CN103943291B - 一种具有过流保护功能的静电抑制器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有过流保护功能的静电抑制器以及制作方法，通过以下步骤：一：选取陶瓷基板；二：在陶瓷基板上、下两面分别印刷形成正面电极和背面电极，并烘干；三：在陶瓷基板上、下两面或其中一面印刷形成上表面电极，并烘干；四：烧结以上电极；五：表面电极上方分别印刷形成绝缘层；六：烧结绝缘层；七：切割表面电极和绝缘层形成间隙；八：印刷压敏材料层填充间隙，并固化；九：印刷1保护层，并固化；十：形成熔体层；十一：印刷2保护层并固化；十二：一次分割；十三：形成侧面内层电极；十四：二次分割；十五：形成铜内层电极；十六：电镀形成镍镀层和锡镀层，得到所述具有过流保护功能的静电抑制器。
Description
技术领域
本发明涉及一种过流过压保护元件，特别涉及一种具有过流保护功能的静电抑制器，以及该保护元件的制作方法。
背景技术
静电是一种存在于物体表面、反映其正负电荷在局部范围内失去平衡的现象，它主要通过物质的接触与分离、静电感应、介质极化以及带电微粒附着等物理过程产生，表现为电压较高，持续时间很短，释放能量不强等特点。随着电子元器件技术的发展，静电对元器件应用所造成的危害越来越明显。引入静电保护元件的目的就是要避免工作电路成为静电放电的通路而遭到损害，该元件不仅要能够吸收静电电流，箝位工作电路的电压，防止其由于电压过载而受损，还要能在静电发生时快速响应，在保护电路的同时，自身结构也不能被损坏。静电保护已经成为过压保护设计时需考虑的重要因素。
不断提升的安全意识推动并扩大了过流过压保护产品的发展，在产品设计时，不仅要保证整机电路的性能要求，更是要注重它们的安全特性。电子系统经常会受到外界因素干扰，例如通断感性负载或启停大功率负载、线路故障、雷电等引起瞬时过电压或过电流现象，它们对于电子系统的安全工作有严重危害，轻则导致设备故障，信号中断；重则导致设备及电缆烧毁，危及操作人员的安全，酿成严重事故。所以一般需要设计抗浪涌保护器件用以对电子设备和输电线路进行过压、过流两个方面的保护。传统的过流保护需要在电路中串联熔断器结构，利用过载电流引起金属熔体发热熔化而断开电路；同样，传统的过压保护以分流方式并联过压保护元件来实现，一般将浪涌电压与大地短接，使浪涌电流分流入地，达到削弱和消除过电压、过电流的目的，从而起到保护电子设备安全运行的作用。但这些分立的过流及过压保护器件除了保护功能单一外，还存在有很多缺陷，如响应速度较慢，可靠性及稳定性差等；另一方面，随着电子设备功能的不断增强，其内部元器件的密度也在不断上升，从而要求具有相同工作电流、电压和耐流等级的元器件能够进一步减小其尺寸。目前保护元件市场正趋于模块化、小型化、大功率化以及过压过流一体化的发展方向。
美国专利US7660096B2中提出在一个器件中集成PPTC热敏电阻和金属氧化物MOV压敏电阻技术，从而减少了电路板的空间需求和器件数，可以满足对电话通信设备中包括雷击、静电放电、设备接触电源线和交流线路感应等破坏的保护，有助于在过电流事件中对电流进行限制，并具有过电压箝制能力；在故障条件排除并接通电源后，又可以进行复位，通信设备可继续运行；但由于此类产品为三端引脚形式结构，无法满足表面焊接的需求，且产品体积较大，在应用上无明显优势。美国专利US6636404B1、US6982859B1中提出了一种在熔断器外壳瓷管表面形成一层压敏功能相，并采用邦定工艺与熔断器一端电极相连，在瓷管中部形成侧面电极，从而将过压保护与过流保护包封到一个元件中，该种产品设计较简单，但批量连续生产实现困难，且成本较高。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
现有过压过流保护一体化存在两个问题，一.采用三端引脚形式结构，无法满足表面焊接需求，且产品体积大；二.批量连续生产实现困难，成本较高。
2、技术方案：
为了解决以上问题，本发明提供了一种具有过流保护功能的静电抑制器，包括陶瓷基板1、端电极8和侧电极9，端电极8位于陶瓷基板1两端，侧电极9位于陶瓷基板1纵向两侧的中部，陶瓷基板1上下表面的两端分别为正面电极2和背面电极3，陶瓷基板1上下表面的中部均为一种多层结构，由下到上依次为表面电极41或42、绝缘层5、第一保护层61、第二保护层62，其中至少一边第一保护层61和第二保护层62中间设有熔体层7，第一保护层61完全覆盖上表面电极41和下表面电极42以及绝缘层5，其中在上表面电极41和下表面电极42以及绝缘层5内部分别具有间隙，并填满压敏材料层43。
陶瓷基板1为氧化铝基陶瓷基板材料。
电极2、3、41和42均为采用丝网印刷工艺将电极浆料涂布在陶瓷基板1上、下表面经烧结后形成电极图形。
所述正面电极2和背面电极3印刷用的浆料为传统银基电子浆料；
所述上表面电极41和下表面电极42印刷用的浆料为金的树脂酸盐浆料或银的树脂酸盐浆料。
所述绝缘层5是覆盖在表面电极中部位置上方，其宽度大于表面电极宽。所述上表面电极41和相应绝缘层5以及下表面电极42和相应绝缘层的间隙以及下表面电极42和相应绝缘层的间隙是通过激光切割工艺分别一次形成的；
所述压敏材料层43为采用热固性酚醛树脂或聚酰胺树脂、金属颗粒、氧化锌晶粒成分混合而成的浆料经印刷并固化后形成。
所述氧化锌晶粒为经高温烧结并再次粉碎的、以氧化锌为主晶相的粉料。
氧化锌能够被氧化锡替代。
所述金属颗粒为铜、镍、银、铝一种的金属粉末；
表面电极层间隙和绝缘层间隙为5~30μm。
所述第1保护层61为高温有机硅树脂浆料，涂布在表面电极41和42、绝缘层5和压敏材料层43上方。
所述的熔体层7为银/钯合金粉、镀银铜粉、镀银镍粉中的一种与环氧树脂粘合剂制成的导电胶，印刷在第1保护层上方。
所述熔体层7为金属合金丝，桥接在陶瓷基板1两端至少一面电极上。
所述熔体层7为单条熔体、多条熔体并联、多条熔体串联的连接结构。
所述第2保护层62为环氧树脂浆料或酚醛树脂浆料经厚膜印刷形成的完全覆盖熔体层7的保护层。
所述端电极8由浸浆工艺形成的端头铜内层电极81、经电镀工艺形成的端头镍镀层82和端头锡镀层83组成。
所述侧电极9由经离子溅射形成的侧面内层电极91、经电镀工艺形成的侧面镍镀层92和侧面锡镀层93组成。
所述浸浆浆料为以铜为导电金属的环氧树脂导电胶。
所述离子溅射材料为Ni-Cr合金。
本发明还提供了一种具有过流保护功能的静电抑制器的制作方法，包括以下步骤：第一步：选取陶瓷基板；第二步：在陶瓷基板上、下两面分别印刷形成正面电极2和背面电极3，并烘干；第三步：在陶瓷基板上、下两面或其中一面印刷形成表面电极，并烘干；第四步：在一定温度下同时烧结以上电极；第五步：在表面电极上方分别印刷形成绝缘层5；第六步：在一定温度下烧结绝缘层5；第七步：激光切割表面电极和绝缘层5形成间隙；第八步：印刷压敏材料层43填充间隙，并固化；第九步：印刷第1保护层61，并固化；第十步：形成熔体层7；第十一步：印刷第2保护层并固化62并固化；第十二步：一次分割；第十三步：离子溅射形成侧面内层电极91；第十四步：二次分割；第十五步：端头浸浆形成铜内层电极81；第十六步：电镀形成镍镀层82和92与锡镀层83和93，得到所述具有过流保护功能的静电抑制器。
3、有益效果：
本发明提供的一种具有过流保护功能的静电抑制器过流过压保护作用优异，本发明提供的制造方法具有生产工艺简单，制作成本低，可实现连续化生产，最终得到的产品容量低、漏电流小、触发电压低、稳定性好、响应速度快、具有过流过压双重保护功能，对电路安全保护的可靠程度高。
附图说明
图1是本发明保护元件结构的立体外观示意图。
图2是本发明保护元件结构的正面面剖视图。
图3是本发明保护元件结构的侧面剖视图。
图4是本发明保护元件制作工艺流程图。
图5是本发明保护元件制作工艺第一说明图。
图6是本发明保护元件制作工艺第二说明图。
图7是本发明保护元件制作工艺第三说明图。
图8是本发明保护元件制作工艺第四说明图。
图9是本发明保护元件制作工艺第五说明图。
图10是本发明保护元件另一结构的立体外观示意图；
1---陶瓷基板；2---正面电极；3---背面电极；41---上表面电极； 411---上表面电极间隙；42---下表面电极；421---下表面电极间隙；5---绝缘层；51，52---绝缘层间隙；62---第2保护层；7---熔体层；8---端电极；81---端头内层电极；82---端头镍镀层；83---端头锡镀层；9---侧电极；91---侧面内层电极；92---侧面镍镀层；93---侧面锡镀层
具体实施方式
本发明提供了一种具有过流保护功能的静电抑制器，通过在陶瓷基板上下两面将熔断器与静电抑制器形成组合结构，得到具有过流过压保护功能的表面贴装元件，同时保证熔断器要具有合适的公称熔化热能值，以避免其降低静电抑制器的抗浪涌电流的能力。其结构为：一种具有过流保护功能的静电抑制器，包括陶瓷基板1、端电极8和侧电极9，端电极8位于陶瓷基板1两端，侧电极9位于陶瓷基板1纵向两侧的中部，陶瓷基板1上下表面的两端分别为正面电极2和背面电极3，陶瓷基板1上下表面的中部均为一种多层结构，由下到上依次为表面电极41或42、绝缘层5、第一保护层61、第二保护层62，其中至少一边第一保护层61和第二保护层62中间设有熔体层7，第一保护层61完全覆盖上表面电极41和下表面电极42以及绝缘层5，其中在上表面电极41和下表面电极42以及绝缘层5内部分别具有间隙，并填满压敏材料层43。
所述陶瓷基板优选业内常用的氧化铝基陶瓷基板材料；陶瓷基板上部电极为正面电极2，下部电极为背面电极3，所述正面电极2和背面电极3为采用丝网印刷工艺，将传统银浆等电子浆料分别在陶瓷基板上、下两面端部经印刷并烧结形成的电极图形；
陶瓷基板上部表面电极层为上表面电极41，下部表面电极层为下表面电极42，所述上表面电极41和下表面电极42均为采用丝网印刷工艺将电极浆料涂布在陶瓷基板上、下表面形成设计的电极图形，经烧结后形成的。
所述表面电极印刷用的浆料优选金、银等的树脂酸盐浆料，以保证得到的放电电极具有成膜薄而致密、分辨率高、附着力好等优点。
所述绝缘层5是覆盖在表面电极中部位置上方，其宽度略大于表面电极宽，长度可根据表面电极设计图形调整。
所述上表面电极间隙411与上绝缘层间隙51以及下表面电极421和下绝缘间隙52是通过激光切割工艺分别一次形成的；所述间隙的宽度优选为5~30μm，以获得具有低触发电压的静电保护产品。
所述压敏材料层43是采用厚膜印刷工艺，将热固性酚醛树脂或聚酰胺树脂、金属颗粒、氧化锌晶粒等成分经混合而成。
所述热固性酚醛树脂作为粘合剂，具有相对较好的耐温特性和绝缘性能；所述氧化锌晶粒为经高温烧结并再次粉碎的、以氧化锌为主晶相并具有优良压敏特性的粉料；所述氧化锌晶粒也可以采用氧化锡等其他具有压敏特性的材料代替。
所述金属颗粒为常见的金属粉末，如铜、镍、银、铝等具有低电阻率的金属；通过氧化锌晶粒包裹金属颗粒，经固化后形成具有压敏特性的压敏材料层43，正常电压下，压敏材料层43阻值非常大，表面电极处于开路状态，电压高于压敏电阻触发电压时，氧化锌晶粒的电阻值迅速下降，并通过金属颗粒连接形成低电阻通道，达到快速响应的目的。
所述第1保护层61为采用丝网印刷工艺将高温有机硅树脂等浆料涂布在表面电极、绝缘层5和压敏材料层43上方，主要起到绝缘、隔热、灭弧的作用。
所述熔体层7优选采用丝网印刷工艺将银/钯合金粉、镀银铜粉、镀银镍粉等其中一种与环氧树脂粘合剂制成的导电胶印刷在第1保护层61上方，或优选采用邦定工艺将金属合金丝桥接在陶瓷基板两端背面电极3和正面电极2上。
所述熔体层可以在陶瓷基板1一侧或两侧均形成，也可以设计成多条熔体并联、串联连接的结构，以满足不同额定电流下的过流保护产品要求。
所述第2保护层62为采用环氧树脂等浆料，优选耐高温改性的酚醛树脂浆料经厚膜印刷形成的能完全覆盖熔体层7的保护层。上述第1保护层61与第2保护层62印刷时均要使背面电极3和正面电极2露出。
所述侧电极9优选包括经离子溅射形成的内层电极91和经电镀工艺形成的镍镀层92和锡镀层93；所述端电极8优选包括经浸浆工艺形成的铜内层电极81和经电镀工艺形成的镍镀层82和锡镀层83；所述离子溅射优选材料为Ni-Cr合金，所述浸浆浆料优选以铜为导电金属的环氧树脂导电胶。
实施例1
一种具有过流保护功能的静电抑制器，包括：陶瓷基板1，分别形成在陶瓷基板1上、下两面的正面电极2和背面电极3，分别形成在陶瓷基板1上、下两面的上表面电极41和下表面电极42，覆盖所述表面电极中间位置的绝缘层5，上表面电极间隙411和下表面电极间隙421，上绝缘层间隙（51）和下绝缘层间隙（52），填充所述间隙的压敏材料层43，覆盖所述表面电极41和42、绝缘层5以及压敏材料层43的第1保护层61、使陶瓷基板1两端正面电极2或背面电极3中至少一个形成电连接的熔体层7，覆盖所述熔体层7的第2保护层62，端头内电极层81、镍镀层82和锡镀层83形成的端电极8，侧面内电极层91、镍镀层92和锡镀层93形成的侧电极9。
如图3所示为本发明具有过流保护功能的静电抑制器的制作工艺流程图。以制作1608规格的保护元件为例（如图1中所示，产品长为1.6mm，宽为0.8mm），产品制作步骤如下：
第一步为选取陶瓷基板1：如图5(a)所示，所述陶瓷基板1优选业内常用的氧化铝陶瓷基板材料；所述陶瓷基板1在进行一次分割前为70mm*60mm*0.4mm的薄片状平板，平板内有经激光等切割出来的、纵横交错形成1.5mm*0.8mm的长方形块状单体刻痕，而图5(a)中仅示出了一个长方形单体块的侧面；第二步形成背面电极3和正面电极2：如图5(b)所示，采用丝网印刷工艺，将传统银浆等电子浆料印刷在陶瓷基板1下表面两端，并放在150℃干燥炉内烘干15min，得到背面电极3；如图5(c)所示，采用丝网印刷工艺，将传统银浆等电子浆料印刷在陶瓷基板1上表面两端，并放在150℃干燥炉内烘干15min，得到正面电极2；第三步形成上、下表面电极41和42：通过丝网印刷工艺，将电极浆料涂布在陶瓷基板上表面形成如图5(d)所示设计的电极图形，并在150℃烘干15min得到上表面电极41；将电极浆料涂布在陶瓷基板下表面形成设计的电极图形，并在150℃烘干15min得到下表面电极42；所述电极浆料优选金、银等的树脂酸盐浆料，以得到均匀致密的电极层；第四步烧结电极：在最高温度为700~850℃、总时间为40~60min的工艺条件下，将正面电极2、背面电极3、上表面电极41和下表面电极42进行烧结；
第五步绝缘层5印刷：如图6(a)所示，将低温玻璃浆料以丝网印刷的方式形成在上表面电极41上方特定位置，按上述工艺烘干后，再以同样的方式在下表面电极42上方也形成一层绝缘层5，如图6(b)；所述绝缘层是为了降低放电电极间隙内过大的电流密度引起的电极层烧蚀；第六步绝缘层5烧结：在最高温度为500~700℃、总时间为40~60min的工艺条件下烧结绝缘层5；
第七步激光切割：利用激光对绝缘层5及其下面的上表面电极41和下表面电极42进行切割，形成上表面电极间隙411和下表面电极间隙421，上绝缘层间隙51和下绝缘层间隙52，间隙宽度设计为10μm，如图7(a)(b)所示；第八步印刷压敏材料层43：如图7(c)所示，将具有压敏特性的浆料通过厚膜印刷的方式填充到激光切割形成的间隙中，再采用120℃/2hr+150℃/2hr的固化工艺得到压敏材料层43；所述具有压敏特性的浆料是由热固性酚醛树脂、金属颗粒、氧化锌晶粒经混合而成，所述热固性酚醛树脂作为粘合剂，具有较高的耐温特性和绝缘能力；所述氧化锌晶粒为经高温烧结并再次粉碎的、以氧化锌为主晶相并具有优良压敏特性的粉料；所述氧化锌晶粒也可以采用氧化锡等其他具有压敏特性的材料代替；所述金属颗粒为常见的金属粉末，如铜、镍、银、铝等具有低电阻率的金属；通过氧化锌晶粒包裹金属颗粒，经固化后形成具有压敏特性的绝缘层，正常电压下，绝缘层阻值非常大，表面电极处于开路状态，电压高于压敏电阻触发电压时，氧化锌晶粒的电阻值迅速下降，并通过金属颗粒连接形成低电阻通道，达到快速响应的目的；
第九步印刷保护层61：采用丝网印刷工艺将高温有机硅树脂等浆料涂布在上表面电极41、下表面电极42、绝缘层5和压敏材料层43上方，并进行150℃/2hr固化，得到第1保护层61，如图8(a)所示；第十步形成熔体层7：如图8(b)所示，所述熔体层7优选采用丝网印刷工艺将银/钯合金粉、镀银铜粉、镀银镍粉等其中一种与环氧树脂粘合剂制成的导电胶印刷在第1保护层上方，并进行180℃/2hr固化；第十一步印刷保护层62：采用环氧树脂等浆料，优选耐高温改性的酚醛树脂浆料经厚膜印刷工艺形成在熔体层7和第1保护层61上方，经150℃/2hr固化后得到第2保护层62，如图8(c)所示；
第十二步一次分割：将印刷固化完成的陶瓷基板1按基板自身的刻痕，沿基板宽度方向进行分割，其结果是陶瓷基板1成为多个单片区域纵向连接为一列的带状，露出产品的两个侧面；第十三步形成侧面内层电极91：采用离子溅射工艺在产品两个侧面形成一层金属层，得到如图9(a)所示的侧面内层电极91，所述离子溅射采用业内常用的Ni-Cr金属材料；第十四步二次分割：沿着形成带状的陶瓷基板1上的刻痕，对陶瓷基板1进行二次分割，其结果是陶瓷基板1被分割成单片产品；第十五步形成端头内层电极81：采用业内常用的浸浆涂布工艺，将以金属铜粉和环氧树脂为主要成分的导电胶作为涂布浆料，对产品两个端头依次进行沾浆涂布和烘干后，在200℃/2hr的N2气氛下进行固化，得到如图9(b)所示的端头内层电极81；第十六步：电镀镍锡：将形成侧面内层电极91和端头内层电极81后的产品进行业内所熟知的电镀镍锡的作业，得到如图9(c)(d)所示的镍镀层和锡镀层，最终得到本发明具有过流保护功能的静电抑制器。
实施例2
在实施例1所述具有过流保护功能的静电抑制器的制作步骤中：第十步熔体层7采用邦定工艺将至少一根金属合金丝点焊到正面电极2和背面电极3的两端；
其他步骤同实施例1。
实施例3
在实施例1所述具有过流保护功能的静电抑制器的制作步骤中：第十步熔体层7采用邦定工艺将至少一根金属合金丝点焊到正面电极2的两端；
实施例4
在实施例1所述具有过流保护功能的静电抑制器的制作步骤中：第三步形成表面电极时，仅在陶瓷基板1上印刷上表面电极41，绝缘层5和相应激光切割形成上表面电极间隙411和上绝缘层间隙51；第十步形成熔体层7时，仅在陶瓷基板1上背面电极3内侧印刷熔体层电极或邦定金属合金丝材，得到表面电极41和熔体层7分处在陶瓷基板1不同侧的保护元件。此保护元件仅需在与表面电极41相连的陶瓷基板1的那个侧面形成侧电极9，如图9所示。
其他步骤同实施例1。
以上对本发明做了详细的描述，其目的在于让熟悉此领域的技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，实施例中所述的烧结条件及固化工艺均是由实验选择的特定材料决定的，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所做出的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种具有过流保护功能的静电抑制器，包括陶瓷基板（1）、端电极（8）和侧电极（9），端电极（8）位于陶瓷基板（1）两端，侧电极（9）位于陶瓷基板（1）纵向两侧的中部，其特征在于：陶瓷基板（1）上下表面的两端分别为正面电极（2）和背面电极（3），其中部均为一种多层结构，由下到上依次为表面电极、绝缘层（5）、第一保护层（61）、第二保护层（62），其中至少在一边第一保护层（61）和第二保护层（62）中间设有熔体层（7），第一保护层（61）完全覆盖上表面电极（41）和下表面电极（42）以及绝缘层（5），其中在上表面电极（41）和下表面电极（42）以及绝缘层（5）内部分别具有间隙,并且所述间隙填满压敏材料层(43)。
2.如权利要求1所述的一种具有过流保护功能的静电抑制器，其特征在于：所述表面电极印刷用的浆料为金的树脂酸盐浆料或银的树脂酸盐浆料。
3.如权利要求1所述的一种具有过流保护功能的静电抑制器，其特征在于：所述压敏材料层（43）为热固性酚醛树脂或聚酰胺树脂、金属颗粒、氧化锌晶粒成分混合而成。
4.如权利要求3所述的一种具有过流保护功能的静电抑制器，其特征在于：所述氧化锌晶粒为经高温烧结并再次粉碎的、以氧化锌为主晶相的粉料。
5.如权利要求1所述的一种具有过流保护功能的静电抑制器，其特征在于：表面电极层间隙和绝缘层间隙为5~30μm。
6.如权利要求1所述的一种具有过流保护功能的静电抑制器，其特征在于：所述第1保护层为高温有机硅树脂浆料，涂布在表面电极、绝缘层和压敏材料层上方。
7.如权利要求1所述的一种具有过流保护功能的静电抑制器，其特征在于：所述的熔体层（7）为银合金粉、钯合金粉、镀银铜粉、镀银镍粉中的一种与环氧树脂粘合剂制成的导电胶，印刷在第1保护层上方。
8.如权利要求1所述的一种具有过流保护功能的静电抑制器，其特征在于：所述熔体层（7）为金属合金丝，桥接在陶瓷基板（1）两端至少一面的电极上。
9.如权利要求1或7或8所述的一种具有过流保护功能的静电抑制器，其特征在于：所述第2保护层（62）为环氧树脂浆料经厚膜印刷形成的完全覆盖熔体层（7）的保护层。
10.如权利要求1或7或8所述的一种具有过流保护功能的静电抑制器，其特征在于：所述熔体层（7）为单条熔体或多条熔体并联、串联连接的结构。
11.一种具有过流保护功能的静电抑制器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：选取陶瓷基板；第二步：在陶瓷基板上、下两面分别印刷形成正面电极（2）和背面电极（3），并烘干；第三步：在陶瓷基板上、下两面或其中一面印刷形成上表面电极，并烘干；第四步：在一定温度下同时烧结以上电极；第五步：表面电极上方分别印刷形成绝缘层；第六步：在一定温度下烧结绝缘层；第七步：激光切割表面电极和绝缘层形成间隙；第八步：印刷压敏材料层填充间隙，并固化；第九步：印刷第1保护层，并固化；第十步：形成熔体层；第十一步：印刷第2保护层并固化；第十二步：一次分割；第十三步：离子溅射形成侧面内层电极；第十四步：二次分割；第十五步：端头浸浆形成铜内层电极；第十六步：电镀形成镍镀层和锡镀层，得到所述具有过流保护功能的静电抑制器。
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