CN103515040A - 表面贴装型热敏电阻元件 - Google Patents

Abstract

一种表面贴装型热敏电阻元件，包含多层具有正温度系数效应的高分子材料层和多层金属箔电极，高分子材料层为高分子材料与导电填料以及导热填料的混合物，具有正温度系数效应的高分子材料层为电阻单元，每层电阻上下均有一层金属箔电极，两层相邻的电阻层共用1层金属箔；以顶层电阻单元为第1层电阻，自上而下编序，电阻单元层量为2N+1层，奇数层的电阻率为P₁，厚度为C₁；偶数层的电阻率为P₂，厚度为C₂；元件上下表面的防焊面宽度为W₂；电阻率满足P₁>(C₁*C₂/W₂ ²)*P2；顶层电极为第1层电极，自上而下编序，电极层为2N+2层，任意两层奇数层电极均延伸相连，任意两层偶数层电极均延伸相连，任意偶数层电极与任意奇数层电极均不直接相连，至少由一层电阻单元隔开。

Description

表面贴装型热敏电阻元件

技术领域

本发明涉及以高分子复合材料为主要原料的具有正温度系数且过温、过流双重防护的表面贴装型热敏电阻元件。

背景技术

正温度系数（positive temperature coefficient ）材料指其电阻率随温度的升高而增大。一些高分子与导电填料共混可制得具有较低的室温电阻率，随温度升高电阻率增加，且在某个温度点电阻率急剧升高的现象。具有正温度系数特性的这类材料已制成热敏电阻器，应用于电路的过流保护设置。通常状态下，电路中的电流相对较小，热敏电阻器温度较低，而当由电路故障引起的大电流通过此自恢复保险丝时，其温度会突然升高到高分子晶体的熔点，高分子膨胀切断导电通路，导致其电阻值变得很大，这样就使电路处于一种近似“开路”状态，从而保护了电路中其它元件。而当故障排除后，热敏电阻器的温度下降，其高分子重新结晶，体积收缩，电阻值又可恢复到低阻值状态，因此也被称为可恢复保险丝。

由于高分子材料形状设计的便利性，上述正温度正温度系数效应材料按照安装的要求被设计成各种符合应用端需求的样式。其中可用于表面贴装式的正温度系数热敏电阻比较常见于电脑主板或电池保护板的主板电路保护设计中，而且出于主板轻薄短小设计及安装方便的要求，这种小尺寸可用于表面贴装式的正温度系数热敏电阻成为电路保护的第一选择。美国专利5831510，5852397，6377467，8044763揭示了几种可表面贴装的正温度系数热敏电阻元件，虽然实现了元件的安装便利性，但存在以下严重问题：

1、安装可靠性的问题，由于这些专利中均采用了绝缘层的设计，这些绝缘层为环氧玻璃布化学交联固化物（热固性材料，固化后受热膨胀系数很低），而芯层正温度系数热敏材料为聚乙烯和炭黑的混合物（热塑性材料，受热膨胀系数较大），在客户通过回流焊或热风高温锡焊到PCB板上时由于两种材料的热膨胀系数差别较大，容易出现电镀导通层破坏，电阻超高的现象；

2、元件的阻值正温度系数功能受限的问题，前述专利中的贴装元件安装到线路中执行过电流保护的过程中，当有异常电流通过元件时，热塑性的阻值正温度系数电阻受热膨胀受到热固性绝缘层的阻挡，阻值增加较慢，动作不够迅速，保护不够及时，即使最终处于“关断”电流的状态下，也由于其PTC强度（热塑性功能材料熔点温度以上的阻值与25度下阻值比值的对数）处于较低的状态，回路中的漏电流较大，继续对被保护单元造成危害； 

3、过温保护功能丧失的问题，众所周知电池对温度较敏感，个别电池在温度超过80度时就处于高危险区域，若不对温度进行控制，很容易失控发生漏液、鼓包甚至爆炸的危险，前述专利中的贴装元件采用的绝缘层同时也是对热阻隔的，所以电芯温度不能很好的传导到元件上，元件对电芯温度的上升反应迟缓，导致大电流对电芯持续加热，温度加速上升得不到及时控制，而且发生保护时漏电流大，因此应用到电池领域时有着无法避免的致命缺陷。

发明内容

本发明目的在于：提供一种表面贴装型热敏电阻元件，引入热塑性正温度系数电阻层代替前述专利中之热固化环氧玻璃布绝缘层，改善安装可靠性，具有阻值随温度升高而迅速增大的特质，以实现过温、过流双重防护功能。

本发明目的通过下述技术方案实现：一种表面贴装型热敏电阻元件，包含：多层具有正温度系数效应的高分子材料层，以及与之配合的多层金属箔电极，所述的高分子材料层为高分子材料与导电填料以及导热填料的混合物，其中：

所述的具有正温度系数效应的高分子材料层为电阻单元，每层电阻上下均有1层金属箔电极，两层相邻的电阻层共用一层金属箔；

以顶层电阻单元为第1层电阻，自上而下编序，电阻单元层总数量为2N+1层，N为大于等于1的正整数，其中，奇数层的电阻率为P₁，厚度为C₁；偶数层的电阻率为P₂，厚度为C₂；元件上下表面的防焊面宽度为W₂；电阻率满足P₁>(C₁*C₂/W₂ ²)*P2；

以顶层电极为第1层电极，自上而下编序，电极层总数为2N+2层，N为大于等于1的正整数，任意两层奇数层电极均延伸相连，任意两层偶数层电极均延伸相连，任意偶数层电极与任意奇数层电极均不直接相连，至少由一层电阻单元隔开。

本发明通过引入热塑性正温度系数电阻层代替前述专利中之热固化环氧玻璃布绝缘层，作为连接及辅助芯片功能电阻层，由于引入了与主功能芯片电阻层相同膨胀系数之高分子材料，避免了芯层与表层膨胀系数差异大导致安装可靠性降低、PTC功能受限的严重问题，成品具有安装可靠性高，正温度系数效应强，室温电阻率低，热传导能力优的特点，导热填料的添加，使本发明元件具有优良的热传导能力，避免了在例如电池过充时要求对温度响应迅速的应用领域的本质缺陷。适用于通过表面贴装方式安装的过流防护方案，能特别用于要求过温、过流双重防护的应用领域。

在上述方案基础上，所述的高分子材料为热塑性或热固性的高分子材料，其中，热塑性高分子材料为：聚乙烯，聚丙烯，聚丁烯，聚氟乙烯，聚氧乙烯，聚乙烯丙烯共聚物，聚乙烯辛烯共聚物等烯烃类聚合物中的一种或多种的混合物；热固性高分子材料为环氧树脂，酚醛树脂，胺基树脂，不饱和聚酯中的一种或多种的混合物。尤其是以热塑性高分子材料为佳。

在上述方案基础上，所述的导电填料为碳、金属、金属氧化物、金属卤化物、碳化金属及其配位化合物中的一种或多种的混合物。

在上述方案基础上，所述的导热填料为氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或多种的混合物。

在上述方案基础上，所述金属箔为电沉积或压延铜箔，厚度小于0.1mm,与电阻单元接触面为预先粗化，粗化后的表面粗糙度Ra（取样长度内轮廓偏距的算术平均值）>0.5。

在上述方案基础上，所述的延伸相连是通过电镀锡、金和/或银的方法。

在上述方案基础上，所述任意两个偶数层电极与任意两个奇数层电极的隔断采用化学蚀刻的方法。

在上述方案基础上，所述的第1层和第2N+2层电极采用化学蚀刻在平面中心位置对称分割形成蚀刻槽，在蚀刻槽内涂敷阻焊油墨断开形成上下两对相互阻隔的电极。

在上述方案基础上，所述的蚀刻的宽度小于等于元件长度的95%。

本发明的有益效果是：具有安装可靠性高，焊后及动作后升阻小，正温度系数效应强，漏电流低，热传导能力优的特点。

附图说明

图1实施例1截面示意图；

图2为本发明产品的俯视图；

图3为N=2的产品截面示意图；

图中标号说明：

1a、1b——上表面层左右金属箔电极；

2、3——第二、第三金属箔电极；

4a、4b——下表面层左右金属箔电极；

5、6、7——第1、2、3PPTC电阻层；

8a、8b——上、下阻焊层；

9a、9b——左右镀通孔；

3’、2’——第4、5金属箔电极；

6’、7’——第4、5PPTC电阻层。

具体实施方式

实施例1

如图1实施例1截面示意图和图2为本发明产品的俯视图所示，本发明一种表面贴装型热敏电阻元件，包含：多层具有正温度系数效应的高分子材料层，以及与之配合的多层金属箔电极，所述的高分子材料层为高分子材料与导电填料以及导热填料的混合物，其中：

所述的具有正温度系数效应的热塑性高分子材料层为PPTC电阻层，共第1、2、3PPTC电阻层5、6、7三层，每层电阻层上下均有1层金属箔电极，两层相邻的电阻层共用一层金属箔；

以顶层电阻单元为第1层电阻层，自上而下编序，电阻单元层总数量为2N+1层，本实施例N等于1，其中，本实施例的奇数层第1和3PPTC电阻层5、7的电阻率为P₁，厚度为C₁；偶数层的第2PPTC电阻层6电阻率为P₂，厚度为C₂；元件上下表面的防焊面宽度为W₂；本发明的电阻率满足P₁>(C₁*C₂/W₂ ²)*P2；

以顶层电极上表面层左、右金属箔电极1a、1b为第1层电极，自上而下编序，电极层总数为2N+2层，本实施例N等于1，两层奇数层电极上表面层左、右金属箔电极1a、1b和第三金属箔电极3通过右镀通孔9b延伸相连，两层偶数层电极第二金属箔电极2和下表面层左、右金属箔电极4a、4b通过左镀通孔9a延伸相连，偶数层电极与奇数层电极不直接相连，由一层电阻单元隔开。

本实施例所选的高分子材料为热塑性聚丙烯。

所述的导电填料为碳、金属、金属氧化物、金属卤化物、碳化金属及其配位化合物中的一种或多种的混合物。

所述的导热填料为氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或多种的混合物。

所述金属箔为电沉积或压延铜箔，厚度小于0.1mm,与电阻单元接触面为预先粗化，粗化后的表面粗糙度Ra（取样长度内轮廓偏距的算术平均值）>0.5。

所述的延伸相连是通过电镀锡、金和/或银的左右镀通孔9a、9b。

所述两个偶数层电极与两个奇数层电极的隔断采用化学蚀刻的方法。

所述的第1层上表面层左右金属箔电极1a、1b和第4层电极下表面层左右金属箔电极4a、4b采用化学蚀刻在平面中心位置对称分割形成蚀刻槽，在蚀刻槽内涂敷阻焊油墨构成的上、下阻焊层8a、8b，由上、下阻焊层8a、8b断开形成上下两对相互阻隔的上表面层左、右金属箔电极1a、1b以及下表面层左、右金属箔电极4a、4b。

所述的蚀刻的宽度小于等于元件长度的95%。

本实施例的性能与现有技术的对比如表1所示：

本实施例的试验元件尺寸为长18mm，宽12mm的产品。

产品为经过辐射交联，回流焊接前测试室温电阻，对产品的性能进行测试。

产品性能测试：

1. 产品室温电阻R0测试；

2. 回流焊接安装到PCB板，测试焊接后电阻R1；

3. 产品在分别在8V/50A/6s通电、60s断电和16V/50A/6s通电、60s断电两种条件下连续测试过电流1000次，再次测试电阻；

4. 产品在8V/10A下触发，保持电压加载并稳定5min，测试回路漏电流Iss；

5. 产品热关断温度（TCO）测试，恒定通电电流为0.8 A测试成品阻值跃迁关断电流的温度点；

测试结果如表2所示：

由测试结果可见，比较两种贴装型电气元件，外层采用绝缘层（热固化环氧玻璃布）与芯层热塑性PPTC电阻层的热膨胀系数差异较大，受热时层间界面处应力较大，通孔容易在层间界面处形成微损伤，增大界面电阻，1000次耐流冲击下在高分子膨胀回缩往复过程中更容易造成上述失效现象，表现为电阻异常增大；由于刚性绝缘层对PPTC膨胀造成了压制，导致其PTC强度受到限制，在大电压16V下单位厚度上承压较大，造成元件烧毁，且即使处于触发状态下由于温阻效应的降低其限流作用减弱，漏电流较大；另外，采用比较例的方式绝缘层在绝缘时同样也是绝热的，导致热关断温度滞后，使被保护的设备处于危险。采用本实施例产品具有安装可靠性高，焊后及动作后升阻小，正温度系数效应强，漏电流低，热传导能力优的特点。

实施例2

如图3为N=2的产品截面示意图所示，本发明一种表面贴装型热敏电阻元件，包含：多层具有正温度系数效应的高分子材料层，以及与之配合的多层金属箔电极，所述的高分子材料层为高分子材料与导电填料以及导热填料的混合物，其中：

所述的具有正温度系数效应的热塑性高分子材料层为PPTC电阻层，共第1、2、3、4和5PPTC电阻层5、6、7、6’、7’五层，每层电阻层上下均有1层金属箔电极，两层相邻的电阻层共用一层金属箔；

以顶层电阻单元为第1层电阻层，自上而下编序，电阻单元层总数量为2N+1层，本实施例N等于2，其中，本实施例的奇数层第1、3和5PPTC电阻层5、7、7’的电阻率为P₁，厚度为C₁；偶数层的第2、4PPTC电阻层6、6’电阻率为P₂，厚度为C₂；元件上下表面的防焊面宽度为W₂；本发明的电阻率满足P₁>(C₁*C₂/W₂ ²)*P2；

以顶层电极上表面层左、右金属箔电极1a、1b为第1层电极，自上而下编序，电极层总数为2N+2层，本实施例N等于2，奇数层电极上表面层左、右金属箔电极1a、1b、第三金属箔电极3和第五金属箔电极2’通过右镀通孔9b延伸相连，偶数层电极第二金属箔电极2、第四层金属箔电极3’和下表面层左、右金属箔电极4a、4b通过左镀通孔9a延伸相连，偶数层电极与奇数层电极不直接相连，均由一层电阻单元隔开。

本实施例所选的高分子材料为热塑性聚丙烯。

所述的导电填料为碳、金属、金属氧化物、金属卤化物、碳化金属及其配位化合物中的一种或多种的混合物。

所述的导热填料为氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或多种的混合物。

所述金属箔为电沉积或压延铜箔，厚度小于0.1mm,与电阻单元接触面为预先粗化，粗化后的表面粗糙度Ra（取样长度内轮廓偏距的算术平均值）>0.5。

所述的延伸相连是通过电镀锡、金和/或银的左右镀通孔9a、9b。

所述两个偶数层电极与两个奇数层电极的隔断采用化学蚀刻的方法。

所述的第1层上表面层左右金属箔电极1a、1b和第4层电极下表面层左右金属箔电极4a、4b采用化学蚀刻在平面中心位置对称分割形成蚀刻槽，在蚀刻槽内涂敷阻焊油墨构成的上、下阻焊层8a、8b，由上、下阻焊层8a、8b断开形成上下两对相互阻隔的上表面层左、右金属箔电极1a、1b以及下表面层左、右金属箔电极4a、4b。

所述的蚀刻的宽度小于等于元件长度的95%。

本发明与现有技术比：安装可靠性高，正温度系数效应强，室温电阻率低，具有优良的热传导能力，避免了在例如电池过充时要求对温度响应迅速的应用领域的本质缺陷；本发明可通过阻焊宽度W₂和芯片功能层如第本实施例的第2、4层电阻层的电阻率P₂的调控可使元件阻值降低，提高单位面积的电流通过能力。本发明满足：

设元件长度为L，宽度为W₁，阻焊宽度为W₂，外层热塑性正温度系数电阻单元电阻率为P₁，厚度为C₁，内层的主功能芯片电阻单元层为P₂，厚度为C₂，N等于1的正整数，则元件总电阻：

。能特别用于要求过温、过流双重防护的应用领域。

Claims (9)

1.一种表面贴装型热敏电阻元件，包含：多层具有正温度系数效应的高分子材料层，以及与之配合的多层金属箔电极，所述的高分子材料层为高分子材料与导电填料以及导热填料的混合物，其特征在于：

所述的具有正温度系数效应的高分子材料层为电阻单元，每层电阻上下均有1层金属箔电极，两层相邻的电阻层共用一层金属箔；

以顶层电阻单元为第1层电阻，自上而下编序，电阻单元层总数量为2N+1层，N为大于等于1的正整数，其中，奇数层的电阻率为P₁，厚度为C₁；偶数层的电阻率为P₂，厚度为C₂；元件上下表面的防焊面宽度为W₂；电阻率满足P₁>(C₁*C₂/W₂ ²)*P2；

以顶层电极为第1层电极，自上而下编序，电极层总数为2N+2层，N为大于等于1的正整数，任意两层奇数层电极均延伸相连，任意两层偶数层电极均延伸相连，任意偶数层电极与任意奇数层电极均不直接相连，至少由一层电阻单元隔开。

2.根据权利要求1所述的表面贴装型热敏电阻元件，其特征在于，所述的高分子材料为热塑性或热固性的高分子材料，其中，热塑性高分子材料为：聚乙烯，聚丙烯，聚丁烯，聚氟乙烯，聚氧乙烯，聚乙烯丙烯共聚物，聚乙烯辛烯共聚物等烯烃类聚合物中的一种或多种的混合物；热固性高分子材料为环氧树脂，酚醛树脂，胺基树脂，不饱和聚酯中的一种或多种的混合物。

3.根据权利要求1所述的表面贴装型热敏电阻元件，其特征在于，所述的导电填料为碳、金属、金属氧化物、金属卤化物、碳化金属及其配位化合物中的一种或多种的混合物。

4.根据权利要求1所述的表面贴装型热敏电阻元件，其特征在于，所述的导热填料为氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或多种的混合物。

5.根据权利要求1所述的表面贴装型热敏电阻元件，其特征在于，所述金属箔为电沉积或压延铜箔，厚度小于0.1mm,与电阻单元接触面为预先粗化，粗化后的表面粗糙度Ra（取样长度内轮廓偏距的算术平均值）>0.5。

6.根据权利要求1所述的表面贴装型热敏电阻元件，其特征在于，所述的延伸相连是通过电镀锡、金和/或银。

7.根据权利要求1所述的表面贴装型热敏电阻元件，其特征在于，所述任意两个偶数层电极与任意两个奇数层电极的隔断采用化学蚀刻的方法。

8.根据权利要求1所述的表面贴装型热敏电阻元件，其特征在于，所述的第1层和第2N+2层电极采用化学蚀刻在平面中心位置对称分割形成蚀刻槽，在蚀刻槽内涂敷阻焊油墨断开形成上下两对相互阻隔的电极。

9.根据权利要求8所述的表面贴装型热敏电阻元件，其特征在于，所述的蚀刻的宽度小于等于元件长度的95%。

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