CN1447365A - 低阻抗聚合物基片的熔断装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种低电阻保险丝包括一熔断元件层，和第一、第二中间绝缘层，分布在所述熔断元件层的两相对侧并相耦合，熔断元件层形成于第一中间绝缘层上，所述第二中间绝缘层层压在熔断元件层上。

Description

低阻抗聚合物基片的熔断装置和方法
交叉参考的相关申请
本申请请求2002年1月10日提出的序列号为60/348,098的美国临时申请的利益。本发明背景技术
本发明涉及一种保险丝，尤其涉及一种采用薄金属片熔断元件的保险丝。
保险丝广泛应用于过电流保护装置中，以防止电路遭受代价高昂的损害。典型地，熔断端子或触点在电路中所布置的电源与电力元件或元件组之间形成电连接。一个或多个熔线、元件或者熔断元件组件被连接在熔断端子或触点之间，这样，当流过保险丝的电流超过预定限度时，所述可熔元件熔化、解体、切断或以其它方式使与所述保险丝相关的电路开路，以防止电元件损坏。
目前，电子设备的扩展造成对熔断技术需求的增长，例如，传统的保险丝包括一个被封闭于玻璃圆筒或管内并且悬在管内的空气中的线状熔断元件(或可选择压制和/或成形金属熔断元件)。该熔断元件在导电端盖之间延伸，所述导电端盖附着在管上并且用于与电路连接。但是，当在电子设备中使用印刷电路板时，该保险丝必须相当小，由于这些类型的保险丝增加了熔断产品的制造和组装成本，因此导致了制造和安装的困难。
其它类型的保险丝包括一个在一高温有机绝缘基片(如FR-4，酚醛或其它聚合物基材料)上的电镀层金属，以形成用于电子应用的熔断元件。熔断元件被蒸发沉积，丝网印刷，电镀或使用已知技术而被施加在基片上，并且，通过化学蚀刻或激光微调所述金属化的层从而形成熔断元件，熔断元件的几何形状可以不同。然而，过电流时，这种类型的保险丝容易将熔断元件上的熟传导到基片上，因此不仅增加了保险丝的电流额定值，而且增加了保险丝的电阻，这样会给低压电子电路造成不良影响。此外，当熔断元件非常接近或直接沉积在绝缘基片上时，可能出现碳迹。当需要熔断时，碳迹不能保证保险丝完全清除或电路断开。
还有其他保险丝使用具有印刷厚膜导电材料的陶器基片，比如，导电石墨，制成成形的熔断元件和用于与电路连接的导电衬垫。但是，对于控制印制厚度和几何形状的无能为力将造成在熔断设备中不受欢迎的偏差，而且，形成熔断元件的导电材料通常在如此高的高温下燃烧，因此必须使用陶器基片。然而，在过电流时，这些基片趋向于充当吸热设备，从熔断元件吸走热量，并且增加保险丝的电阻。
在一些电路中，高熔断阻抗对于有源元件的功能是不利的，并且，在某些应用中，由熔断阻抗引起的电压效应可以导致有源元件不能工作。
本发明的简要描述
一方面，提供一种低阻抗保险丝，该保险丝包括一个熔断元件层，和在所述熔断元件层的相对侧上延伸并且被耦合在那里的第一和第二中间绝缘层，所述熔断元件层形成于所述第一中间绝缘层上，所述第二中间绝缘层被层叠到所述熔断元件层。
另一方面，提供一种低阻抗保险丝的制造方法。该方法包括提供一个第一中间绝缘层，用一个熔断元件层使该第一中间绝缘层金属化，从熔断元件层形成一个在第一和第二接触衬垫之间延伸的熔线，并且将一第二中间绝缘层与位于熔断元件层上的第一中间绝缘层耦合。
另一方面，提供一种低阻抗保险丝，该保险丝包括一薄金属片熔断元件层。第一和第二中间绝缘层在所述熔断元件层的相对侧延伸并且被耦合在那里，所述熔断元件层形成在所述第一中间绝缘层上，所述第二中间绝缘层被层叠到所述熔断元件层，一第一外绝缘层被层叠到所述第一中间绝缘层，并且一第二外绝缘层被层叠到所述第二中间绝缘层。
另一方面，提供一种低阻抗保险丝，该保险丝包括一薄金属片熔断元件层，该薄金属片熔断元件层具有第一和第二接触衬垫，和在所述第一和第二接触衬垫之间延伸的熔线，第一和第二中间绝缘层在所述熔断元件层的相对侧延伸，并且所述第一和第二中间绝缘层中的至少一个包括一个在所述熔线附近贯通的开口，一第一外绝缘层在所述第一中间绝缘层上延伸/一第二外绝缘层在所述第二中间绝缘层上延伸，并且所述第一和第二外绝缘层中的至少一个封住在第一和第二中间绝缘层中的至少一个上的所述开口。
再一方面，提供一种低阻抗保险丝，该保险丝包括一薄金属片熔断元件层，该薄金属片熔断元件层包括一个1至20微米的电镀熔敷金属薄片，其被成形为第一和第二接触衬垫以及在第一和第二接触衬垫之间延伸的熔线，第一和第二中间绝缘层在所述熔断元件层的相对侧延伸，并且所述第一和第二中间绝缘层中的每一个包括一个在所述熔线附近贯通的开口，第一和第二中间绝缘层中的至少一个由聚酰亚胺材料构成，一第一外绝缘层在所述第一中间绝缘层上延伸，并且一第二外绝缘层在所述第二中间绝缘层上延伸。所述第一和第二外绝缘层中的每一个封住在第一和第二中间绝缘层中的至少一个上的所述开口，并且所述第一和第二外绝缘层中的至少一个由聚酰亚胺材料构成。
附图的简要描述
图1是金属薄片保险丝的透视图。
图2是图1所示保险丝的分解透视图。
图3是制造图1、2所示保险丝的方法的工艺流程图。
图4是金属薄片保险丝的第二实施例的分解透视图。
图5是金属薄片保险丝的第三实施例的分解透视图。
图6-10是用于图1-5所示保险丝的熔断元件几何形状的顶部平面图。
图11是保险丝的第四实施例的分解透视图。
图12是制造图11所示保险丝的方法的工艺流程图。
本发明的详细描述
图1是在本发明一个示范性的实施例中的金属薄片保险丝10的透视图。由于下述原因，保险丝10被认为成能够以比传统保险丝更低的成本而被制造，而且具有显著的性能优势，例如，相对于已知的相应保险丝而言，保险丝10具有低的电阻和在保险丝运行后的增加的绝缘阻抗。这些优势的获得至少部分是通过使用薄金属片材料来构成熔线和安装在高分子膜上的接触端子。此处为了描述的目的，薄金属片材料被认为成其厚度在大约为1至100微米的范围内，尤其为大约1至20微米，并且在一个特别的实施例中为大约3至12微米。
本发明中的至少一种保险丝已被发现当其由薄金属片材料的制造时具有特别的优势，可以预期的是其它金属化技术也可以有益于此。例如，较低的熔断额定值需要3-5微米的金属化来形成熔断元件，可以根据现有技术中已知的技术，包括但不限于阴极真空喷镀金属薄膜，薄膜材料也可被使用。进一步估计，本发明各方面也可以应用于无电镀金属的镀敷结构中和厚膜丝网印刷结构中。因此保险丝10的描述只是示范性的，此处有关保险丝10的描述并不打算将本发明的各方面限制到保险丝10的详细说明。
保险丝10为一种片层结构，下面将详细描述，并且保险丝10包括一个在焊接触点12(有时也被称为焊接突出部)之间电延伸并与焊接触点12电连接的金属薄片熔断元件(图1中未示出)，应用中，焊接端12与端子、接触衬垫或印刷电路板的线路端子(未示出)耦合从而通过保险丝10或尤其通过熔断元件而构成电回路。当流过保险丝10的电流达到不能接受的极限时，根据熔断元件的特征和用于保险丝10的制造中的具体材料，熔断元件将熔化、汽化或以其它方式通过保险丝10使电路开路和防止对电路中与保险丝10关联的电元件造成代格高昂的损坏。
在一说明性的实施例中，保险丝10通常为矩形并具有适于将保险丝10表面安装到电路板上并占地很小的宽W，长L，高H。例如，在一具体的实施例中，L大约0.060英寸，W大约0.030英寸，H大大地低于L或W以便使保险丝10的轮廊保持较低。这将在下面变得明显，H大约为用于构造保险丝10的各不同层的厚度和。但是，应该理解，保险丝10实际的尺寸可以从此处提出的说明性的尺寸到更大或更小的尺寸而不同，包括超过1英寸的尺寸，都没有脱离本发明的范围。
也应该理解，通过使用说明性焊接触点12以外的其它熔断端子用于将保险丝10连接到电路中，也可以获得本发明的至少一些优点。这样，例如，接触引线(即导线端子)，缠绕端子，浸渍金属化端子，电镀端子，齿形触点或当需要或期望时使用可以替代焊接触点12的其它已知的连接模式。
图2是保险丝10的分解透视图，其显示了用于构造保险丝10的不同的层。特别是，在一示范性的实施例中，保险丝10实质上由五层构成，这五层包括金属薄片熔断元件层20，其夹在上部和下部中间绝缘层22、24之间，所述上部和下部中间绝缘层夹在上部、下部外绝缘层26、28之间。
在一个实施例中，金属薄片熔断元件层20是一电镀沉积的、3-5微米厚的根据已知技术施加在下部中间层24上的铜片。在一示范性的实施例中，金属薄片是一种可从Olin公司获得的CopperBondR超薄金属片。并且薄熔断元件层20被制成字母“I”形，而且具有在矩形接触衬垫32，34间延伸的较窄的熔线30。熔线30的尺寸被设计为当通过熔线30的电流达到一个特定水平时断开。例如，在示范性的实施例中，熔线30大约0.003英寸宽，以便保险丝在电流低于1安培时工作。然而，可以理解，在可供选择的实施例中，可以使用不同尺寸的熔线，并且薄熔断元件层20的可以由其它金属薄片形成，包括但不限于镍，锌，锡，氧化铝，银，它们的合金(如铜/锡，银/锡，和铜/银合金)和其它替代铜的导电金属片材料，在可供选择的实施例中，9-12微米厚的金属薄片可以被采用并且经化学蚀刻减少熔线的厚度。另外，已知的M-效应熔断技术可以应用于进一步的实施例中以增强熔线的操作。
由现有技术估计，熔线的性能(如短路特性和中断电压的能力)取决于和主要决定于所用材料的熔断温度和熔线的几何形状，通过每一个的不同，可以获得事实上无限多的、具有不同运行特性的熔线。此外，多于一个的熔线可以平行延伸以进一步改变熔线的性能，在这样一个实施例中，多个熔线平行地在可被采用的一个熔断元件层或多个熔断元件层中的接触衬垫间延伸，包括在垂直层叠的配置中熔线彼此平行。
选择制造具有预定的熔断元件额定值的熔断元件层20的材料，或确定由所选材料构成的熔断元件层的熔断元件额定值，已确定熔断性能取决于三个参数，其包括熔断元件的几何形状，包围该熔断元件的材料的热传导性，和熔断金属的熔断温度。已确定上述参数的每一个直接与保险丝动作时的电弧时间成比例，而且综合三个参数中的每一个来决定保险丝的时间相对于电流的特性。因此，通过仔细选用于熔断元件层的材料、包围该熔断元件的材料和熔断元件层的几何形状，可以制造合格的低电阻保险丝。
首先考虑熔断元件20的几何形状，为了说明的目的，一个示范性的熔断元件层的特征将被分析，例如，图6是表示一个具有示范性尺寸的相对简单的熔断元件的几何形状的平面图。
参见图6，一个字母I形状的熔断元件层形成于一个绝缘层上，熔断元件层的熔断特性取决于形成熔断元件层的金属的导电性(p)，熔断元件层的尺寸方面(即熔断元件的长度和宽度)和熔断元件层的厚度。在一说明性的实施例中，熔断元件层20由3微米厚的铜片构成，已知，其薄膜电阻(1微米厚时测量)是1/p*cm或大约0.16779Ω/□，其中□是熔断元件部分的尺寸比，考虑将其表示为“面积块”。
例如，参见图6所示的熔断元件，该熔断元件具有三不同的区段，其识别方式是用尺寸I1和W1对应第一区段，尺寸I2和W2对应第二区段，尺寸I3和W3对应第三区段。通过合计区段的面积，熔断元件层的电阻率可以以一相当直接的方式大致被确定。这样，对于图6所示的熔断元件：
面积块的数量＝(I1/W1+I2/W2+I3/W3)               (1)
            ＝(10/20+30/4+10/20)
            ＝8.5□’s
现在，熔断元件层的电阻R可以根据下述关系而被确定：
熔断元件R＝(薄膜电阻率)*(□’s数)/T             (2)这里T为熔断元件层的厚度。继续前述的实施例并应用等式(2)可以看到：
熔断元件的电阻＝(0.16779Ω/□)*(8.5□)/3
              ＝0.0475Ω
当然，复杂形状的熔断元件的阻抗能以类似的方式同样被确定。
现在考虑包围熔断元件层的材料的热传导率，在现有技术中，不同材料层之间的热流量遵循下面的关系式：
Figure A0312177000091
这里Km，n表示材料的第一层的热传导率；Km+1，n材料的第二层的热传导率；Z表示最终材料的厚度；θ表示在选定参考点的层m，n的温度；Xm，n表示从选定参考点测量的第一层的坐标位置，和Yn表示从选定参考点测量的第二坐标位置，Δt是时间变化值。
仔细分析等式(3)，以确定分层熔断结构的准确热流特性，此处所提出的主要是表示保险丝内的热流量与所用材料的热传导率成比例，下表列出了几种示范性的已知材料的热传导率，可以看出，通过降低在保险丝内包围熔断元件的绝缘层的热传导率，保险丝内的热流量被相当大地降低。特别注意是，在本发明示范性实施例中，用作位于熔断元件层上面和下面的绝缘材料的聚酰亚胺具有很低的热传导率。
基片热传导率(W/mk)
氧化铝(AL2O3)     19
镁橄榄石(2MgO-SiO2)     17
堇青石(2MgO-2AL2O3-5SiO2)     1.3
滑石(2MgO-SiO2)     3
聚酰亚胺     0.12
FR-4环氧树脂/玻璃纤维层压板     0.293
现在分析用于熔断元件层制造的熔断金属的工作温度，在现有技术中可推知，在给定时间点，熔断元件层的工作温度θt遵循下面的关系式：
θt＝(1/m*s)*∫i2Ram(1+αθ)dt             (4)其中，m表示熔断元件层的质量，s表示形成熔断元件层的材料的具体热量，Ram是环境参考温度θ下的熔断元件层的电阻，i是通过熔断元件层的电流，和α为熔断元件材料的电阻温度系数。当然，熔断元件层具有通过保险丝闭合回路的功能，直到达到熔断元件材料的熔化温度。常用熔断材料的示范性熔点在下表中列出，注意，本发明中，由于允许熔断元件较高电流额定值的铜所具有的很高的熔点，铜熔断元件层是尤其有利的。金属和金属合金的熔化温度(℃)
铜(Cu)     1084
锌(Zn)     419
铝(Al)     660
铜/锡(20Cu/80Su)     530
银/锡(40Ag/60Sn)     450
铜/银(30Cu/70Ag)     788
很明显，考虑到熔断元件层所用材料的熔化温度，包围熔断元件层的材料的热传导率量和熔断元件层的电阻率的联合效应，具有多种运行特性的、合乎需要的低阻抗保险丝可被制造。
回过来参看图2，上部中间绝缘层22覆盖在金属薄片熔断元件层20的上面，并且包括矩形的终端开口36、38或贯通延伸的窗口，以便与金属薄片熔断元件层20的相应接触衬垫32、34电连接。环形熔线开口40在终端开口36、38之间延伸，并且覆盖在金属薄片熔断元件层20的熔线30的上部。
下部中间绝缘层24位于金属薄片熔断元件层20的下面，而且具有位于金属薄片熔断元件层20的熔线30下面的环形熔线开口42。如上所述，熔线30通过上部、下部中间绝缘层22、24中的相应熔线开口40、42而延伸，以便当熔线30在金属薄片熔断元件层20的接触衬垫32、34间延伸时，不会与上部、下部中间绝缘层22、24有接触面。换句话说，当保险丝10被完全构造好时，由于各中间绝缘层22、24中的熔线开口40、42，所以熔线30被有效地悬于空气袋中。
如上所述，熔线开口40、42阻止将热传递给中间绝缘层，在传统保险丝中，所述热传递增加了保险丝的电阻。因此，保险丝10在较已知保险丝更低的电阻下工作，并因此较已知的相应保险丝其具有更小的电路波动。而且，不像已知的保险丝，由熔线开口40、42形成的空气袋抑制了电弧轨迹，而且方便电路通过熔线30的完全清理。在进一步的实施例中，当熔线闭合时，适当形状的空气袋有利于当熔线操作时的气体通风和缓和不利的气体聚集及保险丝的内压。因此，在一示范性的实施例中，熔线开口40、42为实质上的环形，在不偏离本发明的范围和精神时，也可以采用非环形开口40、42。此外，可以设想，也可以采用不对称开口作为中间绝缘层22、24中的熔线开口。进一步，可以设想可用替代上述空气或除上述空气以外的固体或气体填充熔线开口以抑制电弧轨迹。
在一说明性的实施例中，上部和下部中间绝缘层都由电介质膜制成，例如0.002英寸厚的可从E.L du Pont de Nemours和Wilmington，Delaware公司商业获得和出售的商标为KAPTONR的聚酰亚胺。可以理解，在可供选择的实施例中，其它合适的电绝缘材料(聚酰亚胺和非聚酰亚胺)可以被采用以替代商标为KAPTONR的聚酰亚胺，如商标为CIRLEXR的无粘性的聚酰亚胺层压板材料，可从Ube工业商业获得的商标为UPILEXR’的聚酰亚胺材料，干馏物(Pyrolux)，苯胺乙二酸聚乙烯(polyethylene naphthalendicarboxylate)(有时被称为PEN)，可从Rogers公司商业获得的Zyvrex液体结晶聚合物材料和类似物。
上部外绝缘层26覆盖在上部中间绝缘层22上，并且包括矩形终端开口46、48，它们事实上与上部中间绝缘层22的终端开口36、38重合。上部外绝缘层26的终端开口46、48与上部中间绝缘层22的终端开口36、38一起在薄片熔断元件的接触衬垫32、34上形成空腔。开口36、38、46、48被填有焊料(图2未示出)时，焊接接触衬垫12(图1所示)与熔断元件接触衬垫32、34形成电连接，以与外部电路例如印刷电路板形成连接。在终端开口46、48之间延伸的连续表面50位于上部中间绝缘层22的熔线开口40之上，借此包围熔线30并使其充分绝缘。
在进一步的实施例中，上部外绝缘层26和/或下部外绝缘层28由透明或半透明材料制成，这样便于观察在熔线开口40、42内的已断保险丝的指征。下部外绝缘层28位于下部中间缘层24的下面，并且是实心的，即没有开口，因此，下部外绝缘层24的连续实心表面使得在下部中间缘层28的熔线开口42下面的熔线30充分绝缘。
在一说明性的实施例中，上部和下部外绝缘层都由电介质膜制成，例如0.005英寸厚的可从E.L du Pont de Nemours和Wilmington，Delaware公司商业获得和出售的商标为KAPTONR的聚酰亚胺膜。可以理解，在可供选择的实施例中，其它合适的电绝缘材料(聚酰亚胺和非聚酰亚胺)可以被采用，如商标为CIRLEXR的无粘性的聚酰亚胺层压板材料，干馏物(Pyrolux)，苯胺乙二酸聚乙烯(polyethylene naphthalendicarboxylate)和类似物。
为了描述用于制造保险丝10的一个示范性的制作过程，保险丝10的各层参见下表：
   操作层       图2的层   图2的附图标记
    1     上部外绝缘层     26
    2     上部中间绝缘层     22
    3     金属薄片熔断元件层     20
    4     下部中间绝缘层     24
    5     下部外绝缘层     28
沿用上述标记，图3是制造保险丝10(图1和2所示)的示范性的制造方法60的流程图。根据已知的层压技术，将金属薄片熔断元件层20(层3)层迭62到下部中间绝缘层24(层4)上，然后，在下部中间绝缘层24(层4)上，利用已知技术，包括但不限于采用氯化铁溶液，将金属薄片熔断元件层20(层3)蚀刻64成所需形状。在一示范性的实施例中，根据已知蚀刻工艺，金属薄片熔断元件层20(层3)被制成如上述图2的相关描述所述的I型的金属薄片熔断元件。在可供选择的实施例中，可采用冲切操作替代蚀刻操作而形成熔线30和接触衬垫32、34。
从下部中间绝缘层(层4)形成64金属薄片熔断元件层(层3)被完成之后，根据已知工艺，将上部中间绝缘层22(层2)层压66于从步骤62预先层叠的金属薄片熔断元件层20(层3)和下部中间绝缘层(层4)之上。通过将金属薄片熔断元件层20(层3)夹在中间绝缘层22、24(层2和4)之间而形成三层层压结构。
然后，根据已知蚀刻、冲压或钻孔工艺，在上部中间绝缘层22(层2)中形成68终端开口36、38和熔线开口40(图2示出)。根据已知工艺，包括但不限于蚀刻、冲压或钻孔，在下部中间绝缘层28(层4)中也形成68熔线开口42(图2所示)。因此，通过在上部中间绝缘层22(层2)中的终端开口36、38显露出熔断元件层接触衬垫32、34(见图2)。在可供选择的实施例中，可采用冲切操作替代蚀刻操作而形成熔线开口40和终端开口36、38。
在中间绝缘层22、24(层2和4)内形成68开口或窗口之后，外绝缘层26、28(层1和5)被层压70到从步骤66和68形成的三层复合结构(层2、3和4)上。采用现有技术中已知的工艺和技术，将外绝缘层26、28(层1和5)层压到三层复合结构上。
外绝缘层26、28(层1和5)被层压70以形成一个五层复合结构之后，根据已知方法和技术，在上部外绝缘层26(层1)中形成72终端开口46、48(图2所示)，使得熔断元件接触衬垫32、34(见图2)从上部外绝缘层26(层1)和上部中间绝缘层22(层2)通过相应的终端开口36、38和46、48而露出。然后下部外绝缘层(层5)被标明74与保险丝10的工作特性相关的标记(图1和图2所示)，例如电压或电流额定值，保险丝等级代码等等。可以根据已知工艺，例如激光刻印、化学蚀刻或等离子体蚀刻进行标明74标记。可以理解，在可选择的实施例中，也可以采用其它已知的导电接触衬垫，包括但不限于镍/金和锡镀的衬垫，来代替焊接触头12。
然后进行焊接76以完成焊接触头12(图1所示)和熔断元件接触衬垫32、34(见图2)的导电接触，因此，当焊接触头12耦合到线路中并且负载通电电路的电连接时，通过熔线30建立电连接。
根据上述方法能够单独制造保险丝10，在一示范性实施例中，保险丝10被以片的形式共同制造，然后分离或离散78成单个保险丝10。批量制作的过程中，可以经过精确控制蚀刻和冲切工艺而同时形成各种形状或尺寸的熔线30。此外，在连续制造过程中可以采用逐滚层压工艺，以便在最短时间内制造大批量的保险丝。
另外，不脱离上述方法，可以制造带有附加层的保险丝。因此，可以利用多重熔断元件层和/或附加绝缘层制造具有不同运行特性和不同外壳尺寸的保险丝。
因此，通过使用低成本、批量制作中可广泛得到的材料和使用低廉的已知技术，可以有效地形成保险丝。光化学蚀刻工艺允许准确地制造薄金属片熔断元件层20的熔线30和接触衬垫32、34，甚至对于具有统一厚度和在保险丝10的最终特性中最小差异导电率的非常小的保险丝。此外，用薄金属片形成熔断元件层20，使得制造比已知相应保险丝具有更低阻抗的保险丝成为可能。
图4是第二实施例的金属薄片保险丝90的分解透视图，除了下部中间绝缘层24的结构外，金属薄片保险丝90与保险丝10(上述与图1至3相关的描述)实质上类似。注意，下部中间绝缘层24中的熔线开口42(图2所示)并非存在于保险丝90中，熔线30直接经过下部中间绝缘层24的表面而延伸。这样的结构有利于工作在中间温度的保险丝，因为，熔线开口40将抑制或至少减少从熔线30传向中间绝缘层22、24的热量。因此，在熔断操作时，保险丝90的阻抗降低，而且上部中间绝缘层40中的熔线开口40可以抑制电弧轨迹并便于通过保险丝完全清理电路。
除了没有形成在下部中间绝缘层24中的熔线开口42(见图2)外，保险丝90实质上通过方法60(与图3的相关描述)制造。
图5是第三实施例的金属薄片保险丝100的分解透视图，除了上部中间绝缘层22的结构外，金属薄片保险丝100与保险丝90(上述与图4相关的描述)实质上类似。注意，上部中间绝缘层22中的熔线开口40(图2所示)并非存在于保险丝100中，并且熔线30直接经过上部和下部中间绝缘层22、24的表面而延伸。
除了没有形成在中间绝缘层22、24中的熔线开口40和42(见图2)外，保险丝100实质上通过方法60(与图3的相关描述)制造。
可以理解，也可以采用薄陶磁基片替代在前述实施例中的高分子膜，但是，对于保险丝100尤其建议采用薄陶磁基片以确保保险丝的正确工作，例如，在本发明可选择的实施例中，可采用低温(cofireable)陶磁材料和类似物。
在薄镀的金属薄片材料上使用蚀刻和冲切工艺而形成熔线，不同形状的金属薄片熔线可以满足具体的运行目的。例如，图6-10图示多个熔断元件的几何形状，以及示范性的尺寸，它们可以被应用于保险丝10(图1和2所示)、保险丝90(图4所示)和保险丝100(图5所示)。但是，应该承认，此处描述和图示的熔线几何形状仅用于说明性目的，并不打算将发明的实施限制到任何具体的金属薄片形状或熔线结构。
图11是第四实施例的保险丝120的分解透视图，和上述保险丝一样，保险丝120设置有图11所示的片层结构的低阻抗保险丝。特别是，在一示范性的实施例中，保险丝120实质上由五层构成，这五层包括金属薄片熔断元件层20，其夹在上部和下部中间绝缘层22、24之间，所述上部和下部中间绝缘层夹在上部、下部外绝缘层122、124之间。
与前述实施例一致，熔断元件20是一电镀沉积的、3-5微米厚的根据已知技术中施加在下部中间层24上的铜片。熔断元件层20被制成字母“I”形，而且具有在矩形接触衬垫32，34间延伸的较窄的熔线30，其尺寸被设计为当通过熔线30的电流低于7安培时，处于断开状态。可以理解，可以采用不同尺寸熔线，并且可以采用不同的金属薄片材料和合金代替铜片而形成薄熔断元件层20。
上部中间绝缘层22位于金属薄片熔断元件层20的上面，并且具有一个贯通延伸并位于金属薄片熔断元件层20的熔线30下面的环形熔线开口40。与上述保险丝10、90、和100相比，保险丝120中的上部中间绝缘层22并不包括终端开口36、38(图2至5所示)，而宁可说是除了熔线开口40外，其它部分都实心的。
下部中间绝缘层24位于金属薄片熔断元件层20的下面，而且具有位于金属薄片熔断元件层20的熔线30下面的环形熔线开口42。如上所述，熔线30通过上部、下部中间绝缘层22、24中的相应熔线开口40、42而延伸，以便当熔线30在金属薄片熔断元件层20的接触衬垫32、34间延伸时，不会与中间绝缘层22、24有接触面。换句话说，当保险丝10被完全构造好时，由于各中间绝缘层22、24中的熔线开口40、42，所以熔线30被有效地悬于空气袋中。
如山所述，熔线开口40、42阻止将热传递给中间绝缘层22、24，在传统保险丝中，所述热传递增加了保险丝的电阻。保险丝120在比已知保险丝更低的电阻下工作，因此，较已知的相应保险丝其具有更小的电路波动。而且，不像已知的保险丝，由熔线开口40、42形成的空气袋抑制了电弧轨迹，而且方便电路通过熔线30的完全清理。进一步，当熔线操作时，空气袋提供气体通风，并且缓和不利的气体聚集及保险丝的内压。
如上所述，在一说明性的实施例中，上部和下部中间绝缘层都由电介质膜制成，例如0.002英寸厚的可从E.L du Pont de Nemours和Wilmington，Delaware公司商业获得和出售的商标为KAPTONR的聚酰亚胺膜。在可供选择的实施例中，其它合适的电绝缘材料可以被采用，如商标为CIRLEXR的无粘性的聚酰亚胺层压板材料，干馏物(Pyrolux)，苯胺乙二酸聚乙烯(polyethylenenaphthalendicarboxylate)(有时被称为PEN)，可从Rogers公司商业获得的Zyvrex液体结晶聚合物材料和类似物。
上部外绝缘层26覆盖在上部中间绝缘层22上，并且包括连续表面50，其在上部外绝缘层26之上延伸并且位于上部中间绝缘层22的熔线开口40之上，借此包围熔线30并使其充分绝缘。值得注意的是，如图11所示，上部中间绝缘层122不包括终端开口46、48(图2至5所示)。
在进一步的实施例中，上部外绝缘层122和/或下部外绝缘层124由透明或半透明材料制成，这样便于观察在熔线开口40、42内的已断保险丝的指征。
下部外绝缘层124位于下部中间缘层24的下面，并且是实心的，即没有开口，因此，下部外绝缘层24的连续实心表面使得在下部中间缘层28的熔线开口42下面的熔线30充分绝缘。
在一说明性的实施例中，上部和下部外绝缘层都由电介质膜制成，例如0.005英寸厚的可从E.L du Pont de Nemours和Wilmington，Delaware公司商业获得和出售的商标为KAPTONR的聚酰亚胺膜。可以理解，在可供选择的实施例中，其它合适的电绝缘材料也可以被采用，如商标为CIRLEXR的无粘性的聚酰亚胺层压板材料，干馏物(Pyrolux)，苯胺乙二酸聚乙烯(polyethylenenaphthalendicarboxylate)和类似物。
不同于前面图2-5所示实施例中包括焊接突出部端子的保险丝，上部外绝缘层122和下部外绝缘层124都具有细长的端子槽126、128，它们组成外绝缘层的每个侧面，并且在熔线接触衬垫32、34的上面和下面延伸。组装保险丝的各个层面时，槽126、128在其垂直面上金属化，以在保险丝120的每个侧面的终端以及上部中间绝缘层和下部中间绝缘层22、24的被金属化的垂直侧面130、132和在上部和下部外绝缘层122、124的外表面上分别延伸的被金属化的带134、136上形成接触端子，因此，当与熔断元件接触衬垫32、34电连接时，保险丝120可以被表面安装于印刷电路板。
为了描述用于制造保险丝120的一个示范性的制作过程，保险丝120的各层参见下表：
   操作层面      图11的层   图11的附图标记
  1   上部外绝缘层   122
  2   上部中间绝缘层   22
  3   金属熔断元件层   20
  4   下部中间绝缘层   24
  5   下部外绝缘层   124
沿用上述标记，图12是制造保险丝120(图10所示)的示范性的制造方法150的流程图。根据形成金属化结构的已知层压技术，将金属薄片熔断元件层20(层3)层迭152到下部中间绝缘层24(层4)上。然后，在下部中间绝缘层24(层4)上，利用已知技术，包括但不限于采用氯化铁溶液蚀刻工艺，将金属薄片熔断元件层20(层3)成型154成所需形状。在一示范性的实施例中，金属薄片熔断元件层20(层3)被形成如上所述的字母I型的金属薄片熔断元件。在可供选择的实施例中，可采用冲切操作替代蚀刻操作而形成熔线30接触衬垫32、34。可以理解，在进一步的和/或可供选择的实施例中，可以采用不同形状的熔断元件，包括但不限于图6-10所示的那些形状。进一步可以理解，在进一步的和/或可供选择的实施例中，可以采用喷镀工艺、电镀、丝网印刷工艺等现有技术允许的工艺来使熔断元件层金属化和成型。
从下部中间绝缘层(层4)形成154金属薄片熔断元件层(层3)被完成之后，根据已知的层压技术工艺，将上部中间绝缘层22(层2)层压156于从步骤152预先层叠的金属薄片熔断元件层20(层3)和下部中间绝缘层24(层4)之上。通过将金属薄片熔断元件层20(层3)夹在中间绝缘层22、24(层2和4)之间而形成三层层压结构。
然后，在上部中间绝缘层22(层2)中形成158熔线开口40(图11示出)，并且在下部中间绝缘层28(层4)中也形成158熔线开口42(图11所示)。在中间绝缘层22、24(层2和4)的熔线开口40、42中熔线30被显露出。在一示范性的实施例中，根据已知蚀刻、冲压、钻孔和冲切工艺形成熔线开口40、42。
在中间绝缘层22、24(层2和4)内蚀刻158开口之后，外绝缘层122、124(层1和5)被层压160到从步骤156和158形成的三层复合结构(层2、3和4)上。采用现有技术中已知的工艺和技术，将外绝缘层122、124(层1和5)层压160到三层复合结构上。
对于本发明的发明目的尤其有利的一种层压形式采用了非流动性的聚酰亚胺预浸处理材料，如从Arlon Materials for Electronics of Bear，Delawar可商业获得的材料。上述材料延展特性低于丙烯酸的粘接剂，这样降低通孔毁坏的可能性，并且比其他层压粘接剂更好地耐受热循环而不分层。但是，可以理解，所需粘接剂可以根据所造保险丝的特性而不同，因此，一种不适合这种类型保险丝或熔断额定值的层压粘接剂，可能适合另一种类型保险丝或熔断额定值。
不同于外绝缘层26、28(图2至5所示)，外绝缘层122、124在其与中间绝缘层相对的外表面上镀铜。在一示范性的实施例中，其可以通过CIRLEXR聚酰亚胺技术而实现，该技术包括不用可损害保险丝正常工作的粘合剂而将聚酰亚胺片与铜片层迭。可以理解，可以采用其它导电材料或合金代替用于本发明的铜片以用于此目地，而且在可供选择的实施例中，可以通过其它工艺和技术替代CIRLEXR材料来使外绝缘层122、124金属化。
外绝缘层26、28(层1和5)被层压160以形成一个五层复合结构之后，通过在步骤160形成的五层复合结构，相应于槽126、128的细长的通孔被形成164，在不同的实施例中，当端子槽126、128被形成164时，它们可以被激光加工、化学蚀刻、等离子体蚀刻、冲压或钻孔。然后，通过蚀刻工艺，在外绝缘层122、124的金属化外表面形成166槽端子带134、136(图11所示)，熔断绝缘层20被蚀刻166成在端子槽126、128内显露出熔断元件层接触衬垫32、34(图11所示)。在蚀刻166分层的复合结构以形成端子带134、136和蚀刻熔断绝缘层20以显露熔断元件层接触衬垫32、34之后，根据电镀工艺，端子槽126、128被金属化168从而完成端子槽126、128内的接触端子的金属化处理。
在可供选择的实施例中，在端子槽126、128内可以采用包括圆柱形通孔的齿形接触端子替代上述通孔金属化处理。
一旦槽126、128内的接触端子被完成，然后在下部外绝缘层124(层5)上标记上170与保险丝120(图12所示)的运行特性有关的标记，如电压或电流等级，保险丝等级代码等等。可以根据已知工艺进行标记170，例如，激光刻印、化学蚀刻或等离子体蚀刻。
根据上述方法能够单独制造保险丝120，在一说明性实施例中，保险丝120被以片的形式共同制造，然后分离或离散78成单个保险丝120。批量制作的过程中，可以经过精确控制蚀刻和冲切工艺而同时形成各种形状或尺寸的熔线30(图11所示)。此外，在连续制造过程中可以采用逐滚层压工艺，以便在最短时间内制造大批量的保险丝。另外，为了提供增加的熔断额定值和物理尺寸，可以采用进一步附加熔断元件层和/或绝缘层。
一旦保险丝的制造被完成，当接触端子被耦合到线路中并且负载通电电路的电连接时，电连接可以通过熔线30(图11所示)建立。
可以承认，通过除去中间绝缘层22、24内的一个或两个熔线开口40、42，保险丝120可以被进一步修改成象图4和图5所描述的一样。保险丝120的阻抗也因不同的应用和保险丝120不同的操作温度而变化。
在进一步的实施例中，一个或两个外绝缘层122、124可以由透明材料制成，以便通过外绝缘层122、124。提供本地熔断状态显示。这样，当熔线30操作时，就可以容易地识别保险丝是否需要置换，当大量保险丝被用于一个电力系统时，这尤其有利。
根据上述方法，通过使用低成本、批量制作中可广泛得到的材料和使用低廉的已知技术，可以有效地形成保险丝。光化学蚀刻工艺允许准确地制造薄金属片熔断元件层20的熔线30和接触衬垫32、34，甚至对于具有统一厚度和在保险丝10的最终特性中最小差异导电率的非常小的保险丝。此外，用薄金属片形成熔断元件层20，使得制造比已知相应保险丝具有更低阻抗的保险丝成为可能。
以不同实施例的形式对本发明进行描述，所属领域中的技术人员将意识到，在权利要求的精神和范围内，本发明可以通过变更而实施。

Claims (12)

1.一种低电阻保险丝，包括：
一熔断元件层，和
第一和第二中间绝缘层，分布在所述熔断元件层的两相对侧并相耦合，所述熔断元件层形成于第一中间绝缘层上，所述第二中间绝缘层层压在熔断元件层上。
2.根据权利要求1所述的低电阻保险丝，其特征在于：所述熔断元件层包括一可熔链路，至少一个所述第一和第二中间层具有一个位于所述可熔链路上的开口。
3.根据权利要求1所述的低电阻保险丝，其特征在于：所述熔断元件层包括一薄金属膜。
4.根据权利要求3所述的低电阻保险丝，其特征在于：所述熔断元件层的厚度大约为1-20微米。
5..根据权利要求4所述的低电阻保险丝，其特征在于：所述熔断元件层的厚度大约为3-9微米。
6.根据权利要求1所述的低电阻保险丝，进一步包括：分别层压于所述第一和第二中间层的第一和第二外绝缘层。
7.根据权利要求6所述的低电阻保险丝，其特征在于：至少一个所述第一和第二外绝缘层，和至少一个所述第一和第二中间层由液状结晶化合物或聚酰亚胺材料构成。
8.一种制造低电阻保险丝的方法，所述方法包括：
提供一第一中间绝缘层；
用一熔断元件层对第一中间绝缘层作金属化处理；
形成分布于熔断元件层的第一和第二接触衬垫的可熔链路；和
在熔断元件层上，将第二中间绝缘层耦合到第一中间绝缘层。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：在至少一个第一中间层和第二中间层上形成一个开口。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：将第一和第二外绝缘层分别层压于所述第一和第二中间层，至少一个第一和第二外绝缘层由液状结晶化合物或聚酰亚胺材料构成。
11.根据权利要求10所述的方法，特征在于：金属化第一中间层包括至少一个电积铜金属片形成所述熔断元件层，喷镀金属薄片形成所述熔断元件层，电镀第一中间层或荧光印制第一中间层。
12.根据权利要求10所述的方法，特征在于：所述的将熔断元件层层压到第一中间绝缘层包括，将一个1-20微米厚的金属薄片熔断元件层层压到第一中间绝缘层。
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