CN110580994B - 正温度系数元件 - Google Patents
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Abstract
一种正温度系数元件包括：电流及温度感测元件、第一绝缘层、第二绝缘层、第一电极层及第二电极层。该电流及温度感测元件为层叠结构，包含第一导电层、第二导电层及PTC材料层，该第一导电层设于该PTC材料层的第一表面，第二导电层设于该PTC材料层的第二表面，第二表面位于第一表面的相对侧。该第一绝缘层设置于该第一导电层表面，且第二绝缘层设置于该第二导电层表面。该第一电极层设置于该第一绝缘层表面，且电气连接该第一导电层。该第二电极层设置于该第二绝缘层表面，且电气连接该第二导电层。该第一电极层和第二电极层作为该正温度系数元件焊接于一电路板的爬锡面。
Description
技术领域
本发明关于一种热敏电阻，特别涉及一种正温度系数(Positive TemperatureCoefficient；PTC)元件。
背景技术
正温度系数元件可被用于保护电路，使其免于因过热或流经过量电流而损坏。正温度系数元件通常包含两电极及位在两电极间的电阻材料。此电阻材料具正温度系数特性，亦即在室温时具低电阻值，而当温度上升至一临界温度或电路上有过量电流产生时，其电阻值可立刻跳升数百或数千倍以上，借此抑制过量电流通过，以达到电路保护的目的；或应用于过温度检测电路，可预先检测周围温度，以指示后端电路启动过温度保护动作，如关机或停止供电等动作。当温度降回室温后或电路上不再有过电流的状况时，正温度系数元件可回复至低电阻状态，而使电路重新正常操作。这种可重复使用的优点，使正温度系数元件取代保险丝或其他温度感测元件，而被更广泛运用在高密度电子电路上。
未来的电子产品，将朝着具有轻、薄、短、小的趋势发展，以使得电子产品能更趋于迷你化。例如以手机而言，PTC过电流保护元件是设置于保护电路模块(ProtectiveCircuit Module；PCM)上，其外接电极片将占据一定的空间，因此超薄化的过电流保护元件有其强烈需求。在表面粘着元件 (Surface mountable device；SMD)的过电流保护应用上，如何降低保护元件厚度，实为当今技术上的一大挑战。
举例而言，依照SMD0201的规格要求，长度为0.6±0.03mm，宽度为 0.3±0.03mm，厚度为0.25±0.03mm。制作时长、宽尺寸较无问题，但厚度要求则不易达到。目前压板线碳黑板材可压至最薄为0.20mm，但在陶瓷粉板材则最薄为0.2～0.23mm，若仍采用含预浸玻纤材料(prepreg；PP层)及内、外层线路的设计(参美国专利US6,377,467)，不仅厚度不符合要求，如果厚度接近或甚至大于宽度，后续生产包装及客户使用时，将出现因厚度过厚造成元件翻转问题。另外，因包含内层线路及外层线路，在制作小尺寸产品时，易有内、外层线路对位不准确问题，生产良率将一并受到影响。
美国专利US9,007,166针对前述问题提出改良，直接以PTC基板作设计，不需增加PP层及外层电极层，仅将其中一边的电极面蚀刻或切割隔离线，区分成左右电极，可以将PTC过电流保护元件的厚度控制于小于等于 0.28mm。然而，因为两边的电极面并非对称而有正反面，后续进行电气检测和包装时，需区分正反面而较为麻烦，且隔离线若制作时因材料涨缩影响而有偏差，会造成左右电极一大一小而影响到电气特性。另外，元件无PP结构支撑，制作过程中可能有强度较为不足而容易断裂的问题。
发明内容
本发明公开一种正温度系数元件，提供过电流保护及/或温度感测功能，其结构和工艺简单，特别适于如0402或0201规格的小型元件的制作。该正温度系数元件内层未设计线路，无材料涨缩及内、外层线路对位问题，且仍维持板材两 侧PP支撑结构，除提升产品结构外，亦可提升制造良率。
根据本发明一实施例的正温度系数元件，其包括：电流及温度感测元件、第一绝缘层、第二绝缘层、第一电极层及第二电极层。该电流及温度感测元件为层叠结构，包含第一导电层、第二导电层及PTC材料层，该第一导电层设于该PTC材料层的第一表面，第二导电层设于该PTC材料层的第二表面，第二表面位于第一表面的相对侧。该第一绝缘层设置于该第一导电层表面，且第二绝缘层设置于该第二导电层表面。该第一电极层设置于该第一绝缘层表面，且电气连接该第一导电层。该第二电极层设置于该第二绝缘层表面，且电气连接该第二导电层。该第一电极层和第二电极层作为该正温度系数元件焊接于一电路板的爬锡面。
一实施例中，该第一电极层、第一绝缘层、第一导电层、PTC材料层、第二导电层、第二绝缘层及第二电极层按序层叠。
一实施例中，该第一电极层、第一绝缘层、第一导电层、PTC材料层、第二导电层、第二绝缘层及第二电极层形成一底平面，该底平面朝向该电路板，作为焊接至该电路板的界面。
一实施例中，该正温度系数元件另包含第一导电孔及第二导电孔。该第一导电孔通过该第一绝缘层，且连接该第一电极层和第一导电层。该第二导电孔通过该第二绝缘层，且连接该第二电极层和第二导电层。
一实施例中，该第一导电孔位于第一绝缘层的中央、侧边或转角处，且该第二导电孔位于第二绝缘层的中央、侧边或转角处。
一实施例中，该第一绝缘层、第一导电层、PTC材料层、第二导电层及第二绝缘层形成一底平面，该底平面朝向该电路板，该第一电极层外缘相对于该第一绝缘层内缩形成缺口，且该第二电极层外缘相对于该第二绝缘层内缩形成缺口。
一实施例中，该第一电极层外缘包含延伸至第一绝缘层边缘的延伸块，该第二电极层外缘包含延伸至第二绝缘层边缘的延伸块。
本发明的正温度系数元件不需要制作复杂的内层电路，无涨缩及内、外层对位问题，且可利用简单的压合技术制作，特别适用于制作如0402或0201 规格等小型元件。另外，可将元件设成宽、厚尺寸相同，不受翻转问题影响。
附图说明
图1～4显示本发明一实施例的正温度系数元件的制作流程。
图5显示本发明一实施例的正温度系数元件的立体结构示意图。
图6显示本发明一实施例的正温度系数元件的应用剖面示意图。
图7显示本发明另一实施例的正温度系数元件的立体结构示意图。
图8显示本发明另一实施例的正温度系数元件的制作方式。
图9显示本发明又一实施例的正温度系数元件的立体结构示意图。
图10显示本发明又一实施例的正温度系数元件的制作方式。
附图标记列表
10、70、90 正温度系数元件
11 电流及温度感测元件
12 PTC材料层
13 第一导电层
14 第二导电层
15 第一绝缘层
16 第二绝缘层
17 第一电极层
18 第二电极层
20 孔洞
21 第一导电孔
22 第二导电孔
24 底平面
26 缺口
27、28 延伸块
60 电路板
61 焊料
81、91 沟槽
具体实施方式
为让本发明的上述和其他技术内容、特征和优点能更明显易懂，下文特举出相关实施例，并配合说明书附图，作详细说明如下。
参照图1，第一电极层17、第一绝缘层15、第一导电层13、PTC材料层12、第二导电层14、第二绝缘层16和第二电极层18进行压合，形成层叠结构。第一导电层13设于该PTC材料层12的第一表面，第二导电层14设于该PTC材料层12的第二表面，第二表面位于第一表面的相对侧。该第一绝缘层15设置于该第一导电层13表面，第二绝缘层16设置于该第二导电层14表面。第一电极层17设置于该第一绝缘层15表面，第二电极层18设置于该第二绝缘层16表面。第一导电层13和第二导电层可为铜层，第一绝缘层15和第二绝缘层16可为预浸玻纤材料(prepreg)，第一电极层17和第二电极层18可为铜电极。PTC材料层12中含有结晶性高分子聚合物及散布于结晶性高分子聚合物中的导电填料。结晶性高分子聚合物材料可包括例如聚乙烯、聚丙烯、聚氟烯、前述的混合物及共聚合物等。导电填料可为碳黑、金属粒子、金属碳化物、金属硼化物、金属氮化物等。例如：导电填料中的金属粉末可选自镍、钴、铜、铁、锡、铅、银、金、铂或其他金属及其合金。导电填料中的导电陶瓷粉末可选自金属碳化物，例如：碳化钛(TiC)、碳化
（WC)、碳化钒(VC)、碳化锆(ZrC)、碳化铌(NbC)、碳化钽(TaC)、碳化钼(MoC)及碳化铪(HfC)；或选自金属硼化物，例如：硼化钛(TiB2)、硼化钒(VB2)、硼化锆(ZrB2)、硼化铌(NbB2)、硼化钼(MoB2)及硼化铪(HfB2)；或选自金属氮化物，例如：氮化锆(ZrN)。申言之，导电填料可选自前述金属或导电陶瓷的混合物、合金、硬质合金、固溶体(solid solution)或核壳体(core-shell)。
参照图2和图3，其中图2为横向视图，图3为俯视图。于层叠基板上下等间隔位置制作孔洞20，上方孔洞20通过第一电极层17和第一绝缘层15 直到第一导电层13表面，下方孔洞20通过第二电极层18和第二绝缘层16 直到第二导电层14表面。该孔洞20可使用激光钻孔直接制作，适合小尺寸元件制作，且能精确控制孔洞20深度。该孔洞20制作时也可先蚀刻第一电极层17和第二电极层18，之后再于第一绝缘层15和第二绝缘层16中进行激光钻孔。该孔洞20并不限于激光钻孔制作，也可使用机械钻孔。使用机械钻孔可能钻到部分第一导电层13或第二导电层14，也可能穿过第一导电层 13或第二导电层14。
参照图4，于上下孔洞20中分别填入导电物质，形成第一导电孔21和第二导电孔22。一实施例中，第一导电孔21和第二导电孔22可以利用电镀铜来制作，电镀同时也会增加第一电极层17和第二电极层18的厚度。如果孔洞20较大，第一导电孔21和第二导电孔22有可能无法完全填满孔洞20，使得其相应处的第一电极层17和第二电极层18产生凹陷。一实施例中，第一电极层17和第二电极层18表面可以镀锡，增加焊接效果。之后，于虚线位置等间隔切割，形成多个正温度系数元件10，单个正温度系数元件10的立体图，如图5所示。一实施例中，正温度系数元件10设计成宽、厚尺寸相同，即如图5侧面第一电极层17和第二电极层18显示为正方形的情形，因此不受元件翻转问题影响。
图6显示将正温度系数元件10焊接于电路板的示意图，正温度系数元件 10通过焊料61焊接于电路板60表面。进一步言之，正温度系数元件10包括电流及温度感测元件11、第一绝缘层15、第二绝缘层16、第一电极层17、第二电极层18、第一导电孔21及第二导电孔22。电流及温度感测元件11 为层叠结构，包含第一导电层13、第二导电层14及叠设于其间的PTC材料层12。第一电极层17设置于该第一绝缘层15表面，且电气连接第一导电层 13。第二电极层18设置于该第二绝缘层16表面，且电气连接第二导电层14。第一导电孔21通过该第一绝缘层15，且连接该第一电极层17和第一导电层 13。第二导电孔22通过该第二绝缘层16，且连接该第二电极层18和第二导电层14。本实施例中，该第一电极层17、第一绝缘层15、第一导电层13、 PTC材料层12、第二导电层14、第二绝缘层16及第二电极层18按序层叠，且形成底平面24，该底平面25朝向该电路板60，作为焊接至该电路板60 的界面。当焊接时，焊料61会沿第一电极层17和第二电极层18爬锡，亦即该第一电极层17和第二电极层18作为正温度系数元件10焊接于电路板60 的爬锡面。
复参图4，切割形成正温度系数元件10时，位于下方的第二电极层18 因为金属延展性的关系，可能会下拉延长而造成凸出毛边。参照图7，其显示另一实施例的正温度系数元件70，其与图5所示的正温度系数元件10的差异在于第一电极层17外缘相较于第一绝缘层15内缩形成缺口26，且该第二电极层18外缘相对于该第二绝缘层16也内缩形成缺口26，形成对称结构。图8显示正温度系数元件70的第一电极层17和第二电极层18的制作方式，切割前在第一电极层17和第二电极层18制作沟槽81，去除沟槽81中的电极层。沟槽81环绕孔洞20，且对应于切割正温度系数元件70的位置。沟槽 81的宽度大于切割宽度，约等于两倍缺口26宽度加上切割刀具宽度。如此一来，切割时不会切到第一电极层17和第二电极层18，而产生内缩的缺口 26，从而有效避免切割电极层产生毛边的问题。
图9显示本发明又一实施例的正温度系数元件90。该正温度系数元件90 和正温度系数元件70同样将第一电极层17和第二电极层18内缩，差异处在于第一电极层17外缘包含延伸至第一绝缘层15边缘的延伸块27，第二电极层18外缘包含延伸至第二绝缘层16边缘的延伸块28。如此一来，延伸块27 和28延伸至元件底平面，等于提供焊料的爬锡管道，有助于在缺口26过大时提升焊接时的爬锡效果。图10显示正温度系数元件90的第一电极层17 和第二电极层18的制作方式，在第一电极层17和第二电极层18制作沟槽 91，去除沟槽91中的电极层。沟槽91对应于切割正温度系数元件90的位置，但并非全部连续，使得相连元件间的第一电极层17和第二电极层18仍有部分连续，该连续处即形成延伸块27和28。优选地，该延伸块27或28宽度约占第一绝缘层15或16宽度的20～60％。沟槽91的宽度大于切割宽度，约等于两倍缺口26宽度加上切割刀具宽度。切割虽然会切到延伸块27和28，但因延伸块27和28相较于第一电极层17和第二电极层18所占比例不大，可有效降低切割第一电极层17和第二电极层18所产生的毛边问题，同时兼顾爬锡效果。
上述实施例的第一导电孔21或第二导电孔22大致位于第一绝缘层15 或第二绝缘层16中央，但并不以此为限。第一导电孔21和第二导电孔22 的位置也可于位于第一绝缘层15和第二绝缘层16侧边或转角，只要能电气连接第一导电层13和第一电极层17以及电气连接第二导电层14和第二电极层18，均为本发明所涵盖。
本发明的正温度系数元件除了过电流保护应用外，也可作为温度感测，其利用直接压合的方式制作层叠板，切割后将层叠面作底平面即可进行焊接，不仅结构和工艺简单，非常适合制作小型元件，例如规格为0402和0201尺寸的产品。一实施例中，正温度系数元件的宽和厚的尺寸相同，不受翻转问题影响。另外本发明的正温度系数元件可提供以下优点：(1)内层未设计线路，无材料热涨冷缩及内、外线路对位问题；(2)仍维持板材两 侧PP 绝缘层支撑结构，除提升产品结构外，亦可提升制造良率；(3)提高耐电压时，板材厚度调整的空间较为弹性；(4)切割沟槽搭配局部线路设计，可避免毛边及增进爬焊效果。(5)元件两侧面设有电极层，可直接以夹持方式量测电阻，无需区分正反面。
本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域具有通常知识的技术人士仍可能基于本发明的启示及公开而作种种不背离本发明构思的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所公开者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种正温度系数元件，包含：
一电流及温度感测元件，其为层叠结构，包含第一导电层、第二导电层及PTC材料层，该第一导电层设于该PTC材料层的第一表面，第二导电层设于该PTC材料层的第二表面，第二表面位于第一表面的相对侧；
一第一绝缘层，设置于该第一导电层表面；
一第二绝缘层，设置于该第二导电层表面；
一第一电极层，设置于该第一绝缘层表面，且电气连接该第一导电层；以及
一第二电极层，设置于该第二绝缘层表面，且电气连接该第二导电层；
其中该第一电极层和第二电极层作为该正温度系数元件焊接于一电路板的爬锡面；
其中该温度系数元件被焊接于一电路板的表面；
其中该第一绝缘层、第一导电层、PTC材料层、第二导电层及第二绝缘层形成一底平面，该底平面朝向该电路板，该第一电极层外缘相对于该第一绝缘层内缩形成缺口，且该第二电极层外缘相对于该第二绝缘层内缩形成缺口。
2.根据权利要求1的正温度系数元件，其中该第一电极层、第一绝缘层、第一导电层、PTC材料层、第二导电层、第二绝缘层及第二电极层按序层叠。
3.根据权利要求1的正温度系数元件，其中该第一电极层、第一绝缘层、第一导电层、PTC材料层、第二导电层、第二绝缘层及第二电极层形成一底平面，该底平面朝向该电路板，作为焊接至该电路板的界面。
4.根据权利要求1的正温度系数元件，其另包含：
一第一导电孔，通过该第一绝缘层，且连接该第一电极层和第一导电层；以及
一第二导电孔，通过该第二绝缘层，且连接该第二电极层和第二导电层。
5.根据权利要求4的正温度系数元件，其中该第一导电孔位于第一绝缘层的中央、侧边或转角处，且该第二导电孔位于第二绝缘层的中央、侧边或转角处。
6.根据权利要求1的正温度系数元件，其中该第一电极层外缘包含延伸至第一绝缘层边缘的延伸块，该第二电极层外缘包含延伸至第二绝缘层边缘的延伸块。
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