CN101944463B - 一种薄膜片式保险丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜片式保险丝及其制备方法，包括低导热陶瓷基片，所述低导热陶瓷基片背面设有背电极层，正面由内到外依次为印刷而成的改性层、沉积而成的熔断体金属层并通过冷烧蚀对熔断体金属层进行图形化形成的熔断体图形、沉积而成的低温助熔金属层、印刷而成的保护层，基片两端包覆端电极。本发明以低导热陶瓷基板为载体，产品具有良好的绝缘密封性和抗机械碰撞、抗折弯能力；针对不同产品选择不同基片改性材料，可大幅度提升产品熔断特性；结合薄膜沉积技术与激光冷烧蚀技术实现的熔断体图形化，其图形精度可达到微米级，阻值精度可达到0.5％以上。

Description

一种薄膜片式保险丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及片式电子元器件，特别是一种薄膜片式保险丝及其制备方法。

背景技术

目前，常见的片式保险丝有四种结构：一是采用流延层压法完成电极、熔断体结构，切割形成矩形外形，最后电镀形成端头；二是采用氧化铝陶瓷基片上厚膜印刷电极及熔断体，由树脂或玻璃包覆形成保护层，再通过沿原基片上的凹槽折条折

粒形成矩形外形；三是采用铜箔压合聚酰亚胺树脂，形成单层PCB结构，在其上面形成第1金属膜，在第1金属膜上通过表面处理方式层叠形成第2金属膜，通孔电镀形成端头后，裁切形成矩形外形；四是采用氧化铝陶瓷基片上形成隔热层，再在隔热层上溅射铜金属层，再通过湿法刻蚀方式得出所需要的图形，然后通过电镀方式加厚铜层、电镀Sn层，最后树脂包覆形成保护层，再通过沿原基片上的凹槽折条折粒形成矩形外形。

保险丝的工作原理即是通过保险丝电阻的热效应，在通过额定的熔断电流时及时的熔断。保险丝的阻值控制是产品合格率控制的关键。同时在正常工作的电路中，保险丝的阻抗对电路中的信号有负面，故保险丝的阻值通常都尽可能低。部分便携式产品为了降低功耗，通常会使用十几毫欧、甚至几毫欧的保险丝。

以上所述第一、二种结构保险丝制程简单，但所采用熔断体图形化工艺对阻值的控制精度不高，产品的熔断一致性较差。第三种结构保险丝所使用的聚酰亚胺树脂材料成本高，且聚酰亚胺树脂机械强度不高，耐热性不良，因此在实际应用中焊接时，产品容易出现变形、异常熔断或阻值变化过大。第四种结构保险丝是在绝缘基片中间用矽橡胶形成隔热层，并在其上形成熔断体金属层，因此熔断体金属层不平，存在不能得到均匀的熔断体膜层的缺点。另外，隔热层以及覆盖熔断体上表面的矽橡胶层机械强度差，容易因外力作用而使熔断体膜层受损伤。同时第三、四种结构中低熔点金属层(Sn)是用电镀方式沉积，膜层厚度控制不精确，从而影响产品的阻值精度以及熔断特性一致性。

另外第三、四种结构产品制造过程较复杂，时间较冗长。保险丝熔断体层至少由二层金属体组成，第一金属层和顶层金属层分别须经过光刻方法，形成掩模，再通过电镀方式生成，最后还需除去光致抗蚀层。操作复杂，同时涉及薄膜、光刻、电镀等工艺技术，较难控制，制程也较长。所用材料和人工成本都较多，造成制造成本较高。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种薄膜片式保险丝，其熔断特性高度一致，且可靠性优异。

本发明的另一个目的是提供一种薄膜片式保险丝的制备方法，其结合了厚膜、薄膜工艺的特点，在制造时可精确的控制保险丝熔断体的图形结构及阻值，从而达到以极高的合格率生产的保险丝产品，并且有效缩短制程，降低了制造成本。

本发明的目的是这样实现的：一种薄膜片式保险丝，包括陶瓷基片，其特征在于：所述的陶瓷基片采用低导热陶瓷基片，其背面设有背电极层，正面由内到外依次为印刷而成的改性层、沉积而成的熔断体金属层并通过冷烧蚀对熔断体金属层进行图形化形成的熔断体图形、沉积而成的低温助熔金属层、印刷而成的保护层，陶瓷基片两端包覆端电极。

所述的低导热陶瓷基片为导热系数低于20W/(m·K)的陶瓷基片。

所述的熔断体金属层是镍含量为2％～10％的合金铜层。

所述的改性层为石英砂玻璃层或环氧树脂层。

所述的低温熔融金属选用锡锌合金或锡锌铝合金。

上述薄膜片式保险丝的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)于低导热陶瓷基片背面印刷背电极层并烧结；

(2)于低导热陶瓷基片正面印刷表面改性材料，并固化或烧结形成改性层；

(3)通过薄膜沉积方式在改性层上形成熔断体金属层；

(4)采用冷烧蚀对熔断体金属层进行图形化，形成熔断体图形；

(5)于改性层上印刷光阻层，光阻层覆盖在引出电极上上并裸露全部或部分熔断体金属层；

(6)低温助熔金属层沉积；

(7)移去光阻层；

(8)保护印刷层，完整覆盖熔断体图形。

所述步骤(4)中，采用UV激光或皮秒/飞秒的超短脉冲激光对熔断体金属层进行激光蚀刻。

本发明以低导热陶瓷基板为载体，产品具有良好的熔断特性、绝缘密封性和抗机械碰撞、抗折弯能力；选用含有石英砂的基片改性材料，可大幅度提升产品熔断特性、产品熔断时的灭弧效果以及熔断后的绝缘特性；结合薄膜沉积技术与激光冷烧蚀技术实现的熔断体图形化，其图形精度可达到微米级，熔断体金属层以及低温助熔金属层厚度精度可达到0.1微米，因此阻值精度可达到0.5％以上，熔断特性高度一致。

附图说明

图1是本发明薄膜保险丝制造方法的流程示意图；

图2-图5分别是本发明薄膜片式保险丝的侧面、顶面、底面以及截面的结构示意图；

图6-图14分别是本发明薄膜片式保险丝的制备过程中各步骤制得的产品示意图；

图15是本发明的陶瓷基片的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步描述本发明，但本发明并不限于所述特定例子。

如图2-5所示，本发明的薄膜片式保险丝，包括低导热陶瓷基片1，低导热陶瓷基片1背面设有背电极层2，正面由内到外依次为印刷而成的改性层3、沉积而成的熔断体金属层4、沉积而成的低温助熔金属层5、印刷而成的保护层6，标记层7、低导热陶瓷基片1两端包覆端电极8。

上述薄膜片式保险丝的制备方法，包括以下步骤：于所述低导热陶瓷基片1背面印刷背电极层2并烧结；于低导热陶瓷基片1正面印刷表面改性材料，并固化或烧结形成改性层3；通过薄膜沉积方式在改性层3上形成熔断体金属层4；采用冷烧蚀对熔断体金属层进行图形化，形成熔断体图形；在熔断体中部溅射沉积低温助熔金属层5；保护印刷层6，完整覆盖熔断体图形。

低导热陶瓷基片采用例如氧化镁、硅酸铝、较低含量氧化铝或其他复合陶瓷等的低导热率陶瓷基片，其作用区别于其他类型保险丝的基材材料有两点：一是低导热陶瓷材料强度、耐热性能均有明显优于FR4，产品长期稳定性，特别是在高温高湿等恶劣环境下优势尤其明显；二是低导热陶瓷基片，其导热系数低于20W/(m·K)，如75％氧化铝陶瓷导热系数为8W/(m·K)，而常规保险丝使用96％氧化铝陶瓷导热系数为24W/(m·K)，因为基材导热系数直接影响保险丝散热性能，所以即使在其他设计完全相同的情况下，使用更低导热系数的陶瓷基板，保险丝熔断特性更佳。

改性层3的主要作用有三点：一是改变陶瓷基板表面粗糙、孔洞多等对薄膜沉积厚度、一致性的负面影响；二是熔断体熔断时产生的高温作用在改性层时形成凹槽，使得熔断体熔断得更彻底，熔断后的绝缘性能更好；三是熔断体熔断时会产生拉弧现象，而拉弧会对保险丝周围元器件造成威胁，并且形成安全隐患，而改性层具有良好的灭弧作用，电弧刚产生即被改性层淬灭。改性浆料通常可使用石英砂玻璃、环氧树脂等材料。

本发明熔断体金属层4采用铜镍合金，主要是改善铜单质金属在空气中容易氧化的特点，使用铜镍合金，合金的氧化点高于200℃以上，可保证产品在生产过程中熔断体金属层性能稳定。同时，对比业界常用的康铜合金，铜镍合金的电阻温度系数比较大，有助于加快熔断体在故障电流下的响应速度。本发明优选方案是镍含量为2％～10％的合金铜，但不局限于此比例，根据不同的熔断特性可调整镍的含量。

熔断体金属层4的形成方式与现有技术中其他薄膜保险丝导电层的形成方式不同。本发明的保险丝熔断体金属层4完全由薄膜沉积方式形成，因此熔断体金属层4沉积材料更纯净、一致性更高，其沉积厚度精度可达到0.1微米。而现有技术中厚膜印刷、薄膜沉积后电镀加厚等这些导电层形成方式与本发明相比，在膜厚一致性方面上有着极大的差距。

熔断体金属层的图形化方式，在本发明采用皮秒、飞秒等超短脉冲激光、UV激光等极短波长激光器所制造的保险丝图形化及阻值修调一体机，对熔断体金属层进行激光蚀刻。由于皮秒激光、飞秒激光、UV激光等超短脉冲激光及短波长激光，作用在表面时其热效应极低(这种刻蚀方式被称为冷烧蚀)，在烧蚀薄膜熔断体金属层4时不会对熔断体金属层4下面的改性层3造成影响。并且通过高速激光器快速的扫描熔断体金属层，即可非常快速地达到熔断体金属层图形化的效果。同时由于激光一体机本身具备高精度阻值测试模块，在图形化过程中可实时监测阻值阻值，以达到高精度阻值修调效果，形成阻值高度一致的熔断体图形。

为提高薄膜保险丝性能，在保险丝熔断体部分通常会增加锡或其他低温熔融金属，以期在保险丝熔断时产生M效应。而在RoHS推广后，无铅焊料及无铅焊接制程中温度均有所提高，以致传统保险丝在贴片后或长期可靠性试验后出现低温金属熔融，导致保险丝阻值变化异常甚至失效。已公开技术里有增加扩散层来抑制低熔点金属的不当扩散，但流程相对也增加。本发明应用锡锌合金、锡锌铝合金作为低温助熔金属，其熔点在350～450℃，在经过高温焊接时此金属层并不会熔融，并且保证了在长期可靠性试验后产品性能不会改变并简化了生产流程。

采用本发明的方法，熔断体主体结构熔断体金属层的厚度、成分高度一致，图形高度一致，阻值的高度一致。另外还解决了保险丝产品无铅焊接容易失效，长期可靠性较差的问题。

如图1所示，本发明薄膜片式保险丝的制造方法，具体包括以下步骤：

步骤1：背电极印刷，如图6所示。在陶瓷基片1划槽面的每个单元上用丝网印刷的方式印刷导电浆料形成背电极；然后经高温烧结(温度在800-850℃)后形成背电极层2；

步骤2：改性层3印刷，如图7所示。在陶瓷基片1划槽面的反面每个单元上印刷石英砂玻璃或环氧树脂等表面改性材料，并通过相应时间的固化或烧结，形成改性层3，如选用石英砂玻璃层烧结温度在1000℃～1300℃；

步骤3：熔断体沉积，如图8所示。在改性层上通过蒸镀、磁控真空溅射等薄膜沉积方式在改性层3表面沉积熔断体金属层4。磁控真空溅射参数为：溅射电流1～3A溅射时间10～300min；根据不同产品性能以及不同额定电流可调整溅射参数。

步骤4：熔断体金属层4图形化，如图9所示。通过皮秒、飞秒、UV激光器等具有冷烧蚀特性的激光器对熔断体金属层4进行图形化，而完全不会影响底层改性层3的特性。并且通过精确控制图形长度来完成熔断体的阻值修调，以达到阻值的高度一致；

步骤5：印刷光阻层9，如图10所示。在改性层3以及熔断体金属层4上印刷光阻层9，将熔断体金属层4部分或全部裸露。光阻层9可以用石英砂玻璃、环氧树脂材料直接印刷成图形，也可以用光阻材料通过曝光、显影成图形，视产品的精度要求可采用不同的方式。直接印刷方式成本低，流程简单，但精度不高；曝光、显影方式流程复杂，成本较高，但精度高，一致性好。

步骤6：沉积低温助熔金属层5，如图11所示。通过磁控溅射方式，溅射一层锡锌合金、锡锌铝合金等锡合金金属。磁控溅射参数为：溅射电流0.1～1.5A溅射时间10～200min；

步骤7：移去光阻层9，如图12所示。移去光阻层9后，低温助熔金属层5则只沉积在熔断体金属层4上。光阻层9如是用玻璃、树脂材料印刷成型，可用超声波仪器水洗即可；如果是用光阻材料曝光、显影成型，则用专用去光阻剂移除；

步骤8：保护层6印刷，如图13所示。印刷保护层6，使之完整的覆盖熔断体图形；

步骤9：标记7印刷，如图14所示，在保护层6表面印刷标记7；

步骤10：利用陶瓷基片1本身的横向划槽10将基片折成条状；

步骤11：在条状产品的端面上溅射镍铬，形成如图5所示的端电极8；

步骤12：利用陶瓷基片本身的纵向划槽11，将条状产品折裂成单个小单元；

步骤13：将小单元的产品经过电镀，在端电极的表面形成两层镀层，起到耐焊和可焊的目的；

实施例

在陶瓷基片1划槽面的每个单元上用丝网印刷的方式印刷导电浆料形成背电极，然后经820℃高温烧结形成背电极层2；在陶瓷基片1划槽面的反面每个单元上印刷石英砂玻璃并高温烧结，形成改性层3；在改性层3上通过磁控真空溅射的沉积方式在改性材料表面沉积熔断体金属层4；通过UV激光器对熔断体金属层进行图形化，并通过精确控制图形来完成熔断体的阻值修调，以达到阻值高度一致的熔断体图形；在陶瓷基片以及熔断体金属层上印刷环氧树脂，并自然固化形成光阻层；采用锡锌铝合金，通过磁控真空溅射的沉积方式沉积低温助熔金属层5；用超声波水洗，去除光阻层；印刷保护层6，使之完整的覆盖熔断体图形；在保护表面印刷标记7；将陶瓷基片1折成条状；在条状产品的端面上溅射镍铬，形成端电极8；将条状产品折裂成单个小单元；将小单元的产品经过电镀，在端电极的表面形成两层镀层，起到耐焊和可焊的目的；性能测试。

Claims (10)

1.一种薄膜片式保险丝，包括陶瓷基片，其特征在于：所述陶瓷基片采用低导热陶瓷基片，其背面设有背电极层，正面由内到外依次为印刷而成的改性层、沉积而成的熔断体金属层并通过冷烧蚀对熔断体金属层进行图形化形成的熔断体图形、沉积而成的低温助熔金属层、印刷而成的保护层，陶瓷基片两端包覆端电极。

2.根据权利要求1所述的一种薄膜片式保险丝，其特征在于：所述低导热陶瓷基片为导热系数低于20W/(m·K)的陶瓷基片。

3.根据权利要求1所述的一种薄膜片式保险丝，其特征在于：改性层为为石英砂玻璃层或环氧树脂层。

4.根据权利要求1所述的一种薄膜片式保险丝，其特征在于：所述的熔断体金属层选用镍含量为2％～10％的铜合金。

5.根据权利要求1所述的一种薄膜片式保险丝，其特征在于：所述的低温助熔金属层选用锡锌合金或锡锌铝合金。

6.一种薄膜片式保险丝的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)于低导热陶瓷基片背面印刷背电极层并烧结；

(2)于低导热陶瓷基片正面印刷表面改性材料，并固化或烧结形成改性层；

(3)通过薄膜沉积方式在改性层上形成熔断体金属层；

(4)采用冷烧蚀对熔断体金属层进行图形化，形成熔断体图形以及引出电极图形；

(5)于改性层上印刷光阻层，光阻层覆盖在引出电极上并裸露全部或部分熔断体金属层；

(6)低温助熔金属层沉积；

(7)移去光阻层；

(8)印刷保护层，完整覆盖熔断体图形。

7.根据权利要求6所述的一种薄膜片式保险丝的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，采用UV激光或皮秒/飞秒的超短脉冲激光对熔断体金属层进行激光蚀刻。

8.根据权利要求6所述的一种薄膜片式保险丝的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，改性层为石英砂玻璃层，该玻璃层烧结温度在1000℃～1300℃；或者改性层由环氧树脂固化而成。

9.根据权利要求6所述的一种薄膜片式保险丝的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中，低温助熔金属层选用锡锌合金或锡锌铝合金。

10.根据权利要求6所述的一种薄膜片式保险丝的制备方法，其特征在于：在完成所述步骤(8)后，将陶瓷基片折成条状，并于其端面上溅射镍铬形成端电极。

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