电气器件 本发明涉及电气器件。
国际公开No.WO 94/01876(Raychem Corporation)公开了一种电路保护器件，它包括第一和第二叠层电极；叠层PTC(正温度系数)电阻元件，它夹在所述两个电极之间；第三叠层导电件，它固定在PTC元件的与第二电极相同的面上，但与之隔开；和交接导体，它穿过PTC元件中的开孔，连接第三导电件与第一电极。这允许从器件的同一侧把两个电极连接起来，使得该器件第一电极向上，无需任何导线，即可平放连接在印刷电路板上。电阻元件最好包括由PTC导电聚合物组成的叠层元件。该器件最好包括附加的导电件和附加的交接导体，使得该器件对称，哪一面向上都可以放在印刷电路板上。国际公开No.WO 95/31816(Raychem Corporation)描述了国际公开No.WO94/01876中所描述类型的改进的器件，它包括防止导电件和相邻电极之间焊料桥连用的绝缘件。国际公开No.WO 95/34084描述了制造这样地器件的改进的方法。这些国际公开中的每一个都整个公开被包括在此作为参考用于所有目的。
人们需要一种占用电路板面积非常小而电阻比用已知方法方便地产生的要小的电路保护器件。我们已经发现，按照本发明，可以容易而经济地把两个或更多的国际公开No.WO 94/01876中所描述的对称的器件连接在一起，做成一个复合电路保护器件，它容易安装，而且比单个器件具有更低的单位面积电阻。
本发明的复合电路保护器件包括：
(A)第一叠层电路保护器件；和
(B)第二叠层电路保护器件；
所述第一和第二叠层电路保护器件中的每一个都包括：
(1)第一叠层电极；
(2)第二叠层电极；
(3)叠层PTC电阻元件，它(ⅰ)呈现PTC性能，并且(ⅱ)具有其上固定所述第一电极的第一面和其上固定所述第二电极的相反的第二面；
(4)第三叠层导电件，它(ⅰ)固定在所述PTC电阻元件的所述第二面上，并且(ⅱ)与所述第二电极隔开；
(5)第四叠层导电件，它(ⅰ)固定在所述PTC电阻元件的所述第一面上，并且(ⅱ)与所述第一电极隔开；
(6)第一横向导电件，它
(a)穿插在所述PTC电阻元件的所述第一面和所述第二面之间；
(b)固定在所述PTC元件上；和
(c)在物理上和电气上连接到所述第一叠层电极和所述第三叠层导电件，但不与所述第二叠层电极连接；以及
(7)第二横向导电件，它
(a)穿插在所述PTC电阻元件的所述第一面和第二面之间；
(b)固定在所述PTC元件上；和
(c)在物理上和电气上连接到所述第二叠层电极和所述第四叠层导电件，但与所述第一叠层电极不相连；
第一和第二叠层器件以堆叠结构的形式在物理上固定在一起；而且所述各器件通过各相邻电极和各叠层导电件之间的界面电连接而在电气上连接起来，使得当电源连接到(ⅰ)所述各电极之一和(ⅱ)所述PTC电阻元件的与所述电极(ⅰ)相同的面上的第三或第四叠层件时，第一和第二叠层电路保护器件在电气上并联。
除了上面提到的优点以外，我们已经发现，这样的复合器件的功率耗散与单独一个器件的功率耗散并无显著不同。结果，对于给定的“保持电流”，复合器件具有较低的电阻，这里的“保持电流”是在不引起自动跳闸的情况下器件可以通过的最大电流。另外，通过在装配成复合器件之前对各单一的器件进行适当分选，即可减小一批复合器件内的性能偏差。
在附图中举例说明了本发明，其中
图1是适合用于本发明的复合电路保护器件的叠层电路保护器件的透视图；
图2和3是与印刷电路板平行地安装在印刷电路板上的图1的器件的平面图和剖面图；
图4是适合用于本发明的复合电路保护器件的另一种叠层电路保护器件的透视图；
图5是本发明的复合电路保护器件的透视图；
图6是图5器件的分解透视图；
图7是图5器件的平面图；
图8是沿着图7的直线8-8的剖面图；而
图9是本发明的另一种复合电路保护器件的截面图。
本发明的复合电路保护器件包括至少两个叠层电路保护器件，亦即第一和第二电路保护器件。第一和第二电路保护器件可以是基本上相同的，或者它们可以是不同的。例如，第一和第二器件可以具有不同的形状(只要它们在物理上可以连接而且能够适当地形成电连接)，或者具有不同厚度，或者正如后面将要描述的，包括不同类型的电阻元件。在一个实施例中，复合器件可以包括多个电路保护器件，亦即3个或更多的叠层电路保护器件。为了容易装配，最好多个器件基本上是相同的。在最佳实施例中，复合器件还包括绝缘件，它位于层叠结构中的第一和第二器件之间。
PTC成分
第一和第二叠层电路保护器件中的每一个都包括表现出PTC性能、亦即在相对较小的温度范围内表现出随着温度急剧增加的电阻率的叠层PTC电阻元件。在本申请中，术语“PTC”用来指具有至少为2.5的R14值和/或至少为10的R100值的成分或器件，最好是具有至少为6的R30值的成分或器件，其中R14是14℃范围的结束和开始处的电阻率的比值，R100是100℃范围的结束和开始处的电阻率的比值，而R30是30℃范围的结束和开始处的电阻率的比值。本发明的器件中用的成分一般表现出电阻率增大，增大的电阻率较其最小值大得多。
电阻元件可以包括导电聚合物，亦即包括聚合物和分散或分布于其中的颗粒状导电填料的成分或者陶瓷，例如掺杂的钛酸钡。本发明用的PTC成分最好是导电聚合物，它包括晶态聚合物组分和分散在聚合物组分中的颗粒状填料组分，后者包括导电填料，例如炭黑或金属。填料组分还可以包括非导电填料，它不仅改变导电聚合物的电性能，而且改变其物理和/或热性能。晶态聚合物组分还可以包括两种或多种不同的聚合物。所述成分还可以包括一种或多种其他组分，例如，抗氧化剂、交联剂、偶合剂或高弹体。PTC成分在23℃下的电阻率最好小于50ohm-cm(欧姆-厘米)，特别是小于10ohm-cm，尤其是小于5ohm-cm，更尤其是小于2ohm-cm。例如，在以下文献中公开了适合用于本发明的导电聚合物：美国专利No.4,237,441(van Konynenburg等)，4,304,987(van Konynenburg)，4,388,607(Toy等)，4,514,620(Cheng等)，4,534,889(van Konynenburg等)4,545,926(Fouts等)，4,560,498(Horsma等)，4,591,700(Sopory)，4,724,417(Au等)，4,774,024(Deep等)，4,935,156(van Konynenburg)，5,049,850(Evans等)，5,378,407(Chandler等)，5,451,919(Chu等)，5,582,770(Chu等)，5,747,147(Wartenberg等)和5,801,612(Chandler等)以及国际公开No.WO 96/29711(Raychem Corporation)和WO 99/05689(RaychemCorporation)。
PTC电阻元件是叠层状元件，可以包括一个或多个导电聚合物件，其中至少一个包括PTC材料。当有一个以上的导电聚合物件时，电流最好依次流过不同的成分，作为实例，当每一个成分都采用层的形式，而且每一层横过整个器件伸展时。当只有一个PTC成分并且所需要的PTC元件的厚度大于能够用单个步骤方便地制造的厚度时，具有所需要的厚度的PTC元件可以方便地通过借助热和压力把两层或更多层例如PTC成分的熔融挤压层接合在一起例如层叠起来来制造。当有多于一个的PTC成分时，PTC元件通常通过借助热和压力把不同成分的元件接合在一起、例如层叠在一起来制造。例如，PTC元件可以包括包含第一PTC成分的两个叠层元件以及夹在两者之间叠层元件，后者包括其电阻率高于第一成分的第二PTC成分。
第一和第二电路保护器件的电阻元件可以包括不同的导电聚合物成分。例如，改变第一和第二电路保护器件的成分的方法可以是使用不同的聚合物，这可能导致不同的切换温度(亦即器件从低阻状态切换到高阻状态的温度)；使用不同的填料，这可能影响该器件的热性能和/或电性能；或使用不同电阻率的材料。
叠层电极
第一和第二叠层电路保护器件中的每一个都包括第一叠层电极和第二叠层电极。PTC电阻元件的第一面固定在第一电极上，而PTC电阻元件相反的第二面固定在第二电极上，而且在最佳实施例中，形成穿插在第一和第二面之间的第一和第二开孔。这些电极可以直接固定在电阻元件上或借助粘接剂或带层固定。尤其适用的箔电极是微粗糙(microrough)的金属箔电极，包括电积镍箔和镀镍电积铜箔电极，尤其如美国专利No.4,689,475(Matthiesen)和4,800,253(Kleiner等)以及国际公开No.WO 95/34081(Raychem Corporation)中所公开的。可以修改所述电极，以便产生所需要的热效应。
第三和第四叠层导电件
第一和第二电路保护器件中的每一个都包括固定在PTC电阻元件第二面并与第二电极隔开的第三叠层导电件，和固定在PTC电阻元件第一面并与第一电极隔开的第四叠层导电件。在一个最佳实施例中，第三叠层导电件处于第一开孔的区域，而第四叠层导电件处于第二开孔的区域。
第三和第四叠层导电件最好是通过去掉叠层导电件的一部分而形成的剩余件，形成第三叠层导电件的一个叠层导电件的剩余部分是第二电极，形成第四叠层导电件的一个叠层导电件的剩余部分是第一电极。所述第三和第四件的形状以及第三件与第二电极之间的缝隙的形状和第四件与第一电极之间的缝隙的形状可以改变，以适应所需要的器件特性并为了容易制造。于是，第三件宜为矩形器件一端的小矩形，由矩形的缝隙与第二电极隔开，第四件宜为矩形器件一端的小矩形，由矩形缝隙与第一电极隔开。替代的配置是可能的，而且所述第三件及其相关缝隙的形状可以与所述第四件及其缝隙的形状相同或不同。
开孔及横向导电件
在一个最佳实施例中，叠层PTC电阻元件确定穿插在第一和第二面之间的第一和第二开孔。这里所用的“开孔”一词是指这样的开孔，从与器件平面垂直的方向看时
(a)具有闭合的截面，例如，圆形、椭圆形或一般的矩形，或者
(b)具有凹入截面，术语“凹入截面”是用来指开放的截面，它(ⅰ)其深度是截面最大宽度的至少0.15倍，最好至少0.5倍，尤其是至少1.2倍，例如1/4圆形或半圆形或开放端缝隙，和/或(ⅱ)其至少一部分的横截面的相反的边缘彼此平行。
为了易于电连接和可检查性(inspectability)，最好至少一个、最好两个开孔都具有开放的截面，并位于电阻元件的边沿。例如，若第一和第二叠层电路保护器件是通过装配国际公开No.WO 94/01876中所描述的类型而制成的，亦即可以分成多个电气器件的，则开孔一般将是闭合的截面，但是若一条或多条分界线经过闭合截面的开孔，则所得器件中的开孔将具有开放的截面。
开孔可以是圆形孔，并对于许多目的来说，这对单个器件或器件的装配件而言都是令人满意的。但是，若装配件包括被至少一条分界线横断的开孔，则最好用长形孔，因为它们在分界线的精度上要求较低。
第一和第二叠层电路保护器件中的每一个都包括(a)第一横向导电件，它穿插在PTC元件的第一和第二面之间，固定在PTC元件上，在物理上和电气上连接到第一叠层电极和第三叠层导电件，但是不与第二叠层导电件连接，和(b)第二横向导电件，它穿插在PTC元件的第一和第二面之间，固定在PTC元件上，在物理上和电气上连接到第二叠层电极和第四叠层导电件，但是不与第一叠层导电件连接。若开孔存在，则第一横向导电件处在第一开孔内，而第二横向导电件处在第二开孔内。第一和第二横向导电件还称作交接导体。
当开孔没有被分界线横断时，对于具有必要的电流承载能力的横向导电件来说，它可以尽量小。对于电路保护器件，直径为0.1至5mm(毫米)，最好0.15至1.0mm，例如，0.2至0.5mm的开孔一般是令人满意的。一般每一个电连接，例如，第一叠层电极和第三叠层件之间的连接可以由单一的横向导电件形成，但也可以用两个或多个横向导电件实现这种单一的连接。横向导电件的数目和尺寸，因而它们的热容量对复合电路保护器件进入其高阻状态的速率可能有显著影响。
若有开孔存在，则它们可以在装入横向导电件之前形成，或开孔的形成和横向导电件的放入可以同时进行。最佳的程序是，例如通过钻孔、切片或其他任何适当的技术形成开孔，然后形成镀层或者否则涂敷或填充开孔的内表面。所述镀层可以通过无电敷镀，或电解镀或两者结合来实现。所述镀层可以是单层或多层的，可以包括单一金属或多种金属，尤其是焊料。所述镀层还往往在装配件其他暴露的导电表面上形成。若不想形成这样的镀层，则必须将其他暴露的导电表面屏蔽住或者对其减敏。但形成镀层一般是在这样额外的镀层不会产生有害作用的处理阶段进行的。在某些实施例中，所述镀层可能不仅产生所述横向导电件，还产生所述器件的叠层导电件的至少一部分。
形成穿过绝缘电路板的导电通孔用的形成镀层的技术可以用在本发明之中。但是，在本发明中，镀层只用来使电流横穿器件，而镀过的通孔必须与其他组件形成良好的电接触。因而，本发明中所要求的镀层的质量可以低于通孔所要求的质量。
用于设置横向导电件的另一种技术是把可模制的或液体的导电成分放置在预先形成的开孔中，并且在需要或必要的时候处理开孔中的所述成分，以便产生具有所要求的特性的横向导电件。可以例如利用筛网选择性向开孔提供所述成分，或向整个装配件提供所述成分，当必要时在预处理至少某些装配件之后，使得该成分不粘在它上面。例如，若想利用波峰焊技术，则熔融的导电成分，例如焊料就可以这样使用。
横向导电件可以用预先形成件，例如，金属棒或管，例如铆钉来设置。使用这样的预先形成件时，可以在把横向导电件插入器件内适当位置时形成所述开孔。
横向导电件可以部分地或完全地填充该开孔。当开孔部分填充时，它们可以在该器件与其他电气组件连接过程中，尤其是焊接过程中进一步填充(包括完全填充)。在开孔内或周围设置额外的焊料，尤其是包括在开孔内或其周围镀焊料时这样作尤为有利。一般至少横向导电件的一部分在该器件连接到其他电气组件之前就位。但是，对于某些实施例，横向导电件可以在连接的过程中形成，例如，在焊接过程中利用焊料的毛细管作用。
在另一个实施例中，没有开孔，而每一个横向导电件可以位于器件的边沿，以便在器件的部分或全部平的横向面上连接所述第一和第二面。每一个横向导电件包括金属层，例如利用上述涂敷开孔用的技术来涂敷的金属镀层。
叠层绝缘件
第一和第二叠层电路保护器件在物理上叠起来固定在一起，并在一个最佳实施例中，在它们之间具有叠层绝缘件。该绝缘件可以包括国际公开No.WO 95/31816中所描述的类型的固体、非导电材料，例如聚酯，它还用来防止导电件和相邻电极之间的焊料桥连。作为另一方案，或除此之外，绝缘件还可以包括不导电的粘结剂，例如，环氧树脂或热熔粘结剂，其中可以加上填料，以便实现特殊的热效应。对于大部分应用，绝缘件的电阻率至少为106ohm-cm，最好至少109ohm-cm。但是，对于某些实施例，绝缘件本身可以是导电的，只要在23℃下的电阻率至少是PTC导电聚合物的电阻率的104倍，最好至少105倍，尤其是至少106倍。(若第一和第二电路保护器件包括不同的导电聚合物，绝缘件的电阻率与较高电阻率的器件的电阻率相比。)对于这些实施例，在正常的工作条件下，绝缘件承受很小的电流(如果有的话)，但当器件进入高阻状态时，绝缘件可以承受相当大部分电流。绝缘件可以相对较小，只覆盖空间的小部分，或者它可以基本上覆盖第一和/或第二叠层电路保护器件全部面积。它可以是加有标记的介质层。
界面电连接
第一和第二叠层电路保护器件叠在一起，使得这些器件在电气上并联连接而形成复合器件。这种连接是用这样一种方法实现的，即，当电源连接到(ⅰ)电极中的一个和(ⅱ)PTC元件上与该电极(ⅰ)处于同一面的第三或第四叠层件时，第一和第二叠层电路保护器件并联。这个电连接是界面电连接。在本说明书中，术语“界面”指不同器件相对的各面之间的连接。于是，例如，如图8所示，若复合器件的第一叠层电路保护器件通过第二叠层电极和第三叠层导电件固定在基片上，亦即在印刷电路板上，则第四导电件和第一叠层电极可以通过界面电连接分别连接到第二电路保护器件的相对的第二叠层电极和第三叠层导电件。或者，如图9所示，第一电路保护器件的第四叠层导电件和第一叠层电极通过界面连接分别连接到第二叠层电路保护器件的第三叠层导电件和第二电极。根据这些器件如何堆叠而形成复合器件，相邻的堆叠的器件的电极和叠层件之间的所述缝隙可能重叠或对齐。当不存在绝缘件时，最好采用图9中所示的相邻的堆叠的器件的电极和叠层件之间的缝隙是对齐的叠法。
尽管形成界面连接用的材料可以是任何适当的导电材料，但界面连接最好是焊接。当该器件设计成被软熔焊接在基片上时，可以由第一焊料来形成界面连接，并在第一和/或第二电极以及第三和/或第四叠层件的暴露面上使用其软熔温度高于第一焊料的第二焊料。这样，当器件固定在基片上时，焊料软熔操作不会使器件的界面连接分离。
器件
本发明的器件在23℃下具有低的电阻，一般低于10ohm(欧姆)，最好低于5ohm，更好是低于1ohm，特别好是低于0.5ohm，尤其好是低于0.1ohm，较低的电阻例如低于0.5ohm是可能的。
本发明的优点是几个电路保护器件可以堆叠在一起而形成电阻更低的复合器件。为了容易制造，这些器件最好是基本上相同的，尽管对于某些应用，可以使用不同配置的器件，例如一个具有不同厚度的器件可以叠在两个相同器件之间。对于包括两个以上电路保护器件的复合器件，最好有p个基本上相同的叠层电路保护器件和(p-1)个叠层绝缘件，其中p是3或更多。最好这些基本上相同的叠层电路保护器件是对称的。当堆叠在一起时，这样对称的器件允许复合器件在任何一面向上的情况下固定在基板上。
本发明的器件可以具有任何适当的尺寸。但是，能够容易地制造非常小的器件是重要的优点。最好的器件具有最多12mm，最好最多7mm的最大尺寸，和/或在垂直于复合器件的平面的方向上看到的最多30mm2的，最好是最多20mm2，特别好是最多15mm2的基片上的覆盖区(footprint)(表面积)。
制法
包括交接导体的本发明的器件可以用任何方法制造。但是，最好所有或大部分制造步骤是在大的叠层上进行，然后把叠层分成多个单独的器件，或者较小的几组在物理上连接在一起和在电气上可以互相串联或并联或既串联又并联的器件。叠层的划分可以沿着通过一个或两个或不通过任何一个叠层导电件的线，或者不通过、通过一些或通过全部交接导体的线进行。划分之前的处理步骤通常可以以任何方便的顺序进行。国际公开No.WO 95/31816和WO 95/34084公开了制造这些器件的最佳工艺步骤。
本发明的复合器件也可以用这样一种方法制造，就是把一批叠层电路保护器件分选成多个小批，每一个小批包含其电阻在某个范围内的器件。然后通过在物理上和电气上连接所述小批中的一小批的叠层器件来制备复合器件。这样就能制备出在狭窄的电阻窗口范围内的器件，使器件之间偏差最小。
附图
附图中举例说明了本发明，其中为了清晰起见，夸大了组件的开孔和厚度尺寸。图1是适合于用作本发明复合器件的第一或第二电路保护器件中任何一个的叠层电路保护器件的透视图。图2是安装在印刷电路板上的图1的器件的平面图，而图3是图2沿着直线3-3的剖面图。该器件包括叠层PTC元件17，后者具有其上固定了第一叠层电极13和第四导电件35的第一面和其上固定了第二叠层电极15和第三导电件49的第二面。该器件是对称的，因此哪一面向上都能安置在电路板上。第一横向导电件51处在由第一电极13、PTC元件17和第三导电件49确定的开孔内。第二横向导电件31处在由第二电极15、PTC元件17和第四导电件35确定的开孔内。第一和第二横向导电件51和31都是形成了镀层的空心管，其中暴露表面首先镀铜，然后镀焊料。这个处理过程的结果是器件的表面上产生镀层52，后者在镀的过程中是暴露的。器件已经焊接在绝缘基片9上线迹41和43上。在焊接过程中，器件上焊料镀层流动，并完全填充开孔。
图4是器件的透视图，它与图1至3所示的相似，但其中每一个开孔都具有半圆形的开放截面。
图5是本发明复合电路保护器件10的透视图，而图6用分解的透视图表示复合器件。第一叠层电路保护器件11通过绝缘件53固定在第二电路保护器件12上。介质层55覆盖器件10顶面的大部分。图6中虚线表示的是处在介质层55下面而在图8中表示得更加清楚的第三导电件49和第二电极15之间的缝隙。
图7是图5的器件的平面视图，而图8是沿着图7的直线8-8的剖面图(未示出介质层55)。界面连接54把第二电路保护器件12的第三导电件49连接到第一电路保护器件11的第一电极，并把第一电路保护器件11的第二电极15连接到第二电路保护器件12的第四导电件35。在这个实施例中，各个第一和第二器件11,12的导电件和电极之间的缝隙彼此错开。
图9表示与图8相似的剖面图，但在这个复合器件中，第一器件11的第二电极15和第三导电件49之间的缝隙与第二器件12的第四导电件35和第一电极13之间的缝隙对齐。尽管示出了绝缘件53，但是其存在不是必要的。
上面提出的所有实施例和方面都作为申请人发明的一部分，尽管其中的详细地描述比上面提出摘要要宽。相反，详细的描述在任何意义上都不应看作是限制性的，上面提出本发明的摘要的一般性。此外，如上所述和后面要求的，以及在附图中举例说明的，本发明可以利用若干特定的特征。当在特定的范围内公开了这样的特征或作为特定组合的一部分时，它还可以用于其他方面或在其他组合中，包括两个或更多这样的特征的其他组合。