽车应用中的任何上述电路。对于这种应用，可能要求无源电子元件满足严格的耐用性和/或性能要求。例如，AEC-Q200标准规定了某些汽车应用。根据本公开各方面的变阻器能够满足一个或多个AEX-Q200测试，例如包括AEX-Q200-002脉冲测试。

超低电容变阻器可以在数据处理和传输技术中找到特殊的应用。例如，本公开的方面针对表现出小于约1pF的电容的变阻器。例如，这种变阻器可以使高频数据传输电路中的信号失真最小。

参考以下实施例可以更好地理解本公开。

示例

如现有技术中已知的，电子设备的外壳尺寸可以表示为四位数代码(例如XXYY)，其中前两位数字(XX)是以毫米(或千分之一英寸)为单位的设备长度，后两位数字(YY)是以毫米(或千分之一英寸)为单位的设备宽度。例如，常见的标准外壳大小可包括2012、1608和0603。

示例性的0402外壳尺寸的变阻器在1MHz时可以表现出0.8皮法的电容。0402外壳大小的变阻器可具有15伏的工作DC电压、125伏的击穿电压和100纳安的工作DC电压下的泄漏电流。

根据本公开的方面，变阻器可以具有高比能量能力。下表列出了示例性高比能量能力变阻器:

表1:高比能量能力变阻器

列出的DC工作电压和AC工作电压不是要限制这些示例性变阻器的应用。相反，它们只是理想工作电压的指示。如表中所示，列出的工作电压远低于击穿电压，使得变阻器通常可以在其工作电压下提供高电阻(例如，有效地作为开路工作)，以防止不希望的电流流动。例如，上述每个变阻器在DC工作电压下具有约0.1μA或更小的泄漏电流。

上面列出的0402变阻器可以具有范围从约15密耳到约20密耳的有源电极端部间隙和范围从约1密耳到约5密耳的浮动电极间隙。这样，这些示例0402变阻器的有源电极端部间隙与浮动电极间隙的比可以是约3至约18的范围。

上面列出的0603变阻器可以具有范围从约22密耳到约28密耳的有源电极端部间隙和范围从约1密耳到约5密耳的浮动电极间隙。这样，这些示例0603变阻器的有源电极端部间隙与浮动电极间隙的比可以是约4至约23的范围。

下表提供了关于根据本公开各方面的示例性超低电容变阻器的信息:

表2:超低电容变阻器

所列电容值是在上述测试频率下测量的。这些示例性超低电容变阻器可以在数据传输和/或处理技术中找到特定的应用。

测试方法

以下部分提供了测试变阻器以确定各种变阻器特性的示例方法。

瞬时能量能力

变阻器的瞬时能量能力可以使用Keithley 2400系列源测量单元(SMU)测量，例如Keithley 2410-C SMU。变阻器会受到10×1000μs电流波的影响。可以根据经验选择峰值电流值，以确定变阻器能够耗散而不会失效(例如，由于过热)的最大能量。图2示出了示例性电流波。电流(垂直轴202)相对于时间(水平轴204)绘制。电流增加到峰值电流值206，然后衰减。“上升”时间段(由垂直虚线206示出)是从电流脉冲的开始(在t＝0)到电流达到峰值电流值206的90％时(由水平虚线208示出)。“衰减时间”(由垂直虚线210示出)是从电流脉冲的开始(在t＝0)到电流返回峰值电流值206的50％(由水平虚线212示出)的时间。对于10×1000μs的脉冲，“上升”时间是10μs，而衰减时间是1000μs。

在通过变阻器的脉冲期间，可以测量变阻器两端的电压。图3示出了变阻器两端的电压(水平轴302)相对于通过变阻器的电流(垂直轴304)的示例图。如图3所示，一旦电压超过击穿电压306，则流过变阻器的额外电流不会显著增加电压。换句话说，变阻器将电压“钳住”约等于钳位电压308。

变阻器10的瞬时能量处理能力可以通过计算已经通过变阻器10的能量来确定。更具体地，额定瞬态能量可以通过对脉冲期间测量的电流和测量的电压相对于时间的乘积进行积分来计算:

E＝∫IVdt

其中E是由变阻器消耗的总能量；I是通过变阻器的瞬时电流；V是变阻器两端的瞬时电压；t代表时间。

另外，为了确定变阻器的静电放电能力，可以进行一系列重复的静电放电冲击。例如，可以对变阻器施加5000伏或更多8000伏的静电放电冲击。变阻器的击穿电压可以在这一系列冲击过程中定期测量(如下所述)。可以测量静电放电冲击后变阻器的击穿电压，并与冲击前的初始击穿电压进行比较。

钳位和击穿电压

变阻器的钳位电压可以使用Keithley 2400系列源测量单元(SMU)测量，例如Keithley 2410-C SMU。再次参考图3，钳位电压308可以被精确地测量为在8×20μs的电流脉冲期间在变阻器两端测量的最大电压，其中上升时间是8μs，衰减时间是20μs。只要峰值电流值310不太大而损坏变阻器，则这就是正确的。

击穿电压306可被检测为变阻器的电流对电压关系中的拐点。参考图3，对于大于击穿电压306的电压，与小于击穿电压306的电压相比，随着电压的增加，电流可以更快地增加。例如，图3表示电流对电压的对数-对数图。对于小于击穿电压306的电压，理想的变阻器通常可以大致根据以下关系呈现电压:

V＝CIβ

其中，V代表电压；I代表电流；和β是常数，取决于变阻器的特性(例如，材料特性)。对于变阻器，常数β通常小于1，因此根据欧姆定律，在该区域中，电压的增加比理想电阻器慢。

然而，对于大于击穿电压306的电压，电流对电压的关系通常可以近似遵循欧姆定律，其中电流与电压线性相关:

V＝IR

其中，V代表电压；I代表电流；并且R是大的恒定电阻值。可以如上所述测量电流与电压的关系，并且可以使用任何合适的算法来确定经验收集的电流与电压数据集的拐点。

峰值电流值

变阻器可以在不损坏的情况下处理的峰值电流值可以使用Keithley 2400系列源测量单元(SMU)以与上述瞬时能量能力类似的方式进行测量。变阻器可以在增加的电流水平下经受连续的8×20μs的电流脉冲。峰值电流值可以根据经验确定为最大电流值，该最大电流值可以使用8×20μs电流波而脉冲通过变阻器而不会损坏变阻器，例如通过过热。

电容

超级电容器的电容可使用Keithley 3330Precision LCZ计测量，DC偏置为0.0伏、1.1伏或2.1伏(0.5伏均方根正弦信号)。除非以上表2中另有规定，否则工作频率为1000Hz。温度为室温(～23℃)，相对湿度为25％。

在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以实施本发明的这些和其他修改和变化。此外，应当理解，各种实施例的方面可以全部或部分互换。此外，本领域的普通技术人员将理解，前面的描述仅仅是示例性的，并不旨在限制在所附权利要求中进一步描述的本发明。