CN1505065A - 具有对称结构的热敏电阻 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种热敏电阻，其包括一阻抗元件，其具有上表面和下表面，并根据温度的变化改变其阻抗特性；第一和第二导电层，其形成在该阻抗元件的上表面上，并通过插入在其间的非导电间隙相互邻近连结；第一和第二电极，其形成在该阻抗元件的下表面上，且彼此电分离；第一连接器，其用于电连接该第一导电层至该第一电极上；第二连接器，其用于电连接该第二导电层至第二电极上。这样，该热敏电阻在结构上为点对称形状，可以抑制由非对称结构引起的“汤姆斯通(Tombstone)”现象。因为该具有相反极性的导电层通过在其间的该非导电间隙相互连结，这样便增大了电流，从而降低了热敏电阻的阻抗。

Description

具有对称结构的热敏电阻

技术领域

本发明涉及一种PTC(正温度系数)热敏电阻，特别是涉及一种安装到PCB(印刷电路板)上用于保护电路的表面安装式PTC热敏电阻。

背景技术

众所周知，很多导电材料会基于温度的变化而改变其特有阻抗。基于温度而发生阻抗变化的元件通常称为“热敏电阻”，其通常分为随着温度升高而阻抗降低的NTC(负温度系数)元件，和随着温度升高而阻抗增大的PTC(正温度系数)元件。

PTC元件在低温度下显示出低阻抗，也就是说在室温下电流可以通过。然而，如果该元件在加热条件下操作或该元件的温度由于过量电流而升高，该PTC元件的阻抗会增大为其正常阻抗的1000至10000倍之多。鉴于这种特性，PTC元件通常被安装到PCB(印刷电路板)用于控制过量电流。

PCB在其表面上又很多元件和组件，因此每个组件在尺寸上受到限制。这样，便提出不同类型的PTC元件以克服这种限制。最常见的，PTC元件被夹在一对层压电极之间。

图1显示了美国专利号5,907,272公开的PTC热敏电阻。参照图1，第一电极250和第二电极260各自被层压在PTC元件210的上表面和下表面上，以便该PTC元件210夹固在所述电极之间。另外，该PTC元件和第一、第二电极被隔离层280包围。且分别形成了开口290和300以暴露电极。形成所述开口后，层压在该PTC元件的上表面或下表面的第一电极250、第二电极260中的一个延伸到该PCB的反面，以便该PTC热敏电阻能安装在其上。为达到该目的，在下表面的一部分形成终端320，该终端320通过第一电极250电连接至开口300；而在下表面的另一部分形成终端310，该终端310覆盖该隔离层280的上表面、侧面、和下表面，且通过第二电极260电连接至开口290。

然而，上述在PTC热敏电阻的一个表面电连接一个电极到其另一表面的方法易于导致所谓的“汤姆斯通”现象。当热敏电阻安装到PCB上时，在终端310和320上预先涂上焊接膏的热敏电阻安置在PCB的电极垫上，然后在回流器中加热。然而此时，施加到热敏电阻的热量会扩散至PTC元件210和终端310、320上。因为PTC元件和所述终端具有不同的热膨胀系数，且所述热敏电阻具有非对称结构，该热敏电阻的右边和左边部分的热应力分布不均匀，因此该热敏电阻在PCB表面上是倾斜的。这样便大大恶化了焊接的物理和电可靠性。

另外，在已知技术中，因为电流主要存在于上表面和下表面，每一个均具有一层的多个PTC热敏电阻应被多层层压，以便降低PCB有限空间内的PTC热敏电阻的阻抗。

发明内容

设计本发明以解决已知技术的问题，因此本发明的目的是提供一种PTC热敏电阻，在其安装到PCB上时，能够增大室温下的电流而不产生“汤姆斯通”现象。

本发明的一个方案为提供一种热敏电阻，其包括：一阻抗元件，该阻抗元件具有上表面和下表面，并能根据温度变化而改变其阻抗特性；形成在该阻抗元件上表面的第一和第二导电层，该第一和第二导电层通过在其间插入的非导电间隙相互连结；形成在该阻抗元件下表面的第一和第二电极，所述电极相互电分离；第一连接器，其用于电连接所述第一导电层至所述第一电极；及第二连接器，其用于电连接所述第二导电层至所述第二电极。

优选地，当在所述第一电极和第二电极施加电压时，通过形成有该阻抗元件非导电间隙的区域，在相邻的第一和第二导电层之间形成电流通路。

同样优选地，所述非导电间隙具有小于所述阻抗元件厚度的宽度，所述阻抗元件为具有正温度系数的聚合物，所述第一和第二导电层由铜或铜合金制成。

本发明的另一方面为还提供一种热敏电阻，其包括一阻抗元件，该阻抗元件具有上表面和下表面，并能根据温度变化而改变其阻抗特性；形成在该阻抗元件上表面的第一和第二导电层，该第一和第二导电层通过在其间插入的第一非导电间隙相互邻近连结；形成在该阻抗元件下表面的第一和第二电极，所述电极通过在其间插入的第二非导电间隙相互邻近连结；第一连接器，其用于电连接所述第一导电层至所述第一电极；及第二连接器，其用于电连接所述第二导电层至所述第二电极。

附图说明

结合附图从下述实施例的描述可以更好地理解本发明的其他目的和方案：

图1为传统PTC热敏电阻的端面图；

图2为按照本发明实施例的PTC热敏电阻的顶视图；

图3为按照本发明实施例的PTC热敏电阻的底视图；

图4为显示沿图2中A-A’线的、图2和图3中热敏电阻的断面图；

图5a至图5c为说明按照本发明实施例的连接一导电层至一电极的方法的示意图；

图6a和图6b为说明按照本发明实施例的连接所述导电层至所述电极的另一方法的示意图；

图7为显示按照本发明实施例的电流的示意图；

图8a和图8b为显示多个层压PTC热敏电阻并行连接的概要图；

图9为图8a和图8b的等效电路图；

图10为显示图8a的连接结构中，图9的R₁，R₂，R₃之间的R₂处阻抗的电路图；

图11为显示图8b的连接结构中，图9的R₁，R₂，R₃之间的R₂处阻抗的电路图；

图12为显示按照本发明另一实施例的PTC热敏电阻的平面图；

图13为显示按照本发明另一实施例的PTC热敏电阻的底视图；

图14为显示沿图12中B-B’线的、图12和13中PTC热敏电阻的断面图；

图15为按照本发明另一实施例的PTC热敏电阻的平面图；

图16为按照本发明另一实施例的PTC热敏电阻的底视图；及

图17为显示沿图15中C-C’线的、图15和16中PTC热敏电阻的断面图。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明。

图2和图3分别为按照本发明实施例的PTC(正温度系数)热敏电阻的顶视图和底视图，图4为显示沿图2中A-A’线的热敏电阻的断面图。

请参照图2和图3，该实施例的PTC热敏电阻包括阻抗元件10，其具有上表面和下表面；导电层20和30，其层压在该阻抗元件10的上表面上；电极60和70，其层压在该阻抗元件10的下表面上；及多个连接器，它们用于分别地将导电层连接至电极。

现详细描述PTC热敏电阻，该阻抗元件10由PTC化合物或聚合物制成，该聚合物包含分布在其上的导电粒子以具有PTC特性，或者，该阻抗元件也可以由NTC(负温度系数)化合物制成。所述聚合物可从聚乙烯、聚丙烯、乙烯/丙烯共聚物等中选择。所述导电粒子可从碳黑或其他金属颗粒中选择。

所述第一和第二导电层20、30层压在所述阻抗元件10的上表面上。然后，在它们之间形成非导电间隙50，以便使所述第一和第二导电层20、30互相电分离。为了制作第一和第二导电层20、30，通过挤压或电解和/或非电解镀层，金属箔被首先层压在所述阻抗元件10的上表面上，作为一单一的导电层。对于金属箔，具有良好导电性的铜或铜合金被优选使用。如果形成了该单一的导电层，通过蚀刻或其他机械处理形成非导电间隙50横贯所述单一导电层，以便所述单一导电层电分为第一和第二导电层20、30。这时，非导电间隙50具有小于一距离的宽度，该距离为形成在阻抗元件10上表面的导电层20或30与形成在下表面的电极60或70之间的距离，也就是该阻抗元件10的厚度，以便保证在相邻导电层之间和相邻电极之间有足够电流，所述相邻导电层和所述相邻电极分别形成于所述阻抗元件的同一表面上。

优选地，所述第一和第二导电层20、30通过插入其间的作为边界的非导电间隙50相互邻近连结。所述第一和第二导电层20、30的连结模式可以为凹凸形状的连结，如矩形，三角形，之字形或波浪形。

现参照图2详细描述PTC热敏电阻，相邻于第一侧面41形成第一非导电间隙51，与该第一侧面41平行，而第二非导电间隙52在第一非导电间隙51的端点弯曲，并沿着第三侧面43延伸，以便垂直于该第一非导电间隙51。另外，第三非导电间隙53在该第二非导电间隙52的端点弯曲并延伸以平行于该第一非导电间隙51。该第三非导电间隙53置于该阻抗元件10的上表面的中央。相邻于第四侧面44和第二侧面42分别形成了第四非导电间隙54和第五非导电间隙55，它们基于该第三非导电间隙53的中心点分别与该第二非导电间隙52和第一非导电间隙51相对称。这样，相邻于第三侧面43安置第一导电层20，相邻于第四侧面44安置第二导电层。第一至第五非导电间隙插入其间。

第一和第二电极60、70层压在阻抗元件10的下表面上，并通过非导电间隙56相互电隔离，如图3所述。用如上所述的导电层20、30的相同的方法形成电极60、70，此处不再细述。

请参照图4，该图为该实施例中沿A-A’线的PTC热敏电阻的断面图，A-A’线即为沿图2中从第一侧面41到第二侧面42的线，第二导电层30、第五非导电间隙55、第一导电层20、第三非导电间隙53、第二导电层30、第一非导电间隙51和第一导电层20在阻抗元件10的上表面上从第二侧面42到第一侧面41顺序地布置。换句话说，第一和第二导电层20、30被轮流布置。

为了在PCB上安装如上构造的PTC热敏电阻，如对已知技术的描述中所提及的那样，电极应置于同一表面上。这样，在PTC热敏电阻的侧面就会形成连接器，用于电连接第一导电层20至第一电极60，及连接第二导电层30至第二电极70。

图5a至5c和图6a和6b显示将形成于阻抗元件10上表面的导电层20、30分别电连接至形成于阻抗元件10下表面的电极60、70。为了在片状PTC元件上形成如图5a至5c所示的连接器80、82和84，该PTC元件具有在其上分别形成导电层和电极的上表面和下表面，形成一槽以便暴露该PTC元件的一部分，随后电镀该被暴露的部分用于连接导电层至电极。参见图5a，在第一侧面41形成连接器80，以便电连接上表面的第一导电层20至下表面的第一电极60。同样的，在图5b中，在第三侧面43的一部分形成连接器82，在图5c中，在第一和第三侧面41、43的部分形成连接器84，以便电连接上表面的第一导电层20至下表面的第一电极60。这时，应该注意到，形成的连接器其长度并不大于形成于阻抗元件下表面的第一电极60的长度。当然，第二导电层30和第二电极70也以同样的方式相互电连接。

图6a和6b显示通过使用一通孔对导电层和电极进行电连接，而替代图5a至5c的槽。该实施例中，通过使用打孔机或穿孔机在片状PTC元件上打一孔，该PTC元件具有在其上分别形成导电层和电极的上表面和下表面，随后电镀该孔的内表面，或在其中注入铅溶液，以便电连接导电层至电极。参见图6a，在PTC热敏电阻的第一和第二侧面41、42上形成具有通孔形状的连接器86，以便电连接第一导电层20至第一电极60，及连接第二导电层30至第二电极70。另外，在图6b中，在第三和第四侧面43、44上形成具有通孔形状的连接器88，以连接导电层至电极。

优选地，当电连接导电层至电极时，就构造了本发明的PTC热敏电阻，使得置于相对的上表面和下表面的组件(导电层和电极)具有相反的极性，及上表面的相邻导电层与下表面的相邻电极具有相反的极性。这将有助于增大PTC热敏电阻的电流。

图7显示了当在PCB(图中未示)上施加电压时的电流的例子，该PCB上安装有按照本发明实施例制造的PTC热敏电阻。通过第二电极70流入PTC热敏电阻的电流通过阻抗元件10直接流入相邻的第一电极60，或通过PTC元件10流入到对面的第一导电层20a，随后通过在侧面的连接器(图中未示)流出至第一电极60。另外，因为电流流经金属的速度可能比流经PTC元件10的速度快，流入第二电极70的电流部分流入在侧面的连接器中，该连接器电连接第二电极70至第二导电层30a，随后流出至对面的第一电极60，或者通过由侧面的连接器连接的对面的第一导电层20a部分流入至第一电极60。换句话说，第一导电层20a、第一电极60与第二导电层30a、第二电极70电连接在一起，使得互相面对的第一导电层20a和第二电极70与互相面对的第二导电层30a和第一电极60均具有相反的极性，且第一导电层20a和第二导电层30a与第一电极60和第二电极70均具有相反的极性。

因为本发明中通过作为边界的非导电层相邻隔离的第一和第二导电层20、30不同于传统的导电层，施加相反极性电压的相邻的导电层与阻抗元件一起组成一种电阻器。另外，因为第一和第二导电层为沿着非导电间隙的边界对称排列的，看起来有许多电阻器是平行排列的，依次具有相反的极性。

图8a和8b概要地显示了层压PTC热敏电阻，其中，导电层和电极被分别分成三个部分，且该导电层和电极分成的部分平行连接至该电极上。图9为显示图8a和8b的平行结构的电路示意图。此处，图8a中的热敏电阻为传统的热敏电阻，其构成为上表面的所述导电层的部分相互连接，与下表面的也为相互连接的所述电极的部分相隔离。另一方面，图8b中的热敏电阻为具有本发明结构的热敏电阻，其构成为上表面的所述导电层的部分与下表面的所述电极的部分交叉连接。

图10和图11分别为计算R2处阻抗的电路图，此时电流分别流入基于图8a和8b构造的PTC热敏电阻中。图10为如图8a所示的非交叉连接的导电层的部分的电路图。在图10的电路图中，导电层的部分与置于同一表面的电极具有相同的极性。这样，虽然有电流，但是电流不会流经导电层的相邻部分之间或同一表面的电极，而只是会流经互相面对的导电层和电极之间形成的通路。R2的阻抗计算为r。

另一方面，在图11的电路图中，在R2处的导电层的部分的极性是交替的。这样，如果有电流，则电流不仅会流经导电层和置于相对表面的电极之间，而且会流经导电层的所述部分之间或置于同一表面的电极中。这样便增加了电流流经通路的数量，使得阻抗降低。此时，R₂处的阻抗变为r/3。

作为本发明的另一实施例，图12和图13显示了具有进一步增加的电流通路数量的PTC热敏电阻。在图12中，通过插入在其间的非导电间隙150相互连结的第一导电层120和第二导电层130排列为具有更多的矩形凹凸图案，以增大电流。图13显示了阻抗元件的底部，其上以与前面的实施例相同的方式形成有相互电分离的第一和第二电极160、170。

图14很好地示出了PTC热敏电阻的电流。图14显示了沿图12中B-B’线的PTC热敏电阻的截面。参照图14，置于上表面的导电层的部分交替具有相反的极性。这样，当有电流时，所述部分的每个部分都形成有电流通过的通路，因此降低了阻抗。图14中与图12和图13相同的标号代表具有相同功能的同一组件，此处不再细述。

图15和图16显示了按照本发明另一实施例的PTC热敏电阻。参照图15，其显示了阻抗元件的上表面，具有相反极性的第一导电层220和第二导电层230排列为通过在其间插入的作为边界的非导电间隙250相互连结。另外，图16示出了阻抗元件的底部，其上形成有除了有功率的PTC热敏电阻的两端部分267、272，与导电层基本相同的平面凹凸图案的第一电极260和第二电极270，使得非导电间隙250插入在第一和第二电极260、270之间。这便增加了电流可以流经通路的数量。这样，如果PTC热敏电阻有功率，电流更容易流入相邻的导电层，从而降低了阻抗。另一方面，在所述平面凹凸图案构成为具有与PCB(图中未示)上的金属线相同的宽度的情况下，PTC热敏电阻的两端可能具有与其中中央部分相同的图案，并且上表面的图案可能构成为与下表面的图案相同。另外，虽然在图中示出该凹凸图案是水平成形的，但是如果所述图案是垂直成形的，当然也能达到相同的效果。图17很好的示出了如上构造的PTC热敏电阻的电流。图17显示了沿图15中C-C’线的PTC热敏电阻的截面，当在其上施加电流时，导电层的交替排列部分形成电流通路，从而降低了阻抗。图17中与图15和图16相同的标号代表具有相同功能的组件，此处不再细述。

上述详细描述了本发明。但是，应该了解到在说明本发明的优选实施例时的详细描述和详尽的实施例只是以举例说明的方式给出，从这些详细说明中，对于本领域的技术人员来讲，在本发明的精神和范围内作出各种改变和修改是显而易见的。举例来说，虽然在上述实施例中的阻抗元件说明为具有PTC特性，但是具有NTC特性的元件可以同样用于提供NTC热敏电阻。

工业应用性

按照本发明的热敏电阻在结构上是点对称的，因此可以抑制由非对称结构引起的“汤姆斯通(Tombstone)”现象。另外，因为具有相反极性的导电层排列为通过插入在其间的非导电间隙相互连结，因此增大了电流，从而降低了热敏电阻的阻抗。

Claims (11)

1.一种热敏电阻，包括：

一阻抗元件，其具有上表面和下表面，并根据温度的变化改变其阻抗特性；

第一和第二导电层，其形成在该阻抗元件的上表面上，该第一和第二导电层通过插入在其间的非导电间隙相互邻近连结；

第一和第二电极，其形成在该阻抗元件的下表面上，且彼此电分离；

第一连接器，其用于电连接该第一导电层至该第一电极上；

第二连接器，其用于电连接该第二导电层至该第二电极上。

2.如权利要求1所述的热敏电阻，其中：

当施加在所述第一电极和第二电极上的电压具有相反极性时，通过一区域在相邻的第一和第二导电层之间形成有电流通路，在该区域中形成有阻抗元件的非导电间隙。

3.如权利要求1所述的热敏电阻，其中：

所述第一、第二导电层和第一、第二电极是这样排列的：该第一导电层和第二电极通过插入在其间的阻抗元件基本相对，且该第二导电层和第一电极通过插入在其间的阻抗元件基本相对。

4.如权利要求1所述的热敏电阻，其中：

所述非导电间隙具有小于所述阻抗元件厚度的宽度。

5.如权利要求1所述的热敏电阻，其中：

所述阻抗元件为具有正温度系数的聚合物。

6.如权利要求1所述的热敏电阻，其中：

所述第一和第二导电层由铜或铜合金制成。

7.如权利要求1所述的热敏电阻，其中：

所述第一和第二电极由铜或铜合金制成。

8.如权利要求1所述的热敏电阻，其中：

所述第一连接器通过所述阻抗元件的一侧电连接所述第一导电层至所述第一电极，而所述第二连接器通过该阻抗元件的另一侧电连接所述第二导电层至所述第二电极。

9.如权利要求1所述的热敏电阻，其中：

所述阻抗元件在两侧均具有通孔，

其中，所述第一连接器通过该阻抗元件一侧的通孔电连接所述第一导电层至所述第一电极，而所述第二连接器通过该阻抗元件另一侧的通孔电连接所述第二导电层至所述第二电极。

10.如权利要求1所述的热敏电阻，其中：

所述非导电间隙具有凹凸图案的形状，该形状为矩形、三角形、之字形或波浪形。

11.如权利要求1所述的热敏电阻，其中：

所述第一和第二电极通过插入其间的非导电间隙相互邻近连结。

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