CN104715873A - 表面贴装型过电流保护元件及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面贴装型过电流保护元件及制造方法，具有电阻正温度系数效应的表面贴装型过流保护元件,包括具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层、第一导电电极、第二导电电极、第三导电电极、第一导电端面，第二导电端面、填充体以及填充体的表面金属层。该表面贴装过电流保护元件与常规表面贴装型过电流保护元件相比，它具有厚度薄，保持电流高的特点。本发明还提供一种表面贴装型过流保护元件的制造方法。

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。

已公开的专利文件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

本发明的目的之一是提供一种具有新型结构的表面贴装型过电流保护元件，该元件具有高保持电流且厚度薄的特点。

本发明的再一目的是提供具有新型结构的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：一种具有新型结构的表面贴装型过电流保护元件至少包括：

上、下两层具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层，每层均具有相对的上下表面；

第一导电电极，置于上导电复合材料基层的上表面；

第二导电电极，置于下导电复合材料基层的下表面；

第三导电电极，置于上下两导电复合材料基层的中间，由上导电复合材料层的下表面和下导电复合材料基层的上表面共有；

第一导电端面，与第一导电电极和第二导电电极导通；

第二导电端面，与第三导电电极导通，分别与第一导电电极和第二导电电极未直接连接；

填充体，电气隔断第三导电电极与第一导电端面，使第三导电电极与第一导电端面不直接连接；

填充体的上、下金属层，上金属层使第一导电电极与第一导电端面电气连接，下金属层使第二导电电极与第一导电端面电气连接；

其中，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，所述的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，所述的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，所述的导电填料选自粒径为0.05μm～50μm、体积电阻率不大于0.03Ω.m的碳黑、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。

本发明中，所述填充体作为本发明一个必要结构要件，其作用在于：（1）填补通孔，支撑起整体的结构；（2）在填充体的支撑下，可以修复第一导电电极和第二导电电极。

所述导电填料的粒径优选为0.1μm～20μm；体积电阻率优选为不大于0.02Ω.m，更优为不大于0.01Ω.m，分散于所述聚合物中。

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。

所述的聚合物占所述导电复合材料基层的体积分数优选为25%-70%之间，更优为30%-65%之间。

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。

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。

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。

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。这些组分不大于所述的导电复合材料总体积的15%，例如5%体积百分比。

所述的第三导电电极为双面粗化的金属箔片，该双面粗化金属箔片与上下两层导电复合材料层紧密粘合。

所述的双面粗化金属箔片的上下表面上都进行特殊的粗化处理，使两面都具有较多的瘤状突出物。

本发明提供一种上述表面贴装型过电流保护元件的制造方法，包含以下步骤：

1）制备含有两层具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层和三层导电电极的复合层，复合层自上而下依次为：第一导电电极、上导电复合材料基层，第三导电电极、下导电复合材料基层、第二导电电极；

2）除去第一和第二导电电极的部分区域,使之不与第二导电端面直接连接；

3）在复合层上开通孔或通槽；

4）填充通孔或通槽，形成一填充体；

5）在填充体的上表面和下表面形成金属层，分别与第一导电电极和第二导电电极直接连接，并延伸至第一导电端面，得到修复后的复合层；

6）在修复后的复合层的左右两端位置钻通孔或通槽后，在通孔或通槽的内壁上形成金属层，分别得到第一和第二导电端面。

进一步包含如下步骤：

1）在所述修复后的复合层的上表面依次放置粘结层和上金属箔片，在修复后的复合层的下表面依次放置粘接层和下金属箔片，上下层金属箔片的粗面都与粘接层接触，叠层放置后，通过热压合的方式，使粘接层与修复后的复合层及上下金属箔片紧密粘合，得到新的复合层；

2）除去新的复合层的上下金属箔片的部分区域，露出粘接层，使上下金属箔片的左右两端断开；

3）在露出的粘接层上形成一阻焊层，阻焊层之上可以印制产品标示符号。

除去部分第一和第二导电电极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。

10．根据权利要求7所述的表面贴装型过流保护元件的制造方法，其特征在于，所述的填充体的上下表面形状为由直线、曲线或是两者的组合的封闭圈。

本发明所述的表面贴装型过流保护元件的制造方法，其特征在于可以进一步包含如下步骤：

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。

所述的在基材上开通孔或通槽的微细加工方式为机械钻孔、机械铣槽、激光加工的一种或是几种。

所述的填充体的上下表面形状为由直线、曲线或是两者的组合的封闭圈。

所述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。

较现有技术相比，本发明的优越性在于：制备的表面贴装型过电流保护元件具有较高承载电流能力及较薄的厚度。

附图说明

图1 导电复合材料复合层截面图；

图2 蚀刻后的导电复合材料复合层截面图；

图3 钻孔后导电复合材料复合层截面图；

图4 修复后的导电复合材料复合层截面；

图5 含粘接层导电复合材料复合层截面图；

图6 蚀刻后的含粘接层导电复合材料复合层截面图；

图7 半成品导电复合材料复合层截面图；

图8 从导通孔处剖开的表面贴装型过流保护元件截面图。

附图中标号说明：

10——导电材料复合层；

11a、11b——上、下导电复合材料基层；

12a、12b、13——上、下、中间层金属箔片(或13为第三电极)；

20——蚀刻后的导电材料复合层；

22a、22b——上、下蚀刻后的金属箔片；

23a——上绝缘槽；                 23b——下绝缘槽；

30——钻孔后导电复合材料复合层；

31——通孔；

32a——第一导电电极；             32b——第二导电电极；

40——修复后的导电复合材料复合层；

41——填充体；

42a——上金属层；                 42b——下金属层；

50——含粘接层导电复合材料复合层；

51a、51b——粘接层；              52a、52b——金属箔片；

60——蚀刻后的含粘接层导电复合材料复合层；

61a——上绝缘槽；                61b——下绝缘槽；

62a、62b——左、右上电极；       62c、62d——左、右下电极；

70——半成品导电复合材料复合层；

71a、71b——阻焊及标印层；

100——表面贴装型过电流保护元件；

101a——第一导电端面；            101b——第二导电端面。

具体实施方式

如图1 导电复合材料复合层截面图，图2 蚀刻后的导电复合材料复合层截面图，图3 钻孔后导电复合材料复合层截面图，图4 修复后的导电复合材料复合层截面，图5 含粘接层导电复合材料复合层截面图，图6 蚀刻后的含粘接层导电复合材料复合层截面图，图7 半成品导电复合材料复合层截面图和图8 从导通孔处剖开的表面贴装型过流保护元件截面图所示：

一种表面贴装型过流保护元件如图8所示，至少包括：

上、下两层具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层，每层均具有相对的上下表面；

第一导电电极32a，置于上导电复合材料基层11a的上表面；

第二导电电极32b，置于下导电复合材料基层11b的下表面；

中间层金属箔片13作为第三导电电极，置于上、下两导电复合材料基层11a、11b的中间，由上导电复合材料层11a的下表面和下导电复合材料基层11b的上表面共有；

第一导电端面101a，与第一导电电极32a和第二导电电极32b导通；

第二导电端面101b，与第三导电电极导通，分别与第一导电电极和第二导电电极未直接连接；

填充体41，电气隔断第三导电电极13与第一导电端面101a，使第三导电电极13与第一导电端面不直接连接；

填充体41有上、下金属层42a、42b，上金属层42a使第一导电电极32a与第一导电端面电气连接101a，下金属层42b使第二导电电极32b与第一导电端面101a电气连接；

其中，所述具有电阻正温度系数效应的上、下导电复合材料基层11a、11b聚合物和导电填料组成，所述的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，所述的导电填料选自粒径为0.05μm～50μm、体积电阻率不大于0.03Ω.m的碳黑、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。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。

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。这些组分通常至多占高分子基导电复合材料总体积的15%，例如5%体积百分比。

所述的第三导电电极为双面粗化的金属箔片。双面粗化金属箔片的上下表面上都进行特殊的粗化处理，使两面都具有较多的瘤状突出物。双面粗化金属箔片与上下两层导电复合材料层紧密粘合。

对于本发明的具有电阻正温度系数效应的表面贴装型过流保护元件，其具体制作步骤按图1至8的顺序，步骤如下：

将聚合物、导电填料、加工助剂按性能要求配方配料。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11a和11b，如图1所示。

将两层上、下导电复合材料基层11a、11b按图1所示间隔置于三层上、中间、下层金属箔片12a、13、12b之间，中间层金属箔片13和上层金属箔片12a的粗糙面与上导电复合材料基层11a紧密结合； 中间层金属箔片13和下层金属箔片12b的粗糙面与下导电复合材料基层11b紧密结合。通过热压合的方法将上述五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1所示的导电材料复合层10。

将如图1所示的导电材料复合层通过图形转移蚀刻技术在图1的上金属箔片12a和下金属箔片12b上蚀刻出上、下绝缘槽23a、23b，得到如图2所示蚀刻后的导电材料复合层20，其上绝缘槽23a和下绝缘槽23b，得到如图2所示的上蚀刻后的金属箔片22a和下蚀刻后的金属箔片22b。

接着在如图2所示的复合层上，通过钻孔工艺，得到截面如图3所示的钻孔后导电复合材料复合层30的通孔31，同时形成第一导电电极32a和第二导电电极32b。 接着将通孔31采用堵孔工艺填充通孔，得到如图4 所示的填充体41，所述填充体41作为本发明结构的一个必要要件，其作用在于（1）填补通孔31，支撑起整体的结构；（2）在填充体41的支撑下，可以修复第一导电电极32a和第二导电电极32b。

上述修复第一导电电极32a和第二导电电极32b的具体方法为：通过化学沉积、电镀工艺在填充体41的上、下表面形成上金属层42a和下金属层42b，上金属层42a与第一导电电极32a电导通，下金属层42b与第二导电电极32b电导通，得到如图4所示的修复后的导电复合材料复合层40。

再接着，将如图5所示的上粘接层51a和下粘接层51b分别置于如图4所示的修复后的导电复合材料复合层40的上、下表面，且在上、下粘接层51a、51b上分别盖上金属箔片52a和金属箔片52b，最后进行压合得到如图5所示的含粘接层导电复合材料复合层50。

再接着，在如图5所示的金属箔片52a和金属箔片52b上蚀刻外层图形，蚀刻掉如图6蚀刻后的含粘接层导电复合材料复合层60所示的上绝缘槽61a得到左上电极62a和右上电极62b，同样，蚀刻掉下绝缘槽61b得到下电极62c和下电极62d。上绝缘槽 61a隔开左、右上电极62a、62b，下绝缘槽 61b隔开左、右下电极62c、62d。

再接着，将如图6所示上绝缘槽61a和下绝缘槽61b进行阻焊油墨印刷，得到如图7所示蚀刻后的含粘接层导电复合材料复合层70的阻焊及标印层71a和71b。

接着在图7所示的两端钻通孔，在通孔内壁上化学沉铜，最后经过镀锡工艺，在如图7所示的端部、左、右上电极62a、62b和左、右下电极62c、62d上镀锡得到如图8所示的第一导电端面101a和第二导电端面101b。使第一导电端面101a与填充体41的上金属层42a和下金属层42b连接，将第一导电电极32a和第二导电电极32b间接导通。使第二导电端面101b与第三导电电极13直接连接导通。从而得到表面贴装型过电流保护元件100。

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流保护元件，至少包括：

上、下两层具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层，每层均具有相对的上下表面；

第一导电电极，置于上导电复合材料基层的上表面；

第二导电电极，置于下导电复合材料基层的下表面；

第三导电电极，置于上下两导电复合材料基层的中间，由上导电复合材料层的下表面和下导电复合材料基层的上表面共有；

第一导电端面，与第一导电电极和第二导电电极导通；

第二导电端面，与第三导电电极导通，分别与第一导电电极和第二导电电极未直接连接；

填充体，电气隔断第三导电电极与第一导电端面，使第三导电电极与第一导电端面不直接连接；

填充体有上、下金属层，上金属层使第一导电电极与第一导电端面电气连接，下金属层使第二导电电极与第一导电端面电气连接；

其中，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，所述的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，所述的导电填料选自粒径为0.05μm～50μm、体积电阻率不大于0.03Ω.m的碳黑、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。

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1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。

4.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。

5.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，所述的第三导电电极为双面粗化的金属箔片，该双面粗化金属箔片与上下两层导电复合材料层紧密粘合。

6.根据权利要求5所述的表面贴装型过电流保护元件，其特征在于，所述的双面粗化金属箔片的上下表面上都进行特殊的粗化处理，使两面都具有较多的瘤状突出物。

7.根据权利要求1至6之任一项所述的表面贴装型过电流保护元件的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：

1）制备含有两层具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层和三层导电电极的复合层，复合层自上而下依次为：第一导电电极、上导电复合材料基层，第三导电电极、下导电复合材料基层、第二导电电极；

2）除去第一和第二导电电极的部分区域,使之不与第二导电端面直接连接；

3）在复合层上开通孔或通槽；

4）填充通孔或通槽，形成一填充体；

5）在填充体的上表面和下表面形成金属层，分别与第一导电电极和第二导电电极直接连接，并延伸至第一导电端面，得到修复后的复合层；

6）在修复后的复合层的左右两端位置钻通孔或通槽后，在通孔或通槽的内壁上形成金属层，分别得到第一和第二导电端面。

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

1）在所述修复后的复合层的上表面依次放置粘结层和上金属箔片，在修复后的复合层的下表面依次放置粘接层和下金属箔片，上下层金属箔片的粗面都与粘接层接触，叠层放置后，通过热压合的方式，使粘接层与修复后的复合层及上下金属箔片紧密粘合，得到新的复合层；

2）除去新的复合层的上下金属箔片的部分区域，露出粘接层，使上下金属箔片的左右两端断开；

3）在露出的粘接层上形成一阻焊层。

9.根据权利要求7所述的表面贴装型过流保护元件的制造方法，其特征在于，除去部分第一和第二导电电极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。

10.根据权利要求7所述的表面贴装型过流保护元件的制造方法，其特征在于，所述的填充体的上下表面形状为由直线、曲线或是两者的组合的封闭圈。