CN106847372B - 一种过流保护元件及其制备方法、过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过流保护元件及其制备方法、过流保护电路。过流保护元件的制备方法包括以下步骤：S1，准备聚合物树脂作为基质，准备金属粉末，所述金属粉末的微观结构为三维辐射状结构的颗粒；将所述金属粉末均匀分散在所述基质中，制得复合材料；S2，将所述复合材料制成浆料，涂布在绝缘基材上，然后热处理所述浆料，使所述聚合物树脂固化，制得过流保护元件。根据上述方法制得的过流保护元件可应用于过流保护电路中。本发明的制备方法，制备工艺简便，可批量化制得微型结构的过流保护元件。

Description

一种过流保护元件及其制备方法、过流保护电路

【技术领域】

本发明涉及过流保护元件，特别是涉及一种可简易印刷的微型过流保护元件及其制备方法以及过流保护电路。

【背景技术】

随着科学技术的不断进步，各种便携式电子设备，如手机、数码相机、摄像机、笔记本电脑、平板电脑等逐步深入人们的日常生活，并成为不可或缺的一部分。为了避免在产品的使用过程中发生安全事故，一般在电路设计时，均会增加各种保护元件，最常见的有过流保护元件，例如保险丝。当电路中电流过大时，保险丝的熔断体可以在规定时间内动作而切断电流，从而防止过量的电流引发严重后果。

目前使用的保险丝按其作用原理主要有三种类型，第一种是易熔合金型，利用低熔点合金在动作温度下熔化而切断电路。第二种是利用双金属片中两种金属热膨胀系数的差异来切断或导通电路。第三种是有机物型，主要是通过壳体内有机物在预定温度下熔化而切断电路。这些保险丝通常被安装在陶瓷或玻璃管内，并带有引脚，占据体积大，难以满足电子元器件微小型化、集成化的发展趋势。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种过流保护元件及其制备方法，制备工艺简便，可批量化制得微型结构的过流保护元件。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种过流保护元件的制备方法，包括以下步骤：S1，准备聚合物树脂作为基质，准备金属粉末，所述金属粉末的微观结构为三维辐射状结构的颗粒；将所述金属粉末均匀分散在所述基质中，制得复合材料；S2，将所述复合材料制成浆料，涂布在绝缘基材上，然后热处理所述浆料，使所述聚合物树脂固化，制得过流保护元件。

本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决：

一种根据如上所述的制备方法制得的过流保护元件。

一种过流保护电路，包含如上所述的过流保护元件。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的过流保护元件的制备方法，利用微观结构为三维辐射状结构的颗粒的金属粉末的熔缩特性，将该微观结构的金属粉末分散在聚合物树脂中，并将其制成浆料，涂布在基材上，热处理后即制得过流保护元件。本发明的制备方法适于印刷成型，工艺简单、易于实现批量化制备，具有较高的线分辨率，有利于制备极微小的过流保护元件，例如保险丝的熔断体。此外，制得的元件在应用过程中通过金属颗粒熔缩而分断时，金属颗粒熔缩的热能可以快速被周围的有机树脂基体吸收，从而自身具有灭弧功能，应用时不需要额外增加一个灭弧装置。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式的实验例1中制备过流保护元件所用的具有三级枝晶结构的微纳米金属银颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像；

图2是本发明具体实施方式的实验例1中制得的印刷式过流保护元件阵列的光学照片；

图3是本发明具体实施方式的实验例1中复合材料的SEM图；

图4是本发明具体实施方式的实验例1中制得的印刷式过流保护元件经过流熔断后的SEM图；

图5是本发明具体实施方式的实验例2中制备过流保护元件所用的具有海星型结构的微纳米金属银-铜合金颗粒的SEM图像；

图6是本发明具体实施方式的实验例2中制得的印刷式过流保护元件经过流熔断后的SEM图；

图7是本发明具体实施方式的实验例3中制备过流保护元件所用的具有二级枝晶结构的微纳米金属镍颗粒的SEM图像；

图8是本发明具体实施方式的实验例3中制得的印刷式过流保护元件经过流熔断后的SEM图；

图9是本发明具体实施方式的实验例4中制备过流保护元件所用的具有花状结构的微纳米金属锡-银-铜合金颗粒的SEM图像；

图10是本发明具体实施方式的实验例4中制得的印刷式过流保护元件经过流熔断后的SEM图；

图11是本发明具体实施方式的实验例5中制备过流保护元件所用的具有海绵状结构的微纳米金属锡-铜合金颗粒的SEM图像；

图12是本发明具体实施方式的实验例5中制得的印刷式过流保护元件经过流熔断后的SEM图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的构思是：纳米尺度效应赋予纳米金属更低的熔点，使其具有优异的低温烧结特性。烧结后，金属颗粒的末端连接在一起形成网络。这也是纳米金属颗粒的金属材料常用作导电填料的一个原因。本发明中，不再研究导电互联特性方面的应用，而是研究其在断路场合的应用。经研究，发现在三维空间内呈辐射状结构的金属颗粒具有优异的熔缩效应，尤其是颗粒表面具有丰富纳米结构时，能够在极低的热量下，由外至内发生熔缩。熔缩后的表现是辐射状的微观结构消失，转变为分散开的球状结构。因此，本发明将具有上述微观结构的金属材料分散于树脂基质中形成的复合材料，后续经固化后形成的材料能够对电路中电流产生的焦耳热快速响应。当电路中有过电流流过时，材料中的金属颗粒快速熔缩成为球形或者分散颗粒，使导通电路断开，从而快速切断电流。因此将上述颗粒的材料用于制作过流保护元件，以应用于电路中，保护电路中的重要电子元器件。

本具体实施方式的过流保护元件的制备方法包括以下步骤：

S1，准备聚合物树脂作为基质，准备金属粉末，所述金属粉末的微观结构为三维辐射状结构的颗粒；将所述金属粉末均匀分散在所述基质中，制得复合材料。

该步骤中，使用微观结构为三维辐射状结构的颗粒的金属粉末。在三维空间方向上以一个点为中心，向周围辐射的辐射状结构包括三级枝晶结构、二级枝晶结构、花椰菜状、草莓状、绒球状、海绵状、海胆状、海星状、花状结构中的一种或者多种的混合。金属粉末可为银、铜、锡、金、铂、钯、铝、钛、铬、铁、钴、镍、锌、钼、钌、铑、钨、铼、铱中的一种或者多种的混合物或合金。金属粉末的微观结构中颗粒的平均直径在100纳米～30微米的范围内。

分散时，使用的聚合物树脂可为热固性聚合物树脂或者热塑性聚合物树脂。热固性聚合物树脂可为环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、聚酰亚胺、聚氨酯、聚丙烯酸酯、氰酸酯、聚硅氧烷中的一种或者多种的混合物。热塑性聚合物树脂可为聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚酯、聚氨酯、聚硅氧烷、聚酰亚胺预聚物中的一种或者多种的混合物。

上述复合材料是后续制得的过流保护元件的主要成分，复合材料中各组分的含量配比会直接影响到后续过流保护元件的额定电流值大小。优选地，复合材料中金属粉末的质量分数为15％～70％，基质的质量分数为30％～85％。按照上述范围配比，金属粉末的含量不至于太少，导致分散在基质中后颗粒间无法形成有效的连接网络。同时，含量也不会太多，以至于分散时难以均匀分散开。

优选地，在配制成复合材料时，还可以在其中添加辅料，所述辅料为固化剂、交联剂、稀释剂、稳定剂、分散剂、消泡剂、离型剂、脱模剂、表面活性剂、流变控制剂中的一种或多种的混合。

S2，将所述复合材料制成浆料，涂布在绝缘基材上，然后热处理所述浆料，使所述聚合物树脂固化，制得过流保护元件。

该步骤中，将上述复合材料配制成浆料后涂覆在绝缘基材上。涂覆时，可通过点胶、丝网印刷或者孔板印刷方式进行涂布。涂覆后，通过热处理使聚合物树脂固化，最终制得过流保护元件。固化时的热处理温度以及时间可根据复合材料中采用的树脂基质来调整确定。

在涂覆时，可在绝缘基材上设置金属电极，将所述浆料涂布在绝缘基材上的金属电极之间。这样，形成的过流保护元件直接连接在金属电极上，从而便于后续应用到电路中。由于本申请中通过印刷固化等方式形成元件，因此可制得微型结构的元件。因此，可设置金属电极的间距为20μm～20mm，电极宽度为20μm～5mm，厚度为5μm～1mm，从而制得整体结构为微型化的过流保护元件。当然，也可不在绝缘基材上设置金属电极，将浆料直接涂布在未设置金属电极的绝缘基材上，这样，热处理后得到过流保护元件，可在后续转贴在电路中的金属电极之间。

通过上述方法制得的过流保护元件，主体成分包括三维辐射状结构的金属颗粒，其具有熔缩性能，从而使得过流保护元件具有优异的过流保护功能。优选地，金属颗粒中至少30％的表面积上分布有尺寸在5～50nm的纳米级微观结构，这样，辐射状结构表面分布有丰富的微小纳米结构，从而纳米尺度效应使得制得的元件对热量变化的灵敏度更高，从而能够使辐射状的金属颗粒在热作用下快速熔缩，且表现出低温熔缩特性。所谓低温，是指制得的过流保护元件表现出在T/20～T/2下熔缩的特性，T表示所述过流保护元件中金属的熔点。例如，以Ag作为金属粉末为例，制得的过流保护元件表现出在50～400℃下熔缩，该熔缩温度远低于Ag的熔点(962℃)。因此，上述方法制得的过流保护元件，不仅能够有效提高过流保护元件的响应速度，还能达到比传统过流保护元件更低的熔断电流。

制得的过流保护元件适于印刷成型，成本低、工艺简单、易于实现批量化制备；易于实现较高的线分辨率，从而制备极微小的过流保护元件。具体可制得尺寸在微米级的过流保护元件。例如，制得的过流保护元件的横截面为长方形，则其长和宽均在微米尺寸级别。另外，过流保护元件在分断时，其中的金属颗粒熔缩的热能可以快速被周围的有机树脂基体吸收，从而自身具有灭弧功能，并能确保电流的分断，对电路安全的保护作用大大增强。

如下，通过具体实施例以验证上述方法制得的过流保护元件的性能。

实施例1

以具有三级枝晶结构的微纳米金属银颗粒作为填料，金属颗粒的形貌如图1所示，其具有三维辐射状结构。以要制得的复合材料为重量基础，将重量百分比为15wt％的银粉末分散在聚酯树脂基质中，制备得到用于可印刷制备过流保护元件(例如保险丝熔断体)的复合材料。通过丝网印刷的方法将复合材料制成的银浆印制在印刷电路板上电极间距为200微米的铜电极之间，印刷所得元件的宽度为50微米，厚度为12微米，结构示意图如图2所示。

将所印制的元件在110℃下热处理30分钟，使树脂基质完全固化后得到额定电流为150mA的过流保护元件。固化后的复合材料，也即过流保护元件的SEM图如图3所示，金属颗粒均匀分布在基质中，形成良好的导电渗流网络。在过流保护元件两端加上过载电流(300mA)，待元件熔断后，元件的SEM图如图4所示。从中可看出，辐射状结构的金属填料在焦耳热作用下剧烈熔缩、消失，最终成为球形结构，切断导电网络。

实施例2

以具有海星型结构的微纳米金属银-铜合金颗粒作为填料，合金金属颗粒的形貌如图5所示，具有三维辐射状结构。以要制得的复合材料为重量基础，将重量百分比为40wt％的金属颗粒填料分散在环氧树脂基质中，制备得到用于可印刷制备过流保护元件(例如保险丝熔断体)的复合材料。通过丝网印刷的方法将复合材料制成的浆料印制在环氧树脂玻纤板上电极间距为200微米的铜电极之间，印刷所得元件的宽度为80微米，厚度为10微米。

将所印制的元件在130℃下热处理20分钟，使树脂基质完全固化后得到额定电流为100mA的过流保护元件。在过流保护元件两端加上过载电流，待过流保护元件熔断后，元件的SEM图如图6所示，海星型结构的填料在焦耳热作用下剧烈熔缩成球形，从而切断导电渗流网络。

实施例3

以具有二级枝晶结构的微纳米金属镍颗粒作为导电填料，金属颗粒的形貌如图7所示，具有三维辐射状结构。以要制得的复合材料为重量基础，将重量百分比为60wt％的金属颗粒填料分散在聚氨酯树脂基质中，制备得到用于可印刷制备过流保护元件(例如保险丝熔断体)的复合材料。通过丝网印刷的方法将复合材料制成的浆料印制在柔性印刷电路板上间距为250微米的铜电极之间，印刷所得元件的宽度为50微米，厚度为8微米。

将所印制的元件在120℃下热处理10分钟，使树脂基质完全固化后得到额定电流为250mA的过流保护元件。在过流保护元件两端加上过载电流，待过流保护元件熔断后，元件的SEM图如图8所示，二级枝晶结构的填料在焦耳热作用下剧烈熔缩成球形，切断导电网络。

实施例4

以具有花朵状结构的微纳米金属锡-银-铜合金颗粒作为导电填料，金属颗粒的形貌如图9所示，具有三维辐射状结构。以要制得的复合材料为重量基础，将重量百分比为50wt％的金属颗粒填料分散在聚丙烯酸酯基质中，制备得到用于可印刷制备过流保护元件(例如保险丝熔断体)的复合材料。通过丝网印刷的方法将复合材料制成的浆料印制在PET上电极间距为20微米的铜电极之间，印刷所得元件的宽度为20微米，厚度为5微米。

将所印制的元件在80℃下热处理25分钟，使树脂基质完全固化后得到额定电流为30mA的过流保护元件。在过流保护元件两端加上过载电流，待过流保护元件熔断后，元件的SEM图如图10所示，花朵状结构的填料在焦耳热作用下剧烈熔缩成不规则球形颗粒，从而切断导电网络。

实施例5

以具有海绵状结构的微纳米金属锡-铜合金颗粒作为导电填料，金属颗粒的形貌如图11所示，具有三维辐射状结构。以要制得的复合材料为重量基础，将重量百分比为70wt％的金属颗粒填料分散在聚硅氧烷基质中，制备得到用于可印刷制备过流保护元件(例如保险丝熔断体)的复合材料。通过丝网印刷的方法将复合材料制成的浆料印制在聚酰亚胺薄膜上电极间距为80微米的铜电极之间，印刷所得元件的宽度为20微米，厚度为10微米。

将所印制的元件在80℃热处理30分钟，使树脂基质完全固化后得到额定电流为80mA的保险丝。在过流保护元件两端加上过载电流，待过流保护元件断开后，元件的SEM图如图12所示，海绵状结构的填料在焦耳热作用下剧烈熔缩成分散的颗粒，无法在树脂基质中形成导电渗流网络。

需说明的是，经过实施例中验证，本具体实施方式的制备方法，通过设置金属粉末的质量百分比、印刷时的金属电极的间距以及涂覆的浆料经固化形成的过流保护元件的宽度和厚度的尺寸，可实现额定电流在几十mA级别的微型过流保护元件。而现有的过流保护元件，额定电流通常在几百mA级别，要做到较小级别的额定电流则较困难，且电阻较大。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种过流保护元件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1，准备聚合物树脂作为基质，准备金属粉末，所述金属粉末的微观结构为三维辐射状结构的颗粒，所述三维辐射状结构的颗粒中至少30％的表面积上分布有尺寸在5～50nm的纳米级微观结构；将所述金属粉末均匀分散在所述基质中，制得复合材料；S2，将所述复合材料制成浆料，涂布在绝缘基材上，然后热处理所述浆料，使所述聚合物树脂固化，制得过流保护元件。

2.根据权利要求1所述的过流保护元件的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述三维辐射状结构包括三级枝晶结构、二级枝晶结构、花椰菜状、草莓状、绒球状、海绵状、海胆状、海星状、花状结构中的一种或者多种的混合。

3.根据权利要求1所述的过流保护元件的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述复合材料中，金属粉末的质量分数为15％～70％，基质的质量分数为30％～85％。

4.根据权利要求1所述的过流保护元件的制备方法，其特征在于：步骤S2中，通过点胶、丝网印刷或者孔板印刷方式将所述浆料涂布在绝缘基材上。

5.根据权利要求1所述的过流保护元件的制备方法，其特征在于：步骤S2中，在所述绝缘基材上设置金属电极，将所述浆料涂布在绝缘基材上的金属电极之间。

6.根据权利要求5所述的过流保护元件的制备方法，其特征在于：所述金属电极的间距为20μm～20mm，电极宽度为20μm～5mm，厚度为5μm～1mm。

7.根据权利要求1所述的过流保护元件的制备方法，其特征在于：步骤S2中，将所述浆料直接涂布在未设置金属电极的绝缘基材上；所述制备方法还包括步骤S3，将所述过流保护元件转贴在电路中的金属电极之间。

8.一种根据权利要求1～7任一项所述的制备方法制得的过流保护元件。

9.一种过流保护电路，其特征在于：包含如权利要求8所述的过流保护元件。