TWI781418B

TWI781418B - 具有低電容及改良耐用性的陶瓷過電壓保護裝置及其製造方法

Info

Publication number: TWI781418B
Application number: TW109120759A
Authority: TW
Inventors: 朗尼Ｇ強斯; 愛恩Ｄ基諾; 強包樂特圖德; 納薩恩Ａ瑞德; 傑佛瑞Ｗ貝爾; 喬治麥可泰斯
Original assignee: 美商凱門特電子股份有限公司
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2022-10-21
Also published as: TW202123573A; EP3767647A1

Abstract

本發明提供了一種改良的過電壓保護元件。該過電壓保護裝置包括至少一個ESD保護耦合器，該ESD保護耦合器包括在一平面中的放電電極，一位在放電電極之間的間隙絕緣體，一平行於該平面的放電電極的過電壓保護元件，其中該過電壓保護元件包括一導體和一第二材料。過電壓保護元件還包括位在放電電極和過電壓保護元件之間的一第一絕緣體。

Description

具有低電容及改良耐用性的陶瓷過電壓保護裝置及其製造方法

本發明是2018年11月19日提交申請的第16/165,159號待審查美國專利申請案的部分繼續申請案，該申請案內容併入本案作為參考內容。

本發明涉及一種陶瓷過電壓保護裝置，其提供了對觸發電壓的改良控制，具有小漏電流並且不會因重複的過電壓脈波而擊穿。

在現代電子學中，需要不斷增強對半導體、積體電路和其他組件的保護，使其免受靜電放電(ESD)和快速電子暫態的影響。ESD可能超過30kV，這遠遠超出了核心處理器所能承受的範圍。ESD是積體電路故障的主要原因，且是關於電子裝置小型化的一個特殊問題，其中，已證明要能可靠地提供適當的保護是很困難的。

ESD保護的必要性已經增加了裝置中專用於ESD保護的可用空間。除了裝置功能以外，在空間上的佔用違背了對組件和裝置小型化的不斷要求。除了佔用晶片上ESD保護裝置的空間外，它們還會限制處理數據的速度和數量。因此，有需要採用晶片外保護，尤其是可以提供ESD保護又不會降低處理速度的分開組件，才不會在電路設計或裝置內部佔用寶貴的空間。

多層陶瓷電容器(MLCC)裝置在ESD保護中具有確定的作用。MLCC的較高電容級別會吸收來自ESD或暫態事件的電荷。不幸的是，高電容量會危及高速數據應用中的信號完整性。如果MLCC 的電容量減小，則由於吸收的電荷Q係取決於電容量C以及電壓V取決於關係Q=CV，故吸收ESD或暫態事件的能力會降低。因此可以看出，如果電容量降低50%，則電容器必須承受的電壓必須增加50%，以保持相同的吸收庫侖電荷Q的能力。實務中，不可能為了增加低電容量MLCC的耐壓能力到這種程度，而減損其能力。此外，當使用諸如壓敏電阻的保護裝置時，當該裝置不工作時，對地的漏電流可能是電池供電裝置的待機時間的主要耗損。電池上的任何寄生耗損都是不希望的，因此不太希望具有高漏電流和高電容量的保護裝置。

為了滿足現代電路的需求，理想的ESD保護裝置優選地具有低電容量，並且在其非工作狀態下對地的漏電流可忽略不計。當由於ESD事件而暴露於升高的電壓或電流時，ESD保護裝置應例如<1ns內迅速做出響應，以通過低電阻路徑將潛在有害的暫態能量轉移到地面。ESD事件平息後，ESD保護裝置應恢復到其先前的非工作狀態。此外，ESD保護裝置應能夠承受多個ESD或暫態事件，同時又恢復到其初始非工作模式的接近事件前電容量和接近事件前漏電流的特性。事實證明，要滿足所有這些標準，尤其是在高壓應用中，要實現這些標準很困難，因為現代電路設計人員缺乏合適的ESD保護裝置。

本文提供了一種滿足現代電路的先進需求的改良ESD保護裝置。

本發明涉及一種改良的過電壓保護裝置和形成該改良過電壓保護裝置的方法。

本發明的目的是提供一種具有低電容量、低漏電流以及能夠承受許多ESD脈波的能力的過電壓保護裝置。

本發明的特定特徵是能夠使用MLCC電容器的標準製造技術來製造過電壓保護裝置。

本發明的另一個特徵是允許將高ESD保護與低電容量多層陶瓷電容器相結合，使得該組合裝置可以保護免受高暫態電壓的影響，同時保留用來作信號濾波的電容量，同時僅佔用最小的可用空間。

如將瞭解到的，這些和其他實施例係設置在過電壓保護裝置中。該過電壓保護裝置包括至少一個ESD保護耦合器，該ESD保護耦合器包括在一平面的放電電極、在放電電極之間的間隙絕緣體、平行於平面的放電電極的過電壓保護元件，其中該過電壓保護元件包括一導體和一第二材料。過電壓保護元件還包括在放電電極和過電壓保護元件之間的一第一絕緣體。

另一個實施例提供一形成過電壓保護裝置的方法。該方法包括以下步驟：在一第一絕緣體前體上製造包括一第二絕緣體前體和一過電壓保護元件前體的至少一第一層；在一內部絕緣體前體上形成至少一第二層，該內部絕緣體前體包括一對放電電極和在所述放電電極之間的一間隙絕緣體前體；將包括所述至少一第一層疊合在所述至少一第二層上，且使覆蓋在所述間隙絕緣體前體對準於所述過電壓保護元件前體，以形成一疊層；和加熱所述疊層以形成包括以下組件的疊層結構：在一平面上的放電電極；一間隙絕緣體，位在所述平面的所述放電電極之間；一過電壓保護元件，平行於所述放電電極；和一第一絕緣體，位在所述放電電極和所述過電壓保護元件之間。

再一個實施例提供一雙功能過電壓保護裝置。該過電壓保護裝置包括至少一個ESD保護耦合器，該ESD保護耦合器包括在一平面中的放電電極、在放電電極之間的一間隙絕緣體、與放電電極平行的過電壓保護元件以及位在放電電極與過電壓保護元件之間的一第一絕緣體。雙功能過電壓保護裝置還包括一電容耦合器。

10:ESD保護裝置

11:雙功能ESD裝置

12:放電電極

14:間隙絕緣體

16:過電壓保護元件

18:第一絕緣體

2:ESD保護耦合器

20:第二絕緣體

22:外部絕緣體

23:電容器陶瓷

24:內部絕緣體

25:內部電極

26:外部端子

28:第二外部端子

30:放電槍

31:浮動電極

32:ESD保護裝置

34:敏感組件

36:高壓脈波發生器

38:電源電容器

4:電容耦合器

40:充電電阻器

41:浮動電極電容耦合器

42:開關

44:放電電阻器

100:位置

102、102':層

104:層

104A:位置

104B:位置

105:位置

106:位置

108:位置

110:位置

112:位置

114:位置

T_C:間隔距離

T_OVP:間隔距離

T_FLO:間隔距離

圖1是本發明的一實施例的斷面示意圖。

圖2是本發明的一實施例的斷面示意圖。

圖3是本發明的一實施例的斷面放大圖。

圖4是本發明的一實施例的斷面放大圖。

圖5是本發明一實施例的俯視示意圖。

圖6是本發明一實施例的流程圖。

圖7和8是顯示本發明優點的曲線圖。

圖9和10是說明本發明優點的電路示意圖。

本發明涉及一種改良的靜電放電(ESD)保護裝置，該裝置在不動作狀態下具有低電容和低漏電流，其在ESD事件出現時具有快速響應時間，並且可以承受許多ESD事件而不會損失電容量、漏電流或功能性。更具體地，本發明涉及一種層狀結構，其包括分開的絕緣體層作為放電電極和過電壓保護元件之間的疊層體。該結構提供了觸發電壓的優化，該觸發電壓是暫態能量轉移到地電位時的臨限電壓。本發明還涉及一種ESD保護裝置，其還包括適合在臨限電壓以下進行信號濾波的電容耦合器，而在超過該臨限電壓時，暫態能量會被轉移到地電位。

在正常操作期間，ESD保護裝置的ESD保護耦合器是被動的或者是不為電路提供任何功能，因此通過設計，ESD保護耦合器應呈現低電容量，從而可以使高速信號失真最小化。但是，在ESD事件期間，ESD保護耦合器有效地作為一個開關，允許多餘的電壓分散到接地電位。

以下將參閱構成本發明的整體、非限制性組件的附圖對本發明作一說明。在整個說明書中，相似的元件將相應地編號。

以下將參閱圖1對本發明實施例予以說明，其中ESD保護耦合器2係以斷面圖予以示意。在圖1中，放電電極12優選地是共平面地以一間隙絕緣體14予以隔開。一第一絕緣體18以平面方式延伸在放電電極上，從而形成疊層結構。一過電壓保護元件16由該第一絕緣體18而與每個放電電極區隔開。一第二絕緣體20優選地在包含過電壓保護元件的那層圍繞該過電壓保護元件。在優選但非限制性的實施例中，為了便於製造，間隙絕緣體、第一絕緣體和第二絕緣體是相同的材料。ESD保護耦合器在暫態事件期間藉由過電壓保護元件在放電電極之間導通脈波能量而起作用，在暫態事件中，該脈波能量在過電壓保護元件和放電電極之間的每個暫態時，通過第一絕緣體。在一個特別優選的實施例中，過電壓保護元件16的寬度不大於間隙絕緣體14的寬度，從而使過電壓保護元件和放電電極12的疊合最小。

以下將參閱圖2所示的斷面示意圖對本發明實施例予以說明。在圖2中，ESD保護裝置10包括多個以層狀或疊層結構佈置的ESD保護耦合器2。可選的但優選的內部絕緣體24可以位於相鄰的ESD保護耦合器之間。外部絕緣體22位於所有ESD保護耦合器的外部。為了方便製造，外部絕緣體和內部絕緣體優選地是相同的材料製成，但不限於此。本領域技術人員將瞭解，與放電電極12電接觸的外部端子26允許ESD保護裝置係電連接到一電路。

在本發明的另一實施例中，前述的ESD保護裝置可以與電容耦合器形成雙功能ESD保護裝置。電容耦合器可以由至少兩個極性相反的疊合電極組成，或者電容耦合器可以採用浮動電極。當結合電容耦合器時，期望使放電電極與過電壓保護元件之間的疊合區域最小化以減小雜散電容，從而對組合的組件保持一低電容。為了方便製造，電容器元件的第一絕緣體和電介質是相同的材料。在這種情況下，分隔電容器電極的電介質厚度必須超過第一絕緣體的厚度。

以下將參閱圖3所示的斷面擴展示意圖對本發明實施例予以說明。在圖3中顯示一雙功能ESD裝置11。該雙功能ESD裝置最多包括n個ESD保護耦合器2，其中n是裝置中ESD保護耦合器的數量。圖中示出了至少m個電容耦合器4，其中m是雙功能ESD裝置中的電容耦合器的數量。電容耦合器包括具有交替極性的平行內部電極25，其中相鄰內部電極係終止於不同的外部端子26，並且相鄰內部電極被電容器陶瓷23隔開。內部絕緣體24首選地可以位於相鄰ESD保護耦合器2之間。優選地，電容器陶瓷23在相鄰內部電極25之間的交替層中，以使得每組相鄰內部電極形成一電容耦合，因此電容耦合器的數量作為單一電容器。為了便於製造，電容器陶瓷23、外部絕緣體22、內部絕緣體24、間隙絕緣體14和第一絕緣體18優選為相同的材料。當第一絕緣體和電容器陶瓷是使用相同的成份時，優選的是，過電壓保護元件16與放電電極12之間的間隔距離係以T_OVP予以表示，其係小於相鄰內部電極25之間的間隔距離T_C。ESD保護耦合器2的分隔距離比電容耦合器4的分隔距離為小，可防止電容耦合器在遇到ESD事件時受到永久性電擊穿。更佳地，T_C是T_OVP的兩倍。

以下將參閱圖4所示的斷面擴展示意圖對本發明實施例予以說明。在圖4中顯示一雙功能ESD裝置11，其類似於圖3中所示及描述的裝置。在圖4中，雙功能ESD裝置包括m個浮動電極電容耦合器41。浮動電極電容耦合器包括極性相反的共平面內部電極25，每個內部電極終止於相對的外部端子26。一浮動電極31與共平面內部電極平行，並通過電容器陶瓷23與共平面內部電極的平面隔開。當第一絕緣體和電容器陶瓷為相同成份時，優選地過電壓保護元件16與放電電極12之間的間隔係以T_OVP予以表示，其係小於共平面內部電極25和浮動電極之間的間隔距離T_FLO。ESD保護耦合器2的分隔距離比電容耦合器41的分隔距離為小，可在電容耦合器受到永久性電擊穿之前，提昇ESD保護耦合器的暫時性電擊穿能力。

優選地，ESD保護裝置的電容量為介於至少0.1至不超過23,000pF。當ESD保護裝置還包括至少一個電容耦合器時，該ESD保護裝置較佳地具有至少100pF並且更優選地至少1000pF的電容量。當ESD保護裝置不包括各別的電容耦合器時，ESD保護裝置的電容較佳地不大於100pF，優選地不大於10pF，甚至更優選地不大於2pF。

ESD保護裝置可以是二端子裝置，其中單獨的外部端子係電接觸於相鄰共平面放電電極，如圖2所示。可替代地，過電壓保護元件可以一齊地或獨立地終止且電接觸於第二外部端子，以形成多端子裝置，例如四端子裝置，如圖5所示，但不限於此。在圖5中，第二外部端子28可以電接觸於相同的ESD保護耦合器、各別的ESD保護耦合器或電容耦合器，如同相對應於圖3和4的說明。

ESD保護裝置中的ESD保護耦合器的數量沒有特別限制。對於功能而言，至少一個ESD保護耦合器是必要的，數百個也是在本發明的範圍內。超過大約20個ESD保護耦合器時，其好處不足以證明和大量疊層相關的成本和製造複雜性。低於約3個ESD保護耦合器的話，冗餘度不足。優選地，具有約3到約10個ESD保護耦合器是優選的，此數量在製造效率、成本、累計的裝置電容量和效益之間是一平衡點。

雙功能ESD保護裝置中的電容耦合器的數量沒有特別限制。對於功能而言，至少一個電容耦合器是必要的，數百個也是在本發明的範圍內。當電容耦合器的數量超過大約100個時，其好處不足以證明和大量疊層相關的成本和製造複雜性。低於約3個電容耦合器的話，在分配的空間中所得到的電容量不足。具有約10到約20個電容耦合器是優選的，此數量在製造效率、成本和效益之間是一平衡點。

在放電電極和過電壓保護元件之間結合一優選為絕緣介電材料的絕緣材料作為第一絕緣體，可在被動模式下維持一低效電容量，以最小化信號失真和低漏電流到接電地位。第一絕緣材料優選地是具有足夠的絕緣，以最小化漏電流。特別優選地，ESD保護耦合器的漏電流不大於5000nA，更優選地不大於2000nA，甚至更優選地不大於1000nA，甚至更優選地不大於50nA，甚至更優選地不大於5nA，且最優選地不大於1nA。此外，第一絕緣體優選地能夠承受工作電壓而不會退化，從而允許ESD保護組件在暫態事件消退之後返回到被動模式而不會退化。即使在許多ESD事件之後，尤其是第一絕緣體不會有退化狀況，這改善了電容穩定性和漏電流穩定性。

使用常規的MLCC製造技術，可以將放電電極和過電壓保護元件的前體層直接沉積到一陶瓷介電前體材料的載體膜上來製造ESD保護裝置。然後可以將這些層疊合為對齊的薄片，並進行壓製和燒結，以形成單一陶瓷整體組件。以此方式，過電壓保護元件藉由一預定厚度的絕緣材料而與放電電極分開，使得藉由載體膜材料的選擇而可控制其厚度和組成成分。控制第一絕緣體厚度的能力，加上控制組成成分的能力，而可預測地控制觸發電壓。或者，絕緣體可以以液體或膜的形式施加，以形成絕緣膜層，例如聚酰亞胺或優選地為聚合物的其他絕緣體的疊層。

第一絕緣體的厚度，或放電電極與過電壓保護元件之間的距離，在圖3和4中係以T_OVP予以表示，其可以遠小於火花間隙型ESD裝置中的典型電極間距。常規的火花間隙型ESD裝置在電極之間的間距通常至少約為6μm(微米)，並且可能超過50μm。對於本發明的ESD保護裝置，放電電極與過電壓保護元件之間的距離優選地不大於10μm，以使8kV脈波在暫態轉移到小於5000V時保持觸發電壓。第一絕緣體的厚度約為1μm適合作為本發明的例示。

觸發電壓是低於電容耦合器(如果有的話)執行濾波電容器功能、而ESD保護耦合器處於被動時的電壓值。達到或高於觸發電壓時，ESD保護耦合器將多餘的電流分流到接地電位。觸發電壓取決於第一絕緣體的成分和厚度以及過電壓保護元件的成分。第一絕緣體厚度增加時，觸發電壓即隨著該給定的第一絕緣體和過電壓保護元件而增加。本領域技術人員將理解，通過初步製備一系列第一絕緣體厚度的多個ESD保護裝置，然後進行測試確定最佳的第一絕緣體厚度，可以針對首選的第一絕緣體成分和過電壓保護元件得到所需的觸發電壓。觸發電壓較佳地能比該部件在本領域技術人員於不同應用時所設計的工作電壓高至少20%。

藉由放電電極與過電壓保護元件之間的不直接接觸，絕緣電阻比過電壓保護材料與放電電極直接接觸製成的ESD裝置高幾個數量級。分立的絕緣體層作為疊層有助於在非作動模式下對重複的ESD脈波保持低漏電流性能。模塊化的多層特性還提供了另一個優勢，因為可以疊合許多ESD保護耦合器形成組件的保護元件，從而提高裝置在性能下降之前承受多個ESD脈波的能力。

在該裝置的另一實施例中，所示的放電電極層可以交替地疊合以在如上所述的組件內提供電容耦合器。還應該注意的是，較佳地使用不同於端子間所用的火花間隙元件電容器的介電常數的更高介電常數(“K”)的電介質，如此可以根據信號傳輸的速度而增加電容至組件。通過控制電容耦合器的電容量，ESD保護裝置可以對較低傳輸速度抑制某些雜訊。

為了使ESD保護耦合器保持較低的電容量，期望減小過電壓保護元件與放電電極之間的疊合區域。這是因為第一絕緣體相對較薄。同樣的原因，希望該絕緣體具有較低的介電常數，最好小於100。這可以藉由將通用電容方程式應用於通過第一絕緣體的放電電極耦合來解釋，其中：C=K*K₀*A*_n/t其中：C=電容量；K=第一絕緣體的介電常數；K₀=自由空間的介電常數(8.854 x 10^-12F/m)；A=放電電極和過電壓保護元件的疊合面積；n=放電電極和過電壓保護元件的層數；和t=第一絕緣體的厚度。因此，在給定的疊合處，隨著第一絕緣體厚度的減小，電容量會增加，這可以通過減小疊合面積來克服。疊合保護元件本身可以包含具有相對高的介電常數的材料，例如鈦酸鋇，期使疊合面積最小化。

本發明ESD保護裝置的一個有利特性是該裝置中使用材料的特性具有在高工作溫度和電壓下起作用的優越能力。可以製備能夠在高電壓(例如500V)和高溫(例如200℃)下連續運行的ESD保護裝置。

第一絕緣體、第二絕緣體和間隙絕緣體分別選自具有低介電常數的材料，且優選地各別地或包含絕緣陶瓷或玻璃。低介電常數的電介質是優選的，並且優選地絕緣陶瓷的介電常數不大於100，並且優選地不大於50。C0G電介質是特別優選的。用於第一絕緣體、第二絕緣體、間隙絕緣體和電容器陶瓷的特別優選材料包括鋯酸鈣、非化學計量的鋇鈦氧化物，例如Ba₂Ti₉O₂₀；BaTi₄O₉；包含釹或鐠的鋇稀土氧化物，摻雜有各種添加劑的二氧化鈦，鈦酸鈣，鈦酸鍶，鈦酸鋅鎂，鈦酸鋯錫及其組合。如本領域技術人員所知，用於第一絕緣體、第二絕緣體、間隙絕緣體和電容器陶瓷的材料必須與放電電極熱相容，以避免在燒結陶瓷期間造成放電電極的劣化。

內部絕緣體和外部絕緣體並不受特別限制，因為其材料可基於成本和與其他材料的相容性來選擇。在一個實施例中，內部絕緣體和外部絕緣體與第一絕緣體、第二絕緣體層或間隙絕緣體中的至少一個是相同材料，以便於製造。

過電壓保護元件包括導體，該導體優選地選自金屬和不是導體的第二材料。第二材料優選包括陶瓷、玻璃或半導體中的至少一種。絕緣材料會降低傳導性，從而使ESD保護裝置中的漏電流最小化。在期望最小化電容量的情況下，過電壓保護元件最好不與放電電極明顯疊合。在一些實施例中，過電壓保護元件是多孔的。過電壓保護元件可以包括La，Ni，Co，Cu，Zn，Ru，Ag，Pd，Pt，W，Fe或Bi中的至少一種。特別優選的絕緣陶瓷包括鈦酸鋇或氮化鉭。為了說明本發明，由75體積%的Ni與25體積%的鈦酸鋇組合構成的過電壓保護元件是合適的。金屬含量必須高於50體積%至不超過90體積%。低於50體積%時，電導率不足以用作過電壓保護元件，而高於90體積%時，電導率太高而不能實現足夠的低漏電。優選地，金屬含量為至少70體積%至不超過80體積%，並且第二材料佔至少20體積%至30體積%。

放電電極和內部電極可以由任何貴金屬或卑金屬製備，優選可以在空氣中燃燒的卑金屬。優選的卑金屬選自鎳，鎢，鉬，鋁，鉻，銅，鈀，銀或其合金。最優選地，放電電極包括鎳。

ESD保護裝置可以採用與製造多層陶瓷電容器相似的方式製造，此方式已經被充分證明並且是本領域技術人員眾所周知的，其中包括有主動層的印刷圖案的大分離層在對準疊合後，經壓製，切塊，燒製和端接後形成單體式組件。在本發明中，主動層是過電壓保護元件，放電電極，內部電極和浮動電極。MLCC製造領域的技術人員將瞭解到，裝置的頂部和底部可形成由空白電介質組成的覆蓋層，以形成本文所述的外部絕緣體，從而使部件的元件與外部絕緣表面。可以使用常規技術和材料對外部端子進行電鍍，並在表面上安裝組件。

以上將參閱圖6對本發明的實施例作一說明，其係以流程圖表示製造ESD保護裝置的製程。在圖6中，在標示位置100處準備了一系列的層。層102和102'包括外部絕緣體的前體，並且根據本領域公知用於MLCC電容器中的陶瓷層的標準製造程序來製備。層104是表示當位置104A和104B合在一起且經燒結後所形成ESD保護耦合器的層。在一個優選的實施例中，在位置104A處，在第一絕緣體前體層上形成包括過電壓保護元件前體和第二絕緣體前體作為一塗層。在位置104B處，形成一包括放電電極的前體和內部絕緣體的前體上的間隙絕緣體的層。如果要包括電容耦合器，則在位置105處形成包括在陶瓷介電前體上的內部電極的交替層。通過將用於形成內部電極和陶瓷的交替層經對準疊合後可以形成一浮動電極，或者如本領域所公知的，其可以在陶瓷介電前體上包括不同的印刷圖案。這些層在位置106處以對準的方式疊合，使得放電電極、絕緣體層前體和過電壓保護元件如內部電極的前體一樣在本文中其他地方所討論和示出的方式對準，以形成對準的疊層。在過電壓保護元件的前體對準時，會覆蓋間隙絕緣體，如同由圖1和圖2所理解的。對準的疊層在位置108處受加壓並加熱至粘合絕緣體前體所需的程度，從而形成絕緣體，並將相鄰的層粘合在一起以形成複合疊層板。在位置110處將復合疊層板切成小塊以提供分離的ESD保護裝置前體，然後在位置112處進行熱處理。在位置114處對ESD保護裝置前體進行精加工步驟，包括添加外部端子，如果需要的話進行覆蓋，以形成ESD保護裝置，在精加工步驟中也可以包括測試和包裝。

實例

使用主要由介電常數大約32的鋯酸鈣組成的I類C0G介電質作為間隙絕緣體、第一絕緣體、第二絕緣體、內部絕緣體和外部絕緣體，生產一系列0603 EIA尺寸的ESD保護裝置。製造出具有不同厚度的第一絕緣體的ESD保護裝置。過電壓保護元件主要包括體積比為3：1的鈦酸鎳和鈦酸鋇。用3或10對共平面的放電電極製成過電壓保護元件，每對共平面的放電電極具有一個由第一絕緣體隔開的放電電極的過電壓保護元件。過電壓保護元件在裝置內共燒。根據國際電工委員會的測試程序IEC 61000-4-2對ESD保護裝置施加8kV ESD脈波，並分析對脈波的響應。典型的測試設置包括Noiseken ESS S3011/GT30R ESD模擬器(150pF 330歐姆組合)和具有適當的高頻帶寬衰減的Keysight MSOS 804A高清晰度示波器。

製備並評估具有3對和10對鎳基放電電極，厚度為9μm的ESD保護裝置。如表1所示，具有10個保護層的ESD保護裝置將觸發電壓降低到約20%，而使用3對放電電極時，漏電流保持在1nA以下。此外，增加ESD保護耦合的數量可以將1000個8kV脈波中的觸發電壓由1.7kV降低到1.3kV。

圖7顯示8kV ESD脈波的響應電壓與時間的關係。除了降低峰值電壓外，具有額外ESD保護耦合的零件在1000次重複的8kV ESD脈波後，在電壓響應方面具有更佳的耐用性，如圖8所示，其中以圖形方式表現了1000個8kV ESD脈波後的平均電壓與時間的關係。

如上所述，期望能實現低觸發電壓，同時能在暴露於多個脈沖之後仍能保持穩定性及連續低漏流。為了測試第一絕緣體的有效性，製造了具有三對鎳放電電極的ESD保護裝置，其中三對鎳放電電極具有不同的第一絕緣體厚度。

在另一個實例中，使用主要由介電常數大約32的鋯酸鈣組成的I類C0G介電質作為間隙絕緣體、第一絕緣體、第二絕緣體、內部絕緣體和外部絕緣體，生產一系列0603 EIA尺寸的相似ESD保護裝置。製造出具有不同厚度的第一絕緣體的ESD保護裝置。以包括主要為體積比為3：1的鎳和鈦酸鹽的過電壓元件製造一組ESD保護裝置，而以包括主要為體積比3：1的鎳和氮化鉭的過電壓元件製造另一組ESD保護裝。過電壓保護元件在裝置內共燒。根據國際電工委員會的測試程序IEC 61000-4-2對每個結構的五個ESD保護裝置施加8kV ESD脈波，並分析對脈波的響應。典型的測試設置包括Noiseken ESS S3011/GT30R ESD模擬器(150pF 330歐姆組合)和具有適當的高頻帶寬衰減的Keysight MSOS 804A高清晰度示波器。

如表2所示，增加第一絕緣體的厚度可減少1000個8kV脈波後的漏電流。從表2中還可以看出，當使用氮化鉭作為過電壓保護元件中的第二材料時，在維持觸發電壓時，經過1000個脈波後，漏電流仍然很小。

為了確定ESD保護裝置保護諸如積體電路(IC)之類的敏感電子組件免受高壓ESD脈波影響的能力，設計了一種測試電路，其中ESD保護裝置和敏感組件安裝在並聯電路架構中並承受ESD脈波。用來測試的ESD脈波產生器係為NoiseKen ESS-S3011A，其具有GT-30RA放電槍，配置於可產生EIC 61000-4-2規格中所述的ESD電流脈波。ESD脈波發生器具有一個150pF的電源電容器，一個1M歐姆的充電電阻和一個330歐姆的放電電阻。圖9是電路示意圖。

在圖9中，ESD放電槍30對著與敏感組件34並聯的ESD保護裝置32提供脈波。在圖10中，一高壓脈波發生器36經由一充電電阻器40向一電源電容器38充電，開關42在充電週期時閉合，而在作為測試脈波時開路。充電完成後，該開關會在充電週期中打開，並在作為測試脈波時閉合，使電容器通過放電電阻器44放電，從而施加脈波至ESD保護裝置32和敏感組件34。ESD放電槍通常包括作為積體裝置的高壓脈波發生器36、電源電容器38、充電電阻器40和開關42。

為了執行測試，將ESD放電槍中的電源電容器充電至該測試電壓，然後通過放電電阻器放電進入測試電路。ESD保護裝置和敏感測試組件之間的電壓會增加，直到達到ESD保護裝置觸發電壓為止，這時ESD保護裝置會將多餘的電壓分流到地，從而保護敏感組件免受損壞。如果ESD保護裝置的電壓高於敏感組件的電壓能力，或者無法將足夠的電流分流到地，則敏感組件即可能會受到該電壓脈波的損壞。

使用圖9所示的測試電路評估了包含用鈦酸鋇製造的過電壓保護元件和另一個包含氮化鉭作為第二材料的ESD保護裝置，以確定ESD保護裝置能保護敏感組件免受8kV ESD脈波影響的能力。選擇用於測試的敏感組件是兩個EIA 0603 C0G型MLCC，它們以串聯方式佈置，當ESD放電槍充電至2000V時，在經過大約100個ESD脈波後，它會失效。通過測量一系列ESD脈波後的絕緣電阻來確定敏感組件的故障。通常，所使用的敏感組件的絕緣電阻大於100G歐姆。確定損壞的電容器是絕緣電阻小於100M歐的電容器。此外，還測試了兩個市售的ESD保護組件以進行比較。

表3列示了證明ESD保護組件保護敏感組件不受損壞的能力的測試結果。每個測試包含五個組件的樣本。從表3中可以看出，與市售的ESD保護組件相比，使用本發明所述的陶瓷材料和工藝製造的ESD保護組件可以提供優異的ESD脈波保護能力。

本發明已經參閱優選實施例予以描述，但不限於此。本領域技術人員將瞭解到本文未具體描述但在所附申請專利範圍中更具體闡述的本發明專利範圍內的其他實施例和改良。