小封装式PTC器件

技术领域

本公开的实施例涉及保护部件，并且更具体地，涉及在小封装中内嵌的保护部件。

背景技术

正温度系数(Positive Temperature Coefficient，PTC)器件和聚合物PTC(polymer PTC，pPTC)器件是在电路中用于中断过电流和超温情况的保护部件，从而保护电子系统内的电路。PTC器件由半晶体聚合物和导电填料的组合构成，导电填料的电阻率随着温度的升高而增加。一旦故障情况消除，PTC器件就会冷却到其原始构型。因此，PTC和pPTC被视为自恢复(resettable)保险丝。

PTC器件的聚合物通常包括半晶体聚合物，诸如聚乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯和丙烯酸共聚物、乙烯丙烯酸丁酯共聚物以及聚全氟烷氧基。某些掺杂陶瓷(诸如钛酸钡)也表现出PTC特性。半晶体聚合物中的导电填料致使PTC热敏电阻材料的电阻率随着材料温度的升高而增加。在温度低于某个值时，PTC热敏电阻材料表现出相对较低的恒定电阻率。在PTC热敏电阻材料的温度升高超过该点时，随着温度仅略微升高，电阻率急剧增加。

即使PTC热敏电阻材料在正常条件下以较低的电阻工作，PTC热敏电阻材料的正常工作电阻也高于其他类型的保险丝，诸如非自恢复金属保险丝。与类似额定值的非自恢复金属保险丝相比，较高的工作电阻导致在PTC热敏电阻材料两端较高的电压降。对于试图最大化特定电路的驱动能力以及电池寿命的电路设计者而言，电压降和功率耗散变得愈加重要。

封装尺寸对于保护部件来说也是一个问题。由电子工业联盟(ElectronicIndustries Alliance，EIA)指定的表面安装器件是公知的，诸如当前可用作保护部件的0201(0.6mm×0.3mm)。人的头发的直径约为0.18mm，所以这些器件是非常小的，即使是诸如拿取和焊接的操作也需要专门的设备。0201表面安装器件的生产具有挑战性。制造更小的保护部件很可能会带来更大的挑战。

正是关于这些以及其他考虑，本发明的改进会是有用的。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化形式介绍将在下文的详细描述中进一步描述的精选概念。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在协助确定所要求保护的主题的范围。

根据本公开的PTC器件的示例性实施例可以包括：保护部件和连接到保护部件的电极。电极包括第一和第二导电材料。第一导电材料与保护部件和第二导电材料相邻，使得第一导电材料夹在两者之间。第一导电材料和第二导电材料防止焊料接触保护部件。

根据本公开的PTC器件的另一示例性实施例可以包括：保护部件和连接到保护部件的电极。电极具有平行布置的四个导电层。第一导电层和第二导电层防止焊料接触保护部件。第三导电层和第四导电层使得焊料能够附接到电极。

附图说明

图1是说明根据示例性实施例的PTC器件的图；

图2是说明根据现有技术的PTC器件的图；

图3A-3B是说明根据现有技术的表面润湿性因素的图；

图4A-4D是说明根据示例性实施例的图1的PTC器件的器件结构的图；

图5A-5D是说明根据示例性实施例的图1的PTC器件的器件结构的图；

图6是示出根据示例性实施例的用于图1的PTC器件的器件结构的选项的表格；

图7是根据示例性实施例的可用于制造图1的PTC器件的导电粘合箔的照片图像；

图8A-8B是说明根据示例性实施例的图1的PTC器件的焊接操作的图；

图9A-9B分别是根据示例性实施例的图1的PTC器件的电极的结节(nodular)侧以及电极与保护材料之间的界面的显微视图；

图10A-10B是根据示例性实施例的与图1的PTC器件相关联的曲线图；

图11A-11D是根据示例性实施例的与图1的PTC器件的电极相关联的图；

图12A-12C是根据示例性实施例的PTC器件的照片说明；

图13是说明根据示例性实施例的用于制造图1的PTC器件的操作的流程图；以及

图14A-14B是说明根据示例性实施例在PTC器件上执行的实证测试的结果的曲线图。

具体实施方式

公开了一种具有小表面安装形状因数的PTC器件。PTC器件非常小，其中电极围绕着一个保护部件。电极策略性地利用导电材料分层以确保在PTC器件底部的高润湿性，确保该器件是可焊接的，并防止焊料碰到保护部件，从而保护该器件免于短路。使用不同的导电材料可以有多种设计选项。

为了方便和清楚起见，诸如“顶部”、“底部”、“上”、“下”、“垂直”、“水平”、“侧向”、“横向”、“径向”、“内部”、“外部”、“左”和“右”的术语可以在本文用于描述特征和组件的相对位置和方向，每个都相对于本文所提供的透视图、分解透视图和截面图中出现的其他特征和组件的几何形状和方向。所述的术语不旨在是限制性的，而是包括具体提到的词语、其中的衍生词以及类似含意的词语。

图1是根据示例性实施例的PTC器件100的代表图。PTC器件100的特征在于夹在两个电极104a和104b(统称为“电极104”)之间的保护部件102。第一界面106a位于保护部件102与电极104a之间，而第二界面106b位于保护部件102与电极104b之间(统称为“界面106”)。如本文将示出的，在示例性实施例中，PTC器件100被设计成确保焊料与电极104之间的良好润湿性。此外，在示例性实施例中，界面106被设计成确保电极104粘附到保护部件102。最后，在示例性实施例中，PTC器件100被设计成防止两个电极104a和104b之间的短路。

在示例性实施例中，保护部件102是一种聚合物PTC(pPTC)，其提供过电流保护、超温保护和极限峰值电流。保护部件102的PTC材料可以是包括聚合物和导电填料的PTC导电组合物。PTC材料的聚合物可以是选自聚乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯丙烯酸丁酯共聚物、聚全氟烷氧基以及其混合物的半晶体聚合物。导电填料可以分散在聚合物中，并且选自炭黑、金属粉末、导电陶瓷粉末以及其混合物。此外，为了提高PTC材料的灵敏度和物理性质，PTC导电组合物还可以包括添加剂，诸如光引发剂、交联剂、偶联剂、分散剂、稳定剂、抗氧化剂和/或非导电抗电弧填料。

在示例性实施例中，PTC器件100是型号01005的电子工业联盟(EIA)表面安装器件，尺寸为0.4mm×0.2mm。在其他实施例中，PTC器件是008004器件，尺寸为0.25mm×0.125mm。附图中给出了尺寸d

图2是根据现有技术的PTC器件200的代表图。PTC器件200的特征在于在具有电极部分204a和204b(统称为“电极部分204”)的电极与具有电极部分206a和206b(统称为“电极部分206”)的第二电极之间布置的保护部件202。PTC器件200还包括间隙和绝缘层(为了简洁起见，这里不再描述)。PTC器件200是型号0204的EIA表面安装器件，尺寸为0.6mm(d

现有技术的0201PTC器件200与01005PTC器件100之间的尺寸差异带来了挑战。现有技术PTC器件200的长度为0.6mm，而PTC器件100的长度为0.4mm，每个电极104仅有0.1mm宽。这意味着PTC器件100的两个电极104之间的距离只有0.2mm，此外，与PTC器件200相比，PTC器件100不包括绝缘材料。尽管电极之间的距离短并且缺少绝缘材料，但是PTC器件100是为形成保护部件102与电极104之间的连接而制造的，确保电极可焊接到印刷电路板(printed circuit board，PCB)并且防止电极104之间的短路。显微级器件设计的挑战在于要在最小的面积上创造最大的功能性。如下文将示出的，PTC器件100的每个部件都发挥着多种功能。

在示例性实施例中，PTC器件100被设计用于可焊性和防止短路。为了具有良好的可焊性，必须有良好的润湿性。润湿性是液体(例如焊料)保持与固体表面接触的能力。因此，具有良好润湿性的焊料可以接触PTC器件100的电极104和PCB两者。表面可以是疏水性的(这意味着液体将从其表面滚过)、亲水性的(这意味着液体将在表面上形成一层薄膜)或者介于两者之间。出于某些目的，具有超疏水(superhydrophobic)或超亲水(super-hydrophilic)的表面是优选的。

两个主要因素决定表面的特性：表面化学和表面粗糙度。具有低表面能的表面(诸如塑料)倾向于疏水，而具有高表面能的表面(诸如金属)倾向于亲水。表面粗糙度通常会使疏水表面更加疏水，而使亲水表面更加亲水。

表面通过测量接触角被表征为是疏水性或亲水性的。接触角是由液体在液体、气体(蒸气)和固体相交的三相边界处形成的角度。接触角给出液体将在表面上铺展得好坏的指示，从而给出了其润湿性。如果接触角大于90°，则该表面为疏水性的，而接触角小于90°则意味着该表面为亲水性的。

图3A和3B是说明根据现有技术的润湿性原理的代表图。图3A示出了布置在表面304上的液体302，该表面304具有一些粗糙结构306。线γ

图3B示出了布置在表面314上的另一种液体312，该表面314具有一些粗糙结构316。线γ

PTC器件100的电极104被设计为亲水性的以确保高润湿性，因而确保了良好的焊接结果。同时，电极104被设计为防止短路发生。在示例性实施例中，这两个目标通过设计具有不同的条带或部分的电极104来实现，每个条带潜在地使用不同的材料制成。

图4A-4D是根据示例性实施例的用于制造PTC器件100的pPTC器件结构的代表图。图4A的特征在于pPTC器件结构400A；图4B的特征在于pPTC器件结构400B；图4C的特征在于pPTC器件结构400C；图4D的特征在于pPTC器件结构400D(统称为“pPTC器件结构400”)。PTC器件100的顶视图416和侧视图418是每个pPTC器件结构400的一部分。图1中介绍的保护部件102、电极104和界面106被指示在每个pPTC器件结构400的底部。pPTC器件结构400可以结合图5A-5D中的pPTC器件结构400A-400D的透视图以及图6的表格来查看，图6的表格示出了针对pPTC器件结构400的十四个非限制性设计选项，包括可用于的电极104的每个条带的材料。

每个pPTC器件结构的保护部件102包括pPTC材料402，在非限制性示例中，pPTC材料402的特征是各种聚合物、导电材料和添加剂。在示例性实施例中，电极104的特征在于多个不同的导电材料条带，特别注意各个电极104与保护部件102之间的界面106。

在pPTC器件结构400A(图4A)中，电极104a由四种不同导电材料404、406、408和410组成，并且电极104b由同样的四种导电材料404、406、408和410组成，它们也可以称为导电层，这是因为导电材料排列在平行的层中。在描述电极104a时，注意到电极104b被类似地配置。导电材料404位于电极104a与由pPTC材料402组成的保护部件102之间的界面106a处。在示例性实施例中，邻近pPTC材料402的导电材料404由镍(Ni)、镍磷(NiP)、铜(Cu)和导电粘合剂中的一种或多种组成，包括这些材料的合金或其他组合。这些材料恰好是耐腐蚀材料。因此，导电材料404是邻近pPTC 402的电极104a的第一“条带”。

邻近导电材料404的是导电材料406，使得导电材料夹在pPTC材料402与导电材料404之间。在示例性实施例中，导电材料406由镍、铜和镍铬(NiCr)中的一种或多种组成，包括这些材料的合金或其他组合。

在示例性实施例中，导电材料406的粗糙表面保护pPTC材料402免受焊料接触，焊料接触将会使PTC器件100短路。在示例性实施例中，结节箔用于导电材料404和/或406，结节箔的一侧是导电材料404且结节箔的另一侧是导电材料406，从而形成结节电极。结节电极具有光亮(光滑)侧和结节(凸起/粗糙)侧。在示例性实施例中，导电材料404(最接近pPTC材料402)是结节箔的结节侧，而导电材料408是结节电极的光亮侧。

因此，结节面可以被制造用来提供pPTC与电极之间的连接。结节电极(导电材料404)的结节侧在其上可以具有镍、铜和镍磷金属合金中的一种或多种。在示例性实施例中，导电材料404的一种或多种耐腐蚀元素或合金电沉积在结节箔的一侧(结节侧)上，而导电材料406的一种或多种箔材料(诸如镍、铜和镍铬合金)沉积在结节电极的另一侧(光亮侧)上。

替代地，在示例性实施例中，导电粘合箔用于导电材料404和406，导电粘合箔的一侧已经在一侧具有铜或镍，而在另一侧具有导电粘合剂。由于镍和铜是导电材料404的两种优选元素，导电粘合箔的另一侧可以具有电沉积在其上的镍、铜和/或镍磷金属合金。

图7是导电粘合箔700的照片，导电粘合箔700可用作产生用于PTC器件100的电极104的导电材料404和406的起始材料。导电粘合箔700的特征在于金属箔706在一侧，导电粘合剂702在另一侧，纸704设置在这些层之间。右边的pPTC器件结构示出了导电粘合剂702可以邻近保护材料402放置，使得导电材料404是导电粘合剂702并且金属箔706是导电材料406的一部分。

因此，制造电极104的导电材料404和406是为确保电极104a和电极104b之间不会发生短路。换句话说，选择导电材料404和406是为确保焊料不会到达PTC器件100的pPTC材料402。相比之下，在示例性实施例中，制造电极104的导电材料408和410是为确保电极104是亲水性的，即，足够润湿以确保液体焊料渗透电极104的粗糙结构，从而确保电极与PTC器件100附接到的PCB之间的良好焊料连接。

返回到图4A，对于每个电极104，导电材料408与导电材料406相邻，使得导电材料406夹在导电材料404与导电材料408之间。在示例性实施例中，导电材料408由镍、镀银镍和镍钯合金(Ni/Pd)中的一种或多种组成。导电材料410与导电材料408相邻，使得导电材料408夹在导电材料406与导电材料410之间并且导电材料410位于电极104的外边缘。在示例性实施例中，导电材料410由金(Au)和锡中的一种或多种组成，包括这些材料的合金或其他组合，诸如厚锡。

导电材料408和410被设计用于更好的可焊性，以确保焊料与电极104的良好耦合。在示例性实施例中，考虑到导电材料410而设计导电材料408，反之亦然。外部导电材料410中金的使用防止了导电材料408中镍的氧化。外部导电材料410中锡的使用增加了电极104的可焊性。导电材料408中镍或镍钯的使用防止了导电材料410中出现锡须(tin whisker)和锡迁移。导电材料408和410共同提供足够的润湿以确保PTC器件100的良好焊接。

图4B-4D呈现了示例性实施例中的替代的pPTC器件结构400B、400C和400D。图4B中的pPTC器件结构400B有些类似pPTC器件结构400A(图4A)。例如，电极104包含相同布置的导电材料404、406、408和410的条带。然而，由pPTC材料402组成的保护部件102在形状上不同于pPTC器件结构400A。在示例性实施例中，在保护部件102的边缘有曲线414。因此，尽管电极104a和104b的边缘彼此共面，但是保护部件102稍微凹进，因而其边缘与电极104的边缘不共面。因此pPTC材料402的体积略微减小。此外，在一些实施例中，通过使pPTC材料402的边缘比电极104稍薄，焊料接触pPTC材料402的可能性将更小，从而使电极104之间不太可能发生短路。

对于pPTC器件结构400A和400B，导电材料404、406、408、410的条带的宽度和pPTC材料402的宽度。pPTC材料402的宽度为w

在图4C中，pPTC器件结构400C类似于pPTC器件结构400A(图4A)和400B(图4B)，但有一些差异。每个电极104中导电材料的布置没有改变，在每个电极104中，导电材料404与pPTC材料402相邻，导电材料406与导电材料404相邻，导电材料408与导电材料406相邻，而导电材料410与导电材料408相邻。保护部件102由宽度为w

然而，对于pPTC器件结构400C，导电材料406和408的宽度是不同的。在示例性实施例中，导电材料406的宽度为w

在图4D中，pPTC器件结构400D与pPTC器件结构400A、400B和400C有些不同。尽管导电材料404和406相似之处在于它们是条带，但是在示例性实施例中，导电材料408和410卷绕着电极104。在一些实施例中，导电材料404的宽度w

图5A-5D中相应pPTC器件结构400A-D的透视图显示出：导电材料404是与pPTC材料402相邻的层，导电材料406是与导电材料404相邻且平行的层；导电材料408是与导电材料406相邻且平行的层；而导电材料410是与导电材料408相邻且平行的层。在示例性实施例中，pPTC器件结构400D(图4D和5D)的五个表面覆盖着导电材料408和410。

PTC器件100的侧面由导电材料410(例如，锡、金、镀金锡)组成。在示例性实施例中，通过使导电材料410沿着pPTC器件结构400的侧面，电极104的润湿性高到足以确保与焊料的良好附接。特别地，图4D示出了尽管导电材料408和410包裹着导电材料404和406，但导电材料404仍然与pPTC材料402相邻，并因此导电材料404和406的配对可以通过阻止焊料到达pPTC材料402来防止PTC器件100的短路。

图6的表格示出了根据示例性实施例的可从pPTC器件结构400获得的不同设计选项。在示例性实施例中，导电材料404用于耐腐蚀性，而导电材料406是基电极，其侧表面在处理期间变得粗糙，以限制焊料在器件顶部的粗糙表面上流动。因此，导电材料406被设计用于确保避免PTC器件100的电极104之间的短路。在示例性实施例中，导电材料408中发现的镍充当锡和铜之间的阻挡层以防止铜的溶解，并进一步阻碍铜/锡金属间化合物(intermetallic compound，IMC)的过度生长。在示例性实施例中，镍层还可以防止PCB上的焊料层与铜层之间的快速反应，并且提供平坦且均匀的表面。即使在多次回流之后，与金一起施加的镍仍确保了电极104的良好润湿性。此外，尽管在一些设计选项中导电材料404不含铜，但是导电材料406包含铜，尽管铜缺乏镍的耐腐蚀性。在导电材料410包含锡的情况下，导电材料408将包含镍以避免铜/锡IMC生长。镍同样也在一种或多种导电材料中被选中以提高耐腐蚀性，并且镍在使用时可以镀金以防止镍氧化。在示例性实施例中，PTC器件100的电极104至少由锡、镍和铜或者锡、镍和银的某种组合制成。PTC器件100的电极104的设计因而有许多不同选项。虽然图6的表格示出了十四种不同的设计选项，但是PTC器件100可以被设计成具有比所示出的更多的四种导电材料404、406、408和410的组合。

在示例性实施例中，PTC器件100被设计成在器件的底部而不是顶部具有最佳润湿能力。这确保了底部良好的焊料连接，但是减少了焊料碰到pPTC材料402的可能性。在pPTC器件结构400的透视图中，电极104的侧面使用导电材料410制成，导电材料410可以是锡、金、厚锡和镀金锡。回顾一下，锡提供电极104的良好润湿。因而，向PTC器件100进行的焊料的施加可以集中在器件的侧面/底部而不是顶部。在pPTC器件结构400D(图5D)中，导电材料410围绕电极104的表面，使得导电材料410既平行于导电材料404(或导电材料406或导电材料408)也垂直于导电材料404、406或408。因此，高可润湿性表面适用于将PTC器件100焊接到PCB。

图8A-8B是根据示例性实施例的对比焊料放置对PTC器件100的影响的代表性图。在图8A中，PTC器件802的特征在于保护部件804(诸如pPTC)以及电极806a和806b(统称为“电极806”)，非常类似PTC器件100。PTC器件802位于焊盘808a和808b(统称为“焊盘808”)上，焊料810a和810b(统称为“焊料810”)用于将电极806附接到相应的焊盘808。在示例性实施例中，电极806被设计用于最大润湿，使得焊料810将电极806附接到焊盘808。然而，焊料810在电极806上延伸得太远，使得焊料810可以到达保护部件804。这将致使两个电极806之间的短路，这将破坏PTC器件802。在示例性实施例中，导电材料404和406是为保护PTC器件100免受PTC器件802经历的短路而设计的。

在示例性实施例中，除了被设计用于最大润湿以外，电极806还被设计成使得焊料810不接触保护部件804。在图8B中，PTC器件812的特征在于保护部件814以及电极816a和816b(统称为“电极816”)，非常类似PTC器件100。PTC器件812位于焊盘818a和818b(统称为“焊盘818”)上，焊料820a和820b(统称为“焊料820”)用于将电极816附接到相应的焊盘818。在示例性实施例中，电极816被设计用于最大化润湿，使得焊料820将电极816附接到焊盘818。此外，在示例性实施例中，焊料820受PTC器件812的底部的限制。在PTC器件100中，导电材料408和410促进将焊料布置在PTC器件100底部。此外，在示例性实施例中，电极816被设计为阻止焊料820靠近保护部件814。在PTC器件100中，导电材料404和406促进将焊料布置使得焊料不会靠近在电极104之间布置的pPTC材料402。

图9A-9B是根据示例性实施例的这些界面106的代表性显微视图。图9A是电沉积的结节铜箔的显微图像，在示例性实施例中，该结节铜箔是具有低铜浓度和高电流密度的耐腐蚀材料。在示例性实施例中，结节在0.9和1.43kg/cm之间。在示例性实施例中，电沉积的结节铜箔用作布置在界面106处的导电材料404。图9B示出了结节箔的光亮侧902和结节侧904。回顾一下，在一些实施例中，导电材料404和导电材料406由结节电极制成。在该示例中，结节电极的高度约为44μm。Ra参数是测量表面的平均粗糙度。

图10A-10B是根据示例性实施例的与PTC器件100相关联的代表性曲线图；图10A绘制了电沉积的结节铜箔的读数与剥离力(以磅为单位)的关系图；

图10B绘出了电沉积的结节铜箔的样品长度(以微米为单位)与高度(以微米为单位)的关系图，其中再次示出了Ra参数。图10B还示出了Ra的定义和测量表面的平均粗糙度的计算公式。

图11A-11D是根据示例性实施例的PTC器件100的一部分的代表性图像，其中图11A的特征是电极晶片，而图11B-11D示出了分离后的01005器件。这些图像示出了制造PTC器件100所面临的处理挑战。图11A示出了以电极104阵列为特征的晶片1102，其中电极104是PCT器件100的一部分；图11B是邻近保护部件102的电极104的俯视图；图11C是PTC器件100的电极104的末端层与保护部件102之间的界面的俯视图；而图11D是电极104的侧视图。回顾图1，PTC器件100的电极104的尺寸为0.1mm(d

图12A-12C是根据示例性实施例的PTC器件1200的代表性照片图像。PTC器件1200可以类似于PTC器件100。图12A是俯视图，图12B是侧视图，而图12C是PTC器件1200的透视图。PTC器件1200包括被电极围绕的保护部件1202。在图像中，电极被焊料1204覆盖，因而不可见，除了在任一侧与保护部件1202相邻的单个电极层1206以外。在示例性实施例中，电极层1206通过防止焊料1204到达保护部件1202而保护了保护部件1202。此外，特别是如图12B所示，焊料1204在PTC器件1200的底部比在顶部更凸出。图12C示出了没有焊料的PTC器件1200，保护部件1202被电极1208围绕。

图13是示出根据示例性实施例的用于制造PTC器件100的工艺流程的流程图。创建由聚合物、导电填料和添加剂组成的保护部件(框1302)。然后执行混合(框1304)。制作金属箔、PTC和金属箔的叠层体(框1306)。执行成束(beaming)或交联操作(框1308)，然后执行电极电镀或端盖浸渍(框1310)。接下来，执行分离操作，作为非限制性示例，该分离操作可包括切片、剪切或激光切割(框1312)。执行检验(框1314)，随后是测试(框1316)，最后是准备贴胶带和卷绕PTC器件(框1318)。

图14A和14B是示出根据示例性实施例的PTC器件(诸如PTC器件100)的性能的曲线图。图14A示出了老化前电阻随温度的变化，而图14B示出了老化(85℃，相对湿度85％，1000小时)后电阻随温度的变化。图14B示出了老化后PTC器件的性能没有显著衰弱。

如本文所用，以单数形式叙述并以单词“一”或“一个”开头的元件或步骤应该被理解为不排除复数的元件或步骤，除非明确叙述这种排除。此外，对本公开的“一个实施例”的引用并不旨在解释为排除同样包含所述特征的附加实施例的存在。

尽管本公开提及了某些实施例，但是在不脱离如所附权利要求中限定的本公开的领域和范围的情况下，对所描述的实施例进行的许多修改、替换和改变是可能的。因此，旨在本公开不局限于所描述的实施例，而是具有由下面的权利要求及其等同物的语言所限定的全部范围。