WO2011079549A1

WO2011079549A1 - 表面贴装型过电流保护元件

Info

Publication number: WO2011079549A1
Application number: PCT/CN2010/070957
Authority: WO
Inventors: 刘正平; 刘玉堂; 王军; 杨金华; 高道华; 程真; 李全涛; 孙天举
Original assignee: 上海长园维安电子线路保护股份有限公司
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-07-07
Also published as: EP2521140B1; JP2013516077A; EP2521140A1; EP2521140A4; US8576043B2; CN101740189A; JP5472953B2; US20130015943A1

Description

表面贴装型过电流保护元件技术领域

本发明涉及一种表面贴装型过电流保护元件，具体地说，本发明涉及一种低电阻、小尺寸，具有正温度系数 (PTC)特性的表面贴装型过电流保护元件。背景技术

聚合物和分散在聚合物中的导电填充材料组成的导电性聚合物以及由此导电性聚合物制造的具有正温度系数 (PTC)特性的表面贴装型过电流保护元件技术已是大家所熟知的。通常， PTC导电性聚合物是由一种或一种以上的结晶聚合物及一导电填充材料组成，该导电填充材料均匀分散于该聚合物中。导电填充材料可以为聚乙烯、乙烯类共聚物、氟聚合物中的一种或其中几种的混合物；导电填充材料可以为碳黑、金属颗粒或无机陶瓷粉末。此类导电性聚合物的 PTC特性（电阻值随温度上升而增加）被认为是由于熔融时结晶聚合物的膨胀导致导电粒子所形成的导电通道断开造成的。

在现有已公开的技术中，最普遍的是将碳黑作为导电填充材料，但是将碳黑作为导电填充材料制造的导电性聚合物难以得到很低的室温电阻率，特别是将该聚合物用来制造电池（组）的过电流保护元件时，将不能满足器件小型化（例如， 1210 尺寸，即元件的面积为 0. 12 " X 0. 10 "，转换成公制单位是 3. ½im X 2. 75mm) ,低室温电阻 (起始零功率电阻典型值为 5毫欧，焊后电阻小于 15毫欧) 的要求。虽然将金属颗粒（如镍粉）作为导电填充材料可以制得较低室温电阻率的导电性聚合物，用此类导电性聚合物制造的过电流保护元件可以满足小型化、低室温电阻的要求，但是又会出现新的问题：一般金属粉都较易氧化，特别是在高温的环境下，氧化反应会加速，元件的电阻持续升高，最终导致元件失效。为此，本发明公开一种小尺寸，低电阻并具有环境稳定性的表面贴装型过电流保护元件。发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有正温度系数特性的表面贴装型过电流保护元件，该元件不仅具有尺寸小、室温电阻低、高承载电流的特点，并且具有优良的耐侯性能。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述表面贴装型过电流保护元件的制造方法。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种表面贴装型过电流保护元件，包括两个单层 PTC复合芯片，芯片由第一 PTC芯材和贴覆于第一 PTC 芯材两表面的第一金属箔层、第二金属箔层构成，另一芯片由第二 PTC芯材和贴覆于第二 PTC芯材两表面的第三金属箔层、第四金属箔层构成，第一金属箔层、第二金属箔层、第三金属箔层及第四金属箔层均为单面粗化的铜箔，粗化的一面与第一 PTC芯材或第二 PTC芯材相贴，其中，

在所述的两个单层 PTC复合芯片之间由第三绝缘层将第二金属箔层与第三金属箔层电气隔离并粘结，构成双层 PTC复合芯片；

在双层 PTC复合芯片中部偏侧位置，在第一金属箔层和第四金属箔层上下相对位置上分别形成一个蚀刻图形（蚀刻圆）以露出内侧的第一 PTC芯材和第二 PTC芯材，构成复合小芯片；

在双层 PTC复合芯片的四周环绕设有隔离层，构成包覆芯片；

在包覆芯片的上下表面的分别设有第一绝缘层和第二绝缘层；

在第一绝缘层将上方两侧的第一金属电极和第三金属电极与第一金属箔层电气隔离并粘结，第一金属电极和第三金属电极在中部留有间距以露出内侧的第一绝缘层；在第二绝缘层将上方两侧的第二金属电极和第四金属电极与第四金属箔层电气隔离并粘结，第二金属电极和第四金属电极在中部留有间距以露出内侧的第二绝缘层；

在第一金属电极、第三金属电极、第二金属电极、第四金属电极表面均镀有镀铜层；

在蚀刻图形处设有贯穿的内通孔，该内通孔与蚀刻图形同心，且孔径小于蚀刻图形的面积；

在两端分别设有端头通孔；

在与内通孔位置对称的另一侧，从上、下表面分别设有一个盲孔，以露出内侧的第一 PTC芯材和第二 PTC芯材；

在内通孔、端部通孔及两个盲孔内表面均形成有金属导体，其中，第一金属导体设在端部通孔内表面，将第一金属电极和第二金属电极电气连接；

第三金属导体设在端部通孔内表面，将第三金属电极和第四金属电极电气连接；

第二金属导体设在内通孔内表面，将第一金属电极、第二金属箔层、第三金属箔层和第二金属电极电气连接；

第四金属导体设在盲孔内表面，将第三金属电极和第一金属箔层电气连接；第五金属导体设在另一盲孔内表面，将第四金属电极和第四金属箔层电气连接；

第四绝缘层将第一金属电极与第三金属电极电气隔离，并将内通孔一端的孔口及盲孔的孔口填塞；

第五绝缘层将第二金属电极与第四金属电极电气隔离，并将内通孔另一端的孔口及盲孔的孔口填塞，共同构成过电流保护元件。

在上述方案的基础上，在第一金属电极、第三金属电极、第二金属电极、第四金属电极的表面及端部通孔的内表面均形成镀锡层。

在上述方案的基础上，所述过电流保护元件的室温电阻小于 5毫欧。

在上述方案的基础上，所述的第一绝缘层、第二绝缘层及第三绝缘层为环氧树脂与玻璃纤维的复合材料。

在上述方案的基础上，所述的隔离层为环氧树脂层。

针对上述的表面贴装型过电流保护元件的制造方法，包括下述步骤：第一步：将包括结晶性高分子聚合物和金属导电粉末高分子混合制成 PTC 芯材，在 PTC芯材的上、下表面贴覆金属箔层，制成厚度 0. 35隱 ± 0. 05隱的单层 PTC复合芯片；

第二步：在两个单层 PTC复合芯片之间设置第三绝缘层并进行压合，得到双层 PTC复合芯片，进行辐照交联；

第三步：在第一金属箔层和第四金属箔层的上下相对位置上分别形成一个蚀刻图形，按尺寸切割制成复合小芯片；

第四步：取与复合小芯片厚度相同的隔离层，在隔离层上镂空形成与复合小芯片形状对应的孔，将复合小芯片嵌入隔离层的孔中，制成包覆芯片；

第五步：在包覆芯片的上下表面的分别粘结第一绝缘层和第二绝缘层，再在第一绝缘层和第二绝缘层的上下表面分别复合金属电极；

第六步：钻孔，包括在两端钻出两个端部通孔，蚀刻图形处钻出贯穿的内通孔，该内通孔的孔径小于蚀刻图形的面积，并在与内通孔位置对称的另一侧从上、下表面处分别钻出一个盲孔，露出内侧的第一 PTC芯材和第二 PTC芯材；第七步：镀铜，包括在金属电极表面形成镀铜层，在内通孔、端部通孔的内表面分别形成第二金属导体、第一金属导体和第三金属导体，在两个盲孔的内表面分别形成第四金属导体和第五金属导体；

第八步：蚀刻，将上、下表面的镀铜层蚀刻断开形成左右两部分的镀铜层，将金属电极蚀刻断开形成左右两部分的第一金属电极和第三金属电极、第二金属电极和第四金属电极，露出内侧的第一绝缘层和第二绝缘层；第九步：在上、下表面分别印刷一层阻焊油墨，固化后形成第四绝缘层和第五绝缘层，第四绝缘层隔离第一金属电极与第三金属电极，并将内通孔一端的孔口及盲孔的孔口填塞，第五绝缘层隔离第二金属电极与第四金属电极，并将内通孔另一端的孔口及盲孔的孔口填塞；

第十步：在第一金属电极、第三金属电极、第二金属电极、第四金属电极表面及端部通孔的内表面镀锡形成镀锡层，构成过电流保护元件。

在上述方案的基础上，第一 PTC芯材及第二 PTC芯材由多组分混合制造而成，包含至少一种结晶性高分子聚合物和至少一种金属导电粉末。

在上述方案的基础上，所述的结晶性高分子聚合物为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、乙烯类共聚物、聚偏氟乙烯中的一种或多种；所述的金属导电粉末为镍粉、钴粉、铜粉、银粉中的一种或多种。

在上述方案的基础上，所述的隔离层为一整片，其上分布有多数个供复合小芯片嵌入的孔，在孔之间形成框架，在该框架上开设端部通孔，并沿框架的中线进行切割，分割成多数个过电流保护元件。

本发明的有益效果是：

本发明的表面贴装型过电流保护元件可适用于不同尺寸的表面贴装型元件，但由于其采用金属粉末作为 PTC材料的导电粒子，并且采用双层 PTC材料电气并联叠层设计，可以做到小于 0. 1 Ω * _cm 的体积电阻率， 1mm²可以承载大于 0. 5A 的电流，主要应用于一些较小尺寸的表面贴装型元件（1210、 1206、 0805 等规格），满足智能手机电池对表面贴装型过电流保护元件高承载电流、小型化尺寸的要求。

因为本发明的表面贴装型过电流保护元件的 PTC 材料层四周环绕了隔离层，隔绝了外界的氧气和湿气，其电阻随着温度的升高和时间的延长不会发生明显的升高，具有优良的耐候性。附图说明

图 1为本发明单层 PTC复合芯片的结构示意图。

图 2为本发明双层 PTC复合芯片的结构示意图。

图 3为本发明复合小芯片的结构示意图。

图 4为图 3的剖面结构示意图。

图 5为本发明复合小芯片嵌入一整片隔离层的结构示意图。

图 6为本发明包覆芯片的剖面结构示意图。

图 7为本发明粘结绝缘层及复合金属电极后的剖面结构示意图。图 8为本发明钻通孔及盲孔后的剖面结构示意图。

图 9为本发明镀铜层后的剖面结构示意图。

图 10为本发明在镀铜层和金属电极上蚀刻后的剖面结构示意图。图 11为本发明印刷绝缘层后的剖面结构示意图。

图 12为本发明过电流保护元件的剖面结构示意图。

附图中标号说明

10， 10' —单层 PTC复合芯片

20 一双层 PTC 复合芯片

30—复合小芯片

40—包覆芯片

50—过电流保护元件

11 第一金属箔层 12—第一 PTC 材料层 13 第二金属箔层

14一第三绝缘层

15 第三金属箔层 16—第二 PTC 材料层 17 第四金属箔层 18、 19 蚀刻圆

21 隔离层 22—方孔 23—第一绝缘层 24—第二绝缘层

25、 26—金属电极

25_a—第一金属电极 25b 第三金属电极

26a—第二金属电极 26b 第四金属电极

27、 28—盲孔

29 内通孔 31、 32—端部通孔

33、 34—镀铜层

33a、 33b—镀铜层 34a, 34b—镀铜层

35—第四金属导体 36 第五金属导体

37—第二金属导体 38 第一金属导体 39 第三金属导体

41一第四绝缘层 42—第五绝缘层

43、 44 镀锡层具体实施方式

表面贴装型过电流保护元件的制造方法，包括下述步骤：

第一步：将 100重量份高密度聚乙烯（BHB5012, 菲利浦石油）， 500重量份镍粉（CNP525, INC0), 30重量份氢氧化镁和 0. 5重量份加工助剂在 190°C 的密炼机中混炼均匀，在开炼机上拉出 0. 3mm± 0. 05mm厚度的第一 PTC芯材 12和第二 PTC芯材 16，在第一 PTC芯材 12的上、下表面贴覆第一金属箔层 11、第二金属箔层 13，在第二 PTC芯材 16的上、下表面贴覆第三金属箔层 15、第四金属箔层 17，在 180°C的压机上进行压合，得到厚度为 0. 35mm± 0. 05mm的单层 PTC复合芯片 10， 10'，如图 1为本发明单层 PTC复合芯片的结构示意图所示；

第二步：在两个单层 PTC复合芯片 10、 10' 之间设置起电气隔离和粘结作用的第三绝缘层 14在 150°C的压机上进行压合，并进行电子束辐照交联，得到双层 PTC复合芯片 20，如图 2为本发明双层 PTC复合芯片的结构示意图所示；第三步：在第一金属箔层 11和第四金属箔层 17的上下相对位置上分别蚀刻出正反对称的蚀刻圆 18、 19，通过冲切或划切成一个个 1.8mmX 2.65mm单个正反面有蚀刻圆 18、 19的复合小芯片 30，如图 3为本发明复合小芯片的结构示意图和图 4为图 3的剖面结构示意图所示；

第四步：在一整片与复合小芯片 30厚度相同的隔离层 21上镂空形成多数个与复合小芯片 30形状大小对应的方孔 22，在方孔 22之间形成框架，将复合小芯片 30嵌入隔离层 21的方孔 22中，制成包覆芯片 40，如图 5为本发明复合小芯片嵌入一整片隔离层的结构示意图和图 6 为本发明包覆芯片的剖面结构示意图所示；

第五步：在包覆芯片 40的上下表面的分别粘结起电气隔离和粘结作用的第一绝缘层 23和第二绝缘层 24，再在第一绝缘层 23和第二绝缘层 24的上下表面分别复合金属电极 25、 26，如图 7为本发明粘结绝缘层及复合金属电极后的剖面结构示意图所示；

第六步：在隔离层 21上，两端钻出两个端部通孔 31、 32，在蚀刻圆 18、 19处钻出贯穿的内通孔 29，该内通孔 29的孔径小于蚀刻圆 18、 19的面积，并在与内通孔 29位置对称的另一侧从上、下表面处分别钻出一个盲孔 27、 28，露出内侧的第一 PTC芯材 12和第二 PTC芯材 16，如图 8为本发明钻通孔及盲孔后的剖面结构示意图所示；

第七步：进行化学镀铜和电镀铜，包括在金属电极 25、 26表面形成镀铜层 33、 34，在内通孔 29、端部通孔 31、 32的内表面分别形成第二金属导体 37、第一金属导体 38和第三金属导体 39，在两个盲孔 27、 28的内表面分别形成第四金属导体 35和第五金属导体 36，如图 9为本发明镀铜层后的剖面结构示意图所示；

第八步：蚀刻，将上、下表面的镀铜层 33、 34从中部蚀刻断开形成左右两部分的镀铜层 33a、 33b、 34a, 34b, 进一步将金属电极 25、 26从中部蚀刻断开形成左右两部分的第一金属电极 25a和第三金属电极 25b、第二金属电极 26a和第四金属电极 26b，以露出内侧的第一绝缘层 23和第二绝缘层 24，如图 10为本发明在镀铜层和金属电极上蚀刻后的剖面结构示意图；

第九步：在上、下表面分别印刷一层阻焊油墨，固化后形成第四绝缘层 41 和第五绝缘层 42，第四绝缘层 41隔离第一金属电极 25a与第三金属电极 25b，并将内通孔 29—端的孔口及盲孔 27的孔口填塞，第五绝缘层 51隔离第二金属电极 26a与第四金属电极 26b，并将内通孔 29另一端的孔口及盲孔 28的孔口填塞，如图 11为本发明印刷绝缘层后的剖面结构示意图所示；

第十步：在第一金属电极 25a、第三金属电极 25b、第二金属电极 25b、第四金属电极 26b的表面及端部通孔 31、 32的内表面镀锡形成镀锡层 43、 44, 沿隔离层 21的中线进行切割，分割成多数个过电流保护元件 50，如图 12本发明过电流保护元件的剖面结构示意图所示。

Claims

权利要求书

1、一种表面贴装型过电流保护元件，包括两个单层 PTC复合芯片（10)、（10' )，芯片（10) 由第一 PTC芯材（12)和贴覆于第一 PTC芯材（12)两表面的第一金属箔层（11 )、第二金属箔层（13)构成，另一芯片（10' ) 由第二 PTC芯材（16) 和贴覆于第二 PTC芯材（16)两表面的第三金属箔层（15)、第四金属箔层（17) 构成，其特征在于：

在所述的两个单层 PTC复合芯片（10)、（10' )之间由第三绝缘层（14)将第二金属箔层（13)与第三金属箔层（15) 电气隔离并粘结，构成双层 PTC复合芯片 ( 20)；

在双层 PTC复合芯片（20) 的中部偏侧位置，在第一金属箔层（11 ) 和第四金属箔层（17)上下相对位置上分别形成一个蚀刻图形（18)、 ( 19) 以露出内侧的第一 PTC芯材（12) 和第二 PTC芯材（16)，构成复合小芯片（30);

在双层 PTC复合芯片（20)的四周环绕设有隔离层（21 )，构成包覆芯片（40); 在包覆芯片（40)的上下表面分别设有第一绝缘层（23)和第二绝缘层（24); 在第一绝缘层（23)将上方两侧的第一金属电极（25a)和第三金属电极（25b) 与第一金属箔层（11 ) 电气隔离并粘结，第一金属电极（25a) 和第三金属电极 ( 25b) 在中部留有间距以露出内侧的第一绝缘层（23);

在第二绝缘层（24)将下方两侧的第二金属电极（26a)和第四金属电极（26b) 与第四金属箔层（17 ) 电气隔离并粘结，第二金属电极（26a) 和第四金属电极 ( 26b) 在中部留有间距以露出内侧的第二绝缘层（24);

在第一金属电极（25a)、第三金属电极（25b)、第二金属电极（26a)、第四金属电极（26b) 表面均镀有镀铜层（33a)、 ( 33b), ( 34a), ( 34b);

在蚀刻图形（18)、 ( 19) 处设有贯穿的内通孔（29)，该内通孔（29) 与蚀刻图形（18)、 (19) 同心，且孔径小于蚀刻图形（18)、 (19) 的面积；在两端分别设有端头通孔（31)、 (32)；

在与内通孔（29)位置对称的另一侧，从上、下表面分别设有一个盲孔（27)、 (28)，以露出内侧的第一 PTC芯材（12) 和第二 PTC芯材（16);

在内通孔（29)、端部通孔（31)、 (32) 及两个盲孔（27)、 (28) 内表面均形成有金属导体，其中，

第一金属导体（38) 设在端部通孔（31) 内表面，将第一金属电极（25a) 和第二金属电极（26a) 电气连接；

第三金属导体（39) 设在端部通孔（32) 内表面，将第三金属电极（25b) 和第四金属电极（26b) 电气连接；

第二金属导体（37) 设在内通孔（29) 内表面，将第一金属电极（25a)、第二金属箔层（13)、第三金属箔层（15) 和第二金属电极（26a) 电气连接；第四金属导体（35) 设在盲孔（27) 内表面，将第三金属电极（25b) 和第一金属箔层（11) 电气连接；

第五金属导体（36) 设在另一盲孔（28) 内表面，将第四金属电极（26b) 和第四金属箔层（17) 电气连接；

第四绝缘层（41)将第一金属电极（25a)与第三金属电极（25b) 电气隔离，并将内通孔 (29) 一端的孔口及盲孔 (27) 的孔口填塞；

第五绝缘层（42)将第二金属电极（26a)与第四金属电极（26b) 电气隔离，并将内通孔（29)另一端的孔口及盲孔（28) 的孔口填塞，共同构成过电流保护元件（50)。

2、根据权利要求 1所述的表面贴装型过电流保护元件，其特征在于：在第一金属电极（25a)、第三金属电极（25b)、第二金属电极（26a)、第四金属电极（26b) 的表面及端部通孔（31)、 (32) 的内表面均形成镀锡层（43)、（44)。

3、根据权利要求 1或 2所述的表面贴装型过电流保护元件，其特征在于：所述过电流保护元件的室温电阻小于 5毫欧姆。

4、根据权利要求 1所述的表面贴装型过电流保护元件，其特征在于：所述的第一绝缘层（23)、第二绝缘层（24) 及第三绝缘层（14) 为环氧树脂与玻璃纤维的复合材料。

5、根据权利要求 1所述的表面贴装型过电流保护元件，其特征在于：所述的隔离层（21) 为环氧树脂层。

6、针对权利要求 1至 5之一所述的表面贴装型过电流保护元件的制造方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步：将包括结晶性高分子聚合物和金属导电粉末高分子混合物制成 PTC 芯材，在 PTC芯材的上、下表面贴覆金属箔层，制成厚度 0.35隱 ±0.05隱的单层 PTC复合芯片 (10)、 (10，）;

第二步：在两个单层 PTC复合芯片（10)、（10')之间设置第三绝缘层（14) 并进行压合，得到双层 PTC复合芯片（20)，进行辐照交联；

第三步：在第一金属箔层（11)和第四金属箔层（17) 的上下相对位置上分别形成一个蚀刻图形（18)、（19)，按尺寸切割制成复合小芯片（30);

第四步：取与复合小芯片（30) 厚度相同的隔离层（21)，在隔离层（21) 上镂空形成与复合小芯片（30) 形状对应的孔（22)，将复合小芯片（30) 嵌入隔离层 (21) 的孔 (22) 中，制成包覆芯片 (40)；

第五步：在包覆芯片（40) 的上下表面分别粘结第一绝缘层（23) 和第二绝缘层（24)，再在第一绝缘层（23) 和第二绝缘层（24) 的上下表面分别复合金属电极（25)、 (26)；

第六步：钻孔，包括在两端钻出两个端部通孔（31)、（32)，蚀刻图形（18)、 (19) 处钻出贯穿的内通孔（29)，该内通孔（29) 的孔径小于蚀刻图形（18)、 (19) 的面积，并在与内通孔（29)位置对称的另一侧从上、下表面处分别钻出一个盲孔（27)、（28)，露出内侧的第一 PTC芯材（12) 和第二 PTC芯材（16); 第七步：镀铜，包括在金属电极（25)、 (26)表面形成镀铜层（33)、（34)，在内通孔（29)、端部通孔（31)、 (32) 的内表面分别形成第二金属导体（37)、第一金属导体（38) 和第三金属导体（39)，在两个盲孔（27)、 (28) 的内表面分别形成第四金属导体（35) 和第五金属导体（36);

第八步：蚀刻，将上、下表面的镀铜层（33)、 (34)蚀刻断开形成左右两部分的镀铜层 (33a) 和 (33b), (34a) 和 (34b), 将金属电极（25)、 (26) 蚀刻断开形成左右两部分的第一金属电极（25a) 和第三金属电极（25b)、第二金属电极（25b) 和第四金属电极（26b)，露出内侧的第一绝缘层（23) 和第二绝缘层（24);

第九步：在上、下表面分别印刷一层阻焊油墨，固化后形成第四绝缘层（41) 和第五绝缘层（42)，第四绝缘层（41) 隔离第一金属电极（25a)与第三金属电极（25b)，并将内通孔（29) —端的孔口及盲孔（27) 的孔口填塞，第五绝缘层 (51) 隔离第二金属电极（26a) 与第四金属电极（26b)，并将内通孔（29) 另一端的孔口及盲孔（28) 的孔口填塞；

第十步：在第一金属电极（25a)、第三金属电极（25b)、第二金属电极（25b)、第四金属电极（ 26b )表面及端部通孔（ 31 )、（ 32 )的内表面镀锡形成镀锡层（ 43 )、 (44)，构成过电流保护元件（50)。

7、根据权利要求 6所述的表面贴装型过电流保护元件的制造方法，其特征在于: 第一 PTC芯材（12)及第二 PTC芯材（16) 由多组分混合制造而成，包含至少一种结晶性高分子聚合物和至少一种金属导电粉末。

8、根据权利要求 7所述的表面贴装型过电流保护元件的制造方法，其特征在于: 所述的结晶性高分子聚合物为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、乙烯类共聚物、聚偏氟乙烯中的一种或多种；所述的金属导电粉末为镍粉、钴粉、铜粉、银粉中的一种或多种。

9、根据权利要求 6所述的表面贴装型过电流保护元件的制造方法，其特征在于: 所述的隔离层（21)为一整片，其上分布有多数个供复合小芯片（30)嵌入的孔 (22), 在孔（22) 之间形成框架，在该框架上开设端部通孔，并沿框架的中线进行切割，分割成多数个过电流保护元件（50)。