CN112397266B

CN112397266B - 正温度系数元件

Info

Publication number: CN112397266B
Application number: CN201911227747.XA
Authority: CN
Inventors: 曾郡腾; 张耀德; 利文峰
Original assignee: Polytronics Technology Corp
Current assignee: Polytronics Technology Corp
Priority date: 2019-08-15
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2039-12-04
Also published as: US10892072B1; TW202109556A; CN112397266A; TWI687944B

Abstract

一种正温度系数元件，包含层叠基板、第一PTC材料层、第二PTC材料层、第一金属层及第二金属层。该层叠基板包括第一导电层、第二导电层及叠设于该第一导电层及第二导电层之间的绝缘层。该第一PTC材料层设置于该第一导电层表面。该第二PTC材料层设置于该第二导电层表面。该第一金属层设置于该第一PTC材料层表面。该第二金属层设置于该第二PTC材料层表面。该绝缘层中包括至少一穿孔，该穿孔内填充形成PTC连接件，该PTC连接件的一端连接该第一PTC材料层，另一端连接该第二PTC材料层。

Description

正温度系数元件

技术领域

本发明涉及一种热敏电阻，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焊接与电气特性。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，其结构和制程简单，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，且可使用PP材料提供支撑结构，除提升产品结构强度外，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：一种正温度系数元件，包含层叠基板、第一PTC材料层、第二PTC材料层、第一金属层及第二金属层。该层叠基板包括第一导电层、第二导电层及叠设于该第一导电层及第二导电层之间的绝缘层。该第一PTC材料层设置于该第一导电层表面。该第二PTC材料层设置于该第二导电层表面。该第一金属层设置于该第一PTC 材料层表面。该第二金属层设置于该第二PTC材料层表面。该绝缘层中包括至少一穿孔，该穿孔内填充形成PTC连接件，该PTC连接件的一端连接该第一PTC材料层，另一端连接该第二PTC材料层。

一实施例中，该第一金属层、第一PTC材料层、层叠基板、第二PTC 材料层及第二金属层按序层叠。

一实施例中，该绝缘层的玻璃转换温度(glass transition temperature；Tg) 大于等于140℃。

一实施例中，该绝缘层包括预浸环氧树脂玻纤材料(prepreg；PP)、双马来酰亚胺改性三嗪树脂(BT)、聚酰亚胺树脂(PI)、二亚苯基醚树脂(PPO)或聚烯烃树脂。

一实施例中，该正温度系数元件另包含二引脚，设置于该第一金属层和第二金属层的表面。

一实施例中，该第一PTC材料层、第二PTC材料层及PTC连接件是一体成形的。

一实施例中，该PTC连接件侧面由该绝缘层包覆。

一实施例中，该正温度系数元件另包括第一电极层及第二电极层。该第一电极层包覆该第一金属层表面、第一PTC材料层侧表面及第一导电层侧表面。该第二电极层包覆该第二金属层表面、第二PTC材料层侧表面及第二导电层侧表面。

一实施例中，该第一电极层和第二电极层作为焊接接口。

一实施例中，该第一电极层、第二电极层和绝缘层形成该正温度系数元件的外表面。

一实施例中，正温度系数元件另包含二引脚，设置于该第一电极层和第二电极层的表面。

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显示本发明第一实施例的正温度系数元件的示意图。

图2显示本发明第一实施例的正温度系数元件的分解图。

图3显示本发明第二实施例的正温度系数元件的示意图。

图4显示本发明第三实施例的正温度系数元件的示意图。

图5和图6显示本发明一实施例的正温度系数元件的制作方式。

图7显示本发明第四实施例的正温度系数元件的示意图。

图8显示图7中沿1-1剖面线的剖面结构示意图。

附图标记说明：

10 正温度系数元件

11 第一金属层

12 第一PTC材料层

13 层叠基板

14 第二PTC材料层

15 第二金属层

16 引脚

17 引脚

18 第一电极层

19 第二电极层

30 元件

31 切割道

40 正温度系数元件

41 第一电极层

42 第二电极层

131 第一导电层

132 第二导电层

133 绝缘层

134 PTC连接件

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。

图1显示本发明一实施例的正温度系数元件的立体示意图，图2是其分解图。正温度系数元件10包括第一金属层11、第一PTC材料层12、层叠基板13、第二PTC材料层14以及第二金属层15。层叠基板13包括第一导电层131、第二导电层132及叠设于该第一导电层131及第二导电层132之间的绝缘层133。第一PTC材料层12设置于该第一导电层131表面。第二PTC材料层14设置于该第二导电层132表面。第一金属层11设置于该第一PTC 材料层12表面。第二金属层15设置于该第二PTC材料层14表面。该绝缘层133中包括穿孔，该穿孔内填充PTC材料形成PTC连接件134，该PTC 连接件134的一端连接该第一PTC材料层12，另一端连接该第二PTC材料层14。本实施例中，PTC连接件134总共有9个，以3×3的矩阵形式排列。 PTC连接件134的数目可依需求进行调整，并非如实施例所限制。

第一导电层131和第二导电层132可为铜箔，绝缘层133优选地包括高 Tg聚合物，例如Tg大于等于140℃的聚合物材料，例如Tg为170℃或190℃，用以承受高温的热注塑制程。绝缘层133可为预浸环氧树脂玻纤材料 (prepreg)，如FR-4或FR-5、双马来酰亚胺改性三嗪树脂(BT)、聚酰亚胺树脂(PI)、二亚苯基醚树脂(PPO)或聚烯烃树脂等。第一金属层11和第二金属层15可为铜电极。第一PTC材料层12、第二PTC材料层14和PTC连接件 134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)。换言之，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)。第一金属层11和第二金属层15可为铜金属层或其他导电金属层。

一实施例中，在第一金属层11和第二金属层15表面分别连接引脚16 和17，形成插件式正温度系数元件，如图3所示。另一实施例中，该第一金属层11和第二金属层15也可先进行滚镀，于该第一金属层11和第二金属层 15表面、第一PTC材料层12和第二PTC材料层14侧表面镀上例如Cu-Ni-Sn 或Cu-Ni-Ag的第一电极层18和第二电极层19以增加焊接性，再于第一电极层18和第二电极层19表面连接引脚16和17，如图4所示。

除前述实施例外，可将该正温度系数元件10进一步加工，制作出小尺寸如0402或0201的正温度系数元件，如以下说明。参考图5和图6，于第一金属层11蚀刻出切割道31，并沿该切割道31切割出多个个别元件30，其中每个元件30中的绝缘层133中必须包含至少一个PTC连接件134来连接第一PTC材料层12及第二PTC材料层14。之后，于该第一金属层11和第二金属层15表面以及第一PTC材料层12和第二PTC材料层14侧表面镀上 Cu-Ni-Sn或Cu-Ni-Ag金属，以形成第一电极层41和第二电极层42的左右2 个端电极来作为焊接接口，以增加焊接性，而形成如图7所示的正温度系数元件40。图8是图7的正温度系数元件40沿1-1剖面线的剖面图。PTC连接件134侧面由绝缘层133包覆，两端连接第一PTC材料层12及第二PTC材料层14。第一电极层41包覆第一金属层11表面、第一PTC材料层12侧表面及第一导电层131侧表面，而第二电极层42包覆第二金属层15表面、第二PTC材料层14侧表面及第二导电层132侧表面，从而形成2个端电极。一实施例中，第一电极层41、第二电极层42和绝缘层133形成正温度系数元件40的外表面，从而第一PTC材料层12、第二PTC材料层14及PTC连接件134与外界隔绝，而得以防止PTC材料因水、氧侵入造成劣化的问题。优选地，正温度系数元件40的宽厚尺寸相同，不受翻转问题影响。

上述正温度系数元件40可通过以下几个步骤制作：(1)取层叠基板(例如高Tg铜箔基板)进行钻孔形成穿孔；(2)将金属片和PTC材料放置于层叠基板两侧进行压合；(3)PTC材料压合后填入该穿孔；(4)蚀刻金属片形成切割道；(5)切割出多个小尺寸的个别元件；以及(6)将切割后的元件进行滚镀方式电镀形成电极层。在PTC材料压合填入穿孔时的热注塑制程的温度可能达到 190℃，因此层叠基板选用高Tg聚合物材料可避免变形，而可供PTC材料顺利填入穿孔。一实施例中，因PTC材料可采用压合填入穿孔来形成PTC连接件，故正温度系数元件最终成型后，该第一PTC材料层12、第二PTC材料层14及PTC连接件134是一体成形的，且可由相同的PTC材料所构成。

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基板，可再进一步切割层叠基板制作小型元件，例如规格为0402和0201尺寸的产品。另外本发明的正温度系数元件可提供以下优点：(1)宽、厚尺寸可设计成相同，不受翻转问题影响。(2)内层层叠基板未设计线路仅内钻孔，无涨缩变异及内、外层对位不准问题。(3)使用层叠基板，可增加元件结构强度。(4)PTC材料压合后会填入层叠基板内穿孔，可承受更严苛的热注塑制程。(5)切割后原外露的金属层及PTC材料会以滚镀镀上电极层，可完整包覆整个PTC材料及金属层，并可提升两侧电极端强度。(6)板材不同于传统的水平设计而改为垂直设计，提高耐压时，板材厚度调整的空间较为弹性。(7)端电极利用PTC材料导电特性，可直接以滚镀方式电镀，而不需再经一道端银制程处理。

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精神的替换及修饰。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

1.一种正温度系数元件，包含：

一层叠基板，包括第一导电层、第二导电层及叠设于该第一导电层及第二导电层之间的绝缘层；

一第一PTC材料层，设置于该第一导电层的表面；

一第二PTC材料层，设置于该第二导电层的表面；

一第一金属层，设置于该第一PTC材料层的表面；以及

一第二金属层，设置于该第二PTC材料层的表面；

其中该绝缘层中包括至少一穿孔，该穿孔内填充形成PTC连接件，该PTC连接件的一端连接该第一PTC材料层，另一端连接该第二PTC材料层。

2.根据权利要求1所述的正温度系数元件，其中该第一金属层、第一PTC材料层、层叠基板、第二PTC材料层及第二金属层按序层叠。

3.根据权利要求1所述的正温度系数元件，其中该绝缘层的玻璃转换温度大于等于140℃。

4.根据权利要求1所述的正温度系数元件，其中该绝缘层包括预浸环氧树脂玻纤材料、双马来酰亚胺改性三嗪树脂、聚酰亚胺树脂、二亚苯基醚树脂或聚烯烃树脂。

5.根据权利要求1所述的正温度系数元件，其另包含二引脚，设置于该第一金属层和第二金属层的表面。

6.根据权利要求1所述的正温度系数元件，其中该第一PTC材料层、第二PTC材料层及PTC连接件是一体成形的。

7.根据权利要求1所述的正温度系数元件，其中该PTC连接件侧面由该绝缘层包覆。

8.根据权利要求1所述的正温度系数元件，其另包括：

一第一电极层，包覆该第一金属层的表面、第一PTC材料层的侧表面及第一导电层的侧表面；以及

一第二电极层，包覆该第二金属层的表面、第二PTC材料层的侧表面及第二导电层的侧表面。

9.根据权利要求8所述的正温度系数元件，其中该第一电极层和第二电极层作为焊接接口。

10.根据权利要求8所述的正温度系数元件，其中该第一电极层、第二电极层和绝缘层形成该正温度系数元件的外表面。

11.根据权利要求8所述的正温度系数元件，其另包含二引脚，设置于该第一电极层和第二电极层的表面。