CN115831510A - 表面贴装低电阻聚合物正温度系数元器件及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种表面贴装低电阻聚合物正温度系数元器件及其生产方法，包括：由PPTC材料和电极构成的PTC芯片；壳体为层状结构；包括：中央开有芯片孔的基板，PTC芯片嵌在芯片孔内；基板的上下两面分别设有与基板固化为一体的盖板，每块盖板的外面都贴合一片第一导电膜；每一面的盲孔中设有导电体，将第一导电膜与PTC芯片的电极连接；第一导电膜贴合在盖板的一端，并向另一端延伸；在第一导电膜外层设有绝缘盖板；在绝缘盖板的外层的左右两端设有第二导电膜，第二导电膜的外表面设有焊盘；壳体的每端从上向下各层之间通过导电的端头相连接。本发明的盲孔位置可变，可满足产品的小型化，绝缘盖板增加产品的机械特性和产品的耐候性。
Description
技术领域
本发明属于过电流、温度保护电子元器件材料技术领域，具体涉及一种表面贴装低电阻聚合物正温度系数元器件及其生产方法。
背景技术
聚合物正温度系数元器件，又称为正温度系数热敏电阻（Polymer PositiveTemperature Coefficient，简称PPTC），其核心的PPTC复合材料是由具有结晶特性的高分子材料、导电填料和非导电填料组成，填料均匀分散在高分子材料中。高分子材料通常为聚烯烃（如：聚乙烯、聚丙烯或乙烯和丙烯的共聚物）、含氟聚烯烃（如：聚偏氟乙烯、乙烯/四氟乙烯共聚物）等；导电填料常为炭黑、金属粉末（如：铜、镍等）或金属陶瓷粉末（如：碳化钛或碳化钨）。
利用PPTC复合材料制成的正温度系数元器件，对电流和温度具有快速的响应，广泛用于电路的过流过温保护装置，串联在电路中使用。当电路正常工作时，流经该元器件的电流较低，温度也较低，该元器件呈现低电阻状态，不会影响电路正常工作。但由电路故障引起过电流或过温时，该元器件的温度会突然升高，引起其电阻会快速的从低电阻转换到高电阻（高电阻/低电阻的对数比为4以上，其也称为PPTC强度），电压全部加载到该元器件上，就使得电路呈现近似断路状态，从而到达保护电路的目的。当故障排除后，该元器件的温度下降，其电阻值又可恢复到低阻值状态。因此，正温度系数元器件已广泛地应用到通信设备、汽车电子、计算机、家用及工业控制电器设备等过流、过温防护领域中。
传统的正温度系数元器件尺寸较大，其结构相对稳定且工艺成熟，装配及应用中的热效应（例如：回流焊接、涂层热固化、注塑成型的温度）对产品的材料和结构的影响相对较小，且环境中的温度和湿度等环境因素的影响也比较小，因此其性能和可靠性都比较好。
但是，新兴市场的发展对小尺寸的正温度系数元器件需求越来越多，同时也要求其适用于表面贴装工艺易于装配且减少装配空间需求，这也对正温度系数元器件的设计和制造技术提出了更高的要求。首先，小尺寸的正温度系数元器件，如果采用类似大尺寸正温度系数元器件的结构，则结构的稳定性很差，装配及应用中的热效应（例如：回流焊接、涂层热固化、注塑成型的温度）容易造成结构变形，进而对产品的性能造成影响。其次，由于尺寸相对较小，正温度系数元器件的温度和湿度也容易对材料和产品的结构造成影响，进而导致产品长期使用的可靠性急剧下降；尤其对于低电阻率的碳化物、氮化物以及一些金属粉末导电填充物制作的PPTC复合材料，由于其更易受到环境因素（温度、湿度、溶剂、化学物、空气等）的影响，用其加工制作的正温度系数元器件更对环境因素（温度、湿度、溶剂、化学物、空气等）更加敏感，尤其是碳化钨，碳化钛类似的陶瓷导电材料容易受到环境因素温度和湿度的影响，其导电特性会受到影响，进而影响PPTC材料的导电特性及可靠性。因此，PPTC尤其是采用陶瓷导电材料作为填充物制备的小尺寸的PPTC器件，为了得到比较高的性能和可靠性，需要将PPTC材料与外界环境隔离。
中国专利文献CN102610341A公开了一种表面贴装型高分子PTC元件，通过将左、右端头穿过上、下盖板后嵌入PTC芯片缺口部分的绝缘凸台内，不直接接触PTC芯片，也无需对PTC芯片两侧的上、下极板进行蚀刻，耐电弧能力大大提高；但是该专利的PPTC的核心材料是暴漏在外的，没有与外界环境隔离开，因此采用一些碳化钨，碳化钛类似的陶瓷导电材料容易受到环境因素温度和湿度的影响，其导电特性会受到影响，进而影响PPTC材料的导电特性及可靠性。
中国专利文献CN101312087A公开了一种表面贴装型过流过温保护元件；包括由高分子复合导电材料构成的PTC芯片，PTC芯片的上下两面设有两个电极板；PTC芯片被包裹在一个壳体中，壳体为层状结构，包括：内层，由基板构成，基板的中央开孔，用于容纳PTC芯片；中间层由上下两块盖板构成，分别盖在基板的上面和下面，每块盖板的外面都贴合一片第一导电膜，且两块盖板上的第一导电膜分别与PTC芯片的两个电极板电连接；外层由左右两个焊盘和位于两个焊盘之间的阻焊膜构成，两个焊盘分别与两块盖板上的第一导电膜电连接。但是该产品的盲孔只能位于两个焊盘之间，会限制产品的可加工性，尤其是这样结构的产品小型化时，焊盘会占用大部分的产品空间，则盲孔的工艺及可加工性会比较困难；为了确保盲孔的可实现及可靠性连接，通常隔离层（即上述盖板）会比较薄，因此会降低整个产品的包封效果，产品的机械特性也会比较弱，受一些热机械效应影响时，其产品的密封性会被破坏，整个产品的可靠性及耐候性也会受影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的表面贴装低电阻聚合物正温度系数器件，采用独特的封装方式将PPTC材料与外界环境隔离，以解决小尺寸正温度系数器件的结构热稳定性和环境因素（温度、湿度、溶剂、化学物、空气等）造成的产品可靠性下降等问题。
本发明的目的，是采用以下技术方案解决的。
本发明的一种表面贴装低电阻聚合物正温度系数元器件，包括：由PPTC高分子复合导电材料和上下电极构成的PTC芯片；所述PTC芯片被包裹在一个壳体中，所述壳体为层状结构；包括：中央开有芯片孔的基板，所述PTC芯片嵌在所述基板的芯片孔内；所述基板1的上下两面分别设有与其固化为一体的上盖板和下盖板，所述上盖板和下盖板的外面都贴合一片第一导电膜；每一面均设有盲孔穿过所述上盖板和下盖板和第一导电膜至该面的PTC芯片的电极外表面，所述盲孔中设有导电体，将第一导电膜分别与所述PTC芯片的上下电极连接；
其特征在于，所述上盖板的第一导电膜贴合在所述上盖板的左端，并向右端至少延伸至超过上盖板的1/2且不超过2/3，所述下盖板的第一导电膜贴合在所述下盖板的右端，并向左端至少延伸至超过下盖板的1/2且不超过2/3；在上下的所述第一导电膜外层，分别设有绝缘盖板；与在上下所述绝缘盖板的外层的左右两端，分别贴合有第二导电膜，在所述第二导电膜的外表面设有焊盘；所述壳体的每端从上向下各层之间通过导电的端头相连接。
优选地，所述导电体是由所述盲孔中的金属镀层构成。
优选地，所述第一导电膜和第二导电膜均由金属箔构成。
优选地，所述壳体的左右两端各设有一个通孔，所述端头位于通孔内。
优选地，所述端头为半圆孔形、半椭圆孔形、长方孔形或正方孔形，由金属镀层构成。
优选地，所述焊盘由2～5层的金属镀层构成。
优选地，所述基板、盖板和绝缘盖板均由半固化的复合树脂板构成，在热压过程中固化。
优选地，所述半固化的复合树脂板是由酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚四氟乙烯树脂、双马来酰亚胺三嗪树脂、热固性聚苯醚类树脂、聚酯树脂中的一种制成半固化复合树脂板。
本发明的一种表面贴装低电阻聚合物正温度系数器件的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将高分子PPTC复合导电材料和金属箔电极板复合后压制成片材，再分割成规定形状的小片，获得PTC芯片；
（2）取一张与所述PTC芯片厚度相同的半固化的复合树脂板，按照规定的排布方式打出具有芯片孔，所述芯片孔与所述PTC芯片的大小和形状相适应，得到基板；
（3）将所述PTC芯片放到所述基板的芯片孔中；再在所述基板的上下两面个盖上一张或多张半固化的复合树脂板形成上下盖板，再分别叠放一层金属箔形成第一导电膜；然后一起热压复合形成复合片材；
（4）在所述复合片材的上下表面，与所述PTC芯片相对应的位置，分别按照一定的排布打出若干个盲孔，盲孔的深度以刚好穿透所述盖板到达所述PTC芯片的表面为止，形成盖板上的盲孔；
（5）在盲孔的内壁上镀铜，盲孔的铜镀层将PTC芯片的两侧极板与第一导电膜分别连接起来；
（6）分别将上下的第一导电膜的多余部分的金属箔除去；
（7）在上下表面各盖上一张或多张半固化的复合树脂板形成上下绝缘盖板；再分别叠放一层粗糙化处理过的金属箔，金属箔的粗糙面向内，然后一起热压复合形成复合片材；在热压过程中，半固化的复合树脂板流入盲孔中和第一导电膜蚀刻掉的地方，将空缺填平；
（8）将复合片材的左右两端相应位置加工通孔；
（9）利用蚀刻的方法，将上下金属箔上蚀刻出第二导电膜的形状；
（10）将通孔内和第二导电膜的表面镀铜，将上下的第二导电膜连接导通，并继续在第二导电膜上电镀镍锡或镍金形成上下焊盘，得到复合板材；
（11）将步骤（10）得到的复合板材按规定的单元进行切割，得到最终的产品。
优选地，所述金属箔为铜箔或银箔。
优选地，在所述步骤（2）和步骤（8）中，打孔方式为钻孔、冲压或激光切割的方式；在所述步骤（6）中，除去多余金属箔的方式为蚀刻、激光切割或机械切割的方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明中，由于上下盖板与基板均是材质相同的半固化的复合树脂板，在热压合过程中，它们会固化结合形成一体结构，实现将PTC芯片的六个面完全包裹起来，被埋在复合树脂内部，不仅具有稳定的机械强度，而且使得PTC芯片材料同外部环境完全隔离开来，从而使PPTC材料免受环境温度和湿度的影响，耐候性大大提高，具有稳定的性能和高可靠性。
而且，不必象中国专利文献CN101312087A那样，盲孔只能位于两个焊盘之间，会限制产品的小型化。本发明用于连接第一导电膜和PTC芯片电极的盲孔的位置可以设在PTC芯片的任意位置，上下盲孔的位置不必对应，不会受焊盘的形状和位置的影响，也增大了第一导电膜的面积和导电安全性。考虑到盲孔工艺能力，采用本发明的结构，可以满足产品的小型化需求。同时，本发明还设置了上下绝缘盖板和第二导电膜，绝缘盖板可以进一步增加产品的机械特性和产品的耐候性，保证了产品小型化后仍有足够的机械性能。
另外，本发明的PTC芯片与外部电极是通过盲孔连接的，不是过孔；适用于小尺寸表面贴装PPTC器件，可用于过流、过温保护、温度指示和温度开关；同传统的器件相比，具有同样的高性能但尺寸显著降低，独特的封装方式提供稳定高可靠性的性能，可回流焊接且免受环境因素的影响；因此可满足可靠性要求更高的工业和汽车级别的应用需求。
附图说明
图1为本发明的正温度系数器件的结构分解图。
图2为实施例1的正温度系数器件的组合结构示意图。
图3为上下绝缘盖板的结构示意图。
图4为实施例2的正温度系数器件的组合结构示意图。
具体实施方式
本技术领域的一般技术人员应当认识到本实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实施范围内对实施例进行变换、变型都可在本发明权利要求的范围内。
如图1-2所示。一种表面贴装低电阻聚合物正温度系数元器件，包括以下部分：由高分子复合导电材料构成的芯材与上下两面贴合的金属电极板构成的PTC芯片2；所述PTC芯片2被包裹在一个壳体中，所述壳体为层状结构，包括：
基板1，由半固化的复合树脂板制成，中央开有芯片孔101，所述PTC芯片2嵌在所述芯片孔101内；
上盖板11和下盖板21，由半固化的复合树脂板制成，分别覆盖在所述基板1和PTC芯片2的上下两面，并与所述基板1固化后结合为一体；由金属箔制成的第一上导电膜12贴合在上盖板11的上表面左端，并向右至少延伸至超过上盖板11的1/2且不超过2/3；由金属箔制成的第一下导电膜22贴合在上盖板12的下表面右端，并向左至少延伸至超过下盖板12的1/2且不超过2/3；
在上盖板11、第一上导电膜12、下盖板21和第一下导电膜22与PTC芯片2相对应的位置，分别设有上盲孔31和下盲孔32；所述上盲孔31贯穿所述第一上导电膜12和上盖板11至所述PTC芯片2的上表面为止；所述下盲孔32贯穿所述第一下导电膜22和下盖板21至所述PTC芯片2的下表面为止；在上盲孔31的内壁设有金属镀层构成的导电体，将所述第一上导电膜12和所述PTC芯片2的上极板连接起来；在下盲孔32的内壁设有金属镀层构成的导电体，将所述第一下导电膜22和所述PTC芯片2的下极板连接起来；
上绝缘盖板13和下绝缘盖板23，由半固化的复合树脂板制成，分别覆盖在第一上导电膜12的上表面和第一下导电膜22的下表面；
由金属箔制成的第二上导电膜14贴合在所述上绝缘盖板13的上表面的左右两端，其上表面设有上焊盘15；由金属箔制成的第二下导电膜24贴合在所述下绝缘盖板23的下表面的左右两端，其下表面设有下焊盘25；
所述壳体的左端从上向下各层之间通过导电的左端头41相连接，右端从上向下各层之间通过导电的右端头51相连接。
优选地，如图1和3所示，所述上绝缘盖板13的下凸台131扣合在上盖板11右端与第一上导电膜12厚度平齐，其下柱体132插入上盲孔31内；所述下绝缘盖板23的上凸台231扣合在下盖板21的左端与第一下导电膜22厚度平齐，其上柱体232插入下盲孔32内。
优选地，如图1和3所示，所述壳体的左右两端各设有一个通孔，左通孔4从上之下贯穿在所述上焊盘15、第二上导电膜14、上绝缘盖板13、第一上导电膜12、上盖板11、基板1、下盖板21、下绝缘盖板23、第二下导电膜24和下焊盘25的左端，其内壁设有导电的左端头41上下连接导通；右通孔5从上之下贯穿在所述上焊盘15、第二上导电膜14、上绝缘盖板13、上盖板11、基板1、下盖板21、第一下导电膜22、下绝缘盖板23、第二下导电膜24和下焊盘25的右端，其内壁设有导电的右端头51上下连接导通。
优选地，如图4所示，上述的左通孔3和右通孔4也可以省略，直接在所述元器件的两端设置导电的左端头31和右端头41。
实施例1
上述表面贴装低电阻聚合物正温度系数器件，可以通过如下方法制造：
（1）将高分子PPTC复合导电材料压制成厚度为0.05～0.50mm的片材，然后利用平板热压机上下两面贴覆上厚度为0.035mm的铜箔，热压成型，得到厚度为0.12～0.64mm的复合片材，利用化学或电子辐照交联后，采用划片机、激光切割或冲压得到PTC芯片；
（2）取一张与PTC芯片厚度相同的半固化的复合树脂板，通过钻孔或冲压方式，按照规定的排布方式打出具有芯片孔，芯片孔与PTC芯片的大小和形状相适应，得到基板；
（3）将PTC芯片放到基板的芯片孔中；再在基板的上下两面各盖上一张或多张半固化的复合树脂板形成上下盖板；再分别叠放一层粗糙化处理过的金属箔作为上下第一导电膜，金属箔的粗糙面向内，然后一起热压复合，上下盖板与基板的半固化的复合树脂板在热压下熔合固化为一体，形成复合片材；
（4）在所述复合片材的上下表面，与PTC芯片的中心相对应的位置，利用钻床分别按照一定的排布打出若干个盲孔，盲孔的深度以刚好穿透所述盖板到达PTC芯片的表面为止，形成上下盲孔；
（5）在盲孔的内壁上镀铜，通过孔内的铜镀层将PTC芯片的两侧极板与第一导电膜分别连接起来，镀铜厚度0.02～0.05mm；
（6）利用蚀刻的方法，分别将上下的第一导电膜的多余的1/3部分金属箔蚀刻除去；
（7）再在第一导电膜的外表面各盖上一张或多张半固化的复合树脂板形成上下绝缘盖板；再分别叠放一层粗糙化处理过的金属箔，金属箔的粗糙面向内，然后一起热压复合形成复合片材；在热压过程中，如图3所示，半固化的复合树脂板流入盲孔中和第一导电膜蚀刻掉的地方，将空缺填平；
（8）通过钻孔或冲压方式，将复合片材的左右两端相应位置加工圆形或椭圆形通孔；
（9）利用蚀刻的方法，将上下金属箔上蚀刻出第二导电膜的形状；
（10）将通孔内和第二导电膜的表面镀铜，将上下的第二导电膜连接导通，并继续在第二导电膜上电镀镍锡或镍金形成上下焊盘，得到复合板材；
（11）将步骤（10）得到的复合板材按规定的单元进行切割，得到最终的产品，如图2所示。
实施例2
本实施例的步骤（1）～（7）与实施例1相同，省略；
（8）通过钻孔或冲压方式，将复合片材的左右两端相应位置加工长条形通孔；
（9）利用蚀刻的方法，将上下金属箔上蚀刻出第二导电膜的形状；
（10）将通孔内和第二导电膜的表面镀铜，将上下的第二导电膜连接导通，并继续在第二导电膜上电镀镍锡或镍金形成上下焊盘，得到复合板材；
（11）将步骤（10）得到的复合板材按规定的单元进行切割，得到最终的产品，如图4所示，此时整个壳体的两端处没有通孔，两个端头为直线型端头。
Claims (10)
1.一种表面贴装低电阻聚合物正温度系数元器件，包括：由PPTC高分子复合导电材料和上下电极构成的PTC芯片；所述PTC芯片被包裹在一个壳体中，所述壳体为层状结构，包括：中央开有芯片孔的基板，所述PTC芯片嵌在所述基板的芯片孔内；所述基板的上下两面分别设有与其固化为一体的上盖板和下盖板，所述上盖板和下盖板的外面都贴合一片第一导电膜；每一面均设有盲孔穿过所述上盖板和下盖板和第一导电膜至该面的PTC芯片的电极外表面，所述盲孔中设有导电体，将第一导电膜分别与所述PTC芯片的上下电极连接；
其特征在于，所述上盖板的第一导电膜贴合在所述上盖板的左端，并向右端至少延伸至超过上盖板的1/2且不超过2/3，所述下盖板的第一导电膜贴合在所述下盖板的右端，并向左端至少延伸至超过下盖板的1/2且不超过2/3；在上下的所述第一导电膜外层，分别设有绝缘盖板；与在上下所述绝缘盖板的外层的左右两端，分别贴合有第二导电膜，在所述第二导电膜的外表面设有焊盘；所述壳体的每端从上向下各层之间通过导电的端头相连接。
2.根据权利要求1所述的表面贴装低电阻聚合物正温度系数元器件，其特征在于，所述导电体是由所述盲孔中的金属镀层构成。
3.根据权利要求1所述的表面贴装低电阻聚合物正温度系数元器件，其特征在于，所述第一导电膜和第二导电膜均由金属箔构成。
4.根据权利要求1所述的表面贴装低电阻聚合物正温度系数元器件，其特征在于，所述壳体的左右两端各设有一个通孔，所述端头位于通孔内；所述端头为半圆孔形、半椭圆孔形、长方孔形或正方孔形，由金属镀层构成。
5.根据权利要求1所述的表面贴装低电阻聚合物正温度系数元器件，其特征在于，所述焊盘由2～5层的金属镀层构成。
6.根据权利要求1所述的表面贴装低电阻聚合物正温度系数元器件，其特征在于，所述基板、盖板和绝缘盖板均由半固化的复合树脂板构成，在热压过程中固化。
7.根据权利要求6所述的表面贴装低电阻聚合物正温度系数元器件，其特征在于，所述半固化的复合树脂板是由酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚四氟乙烯树脂、双马来酰亚胺三嗪树脂、热固性聚苯醚类树脂、聚酯树脂中的一种制成半固化复合树脂板。
8.根据权利要求1～6任意一项所述的表面贴装低电阻聚合物正温度系数器件的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将高分子PPTC复合导电材料和金属箔电极板复合后压制成片材，再分割成规定形状的小片，获得PTC芯片；
（2）取一张与所述PTC芯片厚度相同的半固化的复合树脂板，按照规定的排布方式打出具有芯片孔，所述芯片孔与所述PTC芯片的大小和形状相适应，得到基板；
（3）将所述PTC芯片放到所述基板的芯片孔中；再在所述基板的上下两面个盖上一张或多张半固化的复合树脂板形成上下盖板，再分别叠放一层金属箔形成第一导电膜；然后一起热压复合形成复合片材；
（4）在所述复合片材的上下表面，与所述PTC芯片相对应的位置，分别按照一定的排布打出若干个盲孔，盲孔的深度以刚好穿透所述盖板到达所述PTC芯片的表面为止，形成盖板上的盲孔；
（5）在盲孔的内壁上镀铜，盲孔的铜镀层将PTC芯片的两侧极板与第一导电膜分别连接起来；
（6）分别将上下的第一导电膜的多余部分的金属箔除去；
（7）在上下表面各盖上一张或多张半固化的复合树脂板形成上下绝缘盖板；再分别叠放一层粗糙化处理过的金属箔，金属箔的粗糙面向内，然后一起热压复合形成复合片材；在热压过程中，半固化的复合树脂板流入盲孔中和第一导电膜蚀刻掉的地方，将空缺填平；
（8）将复合片材的左右两端相应位置加工通孔；
（9）利用蚀刻的方法，将上下金属箔上蚀刻出第二导电膜的形状；
（10）将通孔内和第二导电膜的表面镀铜，将上下的第二导电膜连接导通，并继续在第二导电膜上电镀镍锡或镍金形成上下焊盘，得到复合板材；
（11）将步骤（10）得到的复合板材按规定的单元进行切割，得到最终的产品。
9.根据权利要求8所述的生产方法，其特征在于，所述金属箔为铜箔或银箔。
10.根据权利要求8所述的生产方法，其特征在于，在所述步骤（2）和步骤（8）中，打孔方式为钻孔、冲压或激光切割的方式；在所述步骤（6）中，除去多余金属箔的方式为蚀刻、激光切割或机械切割的方法。
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