阅读说明：本技术 包括结构弹性电气瞬态材料的电路保护设备及其制造方法 (Circuit protection device including structurally resilient electrical transient material and method of making same ) 是由 陈建华 曾俊昆 成浩 D·纳亚尔 于 2017-03-31 设计创作，主要内容包括：公开了结构支撑的电气瞬态材料。此外,本发明还公开了提供结构支撑的电气瞬态材料的方法。在一个具体实施中,结构支撑的电气瞬态材料包括被电气瞬态材料至少部分地覆盖的支撑结构。在一个示例中,支撑结构为至少部分地集成在电气瞬态材料中的网状材料。(structurally supported electrical transient materials are disclosed. In addition, methods of providing structurally supported electrical transient materials are also disclosed. In one implementation, the structurally supported electrical transient material includes a support structure at least partially covered by the electrical transient material. In one example, the support structure is a mesh material at least partially integrated in the electrical transient material.)

包括结构弹性电气瞬态材料的电路保护设备及其制造方法

背景技术

技术领域

本发明整体涉及电路保护设备和用于制造电路保护设备的方法。更具体地，本发明涉及电路保护设备及其制造方法，其中电路保护设备包括电气瞬态材料，诸如电压可变材料(VVM)。

相关领域的描述

电气瞬态会产生可使电路或电路中的高度敏感电气部件暂时或永久地不起作用的高电场和通常高的峰值功率。电气瞬态可包括能够中断电路操作或完全破坏电路的瞬态电压。电气瞬态可例如由电磁脉冲、静电放电、闪电、静电积累引起或由其它电子或电气部件的操作引起。电气瞬态可在次纳秒至微秒时间上升至其最大振幅并且具有重复的振幅峰值。

存在用于防止电气瞬态的材料，其被设计成非常快速地(理想地在瞬态波达到其峰值之前)响应，以在电气瞬态的持续时间内将传输的电压降低到低得多的值。电气瞬态材料的特征在于在低的或正常操作电压下的高电阻值。响应于电气瞬态，材料非常快速地切换至低电阻状态。当电气瞬态耗散时，这些材料恢复到它们的高电阻状态。在电气瞬态耗散之后，电气瞬态材料也很快恢复至它们的初始高电阻值。

采用电气瞬态材料的电路、装置和设备(诸如浪涌保护装置)可将由于电气瞬态的过量电压或电流的一部分分流到接地，从而保护电路及其部件。VVM可用作常规电路保护装置中的电气瞬态材料。常规的VVM通常具有需要覆盖VVM的一些形式的外壳或封装的一致性和组成。该外壳或封装用于防止VVM可能由环境湿度和/或污染物(例如，灰尘)引起的故障。然而，使用外壳或封装会增加制造使用VVM的常规浪涌保护装置的成本。此外，外壳或封装可能约束使用VVM的小型化浪涌保护装置的制造。

根据下文公开，利用常规浪涌保护装置的其它问题将是显而易见的。

发明内容

本发明公开了采用结构弹性电气瞬态材料的电路保护装置和设备。本发明还公开了用于提供这种电路保护装置和设备的方法。在一些具体实施中，结构弹性电气瞬态材料为结构弹性电压可变材料(VVM)。

在一些具体实施中，一种设备可包括支撑结构，以及至少部分地覆盖支撑结构的电气瞬态材料，从而提供至少部分地集成在电气瞬态材料中的支撑结构。

在另外的具体实施中，一种方法可包括提供支撑结构，并且用电气瞬态材料至少部分地覆盖支撑结构，从而提供至少部分地集成在电气瞬态材料中的支撑结构。

在又一另外的具体实施中，一种电路保护设备可包括：支撑结构；电气瞬态材料，该电气瞬态材料至少部分地覆盖支撑结构，从而提供至少部分地集成在电气瞬态材料中的支撑结构；第一导电层，该第一导电层设置在电气瞬态材料的第一表面上；以及第二导电层，该第二导电层被设置在电气瞬态材料的第二表面上。

附图说明

图1示出了根据本公开的实施方案的结构弹性瞬态材料的具体实施。

图2示出了根据本公开的实施方案的从图1所示的线I-I的角度来看的结构弹性电气瞬态材料的横截面图。

图3示出了根据本公开的实施方案的可用于在电气瞬态材料中提供结构稳定性的示例性支撑结构。

图4示出了根据本公开的实施方案的从图1所示的线I-I的角度来看的结构弹性电气瞬态材料的另一横截面图。

图5示出了根据本公开的实施方案的包括结构弹性电气瞬态材料的电路保护装置或设备。

图6示出了根据本公开的实施方案的包括结构弹性电气瞬态材料的另一个电路保护装置或设备。

图7示出了根据本公开的实施方案的用于制造包括结构弹性电气瞬态材料的电路保护装置或设备的一组示例性操作。

具体实施方式

本文公开了采用结构弹性电气瞬态材料的电路保护装置和设备。此外，本文公开了用于提供采用结构弹性电气瞬态材料的电路保护装置和设备的方法。在一些具体实施中，电路保护装置和设备采用结构弹性电气瞬态材料，该材料包括至少部分地被电气瞬态材料覆盖的支撑结构。在一些具体实施中，电气瞬态材料包括粘结剂材料。粘结剂材料可在其中包括导电颗粒和半导电颗粒的混合物。此外，粘结剂材料可在其中包括绝缘颗粒或非导电颗粒的混合物。在另一个示例中，电气瞬态材料包括粘结剂材料，该粘结剂材料包括导电颗粒和半导电颗粒。导电颗粒和半导电颗粒中的至少一些可涂覆有绝缘氧化物膜。

在一些具体实施中，电气瞬态材料为电压可变材料(VVM)。在一个示例中，VVM包括环氧树脂或树脂材料。环氧树脂材料可以是基于聚合物的材料。环氧树脂材料可包括颗粒。颗粒可包括：导电颗粒(包括核和壳导电颗粒)、绝缘颗粒、半导电颗粒、掺杂的半导电颗粒(包括核和壳掺杂的半导电颗粒)以及它们的任何组合。

VVM可至少部分地覆盖支撑结构。在一个示例中，支撑结构为网状或格状材料。在另一个示例中，支撑结构为包括多个通孔、开孔或通道的至少一个间隔件材料。在另一个示例中，支撑结构为多个单孔间隔件。前述支撑结构的孔或通道可为正方形、圆形、矩形、四面体形状、棱锥形、三角形、六边形等。

图1示出了结构弹性电气瞬态材料100的具体实施。结构弹性电气瞬态材料100包括至少部分地覆盖支撑结构104的电气瞬态材料102。在一些具体实施中，电气瞬态材料102为VVM。用电气瞬态材料102至少部分地覆盖支撑结构104提供了至少部分集成的结构。即，电气瞬态材料102可至少部分地覆盖支撑结构104的顶部表面和底部表面。在图1所示的示例中，支撑结构104为网状或格状材料。支撑结构104可包括股线106，该股线限定支撑结构104的网状或格状材料。更具体地讲，支撑结构104的股线106限定支撑结构104的多个孔或开孔108。支撑结构104可另选地为包括多个通孔、开孔或通道的至少一个间隔件材料(参见图3)，或者支撑结构104可以由多个单孔间隔件构成。前述支撑结构材料的孔或通道可为正方形、圆形、矩形、四面体形状、棱锥形、三角形、六边形等。支撑结构104可另选地具有与本文所示和所述不同的尺寸和/或形状。图1所示的结构弹性电气瞬态材料100被示出为片材或膜。然而，结构弹性电气瞬态材料100可以除了图1所示之外的其它形状和尺寸提供。

支撑结构104可为非导电材料。例如，支撑结构104可以是玻璃、凯夫拉、聚合物、陶瓷、碳纤维、绝缘金属、非导电材料织物等。类似地，如上文所讨论，支撑结构104可包括至少一个间隔件材料(参见图3)，该间隔件材料包括多个通孔、开孔或通道，或者支撑结构104可由多个单孔间隔件结构化。限定支撑结构104的间隔件可包括非导电材料。

支撑结构104的股线106可具有大约6μm的直径。然而，股线106的直径可小于或大于6μm。例如，股线106的直径可为1mi l。或者，股线106的直径可为6mi l。支撑结构104的开孔108可具有至少115μm的宽度和/或长度。在一个示例中，开孔108的至少一个开孔由115×145μm的开口限定。开孔108的尺寸可小于或大于115μm。在一个特定具体实施中，支撑结构104具有大约55％的材料自由开口面积和大约250℃的热稳定性。在一些具体实施中，自由开口面积介于1-95％之间。此外，在一些具体实施中，支撑结构104在至少最高至电气瞬态材料102的硬化温度下热稳定。因此，在一个具体实施中，支撑结构104抵抗最高至大约250℃下的熔融、软化等。在一个具体实施中，支撑结构104对有机溶剂是惰性的。此外，支撑结构104可具有能够耐受大约150kg/cm²的力下的压缩强度。具体地讲，支撑结构104可在最高至至少大约150kg/cm²的力下在结构上稳定。因此，支撑结构104抵抗最高至大约150kg/cm²的力下的断裂、破裂、变形等。支撑结构104可具有能够耐受小于或大于150kg/cm²的力下的压缩强度。

图2示出了从图100所示的线I-I的角度来看的结构弹性电气瞬态材料100的横截面图。如图所示，电气瞬态材料102至少部分地覆盖与支撑结构104相关联的股线106中的一根或多根股线。明确地讲，电气瞬态材料102可不完全覆盖股线106中的每根股线。例如，股线106中的一根或多根股线的上部可不被电气瞬态材料102完全覆盖。此外，股线106的下部和/或侧部可不被电气瞬态材料102完全覆盖。在一个示例中，电气瞬态材料102完全覆盖所有股线106或股线106的大部分。图2所示的股线106具有圆形的横截面。然而，其它横截面形状诸如正方形或矩形可与股线106相关联。

图3示出了可用于在电气瞬态材料102中提供结构稳定性的示例性支撑结构302。支撑结构302是包括多个通孔、开孔或通道304的间隔件材料的示例。支撑结构302被示为具有三个开孔304。然而，所示数量的开孔304纯粹是示例性的。支撑结构302可被提供为包括许多开孔304的片材或膜。此类片材或膜可与电气瞬态材料102集成，以为电气瞬态材料102提供结构稳定性。或者，可将多个单独的支撑结构302组合在一起并且与电气瞬态材料102集成以提供结构稳定性。

图4示出了从图1所示的线I-I的角度来看的结构弹性电气瞬态材料100的另一个横截面图。如图所示，电气瞬态材料102至少部分地覆盖与支撑结构104相关联的股线106中的一根或多根股线。在该实施方案中，将至少一个导电层402施加在结构弹性电气瞬态材料100的第一表面404上。在图中，导电层402被示出为与电气瞬态材料102接触。然而，一个或多个层可被设置在电气瞬态材料102和导电层402之间。在另一个实施方案中，另一导电层406被施加在结构弹性电气瞬态材料100的第二表面408上。在图4中，导电层406被示出为与电气瞬态材料102接触。然而，一个或多个层可被设置在电气瞬态材料102和导电层406之间。在一些具体实施中，导电层402和导电层406包括铜(Cu)。在一些具体实施中，层410可设置在层402上。此外，在一些具体实施中，层412可被设置在层406上。在一些具体实施中，层410和412包括锡(Tn)。层410可减轻导电层402上的氧化物形成。类似地，层412可减轻导电层406上的氧化物形成。在一些具体实施中，层410和层412由绝缘材料制成。

图5示出了包括结构弹性电气瞬态材料100的电路保护装置或设备500。在一些具体实施中，电路保护设备500至少部分地通过沿着虚线414切割来制造(参见图4)。如图5所示，电路保护设备500可耦接到印刷电路板(PCB)502。PCB 502可包括第一导电焊盘504和第二导电焊盘506。至少导电层402可耦接到第一导电焊盘504。焊料可用于将导电层402耦接到第一导电焊盘504。类似地，至少导电层406可耦接到第二导电焊盘506。焊料可用于将导电层406耦接到第二导电焊盘506。

在一些具体实施中，电路保护设备500耦接到PCB 502以保护与PCB502相关联的一个或多个电气部件(未示出)免遭能够中断电路操作或破坏一个或多个电气部件的瞬态电压。为此，结构弹性电气瞬态材料100在与PCB 502相关联的低的或正常操作电压下具有高电阻值。然而，结构弹性电气瞬态材料100能够在瞬态电压发生时非常快速地切换至低电阻状态。因此，电路保护设备500可以将瞬态电压分流到接地的方式在PCB 502上实现，从而保护与PCB 502相关联的一个或多个电气部件。

图6示出了包括结构弹性电气瞬态材料100的电路保护装置或设备600。电路保护装置设备600可包括第一基板602和第二基板604。第一基板602和第二基板604可为FR-4基板、半刚性基板或柔性基板。基板602和604可由聚酰胺材料制成。第一基板602可包括第一电极606，该第一电极耦接到与第一基板602相关联的表面的至少一部分。第二基板604可包括第二电极608，该第二电极耦接到与第二基板604相关联的表面的至少一部分。第一电极606和第二电极608可通过结构弹性电气瞬态材料间隔开。在一些具体实施中，第一电极606和第二电极608被电气瞬态材料102和股线106间隔开。股线106可仅被设置在第一电极606和第二电极608之间，或是或者，如图所示，股线106可延伸超过第一电极606和第二电极608。在一些具体实施中，所示间隙T2为约6μm。然而，所示间隙T2可小于或大于6μm。例如，示出的间隙T2可为1mi l。或者，所示间隙T2可为6mi l。在一些具体实施中，所示长度L5为.2mm。所示长度L5可介于.15mm至.25mm之间。

在一些具体实施中，电路保护设备600包括第一过孔610和过孔612。Cu可被设置在过孔610中。被设置在过孔610中的Cu电气耦接到电极608。类似地，Cu可被设置在过孔612中。被设置在过孔612中的Cu电气耦接到第一电极606。Cu层614和616可被设置在基板602的表面上。类似地，Cu层618和620可被设置在基板604的表面上。层614和618可通过被设置在过孔610中的Cu电气耦接。类似地，层616和620可通过被设置在过孔612中的Cu电气耦接。可将Tu 622施加到层614-620上。

在一些具体实施中，电路保护设备600可保护一个或多个电气部件(未示出)免遭能够中断电路操作或破坏一个或多个电气部件的瞬态电压。为此，结构弹性电气瞬态材料100在低的或正常操作电压下具有高电阻值。然而，结构弹性电气瞬态材料100能够在瞬态电压发生时非常快速地切换至低电阻状态。因此，电路保护设备600可以将瞬态电压分流到接地的方式在PCB 502等上实现，从而保护与PCB相关联的一个或多个电气部件。

图7示出了用于制造包括结构弹性电气瞬态材料100的电路保护装置或设备500/600的一组示例性操作700。在框702处，可以粉末形式提供电气瞬态材料。或者，可以液体形式(也称为电气瞬态材料油墨)提供电气瞬态材料。电气瞬态材料可包括一种或多种导电和非导电颗粒。此外，在一些具体实施中，电气瞬态材料可包含聚合物材料，包括但不限于环氧树脂。

在框704处，提供了支撑结构。在一个示例中，支撑结构为网状或格状材料。在另一个示例中，支撑结构为包括多个通孔、开孔或通道的至少一个间隔件材料。在另一个示例中，支撑结构为多个单孔间隔件。前述支撑结构材料的孔或通道可为正方形、圆形、矩形、四面体形状、棱锥形、三角形、六边形等。支撑结构可以是非导电材料。例如，支撑结构可以是玻璃、凯夫拉、聚合物、陶瓷、碳纤维、绝缘金属、非导电材料、织物等。在一个示例中，支撑结构的股线(例如股线106)中的一根或多根股线可包括非导电材料。类似地，如上文所讨论，支撑结构可包括至少一个间隔件材料(参见图3)，该间隔件材料包括多个通孔、开孔或通道，或者支撑结构可由多个单孔间隔件结构化。限定支撑结构的间隔件可包括导电材料和/或非导电材料。

支撑结构104的股线106可具有大约6μm的直径。然而，股线106的直径可小于或大于6μm。例如，股线106的直径可为1mi l。或者，股线106的直径可为6mi l。支撑结构的开孔可具有至少115μm的宽度和/或长度。在一个示例中，开孔中的至少一个由115×145μm的开口限定。开孔的尺寸可小于或大于115μm。在一个特定具体实施中，支撑结构具有约55％的材料自由开口面积和约250℃的热稳定性。在一些具体实施中，自由开口面积介于1-95％之间。此外，在一些具体实施中，支撑结构104在至少最高至电气瞬态材料102的硬化温度下热稳定。在一个具体实施中，支撑结构对有机溶剂是惰性的。此外，支撑结构可具有能够耐受大约150kg/cm²的力的压缩强度。支撑结构可具有能够耐受小于或大于150kg/cm²的力的压缩强度。

在框706处，组合电气瞬态材料和支撑结构。在一个示例中，组合电气瞬态材料和支撑结构提供了至少部分集成的结构，该结构包括电气瞬态材料和在电气瞬态材料中的支撑结构。在一个实施方案中，将支撑结构放置在刚性表面上，诸如导电基板或板上，并且将电气瞬态材料施加在支撑结构上。可将粉末形式的电气瞬态材料喷涂在支撑结构上。还可将油墨形式的电气瞬态材料喷涂在支撑结构上。或者，可使用施加刀片将油墨形式的电气瞬态材料施加在支撑结构上。可通过使用压机或辊压机的压缩将粉末形式的电气瞬态材料与支撑结构组合，以获得结构支撑电气瞬态材料的所需厚度。可使用施加刀片(例如，刮刀)将油墨形式的电气瞬态材料与支撑结构组合，以获得结构支撑电气瞬态材料的所需厚度。在一个或多个实施方案中，将电气瞬态材料与支撑结构组合的方法可包括在结构支撑电气瞬态材料的一个或多个表面上提供一个或多个导电表面。

在框708处，如果需要，允许通过干燥而使提供结构支撑电气瞬态材料的组合电气瞬态材料和支撑结构硬化，作为形成结构支撑电气瞬态材料的方法的一部分。在一个具体实施中，组合的电气瞬态材料和支撑结构在烘箱中硬化。

虽然已经参考某些实施方案描述结构增强/支撑电气瞬态材料和用于制造结构增强/支撑电气瞬态材料的方法，但是本领域技术人员应当理解，可以在不脱离本申请的权利要求书的实质和范围的情况下做出各种修改并且可替代等同物。可在不脱离权利要求书的范围的情况下做出其它修改以适应上文所公开的教导内容的特定情况或材料。因此，权利要求书并非构成限定所公开的特定实施方案中的任一个，而是落入权利要求书范围内的任何实施方案。