CN110957088B - 正温度系数元件 - Google Patents

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Abstract

一种正温度系数元件包含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，该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。该电流及温度感测元件的转角处设有绝缘件。

Description

正温度系数元件
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。
未來的电子产品，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prepreg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prepreg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。此外，PTC材料于切割工艺时易受切割时高温程熔融状，在切割第一刀(例如X轴)时，熔融状材料可随刀片往后带离，毛边相对较少，但在切割第二刀时(例如Y轴)，因第一刀沟槽已形成，熔融状材料有一部分则往第一刀沟槽填入形成毛边。此毛边问题在大尺寸元件上相对较小，但在小尺寸元件上则相对较大，在后续卷带包装、SMT打件及焊接工艺上将造成影响。除了PTC材料毛边影响较大外，切割后铜层延展的毛边也会于切割时形成，对于特别是小尺寸的例如SMD0201结构元件亦会造成后续卷带包装、SMT打件及焊接工艺上将造成影响。
综上，在正温度系数元件小型化的同时，如何减少切割毛边的问题，避免影响到后续卷带包装、SMT打件及焊接品质，是目前业界的一大挑战。
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。该正温度系数元件，于其中的电流及温度感测元件转角处设置绝缘件，可提升产品结构强度，避免切割毛边产生，进而增加制造良率。
根据本发明的一实施例，正温度系数元件包含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，该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。该电流及温度感测元件的转角处设有绝缘件。
一实施例中，该绝缘件延伸通过该第一导电层、第二导电层及PTC材料层的层叠结构。
一实施例中，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。
一实施例中，该绝缘件包含预浸玻纤材料或树脂。
一实施例中，绝缘件的硬度大于PTC材料层的硬度。
一实施例中，绝缘件的玻璃转换温度(Tg)大于PTC材料层的玻璃转换温度达50℃以上。
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和第二导电孔。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或侧边，且该第二导电孔位于第二绝缘层的中央或侧边。
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于初期的印刷电路板(PCB)工艺时，先将形成电流及温度感测元件的材料基板于垂直和水平切割道交会处进行钻孔，之后以树脂填充或prepreg压合时自动填入孔中，形成绝缘件。该绝缘件最后形成于该电流及温度感测元件的转角处，可避免或降低切割所产生的毛边问题，进而改善后续卷带包装及焊接问题。
另外，本发明一实施例的正温度系数元件，将位于层叠件两侧的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，特别适于小型化应用。
附图说明
图1～5显示本发明一实施例的正温度系数元件的制作流程。
图6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7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8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9显示本发明另一实施例的正温度系数元件的制作方式。
图10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11显示本发明又一实施例的正温度系数元件的制作方式。
图12显示本发明再一实施例的正温度系数元件的立体结构示意图。
附图标记列表
10、40、70、90 正温度系数元件
11、41 电流及温度感测元件
12、42 PTC材料层
13、43 第一导电层
14、44 第二导电层
15、45 第一绝缘层
16、46 第二绝缘层
17、47 第一电极层
18、48 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
30 绝缘件
31 孔
49、50 导电孔
51 绝缘件
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，提供一复合基板，包括第一导电层13、PTC材料层12和第二导电层14。并于基板约等间隔处钻洞，形成孔31。参照图2，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14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。Prepreg具流动性，压合时会流入孔31，形成绝缘件30。此外，绝缘件30也可以在压合前先行以例如树脂填塞于孔31中。绝缘件30的材质并不限于前述prepreg和树脂，只要例如绝缘性和硬度等特性达到所需，如其他聚合物材料等，亦为本发明所涵盖。
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)、碳化鵭(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3和图4，其中图3为横向视图，图4为俯视图。于层叠基板上下等间隔位置制作孔洞20，由图4俯视图来看，该孔洞20位于邻近4个绝缘件30之间。另外，图4中垂直和水平的虚线代表切割线，绝缘件30的位置就位于垂直和水平切割线的交叉处。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5，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6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6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。正温度系数元件10中电流及温度感测元件11的转角处形成绝缘件30，因为绝缘件30的材质为如前述的prepreg或树脂，其较PTC材料层12强韧，也不像第一导电层13和第二导电层14有金属延展性，因此在切割时可提供保护，大幅降低毛边的发生。为了防止切割时因PTC材料层12延展产生毛边，优选地绝缘件30的硬度大于PTC材料层12的硬度，或特别是绝缘件30的玻璃转换温度(Tg)大于PTC材料层12的玻璃转换温度(Tg)达50℃以上。
图7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。该绝缘件30延伸通过该第一导电层13、第二导电层14及PTC材料层12的层叠结构，或更精确的说，位于该电流及温度感测元件11的4个转角处。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24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5，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，如果切割力道过大可能会下拉延长而造成凸出毛边。参照图8，其显示另一实施例的正温度系数元件70，其与图6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9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。水平向和垂直向沟槽81的交叉处对应于绝缘件30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10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11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。
上述实施例的导电孔大致位于元件中央，但并不以此为限。导电孔的位置也可于位于元件的四个侧边中央，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。以上实施例，增加prepreg绝缘层提供结构支撑，特别适于元件小型化的应用。
图12显示本发明又一实施例的正温度系数元件，其结构与美国专利US6,377,467所公开的结构类似，差异处在于元件转角处设置绝缘件以降低毛边的发生。正温度系数元件40包括：电流及温度感测元件41、第一绝缘层45、第二绝缘层46、第一电极层47及第二电极层48。该电流及温度感测元件41为层叠结构，包含第一导电层43、第二导电层44及PTC材料层42，该第一导电层43设于该PTC材料层42的第一表面，第二导电层44设于该PTC材料层42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45设置于该第一导电层43表面，且第二绝缘层46设置于该第二导电层44表面。该第一电极层47有两块，分别设置于该第一绝缘层45和第二绝缘层46表面，且可通过导电孔49电气连接该第一导电层43。该第二电极层48也有两块，分别设置于该第一绝缘层45和第二绝缘层46表面，且可通过导电孔50电气连接该第二导电层44。正温度系数元件40中电流及温度感测元件41的四个转角处形成绝缘件51，因为绝缘件51的材质如prepreg或树脂较PTC材料层42强韧，也不像第一导电层43和第二导电层44有金属延展性，因此在切割时可提供保护，大幅降低毛边的发生。
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，其中电流及温度感测元件的转角处设置绝缘件，可有效解决切割毛边的问题，进而改善后续卷带包装及焊接问题。特别是，本发明一实施例的正温度系数元件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。
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 (10)

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；
其中该电流及温度感测元件的转角处设有绝缘件；
该正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；
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。
2.根据权利要求1的正温度系数元件，其中该绝缘件延伸通过该第一导电层、第二导电层及PTC材料层的层叠结构。
3.根据权利要求1的正温度系数元件，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。
4.根据权利要求1的正温度系数元件，其中该绝缘件包含预浸玻纤材料或树脂。
5.根据权利要求1的正温度系数元件，其中该绝缘件的硬度大于PTC材料层12的硬度。
6.根据权利要求1的正温度系数元件，其中该绝缘件的玻璃转换温度大于PTC材料层的玻璃转换温度达50℃以上。
7.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。
8.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。
9.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。
10.根据权利要求9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或侧边，且该第二导电孔位于第二绝缘层的中央或侧边。
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