专利名称：具有pptc层之间的有源元件的表面安装多层电路保护装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于表面按照技术的高分子正温度系数(PPTC)电阻电路保护装置。更特别是，本发明涉及一种小型表面安装集成部件，该部件具有以提供改进热传递性能的方式将至少一个PPTC元件和至少一个发热半导体元件组合在一起的整体式多层包装件，使用印刷电路板构造技术形成该部件。
背景技术：
PTC装置是公知的。特别是有用的装置包括PTC元件，PTC元件具有PTC传导聚合物(即包括有机聚合物并且分散或者分布其中的组分)、颗粒传导填充剂(例如碳黑或金属或传导金属合成物)。这种装置这里指的是高分子PTC或PTC电阻器或电阻装置。其它PTC材料也是公知的，例如掺杂陶瓷，但是通常不用于PTC传导聚合物，这特别是由于它们具有较高的非操作、静态电阻。
如这里使用那样，术语“PTC”用来指的是物质的组分，该物质具有至少2.5的R14值和/或至少10的R100值，并且最好是该组分应该具有至少6的R30值，其中R14是在14℃范围的结束和开始处的电阻比率，R100是在100℃范围的结束和开始处的电阻比率，并且R30是在30℃范围的结束和开始处的电阻比率。通常用于本发明的组分表示出远远大于这些最小值的增加电阻。
PTC电阻装置可以不同方式使用，并且特别是用于电路保护应用，其中它们用作远程可重复设置的熔断器，以保护电气部件不受到过大电流和/或温度的影响。可以这种方式保护的部件包括马达、电池、电池充电器、扬声器、车辆中的装配电路、通讯设备和电路和其它电气或电子部件、电路和装置。PPTC电阻元件、部件和装置的这种方式的使用在近年来快速增长，并且继续增加。
适当的传导聚合物组分和元件及其制造方法例如在US专利NO.4237441(van Konynenburg等人)、4545926(Fouts等人)、4724417(Au等人)、4774024(Deep等人)、4935156(van Konynenburg等人)、5049850(Evans等人)、5250228(Baigrie等人)、5378407(Chandler等人)、5451919(Chu等人)、5701285(Chandler等人)、5747147(Wartenberg等人)以及6130597(Toth等人)，这些披露结合于此作为参考。
公知的是在与稳压二极管、金属二极管半导体场效晶体管(MOSFET)以及更加复杂的集成电路形成电压/电流调节器的电气部件的保护电气连接和热接触中提供PPTC电阻装置或元件，这通过由共同转让的US专利6518731(Thomas等人)(特别是图45-47)提出的教导和披露来说明，该专利结合于此作为参考。同样，例如参考US专利NO.3708720(Whitney等人)和US专利NO.6700766(Sato)。这些示例性的专利没有表示通过使用低成本印刷电路板制造技术制成的完全集成的表面安装部件，在该技术中，例如半导体芯片的发热元件经由通过PPTC承载结构提供的一个或多个触点垫连接到印刷电路板上。
包括PPTC电阻元件的电路元件按照印刷电路板(PCB)构造技术形成。在这些现有技术方法中，PPTC板用作材料层，并且通过使用PCB层压方法和材料进行层压来结合到PCB构造中，以便形成用于其它离散无源或有源电气部件的外部安装的电路层。包括PPTC-PCB层压构造的电路保护装置的实例包括US专利NO.6300859(Myong等人)和6392528(Myong)，这些专利结合于此作为参考。
某些无源电气部件可以是PPTC-PCB构造中的嵌置层。这些嵌置层可以是电阻器、电容器和感应器元件。镀覆通路(无论是通孔、盲孔、埋置、隔离等)可以在各层之间进行适当电连接。
公知的是提供多层PPTC电阻装置。用于提供多层装置的一个原因是提供在电阻装置内提供增加的电流处理能力，通过在PPTC板和电流承载电极层之间提供增加的表面面积接触，而不增加装置的“大小”。如US专利NO.6236302(Barrett等人)提出的那样，装置可具有作为集成结构的多个传导层，或者如US专利申请NO.US2002/0125982(Swensen等人)提出那样，装置可以通过将分开形成的PPTC电阻元件叠置来形成。
多层表面安装PPTC电阻器制造方法和所形成的电气部件在共同转让的US专利NO.6640420(Hetherton等人)中进行描述。特别是，图16-19表示具有在串联配置中热接触和电连接的两个电气元件的三触点表面安装合成装置。相关的公开US专利申请NO.US2002/0162214A1(Hetherton等人)包括叠置的PPTC表面安装装置，该装置具有用于接收和连接例如一个或多个半导体装置的另外元件的上部面接触垫。这些专利和公开申请的披露结合于此作为参考。
另外，US专利NO.6489879(Singh等人)提出使用热传导环氧树脂将形成加热元件的半导体小片结合到PPTC导线架上。但是，所形成的组件包括和需要结构复杂的多接触导线承载结构，该结构没有按照低成本电路板制造技术形成。同样，一旦完成的装置表面安装在印刷电路板上，不能在视觉上检查半导体装置的内部接触导线和下面印刷电路板连接的整体性。
除了PPTC板和层压构造的使用之外，已经提出将半导体二极管夹在两个印刷电路板层之间，以便实现可表面安装的二极管部件，如US专利NO.5994167(Tai等人)提出那样。但是，这里披露的配置没有克服或解决由本发明解决的任何热电问题。
对于小型表面安装的集成部件来说，迄今为止还存在着未解决的需要，该集成部件具有以提供改善的热传导性能的方式将包括至少一个PPTC元件的加热元件载体和例如半导体小片的至少一个发热电气元件组合在一起的整体式平面包装件，加热元件载体通过使用低成本印刷电路板构造技术形成。
发明内容
本发明的总体目的在于提供一种表面安装的层压电路保护装置，该装置包括至少一个PPTC电阻器，以克服现有技术的限制和缺陷的方式，改善了与例如半导体装置的发热电气部件的热接触。
本发明的另一总体目的在于通过使用PPTC电阻器的相对的平面主表面和电气部件之间的金属结合来改善PPTC电阻器和例如半导体装置的发热电气部件之间的热传递。
本发明的再一总体目的在于提供包括至少一层的PPTC电阻器材料并且按照印刷电路板制造技术形成的加热元件载体，以便以克服现有技术的限制和缺陷的方式承载和电连接例如半导体小片的加热元件。
本发明的相关目的在于提供一种表面安装的层压电路保护装置，该装置包括以使得与发热电路元件热接触最大的方式形成在包装件内的多个PPTC电阻器元件，电路元件例如是有源元件，其包括平面半导体芯片，例如箝位二极管或其它箝位结构(例如稳压二极管)或者晶体管或类似物，电路元件或者是无源元件，例如平面晶体管、变阻器、电容器、感应器或类似物。
本发明的又一目的在于提供一种使用印刷电路板制造技术以克服现有技术的限制和缺陷的方式制造包括至少一个PPTC电阻层的表面安装电路保护装置载体以便承载和电连接直接热连接到PPTC电阻层上的发热元件的改进方法。
按照本发明的一个方面，表面安装电路保护装置包括大致盒形的发热元件载体，其包括形成具有第一和第二主表面的第一高分子正温度系数(PPTC)电阻器的中央平面层。第一电极层形成在第一主表面处，并且与PPTC电阻器的第一主表面紧密电接触。第二电极层形成在第二主表面处并且与其紧密电接触。元件载体限定用于接收例如半导体芯片的至少一个发热电气元件的空间或区域，半导体芯片包括二极管，例如稳压二极管的箝位二极管，或者其它箝位结构。至少一个第一、第二和第三端电极区域沿着该装置的一个或多个边缘壁形成，使得装置表面安装和电连接到例如印刷电路板的电路衬底上。发热电气元件具有在包括第一电极层一部分的元件承载空间内直接结合到金属层路径上的第一金属化的接触表面。发热电气元件的第二金属化接触表面通过例如金属层或互连带的电互连结构连接到第三端电极区域上，使得在包括该装置的电路内流过发热电气元件并且在阈值以上的电流产生直接传递到第一PPTC电阻器的热量，以有助于(促进)跳闸到高电阻、电路保护状态。
按照本发明的第二方面，表面安装层压电路保护装置包括(a)具有第一和第二主表面的第一PPTC电阻元件、形成在第一表面处并且与其紧密电接触的第一电极元件形成在第二主表面处并且与其紧密电接触的第二电极；(b)例如平面稳压二极管芯片的至少一个发热电气部件，具有例如通过金属化触点与第一PPTC电阻元件的第一和第二电极之一直接热接触的主表面，使得通过电气部件并在阈值以上的电流造成电气部件加热，并且热量直接并快速转移，以便将第一PPTC电阻元件跳闸到高电阻状态；以及(c)沿着该装置的主边缘形成的至少三个端电极，使得第一PPTC电阻元件和电气部件表面安装在例如印刷电路板的电路衬底上。
作为本发明的相关方面，电气部件夹在第一PPTC元件和第二PPTC电阻元件之间，并且预定成对的至少三个端电极在并联电路配置中电连接到第一PPTC元件和第二PPTC元件上。
作为本发明的另一方面，提供一种用于制造表面安装电路保护装置的方法。该方法包括以下步骤(a)形成具有预定电性能和实际尺寸的大致平面的高分子正温度系数电阻(PPTC)层，其包括第一和第二主表面，在第一主表面处形成与其紧密电接触的第一电极层，在第二主表面处形成与其紧密电接触的第二电极层；(b)沿着该装置的至少一个主边缘壁形成第一、第二和第三端电极，第一端电极与第一电极层电连接，第二端电极与第二电极层电连接，并且第三电极层与第一和第二端电极电隔离；(c)将至少一个发热电气元件的第一金属化表面结合到布置成接收发热电气元件的第一电极层的一部分上；以及(d)将至少一个发热电气元件的第二金属化表面通过互连结构电连接到第三端电极上。
作为本发明的另一方面，提供一种用于制造表面安装电路保护装置的方法。该方法包括以下步骤(a)形成具有预定电性能和实际尺寸的大致平面的第一PPTC元件，其包括第一和第二主表面，在第一主表面处形成与其紧密电接触的第一电极，在第二主表面处形成与其紧密电接触的第二电极；(b)将至少一个发热电气部件的金属化主表面通过例如焊料的可流动的金属结合剂直接固定在第一和第二电极之一上；以及(c)形成金属互连结构，该结构沿着该装置的至少一个主边缘包括至少三个端电极，该结构用于以串联配置连接第一PPTC元件和发热电气元件，端电极用于使得第一PPTC元件和电气部件表面安装连接到电路衬底上。
作为该方法的相关方面包括形成具有预定电性能和实际尺寸的大致平面的第二PPTC元件，其包括第三和第四主表面，在第三主表面处形成与其紧密电接触的第三电极，在第四主表面处形成与其紧密电接触的第四电极；以及将发热电气部件夹在表面安装电路保护装置的第一和第PPTC元件之间。
在结合附图给出的优选实施例的详细描述中，本发明的这些和其它目的、优点、方面和特征将更加完全得到理解和了解。
通过附图描述本发明，附图中图1是连接在电源和负载之间的按照本发明的第一优选实施例的示例性实施例表面安装电路保护装置的示意电路图；图2是图1所示表面安装电路保护装置的第一优选实施例的顶部平面结构图；图3是沿着图2的线3-3截取的图2装置的立视和截面放大图；图4是沿着图2的线4-4截取的图2装置的立视和截面放大图；图5是表示按照一个优选制造方法形成图2装置的层压元件的放大分解立体图；图6是按照一个优选制造方法制成图2完整装置的放大立体图；图7是包括本发明第二优选实施例的表面按照电路保护装置的PPTC芯片载体的放大顶视图；图8是沿着图7的虚线8-8截取的图7芯片载体的立视和截面的放大视图；图9是沿着图7的虚线9-9截取的图7芯片载体的立视和截面的放大视图；图10是其中包括安装有半导体小片并且按照本发明原理连接的图7芯片载体的完整电气表面安装装置的放大顶部平面图；图11是沿着图10的虚线11-11截取的立视和截面的放大视图；图12是沿着图10的虚线12-12截取的立视和截面的放大视图。
具体实施例方式
作为本发明的第一优选实施例，图1提供表面安装多层集成电路保护装置10的简化电路示意图。装置10最好包括至少三个电端电极第一或输入端电极22、第二或输出端电极24以及第三或接地返回端电极26。例如电池或其它能量源的电源12连接到端电极22和26上，以便将电能提供到连接到端电极24和26上的负载上。如图1所示，装置10通过提供两个并联的PPTC电阻元件16和18来为负载14提供过电流和过电压保护，该元件将从电源12到负载14的电流限制在最大电流值，并且通过稳压二极管元件20将供应到负载14的输出电源限制在最大电压值。PPTC电阻元件16和18与发热稳压二极管元件20紧密热接触，使得元件20内产生的热量有效和快速传递到热连接的PPT电阻元件上，并且有助于(例如通过促进)跳闸到高电阻电路保护操作状态。
装置10最好是整体式构造，它如图2平面图和图6立体图所示包括并承载发热元件20，其中三个端电极22、24和26按照传统表面安装方法和配置进行布置以适用于直接表面安装在印刷电路板上。
虽然在图2-6表示成大致矩形的装置10可具有任何实际形状或几何尺寸，不管是矩形、方形、弯曲、细长或其它所需形式。同样，虽然表示保护装置10的图2顶部平面图表示形成在层压结构的分开主边缘壁上的端电极，本领域普通技术人员将理解到端电极可沿着每个主边缘壁或者沿着几个或单个主边缘壁形成。如果端电极沿着单个边缘壁形成，该装置10可通过垂直或直立安装取向表面安装在印刷电路板衬底上。同样，沿着装置10的一个或多个边缘壁设置三个以上的端电极。说明可选择的端电极配置，形成另一本发明优选实施例的装置200表示在图7-12中。其中表面安装装置200具有沿着第一边缘壁208的一个端电极202以及沿着与第一边缘壁208相对的第二边缘壁210隔开的两个端电极204和206。
返回第一实施例，如图1电路图所示，以及图2-6结构所示，示例性装置10包括例如夹在一对PPTC电阻层16和18之间的平面稳压二极管芯片20的发热电气元件。PPTC电阻器16和18电并联，并且实际上配置成使得中央定位的元件20产生的热量传递到层16和18并且经由层16和18散发。特别是，稳压二极管芯片20的下部主接触表面适当镀覆并且经由例如焊料或金属填充结合剂的金属介质层46结合到覆盖PPTC电阻器18的顶部主表面的箔片层48，以增加热量从稳压二极管芯片20传递到下面的PPTC电阻器18。虽然稳压二极管半导体芯片20通过图3-6的实例表示，本领域普通技术人员将理解到发热电气元件可包括范围很广的大致平面的有源电气装置和元件，例如形成集成电路(IC)的有源半导体小片、一个或多个双极结式晶体管和/或场效晶体管、三端双向可控硅开关、半导体开关元件、硅控整流器及其组合，并且发热电气元件包括无源电气装置，例如平面薄膜电阻器、金属氧化物变阻器、热电偶、平面芯片电容器或具有或不具有磁心的大平面的感应器及其组合。
如公知那样，每个PPTC电阻层16、18通常在电路中具有非常低的电阻通路，其中电阻是特定PPTC材料的传导性以及电导体和每个PPTC电阻层的相对主表面之间的表面接触面积的函数。如果在电阻器16、18和/或在有源装置20内加热到特定程度，较高的温度造成PPTC电阻层16和18以类似于熔断器或断路器的方式“跳闸”，由此在端电极22和24之间的路径内提供非常高的电阻，由此将负载14与电源12隔离，并且保护电源和负载不受到由于过电压或过电流状态造成的损坏。当电阻层16和18冷却到复位温度时，它们由此自动复位，并且再次在端电极22和24之间的路径中提供非常低的电阻。
如图3-6所示，多层电路保护装置10包括由导电和电绝缘(介电)材料制成的多个交替层和形成图案的区域。由例如纤维增强的树脂(FR4，如图2平面图顶部层所示)的材料制成的外部介电层28形成在第一PPTC电阻层16和箔片层32、34上，并且外部介电层30(底部介电层，如图3和4所示)形成在第二PPTC电阻层18和箔片层52和54上。
例如铜或铜/镍的第一金属箔片层106(图5)形成在第一PPTC电阻器16的外部主表面处，并且形成图案以成为与电阻器16的外部主表面和端电极24紧密电接触的主部段32以及与电阻器16的外部主表面的小区域接触并与端电极22电接触的次部段34。通道35形成在主部段32和次部段34之间并且与其电隔离。
例如铜或铜/镍的第二金属箔片层108形成在第一PPTC电阻器16的内部主表面处，并且形成图案以成为与电阻器16的内部主表面和端电极22紧密电接触的主部段36以及与电阻器16的内部主表面的小区域接触并与端电极24电接触的次部段38。介电材料层40形成为覆盖部段36和38。通道41形成在主部段36和次部段34之间并且与其电隔离，并且通道41填充形成绝缘层40的介电材料。
例如铜的第三金属箔片层42形成在例如稳压二极管20的阴极的有源装置的连接表面处并且电连接到第三接地返回端电极26上，如图4所示。第三箔片层42最好形成在介电层40上。光致抗蚀剂层110接着形成在第三铜箔片层上，并且有选择地去除以便限定设置尺寸并适用于接收半导体芯片20的区域，并在制造过程中在两个各自包括PPTC电阻层16和18的层压结构102和104结合在一起以便形成在层压保护装置10时，通过焊料合成物44(例如锡/铅或锡/银/铜的共晶焊料合成物)连接到平面二极管芯片20的阴极上。光致抗蚀剂层116在下部层压结构104的第四金属(例如铜)层部段48上形成并形成图案，并且还限定设置尺寸以便接收半导体芯片20的开口。
可以与第一层44相同或不同的第二焊料层46设置在平面二极管芯片20的阳极表面处，并且在PPTC电阻层16和18在制造过程中结合在一起之后，可以直接金属连接到PPTC电阻器18的上部箔片层108的形成图案的主部段48以及端电极24上，如图3所示。作为本发明的一个方面，稳压二极管芯片20和PPTC电阻器18之间的直接金属连接在二极管小片和PPTC电阻材料之间提供改进的热传递。虽然图1、3和4表示二极管芯片20的共同与端电极24连接的阴极以及二极管芯片20的连接到接地端电极26上的阳极，本领域普通技术人员将容易理解到通过在装置10内颠倒(翻转)二极管芯片20可颠倒阳极和阴极连接。
第四金属(例如铜或铜/镍)箔片层112形成在第二PPTC电阻器18的内部主表面处并且形成图案以成为与PPTC电阻器18的内壁主表面和端电极24紧密电接触的主部段48。在装置10组装时，主部段48通过焊料层46的熔融结合，也变得电连接到平面二极管芯片20的阳极表面上，如上所述。第四形成图案的金属箔片层还包括与PPTC电阻器18的内部主表面的小区域接触并且与端电极22电接触的次部段50。通道51形成在主部段48和次部段50之间并且与其电隔离，并且在装置10的制造过程中，通过在平面芯片20的暴露外壁和装置10的外侧壁之间保持的间隙或空间内进行填充，填充有固化的塑性介电材料72。矩形固化塑性框架72基本上形成用于保持芯片20并保护和密封芯片20不使其与环境不希望地接触的盒形容器或凹口。
第五形成图案的金属(例如铜或铜/镍)箔片层形成在第二PPTC电阻器18的外部主表面处并且形成图案以成为与PPTC电阻器18的外部主表面和端电极22紧密电接触的主部段52以及与PPTC电阻器18的外部主表面的小区域接触并且与端电极24电接触的次部段54。下部外部介电层30覆盖部段52和54。通道55形成在主部段52和次部段54之间并且与其电隔离，并且通道填充有形成绝缘层30的介电材料。
通道35、41、51和55可以通过使用标准印刷电路形成图案技术形成，例如光刻、湿蚀刻或者机加工、铣削、冲压或类似方法。在每个通道形成之后，最好是填充电绝缘介电材料，如上所述。
参考图5，两个PPTC结构102和104包括填充有介电材料的堵塞孔区域120和122。隔离区域120和122设置在结构102和104内，以便将电通路和端电极26与PPTC电阻器22和24隔离。在不直接连接到PPTC电阻器16和18的相邻结构上的每个端电极位置处需要堵塞孔区域。在例如半导体二极管芯片20的发热元件定位之后，两个PPTC层压结构102和104结合在一起，施加热量，并且层44和46内的共晶焊料允许重新熔融并且将芯片20的镀覆主接触表面结合到结构102和104的面对的形成图案的铜表面部段36和48上。接着例如可固化的塑性树脂的密封材料72置于结构102和104之间的周向间隙内，并且固化成固态，进一步将两个结构102和104结合在一起，从而密封芯片20，不使其暴露于环境，并且形成介电周边框架。
在装置10组装在层压结构中，并且芯片20通过密封材料72密封以不使其暴露于环境之后，形成端电极22、24和26的边缘区域进行钻孔，以便形成半圆柱形通路23、25和27(如图2和6所示)。这些通路23、26和27接着镀覆适当导体材料，例如铜、锡或铜合金。
第六金属箔片层形成在顶部介电层28的外表面处，并且形成图案或进行蚀刻以便限定终端箔片部段56、58和74。部段56变成端电极22的一部分；部段58是端电极24的一部分；以及部段74是端电极26的一部分。类似的，第七箔片层形成在底部介电层30的外表面处，并且进行蚀刻以便限定终端箔片部段60、62和76。部段60是端电极22的一部分；部段62是端电极24的一部分；以及部段76是端电极26的一部分。
接着，多个镀覆层形成并且形成图案。内部铜电极层64、68和78在各自终端位置22、24和26镀覆。接着外部锡层66、70和80各自在铜层64、68和78上镀覆。电极22的镀覆层64、66在箔片部段56和60上延伸；电极24的镀覆层68和70在箔片部段58和62上延伸；以及电极26的镀覆层78和80在箔片部段74和76上延伸(如图4所示)。
端电极22、24和26的下部外表面82、84和86各自使得装置10以传统方式通过流体或波动焊接表面安装在适当尺寸和形成图案的印刷电路板上，该电路板形成包括由例如图1电路图所示的装置10提供的过电压保护的电路配置。
本发明的第二优选实施例表示在图7-12中。首先考虑图10，表面安装的多层电路保护装置200包括PPTC电阻芯片载体201和例如半导体小片218的大致矩形的发热元件。发热元件218在可以是大致圆柱形的凹245内结合到载体201上，使得芯片218的一个端子连接到端电极202上。条带互连件222将芯片218的另一端子例如连接到芯片载体201的第三端电极206的金属化延伸部207上。在本发明的此实例中，完整的装置在电路配置中提供一个PPTC电阻器216和发热元件218，与图1所示配置类似(而没有第二并联的PPTC电阻器18)。
芯片载体201最好形成为大致矩形的盒形结构，该结构包括形成PPTC电阻器216的PPTC材料的中央平面片材。如图7和10的顶部平面图所示，芯片载体201的左侧边缘壁208包括第一端电极202，并且芯片载体201的右侧边缘壁210包括隔开配置的第二端电极204和第三端电极206。表示成大致圆柱形的载体凹口245限定在芯片载体201的顶表面内，并且设置尺寸以便接收并连接例如形成稳压二极管218的半导体小片的发热电气元件。
如图11和12所示，小片218的底部接触表面适当镀覆或金属化，以便经由适当焊料层220的重新熔融直接结合到下面的凹入金属层261上(从层260延伸)，焊料层例如可以是锡或锡/铅或锡/银/铜。层260形成在另一金属层248上，该金属层继而形成在直接连接到PPTC材料层216上的金属箔片层232上。因此，按照本发明的一个方面，例如半导体218的发热元件直接金属连接到PPTC层216上，由此增加有效、快速的热传递，并且有助于PPTC电阻器216跳闸到器保护的高电阻状态。
类似于以上结合图2-6描述的第一实施例，单个PPTC层216形成用于芯片载体201的衬底。金属箔片结合到PPTC电阻层216的外部主表面上。顶部金属箔片形成图案以便具有连接到端电极202上的左侧主部段232以及连接到端电极204上的右侧次部段234。蚀刻通道235将顶部箔片的主部段232和次部段234分开。底部金属箔片形成图案以便具有连接到端电极204上的右侧主部段236和连接到端电极202上的左侧次部段238。蚀刻通道239将主部分236和次部段238分开。顶部箔片层部段或底部箔片层部段不连接到通过介电材料层239与PPTC电阻器216电隔离的端电极206上。
介电材料层226从外部覆盖顶部箔片层的部段232和234(除了去除层226的小片凹口235之外)。介电材料层240覆盖底部箔片层的部段236和238。包括形成图案部段242、244和246的金属层形成在顶部介电层226上，并且包括形成图案的部段254、256和258的金属层形成在底部介电层240上。金属层248在端电极202处形成在部段242和254上。金属层250在端电极204处形成在部段244和256上。并且金属层252在端电极206处形成在部段246和258上。小片载体201通过在端电极202处形成外部金属层260、在端电极204形成外部金属层262以及在端电极206处形成包括顶部表面延伸部207的外部金属层264来完成。
在PPTC小片载体201如图7-9形成之后，保护装置200通过如下方式组装，即将例如小片218的发热元件放入凹口245；通过焊料材料220将小片218焊接到金属层260的表面部分，并且接着通过焊料223将互连件222在一端焊接到终端延伸部207上，并且通过焊料224在另一端焊接到小片218的外表面上。密封材料228接着形成在组装的装置200上，以便提供机械刚性并且密封小片218，不使其暴露于环境状态和元件中。
该电路保护装置可以和例如蜂窝电话、数字照相机以及数字视盘播放器一起使用，以有助于保护由于不正确的电源连接到电子设备的输入口上而造成的过电压状态造成的损坏。PPTC装置跳闸到高电阻状态，减小通过二极管的电流，并且该二极管限制电子设备上的电压。
制造实例通过以下方法可以大批量制造图7-12所示的多个芯片载体201。具有大约0.325mm(0.0128英寸)厚度的PPTC层压件通过将具有大约0.0356mm(0.0014英寸)厚度的镍/铜箔片连接到0.254mm(0.010英寸)厚度的传导聚合物片材两侧上来制备。传导聚合物通过将大约40％体积的碳黑(RavenTM430，从Columbian Chemical得到)与大约60％体积的高密度聚乙烯(ChevronTM9659，从Chevron得到)混合，并且接着挤压成形为片材，并且在连续过程中在温度和压力下层压来制备。层压的片材接着切断成大约12英寸×16英寸的单个层压片材。层压片材使用4.5MeV电子束辐射。
层压片材围绕周边钻制成不对称图案，以便提供孔和细槽，从而在公知的x-y取向上在层压件的平面内对准层压件。这些对准孔和细槽用来在形成层压件的过程中相互对准片材，并且用于对准随后的成像、焊接掩模以及镀覆操作的工具。具有0.124mm(0.049英寸)的孔进行钻制以便在层压件内形成开口。镀覆0.0025mm(0.001英寸)的环氧树脂(从PolyClad得到)层的涂覆树脂的铜(0.018mm(0.0005英寸)厚的铜箔片也钻制适用于对准的对准孔；另一相同的涂覆树脂的铜层钻制对准孔，并且另外进行钻制，以便形成具有0.17mm(0.067英寸)直径的开口。层压件上的两个箔片电极的外表面通过化学方式去除镍，接着使用电路板工业中通常使用的蚀刻技术将箔片电极形成图案，以便限定装置的电极结构、残留的电极结构和收回结构。该外表面接着通过一系列化学浴进行处理，以便对铜板表面进行表面处理，以改善结合性。
层压件通过以下方式形成，即将一个涂覆树脂的铜层定位在底部(树脂侧向上)，随后是一层具有0.08mm(0.003英寸)厚度的环氧树脂薄膜(I805-99F，从Tech Film得到)，层压层，随后是已经钻制多余孔的另一涂覆树脂的铜层(树脂侧向下)。使用固定件对准各层，并且层压件在压力下加热，以便将各层永久地连接到层压结构中，并且迫使环氧树脂完全填充在层压件中的开口内。由此形成的层压件的厚度是大约0.51mm(0.020英寸)。
具有0.71mm(0.028英寸)直径的孔通过钻制整个层压件以便形成开口，并且具有0.71mm(0.028英寸)直径的孔通过整个层压件钻制以便形成在填充环氧树脂的开口上对准的开口；后一开口通过环氧树脂与层压件的电极和传导聚合物隔离。层压件通过等离子蚀刻处理。开口接着涂覆胶态石墨，并且层压件用铜电镀。
使用与通常PCB制造方法一致的蚀刻技术将层压件上的两个外部金属箔片层的外表面形成图案，以便限定残留传导构件以及用作对准基准标记的另外的蚀刻结构，以便随后隔离处理。对准孔用来确保蚀刻的图案与前面蚀刻的内部层适当对准。
焊接掩模(Findelel DSR 2200C-7，从Tamura Kaken Co.，Ltd得到)施加到层压件的一个外部金属箔片层上、粘性固化，并且接着施加在层压件的第二外部金属箔片层上并且粘性固化。焊接掩模接着成像并且显影。板接着加热以便完全固化掩模。板在焊接垫区域内电镀锡，以便用来将硅小片组装并且互连到装置衬底上，并且用于将组装的装置连接到电路板上。
该板通过锯被分开以便形成单个载体衬底201，在一个方向上切断板的长度，并且接着将板转动90度，并且在一个方向上切开板的宽度，使用层压件上的蚀刻基准结构作为锯切定位标记。所形成的元件载体具有大约4.5mm×3.30mm×0.68mm(0.177英寸×0.130英寸×0.027英寸)的尺寸。
在被隔离的装置的衬底上，少量焊料膏施加于在涂覆树脂铜内具有多余开口的表面上，并且进入所述开口，并且另一少量焊料膏施加在连接到隔离通路的垫区域上。事先金属化以便焊接连接的稳压二极管小片218在涂覆树脂的铜开口245的中心内放置在焊料膏上。另一少量的焊料膏施加在稳压二极管小片的顶部上。小的镍金属带222在稳压二极管小片上放置在焊料膏以及隔离通路垫207上的焊料膏上，使其桥接两者，并且后者用作电互连件。此组件通过回流炉以便回流焊接焊料膏，并且完成每个装置200的结构。完成的装置200最好进一步密封和涂覆堵塞&填充密封剂或注射模制介电材料228，以便进一步密封稳压二极管小片218和互连带222，使其不暴露于环境。
在PPTC层压件(顶部箔片层232、PPTC层216和底部箔片层236)上测量时，完成的示例性装置200具有大约0.101欧姆的电阻。在通过回流焊接安装在印刷电路板上之后，在PPTC层压件上测量时，示例性装置200具有大约0.164欧姆的电阻。此装置200通过大约7.2V的稳压二极管箝位电压在3.5A下在大约0.090秒内跳闸。
虽然已经描述了按照本发明原理的保护装置的两个实施例，即结合具有例如通过与电阻器结构104金属接触固定的稳压二极管芯片20的PPTC电阻结构102和104的一个实施例，以及例如稳压二极管芯片216的发热元件通过直接金属接触固定其上的PPTC芯片载体201的另一实施例，本领域普通技术人员将理解到可以设置一个或两个以上的结构和PPTC电阻层，以便形成多个发热部件的结构。同样，一个以上的发热元件可以通过直接金属接触而可操作地结合到PPTC电阻层上，由此增加保护装置本身内的电路复杂性，同时提供良好的热传递性能。
因此描述了本发明的优选实施例，将理解到可以完全实现本发明的目的，并且本领域普通技术人员将理解到可以进行结构上的许多变化和本发明的不同实施例和应用，而不偏离本发明的精神和范围。因此，这里的披露和说明纯粹是示例性的，并不打算具有任何限制。
权利要求
1.一种表面安装电路保护装置，包括大致盒形的发热元件载体，其包括形成具有第一和第二主表面的第一高分子正温度系数(PPTC)电阻器的中央平面层，第一电极层形成在第一主表面处，并且与其紧密电接触，第二电极层形成在第二主表面处并且与其紧密电接触，元件载体限定用于接收至少一个发热电气元件的空间；以及至少一个第一、第二和第三端电极区域沿着该装置的至少一个主边缘壁形成，使得装置表面安装和电连接到电路衬底上；至少一个发热电气元件具有(a)在包括第一电极层一部分的元件承载空间内直接结合到金属层路径上的第一金属化的接触表面以及(b)第二金属化接触表面通过电互连结构连接到第三端电极区域上，使得在包括该装置的电路内流过发热电气元件并在阈值以上的电流产生直接传递到第一PPTC电阻器的热量，以有助于跳闸到高电阻状态。
2.如权利要求1所述的表面安装电路保护装置，其特征在于，第一和第二端电极区域沿着该装置的第一和第二相对的主边缘壁形成。
3.如权利要求2所述的表面安装电路保护装置，其特征在于，第三端电极沿着该装置的第三主边缘壁形成。
4.如权利要求2所述的表面安装电路保护装置，其特征在于，第二和第三端电极沿着该装置的第二边缘壁形成。
5.如权利要求1所述的表面安装电路保护装置，其特征在于，包括具有第三和第四主表面的第二PPTC电阻器、形成在第三主表面处并与其紧密电接触的第三电极层以及形成在第四主表面处并与其紧密电接触的第三电极层，发热电气元件在该装置内定位在第一PPTC电阻器和第二PPTC电阻器之间，最好是其中第一PPTC电阻器在第一和第二端电极处与第二PPTC电阻器电并联。
6.如权利要求1所述的表面安装电路保护装置，其特征在于，至少一个发热元件包括半导体小片，最好是其中半导体小片包括二极管、稳压二极管、双极结式晶体管、场效晶体管、三端双向可控硅开关、半导体开关元件、硅控整流器之一。
7.如权利要求1所述的表面安装电路保护装置，其特征在于，至少一个发热电气元件包括无源电气元件，最好是无源电气元件包括电阻器、变阻器、热电偶、电容器和感应器之一。
8.如权利要求1所述的表面安装电路保护装置，其特征在于，由元件载体限定的空间包括靠近第一电极层外部的大致圆柱形的区域，并且其中将发热电气元件的第二金属化接触表面连接到第三端电极区域上的互连结构包括带式互连件。
9.一种用于在电源和电负载之间连接的电路，电路形成在电路衬底上，并且具有至少一个表面安装电路保护装置，该装置包括第一高分子正温度系数(PPTC)元件，具有第一和第二主表面、形成在第一主表面处并且与其紧密电接触的第一电极以及形成在第二主表面处并且与其紧密电接触的第二电极；第二PPTC元件，具有第三和第四主表面、形成在第三主表面处并且与其紧密电接触的第三电极以及形成在第四主表面处并且与其紧密电接触的第四电极；至少一个发热电气元件，定位在第一和第二PPTC元件之间，并且与第二和第三电极有效热接触，使得通过该部件的阈值以上的电流造成部件加热，热量传递到PPTC元件上并且增加第一或第二PPTC元件的电阻；以及沿着该装置的至少一个主边缘形成并且将第一和第二PPTC元件和电气部件连接到电衬底上的多个端电极。
10.如权利要求9所述的电路，其特征在于，发热电气部件包括形成电压箝位二极管的平面半导体芯片。
11.一种用于在电源和电负载之间连接的电路，电路形成在电路衬底上，并且具有至少一个表面安装电路保护装置，该装置包括大致盒形的发热元件载体，其包括形成具有第一和第二主表面的第一高分子正温度系数(PPTC)电阻器的中央平面层，第一电极层形成在第一主表面处，并且与其紧密电接触，第二电极层形成在第二主表面处并且与其紧密电接触，元件载体限定用于接收至少一个发热电气元件的空间；以及至少一个第一、第二和第三端电极区域沿着该装置的至少一个主边缘壁形成，使得装置表面安装和电连接到电路衬底上；至少一个发热电气元件具有(a)在包括第一电极层的一部分的元件承载空间内直接结合到金属层路径上的第一金属化的接触表面以及(b)第二金属化接触表面结合刀电互连结构的一个端部区域上，电互连结构的相对端部区域结合刀第三端电极区域一部分上，使得在包括该装置的电路内流过发热电气元件并且在阈值以上的电流产生直接传递到第一PPTC电阻器的热量，以有助于跳闸到高电阻状态。
12.一种用于制造表面安装电路保护装置的方法，包括以下步骤(a)形成具有预定电性能和实际尺寸的大致平面的高分子正温度系数电阻(PPTC)层，其包括第一和第二主表面，在第一主表面处形成与其紧密电接触的第一电极层，在第二主表面处形成与其紧密电接触的第二电极层；(b)沿着该装置的至少一个主边缘壁形成第一、第二和第三端电极，第一端电极与第一电极层电连接，第二端电极与第二电极层电连接，并且第三电极层与第一和第二端电极电隔离；(c)将至少一个发热电气元件的第一金属化表面结合到布置成接收发热电气元件的第一电极层的一部分上；以及(d)将至少一个发热电气元件的第二金属化表面通过互连结构电连接到第三端电极上。
13.如权利要求12所述的制造表面安装电路保护装置的方法，其特征在于，至少一个发热电气元件包括半导体小片，并且包括通过介电材料封装半导体小片使其不暴露于环境的其它步骤。
14.一种用于制造表面安装电路保护装置的方法，包括以下步骤(a)形成具有预定电性能和实际尺寸的大致平面的第一PPTC元件，其包括第一和第二主表面，在第一主表面处形成与其紧密电接触的第一电极，在第二主表面处形成与其紧密电接触的第二电极；(b)将至少一个发热电气部件的金属化主表面通过例如焊料的可流动的金属结合剂直接固定在第一和第二电极上之一；以及(c)形成金属互连结构，该结构沿着该装置的至少一个主边缘包括至少三个端电极，该结构用于以串联配置连接第一PPTC元件和发热电气元件，端电极用于使得第一PPTC元件和电气部件表面安装连接到电路衬底上。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括形成具有预定电性能和实际尺寸的第二PPTC元件，其包括第三和第四主表面，在第三主表面处形成与其紧密电接触的第三电极，在第四主表面处形成与其紧密电接触的第四电极；以及将发热电气部件夹在表面安装电路保护装置的第一和第二PPTC元件之间。
16.一种用于制造表面安装电路保护装置的方法，包括以下步骤(a)形成具有预定电性能和实际尺寸的大致平面的高分子正温度系数电阻(PPTC)元件，其包括第一和第二主表面，在第一主表面处形成与其紧密电接触的第一电极，在第二主表面处形成与其紧密电接触的第二电极；(b)形成具有预定电性能和实际尺寸的大致平面的第二PPTC元件，其包括第三和第四主表面，在第三主表面处形成与其紧密电接触的第三电极，在第四主表面处形成与其紧密电接触的第四电极；(c)将至少一个发热电气元件固定在第一和第二PPTC元件之间，以便与第二和第三电极有效热接触，使得通过该部件的阈值以上的电流造成部件加热，热量由此传递到第一和第二PPTC元件上，并且将PPTC元件之一跳闸到高电阻状态；以及(d)沿着该装置的至少一个主边缘形成并且与第一和第二PPTC元件和发热电气部件电连接的多个端电极，使得第一和第二PPTC元件和电气部件表面安装在电衬底上。
全文摘要
表面安装电路保护装置(10)包括限定第一高分子正温度系数(PPTC)电阻元件(16)、第二PPTC电阻元件(18)以及例如定位在其之间并且与第一和第二PPTC元件热接触的平面稳压二极管芯片的至少一个发热电气部件(20)的各层，使得通过该部件的阈值以上的电流造成部件加热，热量传递到PPTC电阻元件并且使得至少一个第一或第二PPTC元件或两者跳闸到高电阻状态。一系列边缘形成的端电极(22、24、26)使得第一和第二PPTC元件和电气部件表面安装在例如印刷电路板的电路衬底上。还披露一种制造该装置的方法。
文档编号H02H3/08GK1848308SQ200610071538
公开日2006年10月18日 申请日期2006年3月28日 优先权日2005年3月28日
发明者W·蒙托亚, L·A·纳瓦罗, C·A·瓦尔什, A·P·米科拉查克 申请人:泰科电子有限公司