含有PTC元件的表面可固定电气装置 本发明一般涉及表面可固定的电路保护装置和制作该装置的方法。
众所周知，许多导电材料的电阻率随温度变化。正温度系数(“PTC”)材料电阻率随材料温度增加而增加。许多由分散导电填料导电制成的晶状聚合物显示出这种PTC效应。这些聚合物通常包括象聚乙烯、聚丙烯、乙烯/丙烯共聚物这样的聚烯烃。某些如钛酸钡这样的掺杂陶瓷也显示出PTC特性。
当温度低于某一值，如临界或变换温度，PTC材料显示相对低的、恒定的电阻率。然而，随着PTC材料温度增加超过该点，只要温度轻微增加，电阻率会急剧增加。
电气装置采用显示PTC特性的聚合物和陶瓷材料作为电路中的过流保护。在电路中正常操作条件下，负荷和PTC装置的电阻使流经PTC装置的电流相对较小。因此，由于I2R发热造成的装置温度保持低于PTC装置的临界或变换温度。该装置被认为处于平衡状态(即由I2R加热产生的热率与该装置能向其周边散失的热率相等)。
如果负荷短路或电路经历电力冲击，流经PTC装置地电流增加且PTC装置温度(由于I2R加热)急剧上升至临界温度。此刻，大量的电力被消耗在PTC装置上，而PTC装置变得不稳定(即该装置产生的热率大于该装置能够向其周边散失的热率)。虽然这种电力消耗仅仅出现非常短的时间(即一秒分之几)，但是由于增加的电力消耗使PTC装置温度上升至PTC装置电阻变成很高的值，以至于电路中的电流被限制在一个相对低的值。这一新的电流值足够维持PTC装置在一个新的、高温度/高电阻平衡点，但将不损坏电路元件。因此，当PTC装置加热至其临界温度范围时，PTC装置起到保险丝的作用，降低流经短路负荷的电流至一安全、相对低的值。一旦电路中切断电流，或清除与短路(或电力冲击)有关的条件，PTC装置将冷却至其临界温度之下回到其正常操作、低电阻状态。这种效果就是可重新整定的、电路保护装置。
特别有用的这种装置通常包括夹在一对叠层状电极之间的PTC元件。为了将这种装置与其他电气元件连接，连接端子通常焊接至电极。但是，焊接过程会对聚合物的PTC元件的电阻产生不利影响。而且，由于通常在PTC元件的相反侧进行电气连接，这种装置在PC板上通常占用更多的空间。
现在我们已发现，从PTC装置的同一侧电连接至两个电极所产生的重要的优点。本发明的PTC装置的卷绕结构使得一个能够电连接至PTC装置相反侧上的电极。另外，由于本发明的电气装置通过绕PTC元件卷绕导电层进行电连接，而不是通过PTC元件中的孔放置导电层进行电连接，该装置利用了全部的PTC元件。而且，根据本发明生产电气装置的必要制造步骤允许同时制备许多带条，最后的带条最终被分为多个电气装置。因此，这种方法可减小体积并由此降低本发明电气装置的电阻。
在一方面，本发明提供一种电气装置，包括：
电阻性元件，具有顶和底面以及第一和第二侧，顶和底面每面具有由中间部分隔离的两个端部分；
与电阻性元件顶面电接触的第一电极和与电阻性元件底面电接触的第二电极；
接触第一和第二电极的绝缘层，绝缘层具有从第一和第二电板移开的部分以形成第一和第二触点；及
在绝缘层上形成且与第一和第二电极在触点电接触的导电层，导电层具有移开部分以形成由非导电间隙隔离的第一和第二端子。
在第二方面，本发明提供一种电气装置，包括：
由聚合物组分和导电填料组分构成的叠层状PTC元件，PTC元件具有顶和底面及第一侧和第二侧，顶和底面每面具有由中间部分隔离的一对端部分；
第一电极接触PTC元件顶面，而第二电极接触PTC元件底面；
在第一和第二电极及PTC元件的第一和第二侧上形成的绝缘层，该绝缘层具有从相邻PTC元件顶面一端部分的第一电极移开以确定第一触点的部分及从相对第一触点的相邻PTC元件底面端部分的第二电极移开以确定第二触点的部分；
在绝缘层上形成且在第一和第二触点接触第一和第二电极的第一导电层，该第一导电层具有从相邻于PTC元件顶面中间部分的绝缘层移开以形成第一非导电间隙的第一部分及从相邻于PTC元件底面中间部分的绝缘层移开以形成第二非导电间隙的第二部分，及
在第一导电层上形成的第二导电层。
本发明的第三方面提供一种制造电气装置的方法，包括步骤：
提供固体叠层状PTC片，具有顶和底面，在顶面形成的第一电极，及在底面形成的第二电极；
在叠层状PTC片中以规则图案产生多个带条；
用绝缘层涂覆叠层状PTC片的带条；
在叠层状PTC片中每个带条的顶和底面上以规则图案形成多个触点；
用第一导电层涂覆叠层状PTC片中的带条，第一导电层在每个触点与电极接触；
在叠层状PTC片中的每个带条的顶和底面上以规则图案在第一导电层中形成非导电间隙；及
将叠层状PTC片中每个带条分成多个电气装置。
本发明的最后方面提供一种制造电气装置的方法，包括步骤：
提供叠层状电阻性元件，具有顶和底面及第一和第二侧，顶和底面的每面具有由中间部分隔离的端部分；
在PTC元件顶面上形成第一电极；
在PTC元件底面上形成第二电极；
用绝缘层涂覆第一和第二电极及PTC元件的第一和第二侧；
移去绝缘层的第一部分以形成第一触点；
移去绝缘层的第二部分以形成第二触点；
将第一导电层施加到绝缘层，第一触点和第二触点；
移去第一导电层部分以形成由非导电间隙隔离的第一和第二端子；及
将第二导电层施加到第一导电层。
参考下列详细描述和附图可以更好地理解本发明。附图中显示的各种元件的厚度和大小已大大放大以更清楚地显示本发明的电气装置。
图1是根据本发明的电气装置的顶示图。
图2是图1中所示的电气装置的第一实施例沿线a-a的截面图。
图3是图1中所示的电气装置的第二实施例沿线a-a的截面图。
图4是具有多个以规则图案产生的条带的叠层状PTC片的透视图。
图4A是具有多个在每个条带上产生多个断点的图4中所示的叠层状PTC片的透视图。
图5是具有如图4所示多个条带的叠层状PTC片的部分放大的透视图。
图6A-6H显示制造本发明电气装置的优选方法的各步骤，如应用到图4A中的PTC片的单个条带的横截面。
图7A-7D显示制造本发明的电气元件的第二优选方法的步骤，起始于图6E中显示的装置。
图8是焊接到PC板上的图1中装置的优选实施例的截面图。
本发明允许有许多不同形式的实施例，附图显示且下面将详细描述本发明优选实施例，但此公开应理解为本发明原理的示例。例如，通常参照具有形成在顶和底面的电极的聚合物PTC元件如下描述本发明。但是，应理解，本发明考虑具有陶瓷PTC元件或不显示PTC特征的电阻性元件的电气装置。
通常，本发明的电阻性元件由包括聚合物组分和导电填料组分的PTC成分组成。聚合物组分可以是单种聚合物或两种或两种以上不同聚合物的混合物。聚合物组分可包括具有至少40％结晶度的聚烯烃。适宜的聚合物包括聚乙烯，聚丙烯，聚丁二烯，聚乙烯丙烯酸酯，乙烯丙烯酸共聚物，以及乙烯丙烯共聚物。在优选实施例中，聚合物组分包括聚乙烯和顺丁烯二酐(该聚合物由杜邦公司(Du Pont)制造并以商标名FusabondTM销售)。导电填料组分以足够数量贯穿聚合物组分扩散以保证成分显出PTC特性。作为替代方法，导电填料可被嫁接到聚合物上。一般，PTC成分中存在的导电填料组分占约25-75wt％。本发明中使用的适宜导电填料包括下列金属的粉、片或球：镍、银、金、铜、镀银铜、或金属合金。导电填料也可包括碳黑、碳片或碳球，或石墨。在优选实施例中，本发明使用的导电填料是碳黑(由哥伦比亚化学公司(Columbian Chemicals)制造并以商标名RavenTM销售)。
特别有用的PTC成分电阻率在约25℃时低于10欧姆厘米，尤其小于5欧姆厘米，且特别小于3欧姆厘米。用于本发明的适宜的PTC成分公开于美国专利申请系列No.08/614,038，和美国专利Nos.4,237,441,4,304,987,4,849,133,4,880,577,4,910,389及5,190,697。
PTC元件具有电接触顶面的第一电极和电接触底面的第二电极。电极可与PTC元件的顶和底面直接物理接触，但本发明的电气装置也可包括位于电极和PTC元件之间的导电粘合成分。
在优选实施例中，PTC元件被夹在两个金属薄片电极之间以形成叠层。作为替代方法，可使用传统的无电极电镀或电解电镀工艺在PTC元件的顶和底面形成电极。第一和第二电极最好包括从由镍、铜、银、锡、金和其合金构成的组中选取的金属。
现在参考图1-3，本发明的电气装置10包括具有顶面30，底面40，第一侧50和第二侧60的电阻性元件20。两个顶和底面30,40具有由中间部分90,90’分离的两个端部分70,80及70’,80’。第一电极100在电阻性元件20的顶面30上形成，第二电极110在电阻性元件20的底面40上形成。如上所述，最好电阻性元件20由聚合物PTC成分组成。
绝缘层120在电极100,110及电阻性元件20的第一侧50和第二侧60上形成。绝缘层120可由光阻材料，绝缘材料，陶瓷材料，焊料掩膜，或任何非导电材料组成。绝缘层120具有从第一电极100移开的部分以便确定第一触点130及从第二电板110移开的部分以确定第二触点140。在图2-3中所示的优选实施例中，第一触点130与电阻性元件20的顶面30的端部分70邻近，而第二触点140与电阻性元件20的底面40的端部分80’邻近(即，第一和第二触点130,140位于电气装置10的相反侧和相反端)。虽然优选这种结构，本发明覆盖了具有位于沿第一和第二电极的任何地方的触点的电气装置，只要能够从电气装置的同侧电连接至两个电极。
第一导电层150形成在绝缘层120上且在第一和第二触点130,140与第一和第二电极100,110接触。导电层150可由任何导电材料组成，但最好包括从由铜、锡、银、镍、金和其合金构成的组中选取的金属。第一导电层卷绕电气装置侧非常重要。这种卷绕结构允许从电气装置的同侧电连接至两个电极。
第一导电层150有从绝缘层120移开的部分以形成端子155,156。每个端子包括一个触点。端子155,156被非导电间隙160,170隔开。图2-3显示了一个电气装置10，其中邻近电阻性元件20的顶和底面30,40的中间部分90,90’而形成非导电间隙160,170。但是，可以认为只要非导电间隙隔离端子155,156，每个端子包括一个触点，那么非导电间隙160,170可以在第一导电层150中任何位置形成。这种结构防止电流绕电气装置环流。相反，电流可绕电气装置的任一端部分经一个端子流到第一触点，并通过电阻性元件流到在电气装置相反侧上形成的第二触点。
非导电间隙160,170可通过传统的蚀刻工艺形成。图2-3中，非导电间隙160,170留下空白，由此暴露绝缘层120。作为替代方法，非导电间隙160,170可由任何非导电材料充填。
特别参考图3，在本发明的优选实施例中，第二导电层180在第一导电层150上形成。第二导电层不应跨越非导电间隙160,170或任何可以填充非导电间隙160,170的非导电材料。第二导电层180最好是允许装置10容易地连接到PC板的导电端子的焊料成分。通过用第二导电层180完全涂覆第一导电层150，本优选实施例的电气装置10是对称的。因此，在安装到PC板上或连接到另外电气元件之前，装置10无需以特定方式调整。但是，可以认为本发明覆盖了一种电气装置10，其中第二导电层180仅接触第一导电层150的一部分，或仅在电气装置的一侧与第一导电层150接触，即非对称装置。
本发明电气装置在约25℃时电阻小于1欧姆，最好小于0.5欧姆，尤其小于0.2欧姆。
本发明的电气装置可以各种方式制造。但是，如图4所示，提供优选方法以便在相当大的薄板185上执行处理步骤，薄板185包括多个带条186,186’,186”等。最终处理步骤包括将带条分成多个电气装置。由此，可以经济的方式制得具有低电阻的极小电气装置。
在优选方法中，电极在适当大小的固体叠层状PTC片的顶和底面上形成。如上所述，最好PTC片夹在两个金属薄片电极之间。作为替代方法，利用传统的电解电镀或无电极电镀工艺，电极可直接电镀在PTC片顶和底面上。参照图4，限定的叠层状PTC片被挖刻或冲压以产生多个带条186,186’,186”等。带条以规则图案产生，且最好为宽度W，约为最后电气装置的希望长度。例如，叠层状PTC片约6英寸宽，8英寸长，0.015英寸厚，可以挖刻或冲压产生多个带条186,186’,186”等，带条约7英寸长，宽约为0.160-0.180英寸或以下。每个带条的顶和底面由第一和第二电极100,110组成。由于挖刻或冲压过程，每个带条的侧面由PTC元件20组成。
叠层状的PTC片被挖刻后，跨越每个带条(图4A)水平产生多个断点187,187’,187”…,187a,187a’,187a”…,187b,187b’,187b”…等。通过在每个断点上施加最小的力，断点使最终的带条被分成多个电气装置。因此，通过卡断或简单地从边缘上碾过带条，最后的带条可有效地分成多个电气装置。实验室试验表明，没有断点，用传统的切割和修剪技术将带条分成电气装置时导电层(下面详细描述)易涂抹。涂抹的导电层产生有毛病的电气装置且增加短路可能性。
通常，通过移开每个带条的顶和底面两者上的电极的部分，产生断点。这可通过用干胶片光阻材料层叠如图4所示的挖刻的、限定的PTC片而完成。掩模材料被置于将要显影或固化的光阻材料的部分上，留下多个约5密耳厚跨越每个带条水平伸展的未掩模区。最好，未掩模区在挖刻的，限定的叠层状PTC片上以与PTC成分伸长的方向相同的方向形成。由于PTC成分中聚合物链在伸长的方向被拉长，PTC片的脆度是各向异性的。即，PTC片在一个方向(即垂直于伸长方向)较平行于伸长方向坚固。因此，通过平行于伸长方向产生断点，最后带条可容易地分成多个电气装置。
应该产生未掩模区以留下多个具有约等于最后电气装置所要宽度，如0.100-0.150英寸或更小尺寸的掩模部分。然后带条被暴露在紫外线下，由此使光阻材料的未掩模区降解。降解的光阻材料被漂洗掉，以暴露电极表面部分。然后电极暴露的部分用传统的蚀刻过程清除(例如，将暴露的电极表面置于氯化铁溶液中)，因此，产生多个断点。最后，通过将PTC片浸泡在如氢氧化钾溶剂中化学清除显影或固化的干胶片光阻材料。
图5显示部分放大的叠层状PTC片几个带条的横截面图。虽然断点在挖刻的PTC片形成后将执行各种处理步骤，为了清楚起见，将参照单个带条的横截面讨论各种处理步骤(如图6A-6H和7A-7D所示)。
断点在挖刻的、限定的叠层状PTC片的每个带条上产生后(图6A)，叠层状PTC片的带条用绝缘层120(图6B)涂覆。用下列传统技术的任一种：刷、层压、浸泡、网板印刷或喷涂，可提供绝缘层120。绝缘层120可包括任何非导电材料，但是，优选材料包括光阻材料，陶瓷材料，绝缘材料，或焊料掩模。
多个触点130,140以规则图案在每个带条的顶和底面上形成(图6C-6D)。可以认为，本发明包括了一些方法，其中绝缘层120应用于为产生触点130,140而留下最初暴露的电极100,110部分的带条。另外，本发明覆盖了绝缘层120最初应用于每个带条的全部表面的方法。然后通过移开绝缘层120的部分形成触点130,140。例如，参照图6B-6D，正工作光阻材料用作绝缘层120。参照图6C中的字母M，掩模应用于光阻材料部分，该光阻材料将在每个带条的表面上显影或固化，留下将形成未掩模的触点130,140的光阻材料部分(如图6C中所示的绝缘层的交叉阴影线部分)。然后带条被暴露到紫外线下，由此降解光阻材料的未掩模部分。降解的光阻材料被漂洗掉以暴露电极表面(图6D)，因此，在每个带条的顶和底面上形成多个触点。使用负光阻材料可以颠倒这个过程(即，暴露到紫外线下显影或固化未掩模材料)。
在多个触点130,140形成后，第一导电层150加到带条上(图6E)。可通过传统的电镀技术(如无电极电镀)施加导电层150。作为替代方法，也可以液体形式向带条浸泡、喷涂或刷导电材料来施加导电层。在优选实施例中，第一导电层150包括从由镍、铜、锡、银、金及其合金构成的组中选取的金属。第一导电层150必须与在带条上形成的每个触点处的电极100,110电接触。
如图2-3和6E所示，第一导电层150卷绕电气装置10的端部分。这种卷绕结构能够使得可从电气装置同一侧电气接触两个电极。
在下一步中，多个非导电间隙160,170在每个带条的顶和底面上以规则图案在第一导电层150中形成(图6F-6G)。通过以留下暴露的绝缘层120的方式最初提供第一导电层150，可以形成非导电间隙160，170。但是，本发明也覆盖了一些方法，其中每个带条被第一导电层150完全包覆，且通过在每个带条的顶和底面上以规则图案移开第一导电层150的部分而产生非导电间隙160,170。任一过程导致在每个带条上形成由非导电间隙160,170隔离的多个第一和第二端子155,156。
例如，参考图6E-6G，图6F中参考字母M所示的保护掩模被加到导电层150上，留下暴露的预定部分(暴露部分由图6F中的导电层150的交叉阴影线部分表示)。然后用传统的蚀刻工艺，如将暴露部分置于氯化铁溶液中，移去暴露部分。
作为替代方法，非导电间隙160,170及端子155,156可用下面的方法形成。第一导电层150被加到每个带条，涂覆绝缘层120和触点130，140(图6E)。现在参考图7A-7D，光阻材料190加到导电层150上。如果光阻材料用于形成绝缘层120，那么用于该步骤的第二光阻材料190一定对紫外线有相反的反应(即，如果负工作光阻材料用于形成绝缘层，那么正工作光阻材料必须用于在导电层中形成非导电间隙，反之亦然)。图7B中的参考字母M所示的掩模材料应用于外光阻层190，留下以规则图案暴露的层190的顶和底面的多个部分。然后带条置于紫外线下，使外光阻层190的未掩模部分降解。漂洗掉光阻材料190的降解部分，留下多个在每个带条的顶和底面上以规则图案暴露的第一导电层150的部分(图7C)。然后通过将带条浸泡在标准的蚀刻液中移去导电层150的暴露部分(如图7C中所示的导电层的交叉阴影线部分)。结果，绝缘层120的部分被暴露。然后通过进一步暴露带条在紫外线下(图7D)移去外光阻材料190。由于在该步骤期间，绝缘层120的部分被暴露，重要的是，使用光阻材料190，光阻材料190与可能已用于形成绝缘层120的光阻材料相比，对紫外线具有相反反应。
作为任一过程的结果，即(1)将导电层应用于带条的全表面且然后移去导电层的部分，或(2)开始以留下暴露的绝缘层部分的方式使用导电层，形成第一和第二端子155,156。
在图3和6H所示的优选实施例中，第二导电层180被加到第一导电层150。第二导电层180最好由焊料成分组成且可用任何传统工艺施加，包括电解电镀或焊料浸泡。焊料层使本发明的电气装置10容易地连接PC板的导电端子。
在最后一步中，在每个断点处，带条被分成多个电气装置，这样每个装置在装置的两侧(即，顶和底)有一个接触点和一个非导电间隙。如上所述，通过在每个断点简单地施加最小压力，带条可被分成多个电气装置。
参考图8，箭头表示电流流经装置的方向。端子允许电流从PC板导电端绕装置外缘(经第一端子)流到第一触点处的第一电极。然后电流经PTC元件流到第二电极。电流经第二端子的触点流出装置并继续流过电路的其余部分。