KR20040035314A - 표면실장형 정온계수 전기 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 표면실장형 PTC 전기 장치는 온도 증가에 따라 저항이 증가하는 정온계수 성질을 가지는 PTC 소자, 상기 PTC 소자의 내부에 삽입되며 일부가 노출되는 두 개의 전도성 도선 및 상기 PTC소자의 표면에 노출된 각각의 전도성 도선을 감싸며, 각각의 전도성 도선과 전기적으로 연결되어 전극의 역할을 하는 제 1 솔더물질과 제 2 솔더물질을 포함한다.

Description

표면실장형 정온계수 전기 장치 및 그 제조 방법{positive temperature coefficient electrical device for surface mounting and method thereof}

본 발명은 표면실장형 정온계수 전기 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인쇄회로기판에 장착되어 회로를 보호하는 기능을 하는 표면실장형 정온계수 전기장치에 관한 것이다.

많은 전도성 물질의 고유저항은 온도에 따라 변한다고 알려져 있다. 통상적으로 서미스터(thermistor)라고 불리며, 대표적으로 온도 상승과 함께 저항치가 감소하는 NTC(Nagative Temperature Coefficient)와 온도 상승과 함께 저항치가 증가하는 PTC(Positive Temperature Coefficient)로 구분된다.

여기서, 상기 PTC 물질은 상온과 같은 낮은 온도에서는 저항이 낮아 전류를 통과시키지만, 주위의 온도가 상승하거나 과전류로 인해 물질의 온도가 상승하게 되면 저항이 처음상태보다 약 1000 ~ 10000 이상으로 증가하여 흐르던 전류를 차단하기 때문에 회로기판에 실장되어 과전류를 억제하는 소자로서 이용된다.

하지만, 인쇄회로기판(printed circuit board;PCB)은 여러 장치들이 그 위에 장착되기 때문에 현대와 같이 경박단소의 흐름에서는 제약을 많이 받는 장치이다.따라서, 상기와 같은 제약을 회피하기 위해 여러가지 형태가 제안되고 있으며, 그 중에서 가장 일반적인 형태로는 한 쌍의 라미네이터 전극 사이에 스위칭되는 PTC 소자이다.

도 1을 참조하면 미국특허 제 US5852397호는 PTC 소자(17)의 양면을 금속 호일(13, 15)로 라미네이트한 PTC 소자 시트(sheet)에 쓰루홀(Thru-hole)(51)을 뚫고 시트 전면과 상기 홀 내부를 도금(52)하여 상하 금속호일 예컨대, 상하 전극을 연결시킨 후, 에칭을 실시하여 전극을 양극으로 분리하였다. 즉, 상기 종래 발명은 쓰루홀을 상하 전극의 전기적 연결 통로로 사용하였다.

또한, 도 2를 참조하면 미국특허 제 US5884391호는 PTC 시트에 홀 대신에 긴 슬릿(slit)을 형성하고, 이 슬릿단면을 포함한 전면을 도금(150)하여 상하 전극을 연결한다. 이후, 상기 상하 전극을 에칭으로 분리하고, 솔더 레지스터(solder resist)(120) 및 솔더 도금(solder plating)(180)을 도포하여 양 전극을 형성한다. 상기 종래 발명은 상기 미국특허와 달리 홀 대신에 슬릿을 상하 전극의 전기적 연결 통로로 사용하였음에 특징이 있다.

한편, 다른 종래예로서 도 3의 미국특허 제 US5699607호는 PTC 시트에 긴 슬릿을 형성하고, 이 슬릿 단면을 포함한 시트 전면에 먼저 솔더 레지스트(120)를 도포하고, 솔더 레지스트의 일부분에 갭(gap)(130)을 형성하여 PTC 시트의 금속 호일 예컨대 전극(90)을 드러나게 한 후 양단면에 도금을 실시한다. 상기 종래 발명은 상기 두 종래 발명과 달리 전극에 에칭을 실시하지 않고 먼저 도포된 솔더 레지스터의 일부를 제거하고 그 위에 도금된 층이 PTC 시트의 전극과 접속되도록 하는 것이 특징이다. 즉, 상기 첫번째 발명의 홀이나 두번째 발명의 슬릿에 연결하지 않기 때문에 PTC 소자의 유효면적이 넓다는데 그 특징이 있다.

하지만, 상기 종래의 발명들은 모두 PTC 소자의 상하면에 금속 호일이 라미네이터된 적층구조의 PTC 시트를 개시하고 있다. 따라서, 상하의 전극을 연결하기 위해서는 양 전극을 접속시키기 위한 공간 예컨대, 쓰루홀 또는 슬릿 등이 필요로 한다. 또한, 상기 양 전극을 인쇄회로기판에 실장하기 위해시키는 상기 쓰루홀 또는 슬릿으로 전면이 전기적으로 연결된 PTC 시트의 전극을 한쪽 면으로 이동시키기 위해 에칭 등의 공정을 통해 전극을 분리하는 공정이 필수적으로 포함되어야 하기 때문에 공정이 복잡하고 생산성이 낮아지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 상하 전극 사이에 PTC 소자가 샌드위치되어 있는 PTC 전기 장치에 있어서, 상하 전극을 연결하기 위해 PTC 소자의 외부 또는 내부의 형성되는 연결통로를 가공하지 않으면서, PTC 소자의 유효면적을 증가시켜 PTC 소자의 저항특성을 향상시킬 수 있는 표면실장형 정온계수 전기 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 종래발명의 일 실시예에 따른 PTC 소자의 단면도이다.

도 2은 종래발명의 다른 실시예에 따른 PTC 소자의 단면도이다.

도 3은 종래발명에 또 다른 실시예에 따른 PTC 소자의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 PTC 소자의 단면도이다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 이용가능한 전도성 도선의 형태를 나타낸 도면이다.

도 7은 도 4의 일 실시예에 절연물을 형성한 것을 나타내는 도면이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멀티형 PTC 소자를 나타낸 도면이다.

도 9 는 본 발명에 이용되는 PTC 시트를 나타낸 도면이다.

도 10은 상기 도 9의 PTC 시트를 절단해서 형성된 PTC 소자의 단면도를 나타낸 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 표면실장형 PTC 전기 장치는 온도 증가에 따라 저항이 증가하는 정온계수 성질을 가지는 PTC 소자, 상기 PTC 소자의 내부에 삽입되며 일부가 노출되는 두 개의 전도성 도선 및 상기 PTC소자의 표면에 노출된 각각의 전도성 도선을 감싸며, 각각의 전도성 도선과 전기적으로 연결되어 전극의 역할을 하는 제 1 솔더물질과 제 2 솔더물질을 포함한다.

바람직하게, 상기 전도성 도선들의 사이에는 절연물질이 개재될 수 있으며, 상기 PTC 소자는 내부에 전도성 입자들이 분산된 폴리머이며, 상기 전도성 도선은구리 또는 구리합금인 것을 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부에 두 개의 전도성 도선이 삽입되며 상기 전도성 도선의 일부가 양면에 노출되어 있는 제 1 PTC 소자, 상기 제 1 PTC 소자와 같은 구조를 가지며 제 1 PTC 소자의 위에 포개지는 적어도 하나 이상의 제 2 PTC 소자, 상기 제 1 PTC 소자와 제 2 PTC 소자가 인접하는 일면에 개재되어 그 일부가 노출된 전도성 도선을 각각 전기적으로 연결하는 내부솔더층 및 상기 제 1 PTC 소자와 제 2 PTC 소자의 표면에 형성되어 상기 일부가 노출된 전도성 도선을 전기적으로 분리시키면서 기판에 각각 접속되도록 하는 외부솔더층을 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 PTC 전기장치의 단면을 나타낸 도면이다. 이를 참조하면, PTC 전기 장치(10)는 내부에 두 개의 전도성 도선(21, 22)을 구비하며 상기 전도성 도선의 일부가 노출되어 있는 PTC 소자(30)와, 상기PTC소자(30)의 표면에 노출된 각각의 전도성 도선을 감싸며 각각의 전도성 도선과 전기적으로 연결되어 전극의 역할을 하는 제 1솔더물질(41)과 제 2솔더물질(42)을 포함한다.

좀 더 자세히 설명하면, 상기 PTC 소자(30)는 전도성입자들이 내부에 분산되어 전기적으로 PTC의 성질을 가지는 폴리머로 구성된다. 상기 폴리머에는 폴리에칠렌, 폴리프로필렌, 에칠렌/프로필렌 중합체 등이 채용될 수 있으며, 상기 전도성입자는 카본 블랙 또는 기타 금속재의 입자들이 채용될 수 있다. 또한, 상기 전도성 도선(21, 22)은 전도성이 좋은 구리 또는 구리합금을 채용한다. 이때, 상기 도선의 굵기, 모양, 간격은 사용자의 요구에 따라 달라질 수 있으며, 특히 도선의 모양은 PTC 재료와 접착성이 좋고 표면에 노출이 용이한 구조로서, 도 4 내지 도 6 에 나타낸 것과 같이 단면이 원형(21, 22), 사각형(23, 24) 또는 요철(25, 26)이 있는 구조가 바람직하다. 상기 도 5 및 도 6에 있어서 도면부호 중 상기 도 4와 동일한 부호는 같은 기능을 하기 때문에 설명은 생략한다.

본 발명에 따르면, 상기 전도성 도선(21, 22)은 PTC 소자(30) 내부에 삽입되어 있으며, 그 일부가 외부로 노출되어 있으며, 바람직하게 두 개의 전도성 도선(21, 22)은 PTC 소자(30)의 양 단부에 위치한다.

전도성 도선이 노출되어 있는 PTC 소자(30)의 표면에는 전극으로 사용되는 솔더물질(41, 42)이 각각 도포되어 있다. 솔더물질(41, 42)은 납, 납/주석 및 기타 솔더용 합금을 채용가능하며 바람직하게, 상기 솔더물질(41, 42)은 PTC 소자(30)의 표면에 노출되어 있는 전도성 도선(21, 22)의 노출부분을 감싸도록 도포된다. 특히, 솔더물질을 전극으로 사용하기 위해서는 솔더물질이 서로 전기적으로 분리되어 PTC 소자(30)의 표면에 형성되어야 한다. 따라서, 솔더물질은 서로 위치적으로 이격 설치되거나 또는 각각의 솔더물질 사이에 절연물질이 개재됨으로서 상호간에 전기적으로 분리된다. 도 7은 상기 솔더물질(41, 42) 사이에 절연물질(50)이 형성된 상태를 나타낸 도면으로서, 이때의 절연물질(50)은 포토 레지스트, 세라믹, 솔더 마스크 등의 비전도성 물질이 채용가능하며, 솔더물질은 솔더재가 들어 있는 납조 등에 함침시킴으로서 PTC 표면에 도포된다. 아울러, 도 7에 사용된 도면부호 중 상기 도 4와 동일한 부호는 같은 기능을 하는 부호로서 그 설명을 생략한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예를 도 8에 나타내었다. 도 8은 상기 일 실시예에 의해 제조된 PTC 전기 장치를 적층한 것으로서, PTC 소자의 유효면적을 증가시켜서 저항특성을 향상시킬 수 있다.

도 8을 참조해서 설명하면, 전도성 도선(110, 120)을 내부에 삽입하고 상기 전도성 도선의 일부가 노출되어 있는 제 1 PTC 소자(100), 상기 제 1 PTC 소자와 동일한 구조를 가지고 있으며 상기 제 1 PTC 소자에 포개지는 제 2 PTC 소자(200), 상기 제 1 PTC 소자(100)와 제 2 PTC 소자(200)가 접합되는 일면에 개재되어 상기 일부가 노출된 전도성 도선을 각각 전기적으로 연결하는 전도성의 내부 솔더층(310, 320) 및 상기 제 1 PTC 소자와 제 2 PTC 소자의 표면에 형성되어 상기 일부가 노출된 전도성 도선을 기판에 각각 접속되도록 하는 외부솔더층(410, 420)을 포함한다.

제 1 PTC 소자(100) 및 제 2 PTC 소자(200)는 상술한 일 실시예의 경우와 동일한 구조를 가지므로 여기서는 설명을 생략한다. 제 1 PTC 소자(100)와 포개지는 PTC 소자들은 적어도 한 개이상 적층하는 것이 가능하며, 바람직하게는 두 전도성 도선의 거리(d)보다 적층되는 PTC 소자의 적층 높이(H)를 높임으로서 유효면적을 확장시켜 PTC 전기 장치의 저항특성을 높일 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 제 1 PTC 소자(100)와 제 2 PTC 소자(200)는 서로 동일한 방향으로 적층된다. 다시 말하면, PTC 소자의 내부에 삽입되어 있으며 일부가 외부로 노출되어 있는 전도성 도선은 적층될 때 서로 전기적으로 연결되어 있어야 한다. 이를 위해, 서로 포개지는 제 1 PTC 소자(100)의 전도성 도선(110, 120)과 제 2 PTC 소자(200)의 전도성 도선(210, 220)은 맞닿아 있도록 고정하는 것이 바람직하지며, 더욱 바람직하게는 전도성 도선이 적층되는 각각의 연결부위에 내부솔더층(310, 320)을 형성하여 연결의 안정성을 확보한다. 상기 내부솔더층에 사용될 수 있는 솔더물질로는 상기와 같은 납, 납/주석 및 기타 솔더용 합금 등이 있다.

한편, 상기 적층된 제 1 PTC 소자(100)와 제 2 PTC 소자(200)의 표면에는 회로기판(미도시)과의 접속이 용이하도록 외부솔더층(410, 420)을 형성하는 것이 바람직하다. 외부솔더층(410, 420)은 상기 일 실시예와 같이 상호간에 전기적으로 분리되어 있기때문에 각각 전극으로도 사용가능하며, 상면과 하면이 대칭으로 포개지기 때문에 뒤집혀도 동일한 효과를 낼 수 있음은 물론이다.

그러면, 상기와 같은 구성을 가진 표면실장형 PTC 전기 장치의 제조 공정에 대해 간단히 살펴본다.

본 발명에 사용되는 PTC 소자를 제조하기 위해서는 먼저 PTC 시트(sheet)를 준비하고, PTC 시트를 원하는 모양 및 크기로 절단한다. 도 9는 상기 PTC 시트(500)를 나타낸 도면으로서 내부에 복수개의 전도성 도선(510)을 삽입하고 있는 PTC 폴리머(520)로 구성되며, 상기 전도성 도선(510)의 일부는 PTC 폴리머(520)의 외부로 노출되어 있다. 도 10은 상기 PTC 시트를 절단해서 형성된 PTC 소자(600)의 단면도로서 두 개의 전도성 도선(510)을 삽입하고 있는 것을 나타낸다. 도 9와 같이 전도성 도선(510)의 일부가 외부로 노출된 PTC 시트(500)를 제조하기 위해서는 전도성 도선 주변을 고분자의 PTC 폴리머(520)가 채워지도록 하여 PTC 소자를 압축 성형한다. 구체적인 예를 들면, 피복전선을 제조하는 장치와 같이 가압 롤러 사이에 고분자의 PTC 혼합물과 전도성 도선을 압출 성형하여 PTC 시트를 가공하며, 이때 적정한 노출 정도를 미리 산정하여 PTC 시트를 배출시키거나, 다른 대안으로는 전도성 도선이 삽입된 PTC 시트를 소정 두께로 제조한 후, 소정의 전도성 도선이 노출되도록 연마등과 같은 표면가공을 실시하는 것도 가능하다. PTC 시트가 완성되면 필요한 모양과 크기로 절단하여 PTC 소자(600)를 제조한다.

PTC 소자가 준비되면, PTC 소자의 표면에 노출된 두 개의 전도성 도선이 서로 전기적으로 접속하지 않도록 하면서, 솔더물질로 각각의 전도성 도선을 감싸서 PTC 전기 장치를 제조한다. 이렇게 완성된 PTC 전기장치가 도 4에 도시되어 있는 형태이다. 솔더물질의 도포는 상기와 같이 납조에 함침하여 형성시킬 수 있으며, 다른 대안으로는 마스크를 사용하여 필요한 부분에만 솔더물질을 도포하는 방식도 채용가능하다. 또한, 상기 전기적으로 연결되지 않은 솔더물질의 사이에는 도포된솔더물질이 서로 접속되어 단락이 발생하지 않도록 절연층을 형성하는 것이 바람직하며, 이때 사용가능한 절연물질로는 포토 레지스트, 세라믹, 솔더 마스크 등의 비전도성 물질이 채용가능하다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명의 표면실장형 정온계수 전기 장치 및 그 제조 방법은 상하 전극을 연결하기 위해 PTC 소자의 외부 또는 내부의 형성되는 연결통로를 가공하지 않기 때문에 공정을 단순화하여 생산성을 증가시킬 수 있다. 또한, PTC 소자의 내부에 표면적이 큰 전도성 도선을 삽입하여 전기적 연결통로를 형성시킴으로서 PTC 소자의 유효면적이 증가하여 저항특성이 향상된다.

Claims (9)

1. 표면실장형 PTC 전기 장치에 있어서,

   온도 증가에 따라 저항이 증가하는 정온계수 성질을 가지는 PTC 소자;

   상기 PTC 소자의 내부에 삽입되며, 일부가 노출되는 두 개의 전도성 도선; 및

   상기 PTC소자의 표면에 노출된 각각의 전도성 도선을 감싸며, 각각의 전도성 도선과 전기적으로 연결되어 전극의 역할을 하는 제 1 솔더물질과 제 2 솔더물질;을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면실장형 PTC 전기 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전도성 도선들의 사이에는 절연물질이 개재되는 것을 특징으로 하는 표면실장형 PTC 전기 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 PTC 소자는 내부에 전도성 입자들이 분산된 폴리머인 것을 특징으로 하는 표면실장형 PTC 전기 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 전도성 도선은 구리 또는 구리합금인 것을 특징으로 하는 표면실장형PTC 전기 장치.
5. 표면실장형 PTC 전기 장치에 있어서,

   내부에 두 개의 전도성 도선이 삽입되며, 상기 전도성 도선의 일부가 양면에 노출되어 있는 제 1 PTC 소자;

   상기 제 1 PTC 소자와 같은 구조를 가지며, 상기 제 1 PTC 소자의 위에 포개지는 적어도 하나 이상의 제 2 PTC 소자;

   상기 제 1 PTC 소자와 제 2 PTC 소자가 인접하는 일면에 개재되어, 상기 일부가 노출된 전도성 도선을 각각 전기적으로 연결하는 내부솔더층;

   상기 제 1 PTC 소자와 제 2 PTC 소자의 표면에 형성되어 상기 일부가 노출된 전도성 도선을 전기적으로 분리시키면서 기판에 각각 접속되도록 하는 외부솔더층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면실장형 PTC 전기 장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 내부솔더층의 사이에 개재되는 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면실장형 PTC 전기 장치.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 외부솔더층의 사이에는 절연층이 형성되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면실장형 PTC 전기 장치.
8. 내부에 이격된 두 개의 전도성 도선을 삽입하고 있으며, 상기 전도성 도선의 일부가 외부로 노출되어 있는 PTC 소자를 준비하는 단계;와

   상기 PTC 소자의 표면에 노출된 두 개의 전도성 도선을 서로 전기적으로 연결되지 않도록 각각 솔더물질을 도포하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면실장형 PTC 전기 장치의 제조 방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 전기적으로 연결되지 않은 솔더물질의 사이에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PTC 전기 장치의 제조 방법.