CN101128890B - 带有导热但不导电填料的表面贴装电阻器及其生产方法 - Google Patents

带有导热但不导电填料的表面贴装电阻器及其生产方法 Download PDF

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Abstract

一种电阻器(10)设有电阻元件(14)和从电阻元件(14)相对的端部延伸的端子(24，25)。端子(24，25)折叠于电阻元件(14)之下，导热但电绝缘的填料(28)被夹持并粘合于电阻元件(14)与端子(24，25)之间。端子(24，25)用于将电阻器(10)安装于电路组件(13)。电阻元件(14)、填料(28)和端子(24，25)之间紧密粘合，允许增强在使用电阻元件(14)时所产生热量的消散，以使能制造在较低的温度下工作的电阻器(10)，从而改善了元件的可靠性。

Description

带有导热但不导电填料的表面贴装电阻器及其生产方法
背景技术
本发明涉及一种具有导热但不导电填料的表面贴装电阻器及其使用方法。
诸如移动电话、计算机、消费者电子产品之类的电子系统不断变得越来越小。由于这些系统尺寸缩小，需要更小的电子元件。然而，该系统的功率需求并不必然随着这些电子系统及它们的元件物理地变小而降低。因此，必须控制由这些元件所产生的热量，从而保持对于这些系统的安全和可靠的工作温度。
电阻器在这些不同的系统的电路组件中都是主要的元件。现有技术中的电阻器具有多种不同的设计。一些现有技术的电阻器具有与该电阻元件的长度相比非常短的端子，并且从该电阻元件的一些端部向外侧延伸。其它的现有技术的电阻器具有长的并缠绕于电阻元件下面的端子，但并没有使得这些电阻元件的导热性最佳化，从而排除了在热消散方面任何重要的改善。还有一些现有技术的用于热消散的端子并不用于至电子组件的电连接。尽管其它现有技术的端子主要用作至印刷电路板的电连接，但是也提供了从电阻元件消散热量的主要手段。然而，所有这些现有技术中的端子具有有限的尺寸和热效率，因此，热消散的能力是有限的。
现有技术的电阻器的例子在图1和2中示出。在图1中，具有围绕电阻元件(未显示)的保护涂层30A的电阻器11还包括端子24A和25A。这些端子焊接至衬垫12。在保护涂层30A的下面仅存留有空气，因此从30A内的电阻元件的热消散比期望的要少。
图2示出现有技术的另一种形式的电阻器110。电阻器110包括电阻元件114，其具有弯曲至电阻元件114之下的端子124和125。涂料128包围电阻元件114，并且定位于电阻元件114和引线124、125之间。如图2所示，涂料128的厚度由数字T1表示，约为0.381mm(大约15密耳)。电阻元件114自身的厚度由数字T2表示并且约为0.1270mm(5密耳)。包围电阻元件114的涂料128没有结合或粘结于引线124或125，而是在涂料128经固化和硬化后，将引线124或125弯曲围绕涂料128并且与涂料128相接触。此外，T1的厚度非常大，以至于阻止了从电阻元件114通过涂料128到达引线124或125的热传导的提高。
因此，本发明的主要任务是提供一种改进的具有增强热消散的电阻器。
本发明的另一个目标是提供一种具有电阻元件的表面贴装电阻器，电阻元件有从该电阻元件相对的端部延伸的端子并且延伸至该电阻元件之下，非常接近[在0.0254mm和0.254mm(1密耳至10密耳)之间]该电阻元件。
本发明进一步的目标是提供一种改进的具有端子的电阻器，这些端子能够提供电阻元件的导电性和增强的导热性。
本发明进一步的目标是提供一种制造电阻器的方法，包括步骤：将端子延伸至电阻元件之下，以使在固化填料之前，最小厚度的导热但电绝缘的填料被夹在电阻元件与端子之间。
本发明进一步的目标是提供一种电阻器，其中填料粘合于电阻元件和两个端子之上，从而提高了从电阻元件至这些端子的导热性。
本发明的另一个目标是提供一种表面贴装电阻器，制造的成本低，并且在相同的尺寸和电力负荷下，其在比现有技术中的电阻器低的温度下工作。
通过以下对于本发明的说明，这些目标以及其它目标会变得清楚。
发明内容
前述的目标可以通过一种电阻器实现，该电阻器包括具有相对端部的电阻元件、上表面和下表面。第一端子位于电阻元件的相对端部的一个处。第二端子位于电阻元件的相对端部的另一个处。第一和第二端子每个都延伸至电阻元件的下表面下面，并具有从电阻元件间隔开预定的第一间隙的端子表面。第一和第二端子除了通过电阻元件以外，彼此之间电断开。一种导热但不导电的填料接合并且粘结至电阻元件的下表面，并且还粘结至第一和第二端子的端子表面。因此，导热但不导电的填料关于电阻元件与第一和第二端子是导热的，由此热量会从电阻元件通过填料传导至第一和第二端子。
根据本发明的另一特征，在电阻元件的下表面与第一和第二端子的端子表面之间的间隙处在0.0254mm至0.254mm(1密耳至10密耳)的范围内。
根据本发明的另一特征，在电阻元件与第一和第二端子的端子表面之间的间隙具有小于0.127mm(5密耳)的厚度。
根据本发明的另一特征，第一和第二端子的第二端部彼此相对，并且被彼此间隔开以在它们之间产生范围从0.0508mm(2密耳)到全部电阻器长度的三分之一的端子间隔。填料至少部分地在端子间隔中延伸，但是为了本发明的目的填料在端子间隔中延伸并不是必要的。
根据本发明的另一特征，不导电涂层在电阻元件的顶表面上，并向那里提供保护涂层。
根据本发明的另一特征，在其上具有两个或更多导电体的电路板被连接至第一和第二端子。
根据本发明的另一特征，第一和第二端子由导电且导热的材料制成。
根据本发明的另一特征，填料为从主要由塑料、橡胶、陶瓷、人造橡胶、电绝缘金属和玻璃组成的组中选择的材料。
本发明的方法包括：将处于未固化和未硬化的导热但不导电的填料放置在电阻元件的所述的下表面上。第一和第二端子被向下弯曲至电阻元件的下表面之下的隔开的位置。当填料仍保持在未固化和未硬化的状态时，迫使第一和第二端子与填料相接触。随后当填料与电阻元件的下表面和第一和第二端子相接触时，允许填料固化和硬化，由此填料会将热量从电阻元件传导至第一和第二端子。
根据本发明的方法的另一特征，在电阻元件的下表面与第一和第二端子之间的距离被保持在0.0254mm至0.254mm(1密耳至10密耳)的范围内。
根据本发明方法的另一特征，保持距离小于0.1270mm(5密耳)。
根据本发明方法的另一特征，所述的填料被粘结至电阻元件和第一和第二端子，从而提高填料将热量从电阻元件传导至第一和第二端子的能力。
附图说明
图1是现有技术的电阻器的透视图。
图2是另一个现有技术的电阻器的截面视图。
图3是本发明的电阻器的透视图，其被示出安装在印刷电路板上。
图4是图3中的电阻器沿图3的4-4线所作的截面视图。
图5是沿图4的5-5线所作的电阻器的截面视图。
图6是电阻器的俯视平面图。
图7是电阻器的仰视平面图。
图8A-8G是示出制造电阻器的一种的步骤的透视图，没有保护涂层。
图9是将本发明的温度升高与根据现有技术制造的电阻器的温度升高进行比较的图表。
图10是相似于图4的视图，但是示出了电阻器的改进形式。
图11是相似于图4的视图，但是示出了电阻器的改进形式。
具体实施方式
本发明的电阻器在附图中总得由附图标记10标注。电阻器10是表面贴装电阻器，适合于安装在电路组件上，例如电路板13上的一些衬垫12。电阻器10包括具有相对端部16的电阻元件14、相对侧面18、顶面20和底面22。电阻器10还包括从电阻元件14的相对端部16延伸的终端或端子24和25。端子24和25沿着焊线17被焊接至电阻元件14的端部。如图3和4所示，端子24和25被延长和折叠至电阻元件14下面的位置。这些端子的外端26由在它们之间的小间隙而紧密地隔开。外端26之间的距离在0.0254mm(2密耳)至电阻器10长度的三分之一的范围内。通常其约为0.5ml(20密耳)。
导热但不导电的填料28填充在电阻元件14的底面22与端子24、25之间的空间，如最好在图3和4中观察。填料28可以或者可以不延伸进端子24和25的外端26之间的间隙内。填料28可以在其未固化状态中是液体、条带、膏体或油灰型材料，或者是这些材料结构的组合。在其未固化的状态中，填料28应能够在端子24、25与电阻元件14之间被下压或挤压，使得与两个端子24、25和电阻元件14的底面22处于导热关系。当固化填料28，会形成与两个端子24、25和电阻元件14的底面22的粘合物。
填料28可以是任何高导热但不导电的CLS的材料。填料28还可以选自于塑料、橡胶、陶瓷、电绝缘金属、玻璃以及类似的材料。填料28可以是环氧树脂、硅树脂、硅树脂聚酯共聚物、人造橡胶。因为填料28不是结构强度主要来源，所以其可以是非常薄，以强化热传导。为了高效的热传导，填料28应当尽可能的薄，例如，在0.0254mm至0.254mm(1-10密耳)的范围内。优选地，其在0.0254mm至0.1270mm(1-5密耳)之间。填料28还可以包括颗粒材料以提高导热性，颗粒材料可以是但不限制于电绝缘金属或陶瓷材料、或电绝缘金属片或它们的组合，从而促进通过填料28的热传导。除了别的之外，这些颗粒可以选自于氧化铝、氮化硼、氮化铝、非导电的涂覆铜、阳极氧化铝或任何它们的组合。
填料28的一个例子是由DuPont High Performance Materials，Circleville，OH 43113生产的商标为
Figure G2005800486339D00071
MT的均相聚酰亚胺薄膜。填料28还可以被混合有氮化硼工业粉末，其被以
Figure G2005800486339D00072
的名称制造，PH级(325，由Saint-Gobain Adraneed Nitride Products，Amherst，New York 14228-2027)。该粉末提高了填料28的导热性，但为化学上的惰性。
除了在端子24和25与电阻元件的端部16的连接外，填料28使得端子24和25与电阻元件14电绝缘。在端子24和25与电阻元件14上任何其它点的电连接会导致短路，并从电阻器10的设计电阻值减小电阻。端子24和25、填料28和电阻元件14应当紧密或直接接触，以提高通过这三层的热传导。在这些部件之间的气泡阻碍传热，应当避免。
电阻器10还包括在电阻元件14的侧面18和顶面20上的保护涂层30。涂层30没有应用于电阻元件14的底面22。涂层30通过印刷油墨或激光在电阻器10上标记识别记号。涂层30是一种绝缘材料。涂层30为暴露于各种环境下的电阻器提供保护，并增加电阻元件14的刚性。涂层30还将电阻器10与其在装配或运行的过程中可能接触的其它部件或金属表面进行绝缘。涂层30可以辊压涂覆、印刷或喷射至电阻元件的侧面18和顶面20。
电阻器10可以以条带组件方式制造，类似于Rainer的美国专利5,604,477中描述的电阻器制造方法，在此以参考的方式加入。电阻器还可以单独制造，而不采用条带组件的方式。
电阻器10随后穿过调整和校准台，其通过在电阻元件14的侧面18内切割一个或多个交替的修整槽，调整每一个电阻器10达到需要的电阻值，如美国专利5,604,477中的描述。在图中所示的电阻器10不具有修整槽，而且电阻器10可制造得带有，或不带有修整槽。
形成单个电阻器10的方法在图8A-8G中示出。
如在附图8A中可见，电阻器10由端子24、端子25组成，它们在焊缝17处被焊接至电阻元件14的端部16。电阻元件14包括底表面22，其在图8A中示出是处于向上方向。
图8A中所示的电阻元件14和端子24、25随后被蘸入或浸入液体底层材料内。能用于本发明目的的底层材料的例子是使用由DowCorning Corporation，Midland，Michigan 48686以
Figure G2005800486339D00081
作为商标制造的材料。该材料为液态形式，适合于在室温和20-90％相对湿度的情况下在一到两个小时固化。在被浸入Dow Corning
Figure G2005800486339D00082
材料内之后，电阻元件随后弯曲为图8中显示的形式。这包括将端子25弯曲45°角。施加于电阻元件和端子的底层涂料是一种助粘剂，并且在电阻器10的全部表面上留下化学涂层。可以施加温度以增加其固化和干燥的速度。
工艺的下一步包括应用填料28。填料28包括由位于Circleville，OH 43113的DuPont High Performance Materials商标为
Figure G2005800486339D00091
MT的导热聚酰亚胺薄膜基底生产的条带。上文述及的底层材料通过浴浸的方式设置于
Figure G2005800486339D00092
条带的两侧上，并且使其干燥。
Figure G2005800486339D00093
条带然后被拉伸穿过机械锻模，其以与编织工艺相同种类的两种材料的混合物涂覆该条带。在
Figure G2005800486339D00094
条带每一侧上的混合物厚度大约为0.0762mm(3密耳)。混合物的材料包括由Dow Corning ElectronicSolutions以商标Q1-4010生产的材料。这是导热但不导电材料的保形涂层。其适合应用于未固化的状态为了在随后的时间里固化。Q1-4010保形涂层与氮化物粉末进行混合，该氮化物粉末由位于Amherst，New York 14228-2027的Saint-Gobain Ceramics BoronNitride Products以商标
Figure G2005800486339D00095
制造的氮化硼工业粉末，PHPP325级。Q1-4010保形涂层与
Figure G2005800486339D00096
的氮化硼工业粉末相混合形成混合物。的氮化硼工业粉末处于一般的惰性，不与Q1-4010进行化学反应。然而，这并不增强Q1-4010保形涂层与
Figure G2005800486339D00098
混合物的温度传导特性。
图8D示出端子25的向下弯曲与还没有固化的填料28相接触，填料28由涂覆有Q1-4010保形涂层和PHPP325氮化硼粉末的混合物的
Figure G2005800486339D000910
条带组成。因为填料28仍然处于未固化状态，终端25的弯曲与其接触引起了填料28的压缩，由此引起填料28在终端25的侧面和端部周围溢出。
图8E示出了将端子24弯曲至45°角的步骤，图8F和8G示出了端子24以与上文描述的端子25相同的方式弯曲至与未固化的填料28相接触。在电阻元件成形为显示于图8F和8G中的形状后，允许填料28固化和硬化。当其固化和硬化时，形成了电阻元件14与终端24、25之间的粘合物。由于在填料28固化之前，终端24、25被弯曲并与填料28相接触，因此终端24、25使得填料28压靠电阻元件14，并且还由终端24、25压下。粘合物形成后，电阻元件14能够通过填料28、终端24、25、并且进入电路板13上的电路衬垫12来散热。如果终端24、25没有预涂覆焊料，在此点可以将钎焊涂层涂覆在终端24、25上。
本发明的电阻器比现有技术的电阻器具有低得多的工作温度。例如，在专利5,604,477中示出和描述的电阻器在2瓦时，元件的热点温度为275℃。作为对比，本发明的电阻器10在2瓦时的温度大约为90℃。较低的运行温度是与更好的电气性能和可靠性相关的。如附图3所示，电阻元件14所产生的热通过导热的端子24、25和导热的填料28进行消散。伸长的端子24、25优选地具有实质上与电阻元件14相同的厚度。因此，端子24、25就提供了用于从电阻元件14进行热消散的最大表面面积和最小厚度。热消散改善的原因至少部分是由于填料28至电阻元件14和端子24、25的粘合，还有部分原因是由于填料28在0.0254mm至0.254mm之间的厚度。
散热改善的其它原因包括以下事实：在填料28固化和仍然柔软之前，端子弯曲并与填料相接触。因此，填料28在固化之前在加工的过程中被压至最小的厚度。第二，制造过程允许柔软的填料28与电阻元件14和端子24、25保持一致，以致避免了阻碍导热性的气泡。第三，形成将电阻元件14和端子24、25粘合至填料28之后，固化填料28，以形成用于最大传热的紧密接触。因此，通过建造从电阻元件穿过填料28和端子24或25的路径，增强了电阻器10的传热。
图9示出了本发明的温升与根据现有技术构造的电阻器的温升之间的比较。如从该图表中所见，本发明产生的温升为28℃/瓦特，而根据现有技术制造的电阻器产生的温升为120℃/瓦特，差别显著。
在图2示出的现有技术的电阻器110包括带有端子124、125的电阻元件114，端子124、125折叠于电阻元件114下面。填料128位于电阻元件114与端子124、125之间。填料128大约为0.015″厚，是元件114厚度的三倍，由于厚度太大以致于不能有效地传热。热量不能以最有效的方式向下通过厚的填料128，而必须横向穿过电阻元件114的端部进入端子124、125。同样，在电阻器110中，在端子124、125向下折叠之前，填料128模制于元件114周围，因此使填料128与端子之间产生空气间隙。这些空气间隙阻碍传热。
图10示出了类似于图4的视图，但示出了电阻器的改进型，总体上由附图标记40指示。电阻器40包括形成有端子44、46的电阻元件42，该端子44、46折叠于电阻元件42之下。应该注意到电阻元件42与端子44、46是整体的、一体的或同类的，并由相同的材料制成。导电涂层48施加于端子44、46的外表面和下表面，从而提供导电性。导电涂层48与衬垫12接触，通过使用焊料可以结合于衬垫12。在此变形例中，在终端44、46与电阻元件42之间设有填料52。不导电涂层50应用于电阻元件42的上表面。热量从电阻元件42向下穿过填料52进入端子44、46，并且最终穿过导电涂层48到达衬垫12。
图11是类似于附图4的视图，但是示出由附图标记54指示的更进一步的改进。电阻器54包括电阻元件56，该电阻元件56在其端部弯曲以形成端子58、60。电阻元件56没有用如图10中48处所示的导电材料进行涂覆。然而，在端子58、60之间设有焊料62，使得电阻器54连接于衬垫12。不导电涂层64涂覆于电阻元件56的顶面，并且设有填料66，将热量从电阻元件56传导穿过填料，穿过端子58、60，穿过焊料62，然后进入衬垫12。
由此，通过对比图4、10和11可见：如图4所示，端子24、25可以焊接至电阻元件14；也可以如图10所示，与电阻元件42形成一体，但涂覆导电涂层48；或者如图11所示，在没有导电涂层48的情况下与电阻元件56制造成为一体。
应当认识到，本发明的构思可以应用于其它的在工作期间发热的电子元件，例如：感应器、半导体和电容器。
在上文中通过优选的实施例示出并描述了本发明，应当认识到在本发明预期的精神和范围之内，可以进行多种改进、替换和添加。从前述中能够看出，本发明至少实现了所有其陈述过的目标。

Claims (10)

1.一种电阻器(10，40)，包括：电阻元件(14，42)，具有相对的端部(16)、上表面(20)和下表面(22)；第一端子(24，44)，位于所述电阻元件(14，42)的所述相对端部(16)的一端上；第二端子(25，46)，位于所述电阻元件(14，42)的所述相对端部(16)的另一端上；所述第一和第二端子(24，25，44，46)每个都延伸至所述电阻元件(14，42)的所述下表面(22)的下面并且具有从所述电阻元件(14，42)间隔开预定的第一间隙的上端子表面，所述第一和第二端子(24，25，44，46)除了通过所述电阻元件(14，42)连接之外，彼此之间电断开；导热的填料(28)，其特征在于：
所述填料(28)不导电，所述填料(28)接合所述电阻元件(14，42)的所述下表面(22)，并且接合所述第一和第二端子(24，25，44，46)的上端子表面，所述第一和第二端子(24，25，44，46)的上端子表面形成所述填料(28)中的压陷部，而且所述填料随后被固化、硬化和粘结至所述电阻元件(14，42)的所述下表面(22)和至所述第一和第二端子(24，25，44，46)的上端子表面，以便与所述电阻元件(14，42)和所述第一和第二端子(24，25，44，46)为导热关系，由此热量从所述电阻元件(14，42)穿过所述填料(28)传导至所述第一和第二端子(24，25，44，46)。
2.根据权利要求1所述的电阻器(10，40)，进一步的特征在于，所述电阻元件(14，42)的所述下表面与所述第一和第二端子(24，25，44，46)的上端子表面之间的间隙在0.0254mm至0.254mm(1密耳至10密耳)的范围内。
3.根据权利要求1所述的电阻器(10，40)，其特征在于，所述第一和第二端子(24，25，44，46)由导电且导热的材料制成。
4.根据权利要求1所述的电阻器(10，40)，其特征在于，所述的填料(28)为从主要由塑料、橡胶、陶瓷、电绝缘金属和玻璃组成的组中选择的材料。
5.一种电阻器(10，40)，包括：电阻元件(14，42)，具有相对的端部(16)、上表面(20)和下表面(22)；第一端子(24，44)，从所述电阻元件(14，42)的相对端部(16)的一端延伸；第二端子(25，46)，从所述电阻元件(14，44)的相对端部(16)的另一端延伸；所述第一和第二端子(24，25，44，46)每个都具有在所述电阻元件(14，42)的所述下表面(22)下面延伸的第二端部(26)，并且具有从所述电阻元件(14，42)间隔开的上端子表面，所述第一和第二端子(24，25，44，46)除了通过所述电阻元件(14，42)连接之外，彼此之间电断开；不导电的填料(28)被固化、硬化并且接合所述的电阻元件(14，42)的所述下表面，以及所述第一和第二端子的上端子表面，所述第一和第二端子(24，25，44，46)的上端子表面形成所述填料(28)中的压陷部，填料(28)也是导热的并且与所述电阻元件(14，42)和所述第一和第二端子(24，25，44，46)为导热关系，由此热量从所述电阻元件穿过所述填料(28)传导至所述第一和第二端子(24，25，44，46)。
6.一种用于制造具有电阻元件(14，42)的电阻器(10，40)的方法，所述电阻元件包括：第一和第二相对的端部(16)、上表面(20)和下表面(22)；从所述电阻元件(14，42)的所述第一端部(16)延伸的第一端子(24，44)；和从所述电阻元件(14，42)的所述第二端部(16)延伸的第二端子(25，46)；所述方法的特征在于：将处于未固化和未硬化状态的不导电的填料设置于所述电阻元件(14，42)的所述下表面上(22)；向下弯曲所述第一和第二端子(24，25，44，46)至所述电阻元件(14，42)的所述下表面之下的隔开的位置；当所述填料(28)仍保持在未固化和未硬化的状态时，迫使所述第一和第二端子(24，25，44，46)与所述填料(28)相接触；和当所述填料(28)与所述电阻元件(14，42)的所述下表面(22)和所述第一和第二端子(24，25，44，46)相接触时，允许所述填料(28)固化和硬化，由此所述填料(28)会将热量从所述电阻元件(14，42)传导至所述第一和第二端子(24，25，44，46)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，保持所述电阻元件(14，42)的所述下表面(22)与所述第一和第二端子(24，25，44，46)的上表面之间的距离处在0.0254mm至0.254mm(1密耳至10密耳)的范围内。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，保持所述电阻元件(14，42)的所述下表面(22)与所述第一和第二端子(24，25，44，46)的上表面之间的距离小于0.1270mm(5密耳)。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述填料(28)粘合至所述电阻元件(14，42)的所述下表面(22)以及所述第一和第二端子(24，25，44，46)，从而提高所述填料(28)将热量从所述电阻元件(14，42)传导至所述第一和第二端子(24，25，44，46)的能力。
10.一种用于制造具有电阻元件(14，42)的电阻器(10，40)的方法，所述电阻元件包括：第一和第二相对的端部(16)、上表面(20)和下表面(22)；从所述电阻元件(14，42)的所述第一端部(16)延伸的第一端子(24，44)；和从所述电阻元件(14，42)的所述第二端部(16)延伸的第二端子(25，46)；所述方法的特征在于：将不导电的未固化和未硬化的填料(28)设置于所述电阻元件(14，42)的所述下表面(22)上；向下弯曲所述第一和第二端子(24，25，44，46)至所述电阻元件(14，42)的所述下表面(22)之下的隔开的位置，形成所述填料(28)中的压陷部；将所述填料(28)粘合至，并且与所述电阻元件(14，42)和所述第一和第二端子(24，25，44，46)相接触，以提高所述填料(28)在固化和硬化后将热量从所述电阻元件(14，42)传导至所述第一和第二端子(24，25，44，46)的能力。
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