CN104681220A - 表面贴装型过电流保护元件及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有电阻正温度系数效应的表面贴装型过电流保护元件及制造方法,该保护元件包含上下结构叠层的上下两层具有电阻正温度系数效应的导电复合材料芯片；第一导电连接孔，电气连接第一导电电极和第三导电电极，与第二导电电极和第四导电电极不直接电气连接；第二导电连接孔，电气连接第二导电电极和第四导电电极，与第一导电电极和第三导电电极不直接电气连接；粘结层，置于上层芯片和下层芯片之间，使上层芯片和下层芯片牢固结合。本发明与常规表面贴装型过电流保护元件相比，具有厚度薄，保持电流高的特点；同时又具有引脚式结构易热传导和散热的特点，方便与其他保护器件搭接，安装方便的特点。

Description

表面贴装型过电流保护元件及制造方法

技术领域

本发明涉及一种过电流保护元件及其制造方法，尤其是涉及一种具有电阻正温度效应的表面贴装型过电流保护元件及其制造方法。

背景技术

基于导电复合材料的正温度系数过流防护元件（PTC）已广泛地应用到通信、计算机、汽车、工业控制、家用电器等众多领域中，应用于电路的过流保护设置。在通常状态下，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复性保险丝时，其温度会突然升高到“关断”温度，导致其电阻值变得很大，这样就使电路处于一种近似“开路”的状态，从而保护了电路中其他元件。而当故障排除后，热敏电阻器的温度下降，其电阻值又可恢复到低阻值状态。

随着电子行业的迅猛发展，市场对表面贴装型过流保护元件的要求是小型化、薄型化、低电阻化、大保持电流化。即单位面积单位厚度的保持电流值要不断的提高。提高保持电流的方法主要有如下几种方法：(a)寻找和开发更高导电率的导电填料，来降低导电复合PTC材料电阻率；(b)提高导电复合PTC材料的转折温度；(c)采用并联结构，用多层堆叠导电复合PTC材料层的方式，达到提高保持电流的效果，但是这种方法增加了产品厚度，限制了其应用范围；(d)增加散热，采用表面贴装和焊接引脚结合的形式，增加散热，另外通过引脚

台湾聚鼎公司专利CN201210028641.9和CN200610000389.5中提到了使用各种方式来提高过电流保护元件的保持电流。CN201210028641.9和CN200610000389.5中提到一种多层堆叠结构的过流元件结构，且CN200610000389.5发明了一种多层堆叠的结构，但是其导电复合PTC材料层之间有绝缘层，这种结构不仅额外增加了产品的厚度，而且降低了过电流保护元件的传热和过电流保护元件内部两并联部分的传热，一旦某一部分温度过高，就会导致整体的动作，不利于过电流保护元件保持电流的提高和其单位面积单位厚度的承载电流的提高。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种表面贴装型过电流保护元件，该元件采用芯片叠层并联结构和引脚/表面贴装的混合结构。

本发明的再一目的在于：提供所述表面贴装型过电流保护元件的制造方法。

本发明目的通过下述方案实现：一种表面贴装型过电流保护元件：

1)  上下结构叠层的两具有电阻正温度系数效应的导电复合材料芯片；

上层芯片包括：

(a)具有电阻正温度系数效应的上导电复合材料基层，其具有上下表面；

(b)第一导电电极，置于上导电复合材料基层的上表面；

(c)第二导电电极，置于上导电复合材料基层的下表面；

下层芯片包括：

(a)具有电阻正温度系数效应的下导电复合材料基层，其具有上下表面；

(b)第三导电电极，置于下导电复合材料基层的上表面；

(c)第四导电电极，置于下导电复合材料基层的下表面；

2)  第一导电连接孔，电气连接第一导电电极和第三导电电极，与第二导电电极和第四导电电极不直接电气连接；

3)  第二导电连接孔，电气连接第二导电电极和第四导电电极，与第一导电电极和第三导电电极不直接电气连接；

4)  粘结层，置于上层芯片和下层芯片之间，使上层芯片和下层芯片牢固结合。

本发明采用芯片叠层并联结构和引脚/表面贴装的混合结构，通过芯片并联结构能加倍保持电流；引脚可以增加散热、搭接其他需要保护的元件，且更容易感测到温度，使过热保护更有效。本发明同时具有贴片式结构有紧凑、安装方便的特点，和引脚式结构容易热传导和散热的特点。

在上述方案基础上，所述具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层由聚合物和导电填料组成，所述聚合物占所述导电复合材料基层的体积分数介于20%～75%之间，优选为25%-70%之间，更优为30%-65%之间，所述聚合物选自聚乙烯、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、聚氯乙烯、丁二烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、酚醛树脂、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚氟乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种及其混合物。

在上述方案基础上，所述导电填料选自碳黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、金属粉末、导电陶瓷粉末之间的一种及其混合物，所述电填料的粒径优选为0.05μm～50μm，更优为0.1μm～20μm；体积电阻率不大于0.03Ω.m，优选为不大于0.02Ω.m，更优为不大于0.01Ω.m。所述导电填料占所述导电复合材料基层体积分数的25%～80%，优选为30%-75%之间，更优为35%-70%之间，分散于所述聚合物中。

在上述方案基础上，所述金属粉末可选自：铜、镍、钴、铁、锡、铅、银、金、铂或它们的合金中的一种及其混合物。所述导电陶瓷粉末可选自：金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物之中的一种或几种的混合物。。

在上述方案基础上，所述具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层可含有其他组分，如抗氧剂、辐射交联剂（常称为辐照促进剂、交联剂或交联促进剂，例如三烯丙基异氰脲酸酯）、偶联剂、分散剂、稳定剂、非导电性填料（如氢氧化镁，碳酸钙）、阻燃剂、弧光抑制剂或其他组分。这些组分通常不大于高分子基导电复合材料总体积的15%，例如5%体积百分比。

本发明提供一种所述的表面贴装型过流保护元件的制造方法，包含以下步骤：

1)  将第一导电电极、具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层、第二导电电极通过热压合工艺制成具有电阻正温度系数效应的导电复合材料芯片，即上层芯片；将第三导电电极、具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层、第四导电电极通过热压合工艺制成具有电阻正温度系数效应的导电复合材料芯片，即下层芯片；

2)  除去第二导电电极的部分区域,使第二导电电极与第一导电连接孔断开；除去第三导电电极的部分区域,使第三导电电极与第二导电连接孔断开；

3)  采用层压工艺制备上下结构叠层的芯片复合层，芯片复合层叠层自上而下依次为：上层芯片、粘结层，下层芯片，其中上层芯片的第一导电电极朝上，下层芯片的第四导电电极朝下，通过热压合后，使粘接层与上下层芯片紧密粘合，得到新的芯片复合层；

4)  钻孔，并在孔内壁上形成金属层，得到第一导电连接孔和第二导电连接孔；       第一导电连接孔电气连接第一导电电极和第三导电电极，与第二导电电极和第四导电电极不直接电气连接；第二导电连接孔电气连接第二导电电极和第四导电电极，与第一导电电极和第三导电电极不直接电气连接。

本发明所述的表面贴装型过电流保护元件的制造方法，可以进一步包含如下步骤：

1) 在第一导电电极或第四导电电极表面上形成焊接材料层；

2) 在焊接材料层上焊接至少一个导电引脚。

所述的除去第二和第三导电电极的部分区域的加工方式为化学蚀刻、激光烧蚀或机械雕刻中的一种或几种。

所述的钻孔的加工方式为机械钻孔、机械铣槽、激光加工的一种或是几种。

所述的在孔内壁形成金属层，是通过化学沉积、喷涂、溅射、电镀或是这几种工艺复合使用形成的。

本发明的优越性在于：芯片并联结构能加倍保持电流；引脚可以增加散热来增加保持电流；引脚还可以搭接需要保护的元件，更容易感测到温度，使过热保护更有效。同时，引脚式结构具有容易热传导和散热的特点，贴片式结构具有紧凑，安装方便的特点，此混合结构能结合两者的优点，同时具有热传导、散热、结构紧凑和安装方便的特点。

附图说明

图1 基本结构过流保护元件的立体图；

图2为图1的A-A剖面视图；

图3 导电复合材料复合层截面图；

图4 蚀刻后导电复合材料复合层截面图；

图5 压合后的导电复合材料复合层截面；

图6 钻孔后的导电复合材料复合层截面；

图7 成品过流保护元件的截面图。

具体实施方式

如图1基本结构过流保护元件的立体图、图2为图1的A-A剖面视图和图7成品过流保护元件的截面图所示，一种表面贴装型过电流保护元件，包含：

1）上下结构叠层的两个具有电阻正温度系数效应的导电复合材料芯片,在保护元件上焊接金属引脚1,其中：

上层芯片a包括：

(a)具有电阻正温度系数效应的上导电复合材料基层4a，其具有上下表面；

(b)第一导电电极3a，置于上导电复合材料基层的上表面；

(c)第二导电电极6a，置于上导电复合材料基层的下表面；

下层芯片b包括：

(a)具有电阻正温度系数效应的下导电复合材料基层4b，其具有上下表面；

(b)第三导电电极6b，置于下导电复合材料基层的上表面；

(c)第四导电电极3b，置于下导电复合材料基层的下表面；

2）第一导电连接孔8a，电气连接第一导电电极3a和第三导电电极6b，与第二导电电极6a和第四导电电极3b不直接电气连接；

3）第二导电连接孔8b，电气连接第二导电电极6a和第四导电电极3b，与第一导电电极3a和第三导电电极6b不直接电气连接；

4）粘结层7，置于上层芯片a和下层芯片b之间，使上层芯片a和下层芯片b牢固结合。

本实施例提供一种具有电阻正温度系数效应的表面贴装型过电流保护元件，如图3 导电复合材料复合层截面图、图4 蚀刻后导电复合材料复合层截面图、图5 压合后的导电复合材料复合层截面、图6 钻孔后的导电复合材料复合层截面图所示，依序有以下具体步骤：

一、导电复合材料复合层的制作

将聚合物、导电填料、加工助剂按合适的配方配料。将密炼机温度设定为180度，转速为30转/分钟，先加入聚合物密炼3分钟后，然后加入导电填料和加工助剂，加料在3分钟内完成，继续密炼15分钟后出料，得到导电复合材料。

将上述熔融混合好的导电复合材料通过开炼机压延，得到厚度为0.20-0.25毫米的导电复合材料基层4a，如图3所示。

将导电复合材料基层4a按图3所示置于两层导电电极3a和6a之间，导电电极3a和6a的粗糙面与导电复合材料基层4a紧密结合。通过热压合的方法将上述三个叠层紧密结合在一起。热压合的温度为180摄氏度，压力为12兆帕，时间为10分钟，最后在冷压机上冷压10分钟，得到图3所示的导电复合材料芯片11。

二、后续加工

将如图3所示的两导电复合材料芯片通过图形转移蚀刻技术在导电复合材料芯片11的上电极上蚀刻出绝缘槽5b或下电极上蚀刻出绝缘槽5a，将两层蚀刻出绝缘槽的导电材料复合芯片,分别得结构12a和12b，按如图4所示的方式叠放,中间放置粘结层7，通过热压合的方式将两导电复合材料芯片粘合在一起，成复合结构13，同时得到，绝缘槽5a和5b,相对但分列两边的特殊结构(如图5)。

接着在如图5所示的复合结构上，通过钻孔工艺，从绝缘槽5a和5b对应的背表面的中心往下钻，得钻孔8a和8b，钻孔孔径小于绝缘槽的孔,使绝缘槽的边缘和孔的边缘的距离大于0.05mm，钻孔深度为钻头进入下一层导电复合材料芯片，但不穿透，最终得到如图6所示的结构复合层14。

然后，接着通过化学沉积、电镀工艺在复合层14的上下表面和孔内壁形成互相电气连接的金属层，使金属层3a与金属层6b导通，金属层6a与金属层3b导通。得到如图7所示的修复后的导电复合材料复合层15。然后，通过电镀工艺在复合层15上下表面镀上锡层2a和2b，这样可以防止面铜的氧化，也有利于SMT焊接。形成了具有并联结构的过流保护功能的基础结构10。

最后，为了方便安装和提高过流保护元件的保持电流，通过在基础结构10上焊接金属引脚1来达到目的。如图7所示，引脚1被焊接于2a表面，即为新型表面贴装型过流保护元件15。

本发明的内容和特点已揭示如上，然而前面叙述的本发明仅仅简要地或只涉及本发明的特定部分，本发明的特征可能比在此公开的内容涉及的更多。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应该包括在不同部分中所体现的所有内容的组合，以及各种不背离本发明的替换和修饰，并为本发明的权利要求书所涵盖。

Claims (10)

1.一种表面贴装型过电流保护元件，包含：

1）上下结构叠层的两个具有电阻正温度系数效应的导电复合材料芯片；

上层芯片包括：

(a)具有电阻正温度系数效应的上导电复合材料基层，其具有上下表面；

(b)第一导电电极，置于上导电复合材料基层的上表面；

(c)第二导电电极，置于上导电复合材料基层的下表面；

下层芯片包括：

(a)具有电阻正温度系数效应的下导电复合材料基层，其具有上下表面；

(b)第三导电电极，置于下导电复合材料基层的上表面；

(c)第四导电电极，置于下导电复合材料基层的下表面；

2）第一导电连接孔，电气连接第一导电电极和第三导电电极，与第二导电电极和第四导电电极不直接电气连接；

3）第二导电连接孔，电气连接第二导电电极和第四导电电极，与第一导电电极和第三导电电极不直接电气连接；

4）粘结层，置于上层芯片和下层芯片之间，使上层芯片和下层芯片牢固结合。

2.根据权利要求1所述的表面贴装型过电流保护元件，其特征在于所述具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层由聚合物和导电填料组成，其中，所述聚合物占所述导电复合材料基层的体积分数介于20%～75%之间，所述聚合物选自聚乙烯、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、聚氯乙烯、丁二烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、酚醛树脂、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚氟乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种及其混合物。

3.根据权利要求2所述的表面贴装型过电流保护元件，其特征在于，导电填料选自碳黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、金属粉末、导电陶瓷粉末中的一种及其混合物，所述电填料的粒径为0.05μm～50μm，体积电阻率不大于0.03Ω.m，优选为不大于0.02Ω.m。

4.根据权利要求4所述的表面贴装型过电流保护元件，其特征在于，所述的金属粉末选自：铜、镍、钴、铁、钨、锡、铅、银、金、铂或其合金中的一种及其混合物。

5.根据权利要求4所述的表面贴装型过电流保护元件，其特征在于所述的导电陶瓷粉末选自：金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物之中的一种或几种的混合物。

6.一种表面贴装型过流保护元件的制造方法，其特征在于包含以下步骤：

1）将第一导电电极、具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层、第二导电电极通过热压合工艺制成具有电阻正温度系数效应的导电复合材料芯片，即上层芯片；将第三导电电极、具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层、第四导电电极通过热压合工艺制成具有电阻正温度系数效应的导电复合材料芯片，即下层芯片；

2）除去第二导电电极的部分区域,使第二导电电极与第一导电连接孔断开；除去第三导电电极的部分区域,使第三导电电极与第二导电连接孔断开；

3）采用层压工艺制备上下结构叠层的芯片复合层，芯片复合层叠层自上而下依次为：上层芯片、粘结层，下层芯片，其中上层芯片的第一导电电极朝上，下层芯片的第四导电电极朝下，通过热压合后，使粘接层与上下层芯片紧密粘合，得到新的芯片复合层；

4）钻孔，并在孔内壁上形成金属层，得到第一导电连接孔和第二导电连接孔；

第一导电连接孔电气连接第一导电电极和第三导电电极，与第二导电电极和第四导电电极不直接电气连接；第二导电连接孔电气连接第二导电电极和第四导电电极，与第一导电电极和第三导电电极不直接电气连接。

7.根据权利要求6所述的表面贴装型过流保护元件的制造方法，其特征在于还可以进一步包含如下步骤：

在第一导电电极或第四导电电极表面上形成焊接材料层；

在焊接材料层上焊接至少一个导电引脚。

8.根据权利要求6所述的表面贴装型过流保护元件的制造方法，其特征在于除去第二和第三导电电极的部分区域的加工方式为化学蚀刻、激光烧蚀或机械雕刻中的一种或几种。

9.根据权利要求6所述的表面贴装型过流保护元件的制造方法，其特征在于所述的粘接层的基材是聚合物或是以聚合物为基材的复合材料。

10.根据权利要求6所述的表面贴装型过流保护元件的制造方法，其特征在于所述钻孔的孔内壁形成金属层，是通过化学沉积、喷涂、溅射、电镀或是这几种工艺复合使用形成的。