CN101911238A - 采用激光加工制造smd和通孔式熔断器的可制造性 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电路保护器的制造方法和一种电路保护器。这种方法包括以下步骤：提供有两个相反的端部的基板(110)；将元件层(120)结合于基板的顶面(112)；对元件层进行激光加工而使其成形为预定的几何形状。电路保护器包括：有两个相反的端部的基板(110)；在基板的两个相反的端部结合于基板的顶面的端部连接片；布置成跨越两个端部连接片之间的间隔并将两个端部连接片连接起来且有预定的几何形状的熔断元件(122)，预定的几何形状的最窄宽度为约0.025到约0.050mm；结合于基板的顶面并布满顶面、熔断元件(122)和端部连接片的覆盖层(130)；以及在两个相反的端部电接触于端部连接片的端部端子(140和142)。

Description

采用激光加工制造SMD和通孔式熔断器的可制造性
背景技术
本发明总地涉及电路保护器，更具体地说，涉及SMD(表面安装器件)和通孔式熔断器以及制造SMD和通孔式熔断器的方法。具体地说，本发明可应用于所有标准规格的SMD和通孔式熔断器，包括但不限于1206、0805、0603和0402熔断器以及所有非标准规格的熔断器。2006年9月28日作为美国专利公布20060214259公布的题目为“Hybrid Chip Fuse Assembly having Wire Leads And Fabrication Method”的美国专利申请11/091,665涉及通孔式熔断器并被以引用方式包含于此。
超小型电路保护器在尺寸和空间受到限制的各种应用场合非常有用，例如用在电子设备的电路板上，用以实现电子电路的密集封装和小型化。
陶瓷片型熔断器的典型制造方法是：在陶瓷或玻璃基板上沉积元件层；网掩印刷这个元件层而将其印刷到预定的厚度和宽度来使其达到一定的电阻；将绝缘的覆盖层附连在元件层上；将这样制成的结构物切割或分割成一个个熔断器。在进行网掩印刷操作时，元件层难以明确地限定。网掩印刷操作不能做到很精确，因而产生的元件层的边缘尖锐性不是很好。可以用光照蚀刻技术替代网掩印刷过程，但是光刻加工相当昂贵，因为它需要多个附加的加工步骤和较长的从订货到交货时间。
因此，需要有一种既简单有相当廉价的超小型电路保护器制造方法。此外，也需要有这样一种超小型电路保护器制造方法，其中元件层可设计成有一定的几何尺寸并且也有精细的边缘尖锐性。
附图说明
参照附图阅读下面给出的本发明的几个示例性实施例的说明将能更好地理解本发明的上述和其它特点和各个方面，各附图中：
图1是本发明的示例性实施例的电路保护器的立体图；
图2是本发明的示例性实施例的电路保护器沿着图1中的线2-2的侧视剖视图；
图3是描述电路保护器的示例性制造方法的流程图；
图4A-4J表示出本发明的某些示例性实施例的电路保护器处于不同的制造阶段；
图5是描述多个电路保护器的另一种示例性制造方法的流程图；
图6是结合于基板的元件层的多个间隔的且大体上平行的条的顶视图，按照本发明的示例性实施例，用这样的基板可成形出多个电路保护器；以及
图7A-7C是按照本发明的示例性实施例的有各种几何形状的熔断元件的示例性电路保护器的顶视图。
具体实施方式
图1是按照本发明的一个示例性实施例的电路保护器100的立体图。应能理解，这个图不是按比例绘制的，为了表示得清楚，各个构成部分的厚度被夸大了。
电路保护器100包括电绝缘材料的基板110、结合于基板110的顶面112的导电材料的元件层120、结合于元件层120的至少一部分的覆盖层130、以及结合于基板110的两个相反端部116和117的导电材料的端部端子140和142。端部端子140和142电地结合于元件层120，从而形成通过电路保护器100的电路。此外，可将标志150结合于覆盖层130的外表面。标志150可包括用于识别熔断器的某些特性的符号或颜色。这些特性可包括但不限于制造熔断器所用的技术、熔断器的覆盖区、熔断器的各项电特性和熔断器的额定安培数。在一个替换实施例中，可将覆盖层130结合于元件层120的至少一部分和基板110的至少一部分。
图2是本发明的示例性实施例的电路保护器100沿着图1中的线2-2的侧视剖视图。可以看到，电路保护器100还包括结合于元件层120(例如在其顶面上)的端部连接片160和162。端部端子140和142覆盖着基板110的两个相反的端部116和117并电地结合于端部连接片160和162。这样，端部端子140和142构成外部导电端子，可用于将电路保护器100连接在电路(未示)内。
在某些实施例中，元件层120可包括端部连接片160和162以及布置在端部连接片160和162之间并将它们电连接起来的熔断元件122。端部连接片160和162和熔断元件122可以是由元件层120成形的单片结构。此外，熔断元件122和端部连接片160和162可以各有预定的厚度。例如，端部连接片160和162的厚度可以至少等于熔断元件122的厚度。
在其它实施例中，端部连接片160和162可以是单独成形的并且都电地结合于元件层120。
以上简要地描述了示例性实施例的电路保护器100的结构，下面参照图3和图4A-4J说明本发明的电路保护器的示例性制造方法。图3是描述电路保护器100的示例性制造方法的流程图。图4A-4J表示出一个示例性的电路保护器100，按照图3所描述的示例性制造方法，处于其制造过程的各个阶段。
示例性方法300从步骤301开始进行到步骤310，在步骤310，提供有两个相反的端部116和117的基板110。在某些实施例中，提供的基板110的尺寸可以粗略地是电路保护器的尺寸。基板110构成单个电路保护器100的基础，其顶视图和侧视图分别如图4A和4B所示。基板110可以用任何适当的电绝缘材料制造，包括但不限于陶瓷、玻璃、诸如聚酰亚胺的聚合物材料、FR4、氧化铝、块滑石、镁橄榄石、或它们的混合物。在图示的这一实施例中，基板110成形为大体上长方形断面的形状。但是，在替换实施例中，在本发明的精神和范围内，基板110可成形为其它的尺寸和形状。基板110有顶面112、底面114、两个相反的端部116和117、以及相反的两侧边缘118和119。在某些实施例中，基板110的顶面112基本上是平的。
接着在步骤320，采用本技术领域已知的适当措施将元件层120结合于基板110的顶面112。基板110和元件层120的顶视图和侧视图分别如图4C和4D所示。元件层120可以是任何适当的导电材料制成的，包括但不限于银、金、钯银合金、铜、镍或它们的任何合金。
在某些实施例中，典型地，元件层120里包含玻璃粉，其用作将元件层120结合于基板110的粘结剂。在这样的实施例中，可以以液体的形式将元件层120涂覆在基板110的顶面112上，这将导致玻璃粉沉淀到元件层120的底部。如上所述，端部连接片160和162可成形为元件层120的组成部分。或者，端部连接片160和162可独立于元件层120单独成形。在步骤320，还可采用其它已知方法将元件层120施加于基板110，包括但不限于厚膜法、薄膜法、喷镀法、以及层合膜法，这些都属于本发明的精神和范围之内。
可以根据所需要的电路保护器100的特性(例如电阻)来广泛地选择元件层120的厚度，这通常是由应用场合的要求来决定。例如，在将元件层120用作薄膜时，其厚度可以是约0.2μm。但是，在将元件层120用作厚膜时，其厚度可以是约12到约15μm。
在步骤330，用激光将元件层120加工到预定的几何形状。这个预定的几何形状决定着将要制成的熔断元件122的时间电流特性。基板110和激光加工到预定的几何形状的元件层120的顶视图和侧视图分别如图4E和4F所示。图4E表示出元件层120的几何形状大体上是曲折的。还可通过激光加工从元件层120成形出端部连接片160和162。
激光加工可将元件层120成形为各种几何形状，同时又能保持精细的边缘尖锐性并允许有沿着几何形状的侧壁的尖锐直角或曲线。这样，在用激光加工元件层120时各侧壁可有90°的切割面。因此，与已有技术的SMD熔断器相比，激光加工允许熔断元件122在深度方向较厚而在宽度方向较窄。与目前采用的制造过程相比，采用激光加工制造的熔断元件的针眼数目可大为减少。针眼是直径约为0.05mm到0.2mm的小孔，其产生于印刷和烘烤处理过程中印墨里的空气泡。针眼数目的减少可使讨厌的熔断器烧断现象减少。此外，由于可对熔断元件122进行较好的局部加热，进而降低向基板110内的散热，所以激光加工可增强电路保护器的性能。
举例来说(但并非局限于)，激光加工技术可用于生产这样的熔断元件几何尺寸，其中熔断元件122的最窄部分的宽度可以小到仅为约0.025mm，而同时仍能保持精细的边缘尖锐性。此外，在熔断元件122的最窄部分周围的最窄的蒸发后宽度可以小到仅为约0.019mm，并仍能保持精细的边缘尖锐性。熟悉本技术领域的人将能领会到，在本发明的精神和范围内，激光加工还可用于生产具有更大或更小宽度的熔断元件几何形状，几何形状的宽度的选择通常是取决于对电路保护器100的使用要求。
在本发明的某些实施例中，用IPG光学公司(IPG Photonics Corporation)制造的YLP系列激光器进行激光加工。YLP系列激光器中的一个适用的型号是YLP-0.5/80/20型。波长、功率、光束质量和光点尺寸是决定激光加工动态特性的一些参数。这个型号是镱纤维激光器，它以脉冲方式工作，每个脉冲输出0.5毫焦耳。脉冲宽度约为80纳秒。这些激光器可输出1060到1070纳米波长的高功率激光束，其不在可见光谱范围内，通过柔性的金属屏蔽纤维电缆直接射向工件上的加工点。这种激光器提供的热量低，所以在用激光加工元件层120的过程中，不会损伤基板110。此外，这种激光器的光束非常准直，典型地，可聚焦成尺寸仅为几微米或更小的光点。而且，输出纤维的输送长度约为3-8米。这种激光器的脉冲重复率在20到100kHz范围内。此外，这种激光器的标称平均输出功率约为10W，而最大功率消耗约为160W。
纤维激光器有很宽的动态工作功率范围，并且即使在激光器功率被改变时光束焦点及其位置也能保持恒定，因而允许每一次都有一致的加工结果。通过改变光学构造还可达到宽的光点尺寸范围。这些特点让使用者可针对切割各种材料和不同壁厚选择恰当的功率密度。
具有优化脉冲的纤维激光器的高模式质量和小光点尺寸有利于用激光加工薄的材料的复杂特色结构和几何形状。这种脉冲的模式切割可使产生的渣屑为最少以及热影响区(HAZ)为最小，这对于许多微细加工场合是非常苛刻的。纤维激光器的与小光点尺寸相关的高功率密度还可解释为更快的切割速度和优良的边缘质量。
这些纤维激光器可使元件层120的应该去掉的金属化层蒸发掉，并仍能保持熔断元件122具有最佳性能所要求的精细几何形状。在用这样的纤维激光器加工金子时，焦点约为15微米。但是，在用这样的激光器加工银子时，焦点约为20-25微米。由于金子不是像银子那样反射性强，所以金子较容易切割。根据元件层的性质，纤维激光器可以有约为10微米的焦点。通过限制发光面积可达到较小的光点。在各替换实施例中，可以用另一种型式的纤维激光器或其它型式的激光器，只要激光器能在元件层120上产生精细的分辨率而又不会损伤基板110，这也都属于本发明的精神和范围之内。
在步骤330对元件层120进行激光加工之后，在步骤340将覆盖层130结合于元件层120的至少一部分。基板110、元件层120和覆盖层130的顶视图和侧视图分别如图4G和4H所示。覆盖层130可以用玻璃、陶瓷或其它适当的电绝缘材料来成形。覆盖层130布满基板110的顶面112的至少一部分、熔断元件122、以及端部连接片160和162的至少一部分，并充满它们周围和它们之间的任何空穴。在一个替换实施例中，覆盖层130结合于元件层120的至少一部分和基板110的至少一部分。
在某些实施例中，覆盖层130可以是印上去的玻璃或直接施加在基板110的顶面112和元件层120(包括熔断元件122和端部连接片160和162)的表面上的耐高温聚合物材料。在一个实施例中，玻璃中没有任何金属并可涂成厚膜。待玻璃膜干了，烘烤，然后冷却。或者，覆盖层130可由机械地压实在基板110的顶面112上的一层陶瓷原料构成，以布满下面的各构成部份(即熔断元件122和端部连接片160和162)，然后烘烤这一组件以使覆盖层130固化。在其它实施例中，覆盖层130可由电绝缘材料的板构成，并且由一层粘合材料将这个板粘合于顶面112而覆盖各组成部分。粘合材料可以涂抹于顶面112，以布满顶面112和上述各组成部分，并将覆盖层130粘贴在粘合材料上。覆盖层130可以起具有电弧猝熄特性的钝化层的作用。
接着在步骤350，给电路保护器100加上端部端子。加上端部端子的电路保护器100的顶视图和侧视图分别如图4I和4J所示。端部端子140和142可包括在覆盖层130已经结合于这个电路保护器半成组件之后涂覆在其端部上的导电材料。可以用本技术领域已知的任何适当的方式将端部端子140和142涂覆在电路保护器半成组件上。举例来说但并不局限于，可通过先将这个半成组件的端部在适当的镀覆池里浸蘸一下随后烘烤干来施加端部端子140和142。端部端子140和142在基板110两个相反的端部116和117处接触端部连接片160和162。端部端子140和142最好是沿着基板110的侧向边缘118和119延伸得工业标准所允许的那样长，以使端部连接片160和162的侧向边缘至少部分地被包在端部端子140和142里。端部端子140和142还可对应地延伸而盖住覆盖层130的一部分和基板110的底面114的一部分。在某些实施例中，端部端子140和142可以用银墨来制造并随后镀以银锡。在本发明的精神和范围内，端部端子140和142也可采用其它导电材料。在给基板110加上端部端子之后，方法300在步骤360结束。
下面参照图5和6说明用于制造多个电路保护器100的一种替换方法。图5是描述用于制造多个电路保护器100的另一示例性方法的流程图。图6是结合于基板110的元件层120的多个间隔且大体上平行的条的顶视图，按照示例性方法500，用这样的基板110可成形出多个电路保护器100。
图5的示例性方法500从步骤501开始并进行到步骤510，在步骤510，元件层120的多个间隔且大体上平行的条被结合于基板110的顶面112。图7表示出结合于基板110的顶面112的元件层120的多个间隔且大体上平行的条。图示的基板110有大体上长方形的横断面。举例来说，这个基板110可以是约21/2到3英寸的方形的，其可适于成形出多个电路保护器100。根据电路保护器100的尺寸，一块约21/2到3英寸见方的基板可成形出约798个电路保护器。在本发明的精神和范围内，也可采用其它尺寸和形状的基板110。
前面已经描述了将元件层120施加于基板110的示例性方法。在某些实施例中，可通过在基板110上成形出以空白区172为间隔的多个金属化条170，来将元件层120结合于基板110的顶面112。在施加上元件层120之后，在步骤520，对元件层120进行激光加工而使其成为预定的几何形状。如前所述，激光加工能将元件层120加工成各种复杂的几何形状，同时能保持边缘尖锐性。具有复杂几何形状的侧壁可以有90°的切割面。
接着在步骤530，将覆盖层130结合于基板110的顶面112，这里，覆盖层130覆盖元件层120的至少一部分。就是，覆盖层130布满每个电路保护器100的基板110的顶面112的至少一部分、熔断元件122、以及端部连接片160和162的至少一部分，并充满它们周围和它们之间的任何空穴。在一个替换实施例中，覆盖层130布满熔断元件122的至少一部分。用于施加覆盖层130的示例性方法前面已经描述了。
在步骤540，将基板110分割成单体而形成多个单体的电路保护器100，这里，每个电路保护器100包括有两个相反的端部116和117的基板110。例如，可通过在水平方向沿着空白区172分割基板110并在垂直方向切断那些金属化条170，来将基板110分割成多个单体的电路保护器100。按照某些实施例，这样的分割可以用金刚石切割锯来进行。在各替换实施例中，可以用其它已知的方法来将基板110分割成多个单体的电路保护器100，这也属于本发明的范围和精神之内。
在将基板110分割成多个单体的电路保护器100之后，在步骤550给每个电路保护器100的两个相反的端部116和117加上端部端子。给电路保护器100加上端部端子的示例性方法前面已经描述了。在电路保护器100加上端部端子之后，示例性方法500在步骤560结束。
图7A-7C是本发明的几个示例性实施例的示例性电路保护器100的顶视图，它们有几何形状不同的熔断元件122。如图7A所示，示例性电路保护器100的元件层120已被激光加工成窄直几何形状的熔断元件122，窄直的形状从第一端部连接片160延伸到第二端部连接片162。如图7B所示，示例性电路保护器100的元件层120已经被激光加工成窄的曲折几何形状的熔断元件122，曲折的形状从第一端部连接片160延伸到第二端部连接片162。如图7C所示，示例性电路保护器100的元件层120已被激光加工成相对窄直的几何形状的熔断元件122，窄直的形状从第一端部连接片160延伸到第二端部连接片162，其中相对窄直的几何形状有几个加宽的长方形部分。从以上可以看到，激光加工能够加工出各种复杂几何形状的熔断元件122，同时能保持精细的边缘尖锐性。
尽管已经结合几个具体的实施例描述了本发明，但是不应将这些描述解释为有限制的意思。所揭示的各实施例的各种可能的修改以及本发明的替换实施例，对熟悉本技术领域的人来说，在阅读了本发明的描述之后，是显而易见的。熟悉本技术领域的人能够理解，所揭示的理念和具体实施例可被容易地用作修改或设计能够达到本发明的同样目的的其它结构的基础。熟悉本技术领域的人还应能认识到，那些等同的结构都属于权利要求书所阐述的本发明的精神和范围之内。所以，应能认识到，权利要求书将涵盖属于本发明的范围内的所有这类修改或实施例。

Claims (24)

1.一种用于制造电路保护器的方法，包括以下步骤：
提供基板；
将元件层结合于所述基板的顶面；以及
对所述元件层进行激光加工而将所述元件层成形为预定的几何形状。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将覆盖层结合于所述元件层的至少一部分的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括将标志施加于所述覆盖层的表面的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：通过将导电的端部端子施加于所述基板的两个相反的端部，来给所述电路保护器加上端部端子，从而端部端子电地结合于所述元件层。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述元件层进行激光加工而将所述元件层成形为预定的几何形状的步骤是用纤维激光器进行的。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述元件层进行激光加工而将所述元件层成形为预定的几何形状的步骤产生熔断元件和在所述基板的两个相反的端部的端部连接片。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定的几何形状是大体上曲折的。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基板由电绝缘材料构成，所述电绝缘材料选自：陶瓷、玻璃、聚合物、FR4、氧化铝、块滑石、以及镁橄榄石。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述元件层结合于所述基板的所述顶面的步骤是用下述步骤进行的：将所述元件层金属化于所述基板的所述顶面。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述元件层由至少一种导电材料构成，所述导电材料选自：银、金、钯银、铜、镍、银合金、金合金、钯银合金、铜合金和镍合金。
11.一种用于制造多个电路保护器的方法，包括以下步骤：
提供基板；
将元件层结合于所述基板的顶面，其中，所述元件层包括多个间隔且大致平行的导电材料条；以及
对所述元件层进行激光加工而将每个所述导电材料条成形为预定的几何形状。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
将覆盖层结合于所述基板的所述顶面，所述覆盖层覆盖所述元件层的至少一部分；
将所述基板分开成多个单独的电路保护器，每个单独的电路保护器有两个相反的端部；以及
给所述两个相反的端部中的每个端部都加上端部端子。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括将至少一个标志施加于所述覆盖层表面的步骤。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述将所述基板分开成多个单独的电路保护器的步骤包括将所述基板分割成多个单体。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述对所述元件层进行激光加工的步骤用纤维激光器来进行。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述对所述元件层进行激光加工的步骤使每个所述导电条里形成多个熔断元件，每个所述熔断元件具有在其两个相反的端部的端部连接片。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，每个所述熔断元件的几何形状大体上是曲折的。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述基板由电绝缘材料构成，所述电绝缘材料选自：陶瓷、玻璃、聚合物、FR4、氧化铝、块滑石、以及镁橄榄石。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述元件层结合在所述基板的所述顶面上包括以下步骤：
将所述元件层金属化于所述基板的所述顶面。
20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述元件层由至少一种导电材料构成，所述导电材料选自：银、金、钯银、铜、镍、银合金、金合金、钯银合金、铜合金和镍合金。
21.一种电路保护器，包括：
电绝缘的基板，所述基板有顶面、底面和两个相反的端部，所述端部都有两个端头边缘和两个相反的侧向边缘；
端部连接片，所述端部连接片由导电材料形成，并在所述基板的两个相反的端部结合在所述顶面上，每个端部连接片延伸到一个端头边缘和两个相反的侧向边缘；
熔断元件，所述熔断元件布置成跨越所述两个端部连接片之间的间隔并将所述两个端部连接片电连接起来，所述熔断元件有带有侧壁的预定几何形状，其中，所述几何形状的至少一部分的宽度为约0.025mm到约0.05mm，其中，所述侧壁有90°的切割面；
覆盖层，所述覆盖层由电绝缘材料形成并结合于所述顶面，所述覆盖层布满所述基板、所述熔断元件和所述端部连接片；以及
导电的端部端子，所述端部端子在所述两个相反的端部电接触于所述端部连接片的端头边缘和侧向边缘，所述端部端子延伸在所述底面和所述覆盖层的一部分上而包住所述端部连接片。
22.如权利要求21所述的电路保护器，其特征在于，所述熔断元件和所述端部连接片各有预定的厚度，所述端部连接片的所述厚度至少等于所述熔断元件的所述厚度。
23.如权利要求21所述的电路保护器，其特征在于，所述熔断元件和所述端部连接片都是单片结构。
24.如权利要求21所述的电路保护器，其特征在于，所述覆盖层由印刷玻璃构成。
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