TW202013396A - 正溫度係數元件 - Google Patents

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Abstract

一種正溫度係數元件包含電流及溫度感測元件、第一絕緣層、第二絕緣層、第一電極層及第二電極層。該電流及溫度感測元件為層疊結構，包含第一導電層、第二導電層及PTC材料層。該第一導電層設於該PTC材料層之第一表面，第二導電層設於該PTC材料層之第二表面，第二表面位於第一表面之相對側。該第一絕緣層設置於該第一導電層表面，該第二絕緣層設置於該第二導電層表面。該第一電極層設置於該第一絕緣層表面，且電氣連接該第一導電層。該第二電極層設置於該第二絕緣層表面，且電氣連接該第二導電層。該電流及溫度感測元件的轉角處設有絕緣件。

Description

正溫度係數元件
本發明關於一種熱敏電阻，特別是關於一種正溫度係數(Positive Temperature Coefficient；PTC)元件。
正溫度係數元件可被用於保護電路，使其免於因過熱或流經過量電流而損壞。正溫度係數元件通常包含兩電極及位在兩電極間之電阻材料。此電阻材料具正溫度係數特性，亦即在室溫時具低電阻值，而當溫度上升至一臨界溫度或電路上有過量電流產生時，其電阻值可立刻跳升數百或數千倍以上，藉此抑制過量電流通過，以達到電路保護之目的；或應用於過溫度檢測電路，可預先檢測周圍溫度，以指示後端電路啟動過溫度保護動作，如關機或停止供電等動作。當溫度降回室溫後或電路上不再有過電流的狀況時，正溫度係數元件可回復至低電阻狀態，而使電路重新正常操作。此種可重複使用的優點，使正溫度係數元件取代保險絲或其他溫度感測元件，而被更廣泛運用在高密度電子電路上。
未來的電子產品，將朝著具有輕、薄、短、小的趨勢發展，以使得電子產品能更趨於迷你化。例如以手機而言，PTC過電流保護元件係設置於保護電路模組(Protective Circuit Module；PCM)上，其外接電極片將佔據一定的空間，因此薄型化之過電流保護元件有其強烈需求。在表面黏著元件(Surface mountable device；SMD)的過電流保護應用上，如何降低保護元件厚度，實為當今技術上的一大挑戰。
舉例而言，依照SMD0201的規格要求，長度為0.6±0.03mm，寬度為0.3±0.03mm，厚度為0.25±0.03mm。製作時長、寬尺寸較無問題，但厚度要求則不易達到。目前壓板線碳黑板材可壓至最薄為0.20mm，但在陶瓷粉板材則最薄為0.2~0.23mm，若仍採用含預浸玻纖材料(prepreg；PP層)及內、外層線路的設計（參美國專利US6,377,467），不僅厚度不符合要求，如果厚度接近或甚至大於寬度，後續生產包裝及客戶使用時，將出現因厚度過厚造成元件翻轉問題。另外，因包含內層線路及外層線路，在製作小尺寸產品時，易有內、外層線路對位不準確問題，生產良率將一併受到影響。
美國專利US9,007,166針對前述問題提出改良，直接以PTC基板作設計，不需增加prepreg層及外層電極層，僅將其中一邊的電極面蝕刻或切割隔離線，區分成左右電極，可以將PTC過電流保護元件的厚度控制於小於等於0.28mm。然而，因為兩邊的電極面並非對稱而有正反面，後續進行電氣檢測和包裝時，需區分正反面而較為麻煩，且隔離線若製作時因材料漲縮影響而有偏差，會造成左右電極一大一小而影響到電氣特性。另外，元件無prepreg 結構支撐，製作過程中可能有強度較為不足而容易斷裂的問題。此外，PTC材料於切割製程時易受切割時高溫程熔融狀，在切割第一刀(例如X軸)時，熔融狀材料可隨刀片往後帶離，毛邊相對較少，但在切割第二刀時(例如Y軸)，因第一刀溝槽已形成，熔融狀材料有一部分則往第一刀溝槽填入形成毛邊。此毛邊問題在大尺寸元件上相對較小，但在小尺寸元件上則相對較大，在後續捲帶包裝、SMT打件及焊接工藝上將造成影響。除了PTC材料毛邊影響較大外，切割後銅層延展的毛邊也會於切割時形成，對於特別是小尺寸的例如SMD0201結構元件亦會造成後續捲帶包裝、SMT打件及焊接工藝上將造成影響。
綜上，在正溫度係數元件小型化的同時，如何減少切割毛邊的問題，避免影響到後續捲帶包裝、SMT打件及焊接品質，是目前業界的一大挑戰。
本發明揭露一種正溫度係數元件，提供過電流保護及/或溫度感測功能。該正溫度係數元件，於其中的電流及溫度感測元件轉角處設置絕緣件，可提升產品結構強度，避免切割毛邊產生，進而增加製造良率。
根據本發明的一實施例，正溫度係數元件包含電流及溫度感測元件、第一絕緣層、第二絕緣層、第一電極層及第二電極層。該電流及溫度感測元件為層疊結構，包含第一導電層、第二導電層及PTC材料層。該第一導電層設於該PTC材料層之第一表面，第二導電層設於該PTC材料層之第二表面，第二表面位於第一表面之相對側。該第一絕緣層設置於該第一導電層表面，該第二絕緣層設置於該第二導電層表面。該第一電極層設置於該第一絕緣層表面，且電氣連接該第一導電層。該第二電極層設置於該第二絕緣層表面，且電氣連接該第二導電層。該電流及溫度感測元件的轉角處設有絕緣件。
一實施例中，該絕緣件延伸通過該第一導電層、第二導電層及PTC材料層的層疊結構。
一實施例中，該第一電極層和第二電極層作為該正溫度係數元件焊接於一電路板的爬錫面。
一實施例中，該絕緣件包含預浸玻纖材料或樹脂。
一實施例中，絕緣件的硬度大於PTC材料層的硬度。
一實施例中，絕緣件的玻璃轉換溫度(Tg)大於PTC材料層的玻璃轉換溫度達50o C以上。
一實施例中，該第一電極層、第一絕緣層、第一導電層、PTC材料層、第二導電層、第二絕緣層及第二電極層依序層疊。
一實施例中，該第一電極層、第一絕緣層、第一導電層、PTC材料層、第二導電層、第二絕緣層及第二電極層形成一底平面，該底平面朝向該電路板，作為焊接至該電路板的界面。
一實施例中，該正溫度係數元件另包含第一導電孔和第二導電孔。該第一導電孔通過該第一絕緣層，且連接該第一電極層和第一導電層。該第二導電孔通過該第二絕緣層，且連接該第二電極層和第二導電層。
一實施例中，該第一導電孔位於第一絕緣層的中央或側邊，且該第二導電孔位於第二絕緣層的中央或側邊。
一實施例中，該第一絕緣層、第一導電層、PTC材料層、第二導電層及第二絕緣層形成一底平面，該底平面朝向該電路板，該第一電極層外緣相對於該第一絕緣層內縮形成缺口，且該第二電極層外緣相對於該第二絕緣層內縮形成缺口。
一實施例中，該第一電極層外緣包含延伸至第一絕緣層邊緣的延伸塊，該第二電極層外緣包含延伸至第二絕緣層邊緣的延伸塊。
本發明的正溫度係數元件於初期的印刷電路板(PCB)製程時，先將形成電流及溫度感測元件的材料基板於垂直和水平切割道交會處進行鑽孔，之後以樹脂填充或prepreg壓合時自動填入孔中，形成絕緣件。該絕緣件最後形成於該電流及溫度感測元件的轉角處，可避免或降低切割所產生的毛邊問題，進而改善後續捲帶包裝及焊接問題。
另外，本發明一實施例的正溫度係數元件，將位於層疊件兩側的第一電極層和第二電極層作為該正溫度係數元件焊接於一電路板的爬錫面，特別適於小型化應用。
為讓本發明之上述和其他技術內容、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出相關實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
參照圖1，提供一複合基板，包括第一導電層13、PTC材料層12和第二導電層14。並於基板約等間隔處鑽洞，形成孔31。參照圖2，第一電極層17、第一絕緣層15、第一導電層13、PTC材料層12、第二導電層14、第二絕緣層16和第二電極層18進行壓合，形成層疊結構。第一導電層13設於該PTC材料層12的第一表面，第二導電層14設於該PTC材料層12的第二表面，第二表面位於第一表面之相對側。該第一絕緣層15設置於該第一導電層13表面，第二絕緣層16設置於該第二導電層14表面。第一電極層17設置於該第一絕緣層15表面，第二電極層18設置於該第二絕緣層16表面。第一導電層13和第二導電層14可為銅層，第一絕緣層15和第二絕緣層16可為預浸玻纖材料（prepreg），第一電極層17和第二電極層18可為銅電極。Prepreg具流動性，壓合時會流入孔31，形成絕緣件30。此外，絕緣件30也可以在壓合前先行以例如樹脂填塞於孔31中。絕緣件30的材質並不限於前述prepreg和樹脂，只要例如絕緣性和硬度等特性達到所需，如其他聚合物材料等，亦為本發明所涵蓋。
PTC材料層12中含有結晶性高分子聚合物及散佈於結晶性高分子聚合物中的導電填料。結晶性高分子聚合物材料可包括例如聚乙烯、聚丙烯、聚氟烯、前述之混合物及共聚合物等。導電填料可為碳黑、金屬粒子、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬氮化物等。例如：導電填料中之金屬粉末可選自鎳、鈷、銅、鐵、錫、鉛、銀、金、鉑或其他金屬及其合金。導電填料中之導電陶瓷粉末可選自金屬碳化物，例如：碳化鈦(TiC)、碳化鵭(WC)、碳化釩(VC)、碳化鋯(ZrC)、碳化鈮(NbC)、碳化鉭(TaC)、碳化鉬(MoC)及碳化鉿(HfC)；或選自金屬硼化物，例如：硼化鈦(TiB2 )、硼化釩(VB2 )、硼化鋯(ZrB2 )、硼化鈮(NbB2 )、硼化鉬(MoB2 )及硼化鉿(HfB2 )；或選自金屬氮化物，例如：氮化鋯(ZrN)。申言之，導電填料可選自前述金屬或導電陶瓷之混合物、合金、硬質合金、固溶體(solid solution)或核殼體(core-shell)。
參照圖3和圖4，其中圖3為橫向視圖，圖4為俯視圖。於層疊基板上下等間隔位置製作孔洞20，由圖4俯視圖來看，該孔洞20位於鄰近4個絕緣件30之間。另外，圖4中垂直和水平的虛線代表切割線，絕緣件30的位置就位於垂直和水平切割線的交叉處。上方孔洞20通過第一電極層17和第一絕緣層15直到第一導電層13表面，下方孔洞20通過第二電極層18和第二絕緣層16直到第二導電層14表面。該孔洞20可使用雷射鑽孔直接製作，適合小尺寸元件製作，且能精確控制孔洞20深度。該孔洞20製作時也可先蝕刻第一電極層17和第二電極層18，之後再於第一絕緣層15和第二絕緣層16中進行雷射鑽孔。該孔洞20並不限於雷射鑽孔製作，也可使用機械鑽孔。使用機械鑽孔可能鑽到部分第一導電層13或第二導電層14，也可能穿過第一導電層13或第二導電層14。
參照圖5，於上下孔洞20中分別填入導電物質，形成第一導電孔21和第二導電孔22。一實施例中，第一導電孔21和第二導電孔22可以利用電鍍銅來製作，電鍍同時也會增加第一電極層17和第二電極層18的厚度。如果孔洞20較大，第一導電孔21和第二導電孔22有可能無法完全填滿孔洞20，使得其相應處的第一電極層17和第二電極層18產生凹陷。一實施例中，第一電極層17和第二電極層18表面可以鍍錫，增加焊接效果。之後，於虛線位置等間隔切割，形成多個正溫度係數元件10，單個正溫度係數元件10的立體圖，如圖6所示。一實施例中，正溫度係數元件10設計成寬、厚尺寸相同，即如圖6側面第一電極層17和第二電極層18顯示為正方形的情形，因此不受元件翻轉問題影響。正溫度係數元件10中電流及溫度感測元件11的轉角處形成絕緣件30，因為絕緣件30的材質為如前述的prepreg或樹脂，其較PTC材料層12強韌，也不像第一導電層13和第二導電層14有金屬延展性，因此在切割時可提供保護，大幅降低毛邊的發生。為了防止切割時因PTC材料層12延展產生毛邊，較佳地絕緣件30的硬度大於PTC材料層12的硬度，或特別是絕緣件30的玻璃轉換溫度(Tg)大於PTC材料層12的玻璃轉換溫度(Tg)達50o C以上。
圖7顯示將正溫度係數元件10焊接於電路板的示意圖，正溫度係數元件10通過焊料61焊接於電路板60表面。進一步言之，正溫度係數元件10包括電流及溫度感測元件11、第一絕緣層15、第二絕緣層16、第一電極層17、第二電極層18、第一導電孔21及第二導電孔22。電流及溫度感測元件11為層疊結構，包含第一導電層13、第二導電層14及疊設於其間的PTC材料層12。該絕緣件30延伸通過該第一導電層13、第二導電層14及PTC材料層12的層疊結構，或更精確的說，位於該電流及溫度感測元件11的4個轉角處。第一電極層17設置於該第一絕緣層15表面，且電氣連接第一導電層13。第二電極層18設置於該第二絕緣層16表面，且電氣連接第二導電層14。第一導電孔21通過該第一絕緣層15，且連接該第一電極層17和第一導電層13。第二導電孔22通過該第二絕緣層16，且連接該第二電極層18和第二導電層14。本實施例中，該第一電極層17、第一絕緣層15、第一導電層13、PTC材料層12、第二導電層14、第二絕緣層16及第二電極層18依序層疊，且形成底平面24，該底平面24朝向該電路板60，作為焊接至該電路板60的界面。當焊接時，焊料61會沿第一電極層17和第二電極層18爬錫，亦即該第一電極層17和第二電極層18作為正溫度係數元件10焊接於電路板60的爬錫面。
復參圖5，切割形成正溫度係數元件10時，位於下方的第二電極層18因為金屬延展性的關係，如果切割力道過大可能會下拉延長而造成凸出毛邊。參照圖8，其顯示另一實施例的正溫度係數元件70，其與圖6所示的正溫度係數元件10的差異在於第一電極層17外緣相較於第一絕緣層15內縮形成缺口26，且該第二電極層18外緣相對於該第二絕緣層16也內縮形成缺口26，形成對稱結構。圖9顯示正溫度係數元件70的第一電極層17和第二電極層18的製作方式，切割前在第一電極層17和第二電極層18製作溝槽81，去除溝槽81中的電極層。溝槽81環繞孔洞20，且對應於切割正溫度係數元件70的位置。水平向和垂直向溝槽81的交叉處對應於絕緣件30的位置。溝槽81的寬度大於切割寬度，約等於兩倍缺口26寬度加上切割刀具寬度。如此一來，切割時不會切到第一電極層17和第二電極層18，而產生內縮的缺口26，從而有效避免切割電極層產生毛邊的問題。
圖10顯示本發明又一實施例的正溫度係數元件90。該正溫度係數元件90和正溫度係數元件70同樣將第一電極層17和第二電極層18內縮，差異處在於第一電極層17外緣包含延伸至第一絕緣層15邊緣的延伸塊27，第二電極層18外緣包含延伸至第二絕緣層16邊緣的延伸塊28。如此一來，延伸塊27和28延伸至元件底平面，等於提供焊料的爬錫管道，有助於在缺口26過大時提升焊接時的爬錫效果。圖11顯示正溫度係數元件90的第一電極層17和第二電極層18的製作方式，在第一電極層17和第二電極層18製作溝槽91，去除溝槽91中的電極層。溝槽91對應於切割正溫度係數元件90的位置，但並非全部連續，使得相連元件間的第一電極層17和第二電極層18仍有部分連續，該連續處即形成延伸塊27和28。較佳地，該延伸塊27或28寬度約佔第一絕緣層15或16寬度的20~60%。溝槽91的寬度大於切割寬度，約等於兩倍缺口26寬度加上切割刀具寬度。切割雖然會切到延伸塊27和28，但因延伸塊27和28相較於第一電極層17和第二電極層18所佔比例不大，可有效降低切割第一電極層17和第二電極層18所產生的毛邊問題，同時兼顧爬錫效果。
上述實施例的導電孔大致位於元件中央，但並不以此為限。導電孔的位置也可於位於元件的四個側邊中央，只要能電氣連接第一導電層13和第一電極層17以及電氣連接第二導電層14和第二電極層18，均為本發明所涵蓋。以上實施例，增加prepreg絕緣層提供結構支撐，特別適於元件小型化的應用。
圖12顯示本發明又一實施例的正溫度係數元件，其結構與美國專利US6,377,467所公開的結構類似，差異處在於元件轉角處設置絕緣件以降低毛邊的發生。正溫度係數元件40包括：電流及溫度感測元件41、第一絕緣層45、第二絕緣層46、第一電極層47及第二電極層48。該電流及溫度感測元件41為層疊結構，包含第一導電層43、第二導電層44及PTC材料層42，該第一導電層43設於該PTC材料層42的第一表面，第二導電層44設於該PTC材料層42的第二表面，第二表面位於第一表面的相對側。該第一絕緣層45設置於該第一導電層43表面，且第二絕緣層46設置於該第二導電層44表面。該第一電極層47有兩塊，分別設置於該第一絕緣層45和第二絕緣層46表面，且可通過導電孔49電氣連接該第一導電層43。該第二電極層48也有兩塊，分別設置於該第一絕緣層45和第二絕緣層46表面，且可通過導電孔50電氣連接該第二導電層44。正溫度係數元件40中電流及溫度感測元件41的四個轉角處形成絕緣件51，因為絕緣件51的材質如prepreg或樹脂較PTC材料層42強韌，也不像第一導電層43和第二導電層44有金屬延展性，因此在切割時可提供保護，大幅降低毛邊的發生。
本發明的正溫度係數元件除了過電流保護應用外，也可作為溫度感測，其中電流及溫度感測元件的轉角處設置絕緣件，可有效解決切割毛邊的問題，進而改善後續捲帶包裝及焊接問題。特別是，本發明一實施例的正溫度係數元件利用直接壓合的方式製作層疊板，切割後將層疊面作底平面即可進行焊接，不僅結構和製程簡單，非常適合製作小型元件，例如規格為0402和0201尺寸的產品。一實施例中，正溫度係數元件的寬和厚的尺寸相同，不受翻轉問題影響。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本領域具有通常知識之技術人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
10、40、70、90:正溫度係數元件11、41:電流及溫度感測元件12、42:PTC材料層13、43:第一導電層14、44:第二導電層15、45:第一絕緣層16、46:第二絕緣層17、47:第一電極層18、48:第二電極層20:孔洞21:第一導電孔22:第二導電孔24:底平面26:缺口27、28:延伸塊30:絕緣件31:孔49、50:導電孔51:絕緣件60:電路板61:焊料81、91:溝槽
圖1~5顯示本發明一實施例的正溫度係數元件的製作流程。 圖6顯示本發明一實施例之正溫度係數元件的立體結構示意圖。 圖7顯示本發明一實施例之正溫度係數元件的應用剖面示意圖。 圖8顯示本發明另一實施例之正溫度係數元件的立體結構示意圖。 圖9顯示本發明另一實施例之正溫度係數元件的製作方式。 圖10顯示本發明又一實施例之正溫度係數元件的立體結構示意圖。 圖11顯示本發明又一實施例之正溫度係數元件的製作方式。 圖12顯示本發明再一實施例之正溫度係數元件的立體結構示意圖。
10:正溫度係數元件
11:電流及溫度感測元件
12:PTC材料層
13:第一導電層
14:第二導電層
15:第一絕緣層
16:第二絕緣層
17:第一電極層
18:第二電極層
21:第一導電孔
22:第二導電孔
24:底平面
30:絕緣件
60:電路板
61:焊料

Claims (12)

  1. 一種正溫度係數元件，包含： 一電流及溫度感測元件，其為層疊結構，包含第一導電層、第二導電層及PTC材料層，該第一導電層設於該PTC材料層之第一表面，第二導電層設於該PTC材料層之第二表面，第二表面位於第一表面之相對側； 一第一絕緣層，設置於該第一導電層表面； 一第二絕緣層，設置於該第二導電層表面； 一第一電極層，設置於該第一絕緣層表面，且電氣連接該第一導電層；以及 一第二電極層，設置於該第二絕緣層表面，且電氣連接該第二導電層； 其中該電流及溫度感測元件的轉角處設有絕緣件。
  2. 根據請求項1之正溫度係數元件，其中該絕緣件延伸通過該第一導電層、第二導電層及PTC材料層的層疊結構。
  3. 根據請求項1之正溫度係數元件，其中該第一電極層和第二電極層作為該正溫度係數元件焊接於一電路板的爬錫面。
  4. 根據請求項1之正溫度係數元件，其中該絕緣件包含預浸玻纖材料或樹脂。
  5. 根據請求項1之正溫度係數元件，其中該絕緣件的硬度大於PTC材料層12的硬度。
  6. 根據請求項1之正溫度係數元件，其中該絕緣件的玻璃轉換溫度大於PTC材料層的玻璃轉換溫度達50o C以上。
  7. 根據請求項1之正溫度係數元件，其中該第一電極層、第一絕緣層、第一導電層、PTC材料層、第二導電層、第二絕緣層及第二電極層依序層疊。
  8. 根據請求項1之正溫度係數元件，其中該第一電極層、第一絕緣層、第一導電層、PTC材料層、第二導電層、第二絕緣層及第二電極層形成一底平面，該底平面朝向該電路板，作為焊接至該電路板的界面。
  9. 根據請求項1之正溫度係數元件，其另包含： 一第一導電孔，通過該第一絕緣層，且連接該第一電極層和第一導電層；以及 一第二導電孔，通過該第二絕緣層，且連接該第二電極層和第二導電層。
  10. 根據請求項9之正溫度係數元件，其中該第一導電孔位於第一絕緣層的中央或側邊，且該第二導電孔位於第二絕緣層的中央或側邊。
  11. 根據請求項1之正溫度係數元件，其中該第一絕緣層、第一導電層、PTC材料層、第二導電層及第二絕緣層形成一底平面，該底平面朝向該電路板，該第一電極層外緣相對於該第一絕緣層內縮形成缺口，且該第二電極層外緣相對於該第二絕緣層內縮形成缺口。
  12. 根據請求項11之正溫度係數元件，其中該第一電極層外緣包含延伸至第一絕緣層邊緣的延伸塊，該第二電極層外緣包含延伸至第二絕緣層邊緣的延伸塊。
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