防电磁干扰元件及其制造方法
【专利摘要】本发明公开一种防电磁干扰元件及其制造方法。这种防电磁干扰元件包括至少一铁磁性材料外层和位在铁磁性材料外层内的正温度系数电阻(PTCR)材芯层、第一和第二电极。PTCR材芯层被第一和第二电极夹在于铁磁性材料外层内，且第一与第二电极分别延伸至铁磁性材料外层的两端。
【专利说明】防电磁干扰元件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种防电磁干扰(electromagnetic interference, EMI)元件及其制造方法，且特别是涉及一种具电流保护功能的防电磁干扰元件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]随着电子通讯产品走向轻、薄、短、小与多功能的趋势，且资讯传输速度愈来愈快，装配在电子产品中的电子元件相对要求整合性高、装配密度高以及低成本的需求，在微小元件必须达到高速传输，则电磁干扰(EMI)将会是一个必要解决的问题。
[0003]目前市场上较广泛的产品如笔记型电脑(Notebook)、液晶显示器(IXD display)、通用串列汇流排(USB)等产品其电源线附近电路设计的抑制EMI，均使用积层式大电流芯片磁珠(chip bead)。当同相位的电流的场合(也就是共模电流)因电流产生的磁束重叠而产生阻抗，除去杂讯。相对地，当反向电流流过时(也就是Normal Mode),因电流产生的磁束相互打消，因而不产生阻抗。利用铁氧体(Ferrite)材料的阻抗成分的频率特性，将发生放射杂讯低减，是一种廉价又被广泛使用的EMI对策元件。此外，也有金属镍导线做为网格(mesh)结构来达到防EMI的诉求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种防电磁干扰元件，能整合EMI抑制元件和正温度系数电阻(positive temperature coefficient resistor, PTCR),以达到体积小、成本低的防EMI与电流保护的双重功效元件。
[0005]本发明的再一目的在于提供一种制造上述防电磁干扰元件的方法。
[0006]为达上述目的，本发明提出一种防电磁干扰元件，包括至少一铁磁性材料外层、PTCR材芯层与第一和第二电极。PTCR材芯层是由第一电极与第二电极夹于铁磁性材料外层内，而第一与第二电极同样位于铁磁性材料外层内，且第一与第二电极分别延伸至铁磁性材料外层的两端。
[0007]在本发明的一实施例中，上述防电磁干扰元件还包括数个端电极，分别于铁磁性材料外层的两端。
[0008]在本发明的一实施例中，上述铁磁性材料外层为夹住第一与第二电极以及PTCR材芯层的两片状外层。其中，PTCR材芯层与各个片状外层的厚度比在1: f 1:5之间。
[0009]在本发明的一实施例中，上述铁磁性材料外层为一中空柱状结构，且第一与第二电极以及PTCR材芯层位于中空柱状结构内。其中，中空柱状结构与PTCR材芯层的截面积比为大于1:1小于10:1。
[0010]在本发明的一实施例中，上述铁磁性材料外层的材料包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)以及前述金属的化合物其中之一者。
[0011]在本发明的一实施例中，上述铁磁性材料外层的材料是由锰锌系、镍锌系、铜锌系、镍铜锌系、镁锌系及锂锌系的铁氧磁性物其中之一者或其混合物所构成。[0012]在本发明的一实施例中，上述PTCR材芯层的材料为导电高分子材料。
[0013]在本发明的一实施例中，上述防电磁干扰兀件可应用于USB传输电路、充放电路基板、手机电路基板、设备仪器的电路基板或电流保护装置。
[0014]本发明另提出一种制造上述防电磁干扰元件的方法，包括提供一铁磁性材料外层，其中该铁磁性材料外层的两端分别包含至少一端电极。然后，提供一夹层结构，其中夹层结构包含一第一电极与一第二电极夹住一正温度系数电阻(PTCR)材芯层。接着将夹层结构设于铁磁性材料外层内，使第一与第二电极分别与铁磁性材料外层的两端的端电极接触。
[0015]在本发明的另一实施例中，制作上述铁磁性材料外层的方法包括先制作含铁磁性材料的一胚体，再烧结胚体。于烧结后的胚体的两端涂布一银胶，之后进行烧结。
[0016]在本发明的另一实施例中，制作上述铁磁性材料外层的方法包括先制作含铁磁性材料与塑胶的一混合物，再成型所述混合物。其中所述塑胶包括硅胶或聚苯硫醚。于成型后的混合物的两端涂布一银胶，之后进行烧结。
[0017]在本发明的另一实施例中，上述方法还可包括分别焊接第一电极与第二电极和上述端电极接触的部位。
[0018]在本发明的另一实施例中，在上述焊接的步骤后还可使用封胶材料封住铁磁性材料外层的两端。
[0019]本发明的元件可同时兼抗电磁干扰以及可回复电流保护装置的功用，利用高阻抗的磁性材料作为电磁波屏蔽，并且利用高导磁磁性材料的感抗特性能调整导电PTCR材料的耐电流行为，可达到电流保护运用的特定范围，而感抗特性也能达到电磁干扰滤波器(EMI filter)的功效，因此可应用于具电流保护功能的EMI高阻抗滤波元件。
[0020]为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明的第一实施例的一种具电流保护功能的防电磁干扰元件的立体示意图；
[0022]图2A是本发明的第二实施例的一种具电流保护功能的防电磁干扰元件的立体示意图；
[0023]图2B是图2A的防电磁干扰元件的剖面示意图；
[0024]图3是本发明的第三实施例的一种制造具电流保护功能的防电磁干扰元件的制作工艺步骤图；
[0025]图4是实验一的元件的阻抗/Z/对频率响应的曲线图；
[0026]图5是实验二的元件的阻抗/Z/对频率响应的曲线图。
[0027]主要元件符号说明
[0028]100、200:防电磁干扰元件
[0029]102,202:铁磁性材料外层
[0030]102a、102b、202a、202b:两端
[0031]104、204:正温度系数电阻(PTCR)材芯层[0032]106、206:第一电极
[0033]108、208:第二电极
[0034]110、112:片状外层
[0035]114a、114b、210、212:端电极
[0036]116:封胶材料
[0037]300?306:步骤
[0038]VT2:厚度
【具体实施方式】
[0039]图1是依照本发明的第一实施例的一种具电流保护功能的防电磁干扰元件的立体示意图。
[0040]请参照图1，第一实施例的防电磁干扰元件100包括铁磁性材料外层102、正温度系数电阻(PTCR)材芯层104与第一和第二电极106和108。第一与第二电极106和108夹住PTCR材芯层104,并位于铁磁性材料外层102内，且第一电极106延伸至铁磁性材料外层102的一端102a、第二电极108则延伸至铁磁性材料外层102的另一端102b。
[0041]请继续参照图1，图中的铁磁性材料外层102为两片状外层110和112，用以夹住第一与第二电极106和108以及PTCR材芯层104，其中PTCR材芯层104与片状外层110或112的厚度比(T1 = T2)例如在1: f 1:5之间，且可调整两片状外层110与112的厚度来改变EMI吸收效果，因此两片状外层110与112的厚度可相同或不同。由于片状外层110和112具有高导磁率，故应可改善EMI与磁场遮蔽效果。另外，在铁磁性材料外层102的两端102a、102b还可设置端电极114a和114b，并分别与第一与第二电极106和108接触。
[0042]在第一实施例中，上述铁磁性材料外层102的材料如为具有导磁率的金属,可包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)以及前述金属的化合物其中之一者。在第一实施例中，上述铁磁性材料外层102的材料如为金属的磁性氧化物，则可以是由锰锌系、镍锌系、铜锌系、镍铜锌系、镁锌系及锂锌系的铁氧磁性物其中之一者或其混合物所构成。而上述PTCR材芯层104的材料一般为导电高分子材料,第一与第二电极106和108则可使用铜电极或其他适合的金属电极。此外，第一实施例还有封胶材料116 (如娃胶)封住铁磁性材料外层102的两端 102a 与 102b。
[0043]图2A是依照本发明的第二实施例的一种具电流保护功能的防电磁干扰元件的立体示意图。
[0044]请参照图2A，第二实施例的防电磁干扰元件200包括铁磁性材料外层202、PTCR材芯层204以及夹住PTCR材芯层204的第一与第二电极206和208，其中第一电极206延伸至铁磁性材料外层202的一端202a、第二电极208延伸至铁磁性材料外层202的另一端202b。本图中的铁磁性材料外层202为一中空柱状结构，且PTCR材芯层204位于中空柱状结构(202)内。其中如以垂直电流方向剖面(如图2B)，中空柱状结构(202)与PTCR材芯层204的截面积比譬如大于1:1小于10:1。另外，在铁磁性材料外层202的两端202a和202b可设有端电极210和212，分别与第一与第二电极206和208接触。至于铁磁性材料外层202与PTCR材芯层204的材料选择可参照上一实施例。
[0045]以上两个实施例仅为说明本发明，使本发明所属【技术领域】中具有通常知识者理解本发明的概念，而非用以限制本发明的应用范围。上述具电流保护功能的防电磁干扰元件可应用于USB传输电路、充放电路基板、手机电路基板、设备仪器的电路基板或电流保护装置。
[0046]图3是依照本发明的第三实施例的一种制造具电流保护功能的防电磁干扰元件的制作工艺步骤图。
[0047]请参照图3，在步骤300中，先提供一铁磁性材料外层，其中外层两端分别包含至少一端电极。而提供铁磁性材料外层的方法可用烧结(sintering)的方式或者成型(molding)的方式。所述烧结的方式例如先制作含铁磁性材料的一胚体，再以约9000C?1100°C之间的高温烧结胚体。上述胚体譬如是经混合、煅烧、球磨、烧结，粉碎等制得的粉末，经过造粒以适当模具成形为片状与中空柱状结构。另外，上述成型的方式例如先制作含铁磁性材料与塑胶的一混合物(其中塑胶例如娃胶(silicone)或聚苯硫醚(polyphenylene sulfide),再以注塑成型、挤压成型等制作工艺成型上述混合物。
[0048]所述铁磁性材料请参照第一实施例中铁磁性材料外层的材料，譬如铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)以及前述金属的化合物其中之一者；或者由锰锌系、镍锌系、铜锌系、镍铜锌系、镁锌系及锂锌系的铁氧磁性物其中之一者或其混合物所构成，如软磁性高导磁率的镍铜锌铁氧体(NiCuZn ferrite)等。经由步骤300能制作出如图1或图2A的铁磁性材料外层。然后，于铁磁性材料外层的两端分别形成一端电极，其方法例如于该铁磁性材料外层的两端上银胶再以约650°C的高温烧结。由于银胶是在铁磁性材料外层上并未完全封住，故铁磁性材料外层如为中空柱状结构，则烧结完后端电极会附着在中空柱的两端。
[0049]在步骤302中，提供一夹层结构，此结构包含一第一电极与一第二电极夹住一正温度系数电阻(PTCR)材芯层。这层夹层结构可参照图1或图2A，其中的第一电极与第二电极会分别自PTCR材芯层两端稍微突出。
[0050]随后，在步骤304中，将上述夹层结构设于该铁磁性材料外层内，使第一电极与铁磁性材料外层的一端的端电极接触、第二电极则与铁磁性材料外层的另一端的端电极接触。
[0051]在步骤304之后，可选择进行步骤306，分别焊接第一电极与该第二电极和端电极接触的部位。然后还可利用封胶材料(如硅胶)封住铁磁性材料外层的两端。
[0052]以下列举几个实验结果来验证上述实施例的效果。
[0053]实验一
[0054]先配制三种不同配比组成材料的组成物:
[0055]组成A:65.2%重量的氧化铁、8.2%重量的氧化镍、19.9%重量的氧化锌以及6.7%
重量的氧化铜。
[0056]组成B:66.1%重量的氧化铁、7.3%重量的氧化镍、22.6%重量的氧化锌以及4.0%
重量的氧化铜。
[0057]组成C:66.0%重量的氧化铁、4.6%重量的氧化镍、22.7%重量的氧化锌以及6.7%
重量的氧化铜。
[0058]上述组成fCC经湿式混合、850°C煅烧、球磨后烘干，将烘干后的材料(铜锌铁氧体粉末)与含4%的聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol, PVA)树脂水溶液混合造粒,经适当模具以压机成形为薄片胚体，薄片胚体再经脱脂及高温1000°C烧结后形成镍铜锌铁氧体烧结薄片，薄片厚度约为0.5mm。接着，将烧结铁氧体薄片的两端沾涂上银胶，经650°C烧付上端电极，制成具有端电极的铁氧体薄片体。
[0059]然后，在上述具有端电极的铁氧体薄片两片之间插入由电极层/PTCR导电高分子材料/电极层构成的夹层结构，再焊接电极层与端电极，在外夹层侧边可以涂上绝缘胶(即封胶材料116)以防止上下电极导通，最后成形为如图1A的具电流保护功能的防电磁干扰元件，此时PTCR芯层的厚度约为lmnT5mm。
[0060]另外制作无外层的元件，并以安捷伦(Agilent)E4991A阻抗/材料分析仪测量以上元件，其阻抗/Z/对频率响应如图4所示。由图4可知，组成k?C制成的元件在高频段具有闻阻抗。
[0061]实验二
[0062]使用与实验一相同的组成A?C，经湿式混合、850°C煅烧、球磨后烘干，将烘干后的材料与含4%的PVA树脂水溶液混合造粒，经适当模具以压机成形为中空柱状胚体，中空柱状胚体再经脱脂及高温1000°C烧结后形成镍铜锌铁氧烧结中空柱状结构。接着将烧结铁氧中空柱状结构的两端边沾涂上银胶经650°C烧付上端电极，制成具有端电极的中空柱状结构。
[0063]在上述具有端电极的铁氧中空柱状结构内插入由电极层/PTCR导电高分子材料/电极层构成的夹层结构，再焊接电极层与端电极，成形为如图2A的具电流保护功能的防电磁干扰元件,此时中空柱状结构与PTCR材芯层的截面积比为大于1:1小于10:1。
[0064]另外制作无外层的元件，并以Agilent E4991A阻抗/材料分析仪测量以上元件，其阻抗/Z/对频率响应如图5所示。由图5可知，组成A?C制成的元件在高频段具有高阻抗。
[0065]基于上述，本发明的元件由软磁性铁氧体材料成型耐大电流磁珠元件结构(chipbead)，同时将PTCR材料设置于其中而形成的多功能元件，其具电流保护功能并可防电磁干扰。因此在正常运作时，铁磁性材料外层提供滤除高频杂讯的功效，PTCR材芯层与电极为电流通道，过电流时能提供返复型保险丝的功能，所以可同时提供高频滤杂讯与过电流保护，解决传统单一元件无法达到的功效。
[0066]综上所述，本发明的元件可同时兼抗电磁干扰以及可回复电流保护装置的功用，利用高阻抗的磁性材料作为电磁波屏蔽，并且利用高导磁磁性材料的感抗特性能调整导电PTCR材料的耐电流行为，可达到电流保护运用的特定范围，而感抗特性也能达到电磁干扰滤波器(EMI filter)的功效，因此可应用于具电流保护功能的EMI高阻抗滤波元件。此外，本发明的结构是整合不同功能的元件以得到薄型且低成本的产品，并非只是单纯结合不同功能的元件。
[0067]虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属【技术领域】中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。
【权利要求】
1.一种防电磁干扰元件，其特征在于所述元件包括: 至少一铁磁性材料外层； 第一电极与第二电极，位于该铁磁性材料外层内，且该第一电极与该第二电极分别延伸至该铁磁性材料外层的两端；以及 正温度系数电阻材芯层，是由该第一电极与该第二电极夹于该铁磁性材料外层内。
2.如权利要求1所述的防电磁干扰元件，其特征在于所述元件还包括多数个端电极，分别于该至少一铁磁性材料外层的两端。
3.如权利要求1所述的防电磁干扰元件，其特征在于所述元件其是以两片该铁磁性材料外层夹住该第一电极、该第二电极与该正温度系数电阻材芯层。
4.如权利要求3所述的防电磁干扰元件，其特征在于该正温度系数电阻材芯层与各该片状外层的厚度比在1:广1:5之间。
5.如权利要求1所述的防电磁干扰元件，其特征在于该铁磁性材料外层为一中空柱状结构，且该第一电极、该第二电极与该正温度系数电阻材芯层位于该中空柱状结构内。
6.如权利要求5所述的防电磁干扰元件，其特征在于该中空柱状结构与该正温度系数电阻材芯层的截面积比为大于1:1小于10:1。
7.如权利要求1所述的防电磁干扰元件，其特征在于该铁磁性材料外层的材料包括铁、钴、镍以及前述金属的化合物其中之一者。
8.如权利要求1所述的防电磁干扰元件，其特征在于该铁磁性材料外层的材料是由锰锌系、镍锌系、铜锌系、镍铜锌系、镁锌系及锂锌系的铁氧磁性物其中之一者或其混合物所构成。
9.如权利要求1所述的防电磁干扰元件，其特征在于该正温度系数电阻材芯层的材料为导电高分子材料。
10.如权利要求1所述的防电磁干扰元件，其特征在于所述元件应用于USB传输电路、充放电路基板、手机电路基板、设备仪器的电路基板或电流保护装置。
11.一种制造如权利要求f 10中任一项所述的防电磁干扰元件的方法，其特征在于所述方法包括: 提供一铁磁性材料外层，其中该铁磁性材料外层的两端分别包含至少一端电极； 提供一夹层结构，其中该夹层结构包含第一电极与第二电极，夹住一正温度系数电阻材芯层；以及 将该夹层结构设于铁磁性材料外层内，使该第一电极与该第二电极分别与该铁磁性材料外层的所述两端的该端电极接触。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于提供该铁磁性材料外层的方法包括: 制作含铁磁性材料的一胚体； 烧结该胚体； 于烧结后的该胚体的两端涂布一银胶；以及 进行烧结。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于提供该铁磁性材料外层的方法包括: 制作含铁磁性材料与塑胶的一混合物； 成型该混合物；在成型后的该混合物的两端涂布一银胶；以及 进行烧结。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于所述塑胶包括硅胶或聚苯硫醚。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述方法还包括:分别焊接该第一电极与该第二电极和所述两端的该端电极接触的部位。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于在所述焊接的步骤后还包括:使用封胶材料封住该铁磁性材 料外层的两端。
【文档编号】H05K9/00GK103476232SQ201210276147
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年8月3日 优先权日:2012年6月5日
【发明者】唐敏注, 柯文淞, 杨明达, 王丽君 申请人:财团法人工业技术研究院