改進的導電聚合物器件及其制造方法

專利名稱：改進的導電聚合物器件及其制造方法
相關申請的交叉引用本申請是1998年3月5日提交的申請號為No.09/035,196的未決申請的部分繼續申請。
背景技術：
本發明一般涉及導電聚合物正溫度系數(PTC)器件領域，具體涉及層狀結構的導電聚合物PTC器件，具有多于一層的導電聚合物PTC材料，特別是形成適于表面安裝的形狀。
包含由導電聚合物制成的元件的電子器件已經越來越普遍地用于各種應用中，例如，它們廣泛應用于過電流保護和自控加熱器裝置中，其中所用的聚合材料具有電阻的正溫度系數。正溫度系數(PTC)聚合材料的例子和包含這些材料的器件的例子公開于下列美國專利中3,823,217-Kampe4,237,441-van Konynenburg4,238,812-Middleman等4,317,027-Middleman等4,329,726-Middleman等4,413,301-Middleman等4,426,633-Taylor4,445,026-Walker4,481,498-McTavish等4,545,926-Fouts，Jr等4,639,818-Cherian4,647,894-Ratell4,647,896-Ratell
4,685,025-Carlomagno4,774,024-Deep等4,689,475-Kleiner等4,732,701-Nishii等4,769,901-Nagahori4,787,135-Nagahori4,800,253-Kleiner等4,849,133-Yoshida等4,876,439-Nagahori4,884,163-Deep等4,907,340-Fang等4,951,382-Jacobs等4,951,384-Jacobs等4,955,267-Jacobs等4,980,541-Shafe等5,049,850-Evans5,140,297-Jacobs等5,171,774-Ueno等5,174,924-Yamada等5,178,797-Evans5,181,006-Shafe等5,190,697-Ohkita等5,195,013-Jacobs等5,227,946-Jacobs等5,241,741-Sugaya5,250,228-Baigrie等5,280,263-Sugaya5,358,793-Hanada等導電聚合物PTC器件的一種普通結構類型被稱為疊層結構。疊層導電聚合物PTC器件一般包括夾在一對金屬電極之間的單層導電聚合物材料，前者最好是具有高導電性的薄金屬箔。例如，參見美國專利Nos4,426,633-Taylor；5,089,801-Chan等；4,937,551-Plasko；4,787,135-Nagahori；5,669,607-McGuire等；和5,802,709-Hogg等；以及國際公開文本No.WO97/06660和WO98/12715。
這個技術領域中的近期發展是多層疊層器件，其中兩層或更多層的導電聚合物材料被交替的金屬電極層(一般是金屬箔)分隔，最外層同樣是金屬電極。其結果是在單個組件中包括兩個或更多個并聯連接的導電聚合物PTC器件。與單層器件相比，這種多層結構的好處是減小了電路板上由該器件占用的表面積(“安裝面積”)，得到了更高的電流承載能力。
為了滿足電路板上更高元件密度的需要，作為節約空間的措施，在產業界，已經傾向于更多地使用表面安裝元件。至今可以得到的表面安裝導電聚合物PTC器件通常限于低于大約2.5安培的保持電流，板上安裝面積通常大約9.5mm乘大約6.7mm。近來，安裝面積大約為4.7mm乘大約3.4mm、保持電流大約為1.1安培的器件市場上已經能買到了。然而，由于目前的表面安裝技術(SMT)水平，其安裝面積仍是相當大的。
在非常小的SMT導電聚合物PTC器件的設計方面的主要限制因素是受限的表面積和電阻率的下限，上述電阻率是通過用導電填料(一般是碳黑)充填到聚合物材料中達到的。體電阻率低于大約0.2Ω-cm的有用器件的制造還沒有實現。首先，在處理這么低的體電阻率時，在制造工藝方面存在固有的困難。第二，具有這么低的體電阻率的器件不會具有大的PTC效果，這樣作為電路保護器件非常不實用。
對于導電聚合物PTC器件，可以給出的穩態傳熱公式0＝[I2R(f(Td))]-[U(Td-Ta)]， (1)其中I是通過器件的穩態電流；R(f(Td))為器件的電阻，是其溫度的函數，以及它的“電阻/溫度函數”或“R/T曲線”特性；U是器件的有效傳熱系數；Td是器件的溫度；和Ta是環境溫度。
可以將這種器件的“保持電流”定義為使該器件不會從低阻態跳到高阻態所需要的I值。對于給定的器件，U是固定的，提高保持電流的唯一方法是減小R值。
對于任何電阻性器件的電阻值，都可以表示為基本公式R＝ρL/A，(2)其中ρ是電阻性材料的體電阻率，單位是Ω-cm，L是流過器件的電流通路的長度，單位是cm，A是電流通路的有效截面積，單位是cm2。
這樣，通過減小體電阻率ρ或增加器件的截面積A，都可以減小R值。
通過增加填充到聚合物中的導電填料的比例，可以降低體電阻率ρ值。然而，上面已經提到了這樣做的實際限制。
減小電阻值R的更實際的做法是增加器件的截面積A。該方法除了相當容易實現外(無論從工藝角度還是從生產具有有用的PTC特性的器件的角度)，還具有另外的好處通常，當器件的面積增加時，傳熱系數的值也增加，從而進一步增加保持電流的值。
然而，在SMT應用中，需要將器件的有效面積或安裝面積減至最小。這就提出了對器件中的PTC元件的有效截面積的嚴格限制。這樣，對于任何給定安裝面積的器件，在可以得到的最大保持電流值上有一個固有的限制。從另一方面看，只有通過減小保持電流值，才能實際上實現減小安裝面積。
這樣，就渴望一種具有非常小的安裝面積的SMT導電聚合物PTC器件，同時能得到相當高的保持電流。申請人的申請號為No.09/035,196的未審申請(將其公開內容引入本文，作為參考)公開了滿足這些標準的多層SMT導電聚合物PTC器件以及制造這種器件的方法。然而，一直在尋求制造這種器件的更有效、更經濟的方法。此外，對于給定的安裝面積，仍然希望更高的保持電流。
發明綜述廣泛地說，本發明是一種導電聚合物PTC器件，該器件在保持非常小的電路板安裝面積的同時具有相當高的保持電流。上述結果是通過多層結構而實現的，對于給定的電路板安裝面積，該多層結構提供了增加了電流通路的有效截面積A。實際上，在單個的、小安裝面積的表面安裝組件中，本發明的多層結構提供了并聯電連接的三個或更多個PTC器件。
一方面，在最佳實施例中，本發明的導電聚合物PTC器件包括多個交替的金屬箔層和PTC導電聚合物材料層，具有導電互連以形成三個或更多個彼此并聯連接的導電聚合物PTC器件，并具有用于表面安裝端子而構成的端子部件。
具體地說，兩個金屬層分別形成第一和第二外電極，而其余的金屬層形成多個內電極，這些內電極體分隔并電連接三個或更多個位于外電極之間的導電聚合物層。第一和第二端要與所有導電聚合物層實體接觸而形成。使上述電極錯開，以建立兩組交替電極第一組與第一端電接觸，第二組與第二端電接觸。上述端子中的一個作為輸入端，另一個作為輸出端。
本發明的具體實施例包括第一、第二和第三導電聚合物PTC層。第一外電極與第二端和第一導電聚合物層的外表面電接觸，該第一導電聚合物層的外表面是與面對第二導電聚合物層的表面相反的表面。第二外電極與第一端和第三導電聚合物層的外表面電接觸，該第三導電聚合物層的外表面是與面對第二導電聚合物層的表面相反的表面。第一和第二導電聚合物層由與第一端電接觸的第一內電極分隔，而第二和第三導電聚合物層由與第二端電接觸的第二內電極分隔。
在這樣的實施例中，如果第一端是輸入端，第二端是輸出端，電流通路是從第一端到第一內電極和第二外電極。從第一內電極，電流流經第一導電聚合物層和第一外電極以及流經第二導電聚合物層和第二內電極到第二端。從第二外電極，電流流經第三導電聚合物層和第二內電極到第二端。
這樣，所得到的器件實際上是并聯連接的三個PTC器件。這種結構與單層器件相比，在不增加安裝面積的情況下，顯著提高了電流通路的有效截面積。這樣，對于給定的安裝面積，可以得到更大的保持電流。
本發明的具體改進在于，在每個第一和第二外電極上的全金屬化的外表面，分別為第一和第二端子的上和下端與第一和第二電極的附著提供了大的表面積。改進還在于，在第一和第二端的端部之間的金屬化外電極表面上涂覆外絕緣層，以便在第一和第二端之間提供電絕緣，其中外絕緣層與端子的上端和下端平齊。
上面描述的改進相對于現有的多層導電聚合物PTC器件提供了數項好處，所有的好處都主要起源于能在端子的端部和外電極之間提供大的附著“區域”。具體地說，這個結構在端子和外電極之間提供了增強的焊料接合強度，增強了熱擴散特性，降低了端子接合處的接觸電阻。對于給定尺寸的器件，后兩個特性導致了更高的保持電流。
另一方面，本發明提供一種制造上述器件的方法。對于具有三個導電聚合物PTC層的器件，該方法包括步驟(1)提供(a)包括夾在第一和第二金屬層之間的第一導電聚合物PTC層的第一疊層子結構，(b)第二導電聚合物層，和(c)包括夾在第三和第四金屬層之間的第三導電聚合物PTC層的第二疊層子結構；(2)隔離第二和第三金屬層的選定區，以便分別形成內金屬帶的第一和第二內陣列；(3)將第一和第二疊層子結構疊加到第二導電聚合物PTC層的相反的兩個表面上，以形成疊層結構，該疊層結構包括夾在第一和第二金屬層之間的第一導電聚合物層、夾在第二和第三金屬層之間的第二導電聚合物PTC層和夾在第三和第四金屬層之間的第三導電聚合物PTC層；(4)隔離第一和第四金屬層的選定區，以分別形成外金屬帶的第一和第二外陣列；(5)在每個外金屬帶的外表面上形成多個絕緣區；以及(6)形成多個第一端和第二端，每個第一端將第一內陣列中的一個內金屬帶與第二外陣列中的一個外金屬帶電連接，每個第二端將第一外陣列中的一個外金屬帶與第二內陣列中的一個內金屬帶電連接，其中每個第一端通過第一和第二外陣列的每個上的一個絕緣區與第二端分隔。
更具體地說，隔離第二和第三金屬層的選定區的步驟包含在第二和第三金屬層的每個中蝕刻一組平行、線形內隔離間隙的步驟，以便形成隔離的平行金屬帶的第一和第二內陣列。使第二和第三金屬層中的內隔離間隙錯開，使得第一內陣列中的隔離金屬帶相對于第二內陣列中的隔離金屬帶錯開。
隔離第一和第四金屬層的選定區的步驟包括(a)形成一組穿過疊層結構的平行線形溝槽，每個溝槽穿過第二或第三金屬層中的一個內隔離間隙；(b)用導電金屬鍍層鍍覆溝槽的側壁以及第一和第四金屬層的外表面；和(c)在第一和第四金屬層(包含鍍覆的金屬鍍層)的每個中蝕刻出一組平行、線形外隔離間隙，其中第一金屬層中的隔離間隙與第一組溝槽相鄰，第四金屬層中的隔離間隙與和第一組交錯的第二組溝槽相鄰。這樣，隔離金屬帶的第一外陣列包括第一金屬層中的多個第一寬外金屬帶，每個都限定在溝槽和外隔離間隙之間，而隔離金屬帶的第二外陣列包括第四金屬層中的多個第二寬外金屬帶，每個都限定在溝槽和外隔離間隙之間，其中第一外陣列中的寬外金屬帶位于離開第二陣列中的寬外金屬帶的溝槽的相對側面上。此外，由于連續的溝槽之間的隔離間隙的不對稱的布置，每個隔離間隙都將寬一個外金屬帶與窄外金屬帶分隔開來，每個溝槽都具有一側上的窄金屬帶和另一側上的寬金屬帶。
形成多個絕緣區的步驟包括沿著每個寬外金屬帶，在疊層結構的兩個外表面上絲網印刷絕緣材料層的步驟。涂覆絕緣層要使隔離間隙被絕緣材料填充，但要留下沿著每個溝槽的每個寬外金屬帶的相當大的部分不被覆蓋或使其暴露。也留下窄金屬帶不被覆蓋。
形成第一和第二端的步驟包括在沒有被絕緣層覆蓋的金屬鍍覆的表面上覆蓋焊料鍍層的步驟。這樣將焊料鍍層鍍覆到溝槽內壁表面上、窄金屬帶上和寬外金屬帶的暴露部分上。
制造工藝的最后步驟包括將疊層結構劃分為多個單獨的導電聚合物PTC器件的步驟，每個器件具有上述結構。具體地說，通過分割步驟，第一和第四金屬層中的寬外金屬帶分別形成為多個第一和第二電極，而第一和第二內陣列中的隔離金屬區分別形成為多個第一和第二內電極。
這里描述了具有三個導電聚合物PTC層的器件，應當理解根據本發明也能構造具有兩個這樣的層或四個或更多個這樣的層的器件。這樣，肯定可以修改上述制造方法，以制造具有兩個導電聚合物PTC層或四個或更多個這樣的層的器件。
從下面的詳細描述，本發明的上述以及其它優點將更容易被理解。
附圖的詳細說明

圖1是疊層子結構和中間導電聚合物PTC層的截面圖，說明根據本發明的第一最佳實施例，導電聚合物PTC器件制造方法的第一步；圖2是圖1的第一(上)疊層子結構的頂平面圖；圖3是分別在圖1的疊層子結構的第二和第三金屬層中建立隔離金屬區的第一和第二內陣列的步驟完成之后，得到的與圖1類似的截面圖；圖3A是沿圖3的3A-3A線得到的第二金屬層的平面圖；圖3B是沿圖3的3B-3B線得到的第三金屬層的平面圖；圖3C是與圖3類似的截面圖，但顯示了在將圖3的子結構和中間導電聚合物PTC層層疊之后形成的疊層結構；圖3D是圖3C的疊層結構的頂平面圖，用虛線顯示了在第二和第三金屬層中蝕刻的隔離間隙；圖4是在形成穿過疊層結構的溝槽的步驟完成之后，得到的疊層結構的頂平面圖；圖5是沿圖4的5-5線得到的截面圖；圖6是在金屬鍍覆溝槽的壁表面和疊層結構的外表面的步驟完成之后，得到的與圖5類似的截面圖；圖7是在疊層結構的外表面中形成隔離間隙的步驟完成之后，得到的與圖6類似的截面圖；圖8是在疊層結構的外表面上形成絕緣隔離區的步驟完成之后，得到的與圖7類似的截面圖；圖9是在形成端子的步驟完成之后，得到的疊層結構的局部平面圖；圖10是沿圖9的10-10線得到的截面圖；圖11是從疊層結構分割后的多層、導電聚合物PTC器件的透視圖；圖12是沿圖11的12-12線得到的截面圖；本發明的詳細描述現在參考附圖，圖1說明了第一疊層子結構或箔材10和第二疊層子結構或箔材12。根據本發明，提供第一和第二箔材10、12是制造導電聚合物PTC器件工藝的第一步。第一疊層箔材10包括夾在第一和第二金屬層16a、16b之間的第一導電聚合物PTC材料層14。在工藝的后續步驟中，在第一箔材10和第二箔材12之間提供了用于疊層的第二或中間導電聚合物PTC材料層18，如下所述。第二箔材12包括夾在第三和第四金屬層16c、16d之間的第三導電聚合物PTC材料層20。導電聚合物PTC層14、18、20可由任意合適的導電聚合物PTC組合物制成，例如其中混合有一定量的碳黑的高密度聚乙烯(HDPE)，這種材料具有所需要的電工作特性。例如可以看轉讓給本發明的受讓人的美國專利No.5,802,709-Hogge等，所公開的內容引入本文，作為參考。
金屬層16a、16b、16c和16d可以由銅或鎳箔制成，最好用鎳制成第二和第三(內)金屬層16b和16c。如果金屬層16a、16b、16c和16d由銅箔制成，那些與導電聚合物層接觸的銅箔的表面要用浸硫酸鎳涂層(未示出)鍍覆，以防止在聚合物和銅之間發生不希望的化學反應。最好還通過公知技術使這些聚合物接觸表面“粒化”，以便提供粗糙表面，在金屬和聚合物之間提供良好的粘附強度。這樣，在所說明的實施例中，第二和第三(內)金屬層16b、16c的兩個表面都被粒化，而第一和第四(外)金屬層16a和16d只在與相鄰的導電聚合物層接觸的一個表面上粒化。
疊層箔材10、12本身可以通過現有技術中公知的幾個合適的工藝中的任一工藝形成，如通過下列美國專利所例舉的Nos.4,426,633-Taylor；5,089,801-Chan等；4,937,551-Plasko；和4,787,135-Nagahori，公開于美國專利No.5,802,709-Hogge等和國際公開No.wo97/06660中的工藝比較好。
為了進行制造工藝的后續步驟，在這一點提供一些保持箔材10、12和中間導電聚合物PTC層18的適當定向和定位的措施是有好處的。較好的措施是通過在箔材10、12和中間聚合物層18的角落形成(例如通過沖孔或鉆孔)多個定位孔24，如圖2所示。也可以采用本領域眾所周知的其它定位技術。
在圖3、3A和3B中說明了工藝的下一步。在這個步驟中，移去在第二和第三(內)金屬層16b、16c的每一個中的金屬圖形，以便分別在內金屬層16b、16c中形成隔離的平行金屬帶26b、26c的第一和第二內陣列。具體地說，在第二金屬層16b中形成了第一組平行、線形內隔離間隙28，在第三金屬層16c中形成了第二組平行、線形隔離間隙，分別在第二和第三金屬層16b、16e中的內隔離間隙28之間確定了內金屬帶26b、26c。移去金屬以便形成間隙28是通過用于印刷電路板的制造的標準技術，例如那些采用光致抗蝕劑和蝕刻方法的技術完成的。移去金屬后在每個內金屬層16b、16c中的相鄰金屬帶26b、26c之間生成線形隔離間隙28。第二和第三金屬層中的內隔離間隙28錯開排列，使得第一內陣列(在第二金屬層16b中)中的隔離金屬帶26b相對于第二內陣列(在第三金屬層16c中)中的隔離金屬帶26c錯開排列。
確保箔材10、12和中間導電聚合物PTC層18處于適當的定位，通過現有技術中公知的適當的層疊方法，在箔材10、12之間層疊中間導電聚合物PTC層18。例如，可以在適當的壓力和高于導電聚合物的熔點的溫度下進行層疊，從而使導電聚合物層14、18和20的材料流入并填充隔離間隙28。然后在保持壓力的同時將上述疊層冷卻到聚合物的熔點以下。得到的是疊層結構30，如圖3C和3D所示。在這一點上，如果需要將器件用于特殊的應用，可以通過公知的方法交聯疊層結構30中的聚合材料。
形成疊層結構30之后，穿過該疊層結構30形成平行、一組線形溝槽32，如圖4和5所示。可以通過鉆、銑或沖疊層結構30形成完全穿過四個金屬層16a、16b、16c和16d以及三個聚合物層14、18和20的溝槽32。每個溝槽32經過第二金屬層16b或第三金屬層16c中的一個內隔離間隙28。
下一步，如圖6所示，用導電金屬的鍍層34鍍覆第一和第四(外)金屬層16a、16d的暴露的外表面以及溝槽32的內壁表面，導電金屬是例如錫、鎳或銅，最好是銅。為了提高附著強度，鍍層34可以包括一層銅覆在非常薄的鎳基層(未示出)上。可以通過任何適當的工藝例如電沉積進行金屬鍍覆步驟。金屬鍍層34可以定義為具有鍍在溝槽32的內壁表面上的第一部分和分別鍍在第一和第四金屬層16a、16d的外表面上的第二和第三部分。
圖7說明了在每個包含鍍覆上金屬鍍層34的第一和第四金屬層16a、16d中形成一組平行、線形外隔離間隙36的步驟。第一金屬層中的外隔離間隙36與第一組溝槽32相鄰，第四金屬層中的外隔離間隙36與和第一組交錯的第二組溝槽32相鄰。外隔離間隙36可以通過與如上討論的形成內隔離間隙28一樣的工藝形成。
外隔離間隙36將第一金屬層16a劃分為第一多個外金屬帶38a，每個都限定在溝槽32和外隔離間隙36之間。在第四金屬層中，外隔離間隙36將第四金屬層16d劃分為第二多個外金屬帶38b，每個都限定在溝槽32和外隔離間隙36之間。其中第一陣列中的外金屬帶38a位于離開第二陣列中的外金屬帶38b的溝槽32的相反側上。此外，由于連續的溝槽32之間的外隔離間隙36的不對稱的布置，每個外隔離間隙36都分別將外金屬帶38a、38b中的一個與窄的外金屬帶40a、40b分隔開來，每個溝槽32都具有一側上的窄金屬帶40a、40b和另一側上的金屬帶38a、38b。每個金屬帶38a、38b和窄金屬帶40a、40b都包括內箔層和外金屬鍍覆層。
圖8說明了在疊層結構30的兩個主外表面(也就是上和下表面)上形成多個絕緣區42的步驟。這個步驟是通過沿著每個外金屬帶38a、38b，在疊層結構30的兩個適當表面上絲網印刷絕緣材料層來進行的。絕緣區42的形狀要使得外隔離間隙36被絕緣材料添充，但留下沿著每個溝槽32的每個金屬鍍覆的外金屬帶38a、38b的相當大的部分未被覆蓋或使其暴露。盡管絕緣區42可以覆蓋窄帶40a、40b的很小的相鄰部分，但留下每個窄帶40a、40b的大部分(若不是全部)表面都不被絕緣層42覆蓋。
然后，如圖9和10所示，在上面結合圖6討論的步驟中用鍍層34金屬鍍覆的區再用薄焊料鍍層44鍍覆。焊料鍍層44最好用電鍍鍍覆，但也可以采用本領域已知的任何其他合適的工藝(例如回流焊或真空淀積)鍍敷，焊料鍍層44覆蓋鍍覆到溝槽32的內壁表面的金屬鍍層34部分，以及留下外帶38a、38b和窄金屬帶40a、40b那些未被絕緣層42覆蓋的部分。焊料鍍層44與絕緣層42平齊是很重要的。因此，必須控制絕緣層42和焊料鍍層44的厚度，以確保在疊層結構30的上和下表面上提供基本上平齊的表面，如圖10所示。
最后，最好沿著劃刻的格線(未示出)分割(通過已知的技術)疊層結構30，以便形成多個單個的導電聚合物PTC器件，其中之一示于圖11和12，用標號50表示。分割后，器件包含由外金屬帶38a的一個第一外陣列形成的第一外電極52；由內金屬帶26b的一個第一內陣列形成的第一內電極54；由內金屬帶26c的一個第二內陣列形成的第二內電極56；和由外金屬帶38b的一個第二陣列形成的第二外電極58。由第一聚合物層14形成的第一導電聚合物PTC元件60位于第一外電極52和第一內電極54之間；由第二聚合物層18形成的第二導電聚合物PTC元件62位于第一內電極54和第二內電極56之間；而由第三聚合物層20形成的第三導電聚合物PTC元件64位于第二內電極56和第二外電極58之間。
上述焊料鍍層44在器件50的相反的兩個端面上提供了第一和第二導電端66、68。第一和第二端66、68形成整個端面和器件50的部分上和下表面。通過絕緣層42形成了器件50的上和下表面的其余部分，絕緣層42使第一和第二端66、68彼此電絕緣。
如圖12所示，第一端66與第一內電極54和第二外電極58緊密體接觸。第二端68與第一外電極52和第二內電極56緊密體接觸。第一端66還與由上述窄金屬帶40a形成的頂部金屬段70a接觸，而第二端68與由另一窄金屬帶40b形成的第二金屬段70b接觸。金屬段70a、70b具有如此小的面積，以致于可以忽略其電流承載能力，這樣不起電極的作用，這一點從下面可以看出。
為了描述方便，可以認為第一端66是輸入端，第二端68是輸出端，但這些規定是任意的，也可采用相反設置。對于這樣定義的端子66、68，流過器件50的電流通路如下從輸入端66，電流(a)流過第一內電極54、第一導電聚合物PTC層14和第一外電極52到輸出端68；(b)流過第一內電極54、第二導電聚合物PTC層18和第二內電極56到輸出端68；和(c)流過第二外電極58、第三導電聚合物PTC層20和第二內電極56到輸出端68。這個電流通路等效于在輸入和輸出端66、68之間并聯連接導電聚合物PTC層14、18和20。
可以看到根據上述制造工藝構成的器件是非常小巧的。具有小的安裝面積，而得到了相當高的保持電流。
根據本發明的器件50的特征在于，在每個第一和第二外電極52、58的表面上的全金屬化層34，分別為器件50的上和下表面上的第一和第二端66、68的上端和下端的附著提供了大的表面積。改進還在于，在第一和第二端66、68的端部之間的外電極52、58的金屬化外表面上涂覆外絕緣層42，以便在第一和第二端66、68之間提供電絕緣，其中外絕緣層42與器件50的上和下表面上的端子66、68的焊料鍍層平齊。
上面描述的改進相對于現有的多層導電聚合物PTC器件提供了數項好處，所有的好處都主要起源于能在端子的端部和和外電極52、58之間提供大的附著“區域”。具體地說，這個結構在端子66、68和外電極52、58之間提供了增強的焊料接合強度，增強了熱擴散特性，降低了端子接合處的接觸電阻。對于給定尺寸的器件，后兩個特性導致了更高的保持電流。其中非常重要的一點是在順序的電極之間提供了比至今在多層聚合物PTC器件中得到的覆蓋面積更大的覆蓋面積，從而增加了器件的有效電流承載截面積。結果對于給定的安裝面積，進一步增加了保持電流。
應當意識到可以非常容易地對上述制造方法進行修改，以便制造包括夾在兩個電極之間的單層導電聚合物層的器件，該器件具有與每個電極電連接的端子，端子被器件上和下外表面上的絕緣層彼此電絕緣。具體地說，這樣的方法包括步驟(1)提供疊層結構，包括夾在第一和第二金屬層之間的第一導電聚合物層；(2)隔離第一和第二金屬層的選定區，以便分別形成金屬帶的第一和第二陣列；(3)在第一陣列的每個金屬帶的外表面上形成多個第一絕緣區，在第二陣列的每個金屬帶的外表面上形成多個第二絕緣區；(4)形成多個第一端，每個與第一陣列中的一個金屬帶電連接，形成多個相應的第二端，每個與第二陣列中的一個金屬帶電連接，每個第一端和相應的第二端被多個第一絕緣區中的一個和多個第二絕緣區中的一個電絕緣；和(5)將疊層結構劃分為多個器件，每個器件包括夾在第一電極和第二電極之間的導電聚合物層，其中第一電極由第一陣列中的一個金屬帶形成，第二電極由第二陣列中的一個金屬帶形成；第一端只與第一電極電接觸；和第二端只與第二電極電接觸。
在單層實施例中，隔離第一和第二金屬層的選定區的步驟包括(2)(a)形成一組穿過疊層結構的基本上平行、線形的溝槽；(2)(b)用導電金屬鍍層，鍍覆溝槽的內側壁以及第一和第二金屬層的外表面；和(2)(c)在每個包含鍍覆了金屬鍍層的第一和第二金屬層中，蝕刻出一組基本上是線形的隔離間隙。形成絕緣區的步驟和形成端子的步驟與上面描述的多層實施例基本相同，但條件是形成的端子要使多個第一端中的每一個只與第一電極電接觸，多個第二端中的每一個只與第二電極電接觸。
在本說明書和附圖中已經詳細描述了示例性的實施例，可以理解所屬領域的技術人員可以受到啟發作出大量的修改和變化。例如，可以用很寬范圍內的多種電特性的導電聚合物組合物實施這里描述的制造工藝，這樣就并不限于那些具有PTC性能的導電聚合物。而且很清楚，可以很容易地將上述制造方法用于制造具有少于三層或多于三層導電聚合物層的器件。此外，在本發明非常有利于制造SMT器件的同時，可以很好地將其用于制造具有各種物理結構和板裝配安排的多層導電聚合物器件。這些和其它的變化和修改被認為是這里清楚描述的相應結構或工藝步驟的等同物，從而落入下面權利要求所限定的本
權利要求
1.一種電子器件的制造方法，包括步驟(1)提供(a)第一疊層子結構，其包括夾在第一和第二金屬層之間的第一導電聚合物層，(b)第二導電聚合物層，和(c)第二疊層子結構，其包括夾在第三和第四金屬層之間的第三導電聚合物層；(2)隔離第二和第三金屬層的選定區，以便分別形成內金屬帶的第一和第二內陣列；(3)將第一和第二疊層子結構疊加到第二導電聚合物層的相反的兩表面上，以形成疊層結構；(4)隔離第一和第四金屬層的選定區，以分別形成外金屬帶的第一和第二外陣列；(5)在每個外金屬帶的外表面上形成多個絕緣區；和(6)形成多個第一端和第二端，每個第一端將第一內陣列中的一個內金屬帶與第二外陣列中的一個外金屬帶電連接，每個第二端將第一外陣列中的一個外金屬帶與第二內陣列中的一個內金屬帶電連接。
2.如權利要求1所述的方法，其中導電聚合物層具有PTC特性。
3.如權利要求1所述的方法，其中金屬層由從鎳箔和鍍鎳的銅箔所構成的組中選出的材料制成。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，還包括步驟(7)將疊層結構分為多個器件，每個器件包括夾在第一外電極和第一內電極之間的第一導電聚合物層，其中第一外電極由第一外陣列中的一個外金屬帶形成，第一內電極由第一內陣列中的一個內金屬帶形成；夾在第一內電極和第二內電極之間的第二導電聚合物層，其中第二內電極由第二內陣列中的一個內金屬帶形成；和夾在第二內電極和第二外電極之間的第三導電聚合物層，其中第二外電極由第二外陣列中的一個外金屬帶形成；其中第一端只與第一內電極和第二外電極電接觸，第二端只與第一外電極和第二內電極電接觸。
5.如權利要求1、2或3所述的方法，其中隔離第二和第三金屬層的選定區的步驟包括在第二和第三金屬層的每層中蝕刻出一組基本上平行的、線形的隔離間隙的步驟，以便形成內金屬帶的第一和第二內陣列。
6.如權利要求5所述的方法，其中第二和第三金屬層中的隔離間隙彼此錯開，使得第一內陣列中的內金屬帶相對于第二內陣列中的內金屬帶錯開。
7.如權利要求6所述的方法，其中隔離第一和第四金屬層的選定區的步驟包括(4)(a)形成一組穿過疊層結構的基本上平行的線形溝槽，每個溝槽穿過第二或第三金屬層中的一個內隔離間隙；(4)(b)在溝槽的內側壁以及第一和第四金屬層的外表面上鍍敷導電金屬鍍層；和(4)(c)在包含鍍覆在其上的金屬鍍層的第一和第四金屬層的每層中蝕刻出一組基本上是線形的外隔離間隙。
8.如權利要求7所述的方法，其中進行所述的蝕刻一組外隔離間隙的步驟，以使在第一金屬層中形成的外隔離間隙與第一組溝槽相鄰，在第四金屬層中形成的外隔離間隙與和第一組交錯的第二組溝槽相鄰。
9.如權利要求7所述的方法，其中形成多個絕緣區的步驟包括在第一和第四金屬層的外表面上的導電金屬鍍層上淀積絕緣材料層的步驟，以使絕緣材料填充到外隔離間隙內，并且留出第一和第四金屬層的與每個溝槽相鄰的部分，使這些部分具有暴露的在鍍覆步驟形成的金屬鍍層。
10.如權利要求9所述的方法，其中形成多個第一和第二端的步驟包括在鍍覆的溝槽內壁上以及第一和第四金屬層的具有暴露的金屬鍍層的部分上淀積焊料層的步驟。
11.如權利要求10所述的方法，其中進行所述的淀積焊料層的步驟，以使淀積在第一和第四金屬層上的焊料層部分基本上與絕緣材料層平齊。
12.一種電子器件，具有第一和第二相反的端面，該器件包括第一、第二和第三導電聚合物層，每層都具有第一和第二相反的兩表面；第一和第二導電聚合物層由第一內電極分隔，該第一內電極與第一導電聚合物層的第二表面和第二導電聚合物層的第一表面電接觸；第二和第三導電聚合物層由第二內電極分隔，該第二內電極與第二導電聚合物層的第二表面和第三導電聚合物層的第一表面電接觸；第一外電極，具有外表面和與第一導電聚合物層的第一表面電接觸的內表面；第二外電極，具有外表面和與第三導電聚合物層的第二表面電接觸的內表面；導電金屬層，具有分別覆蓋器件的第一和第二端面的第一和第二端部，使得分別與第一和第二內電極電接觸，頂和底部分別覆蓋第一和第二外電極的外表面；第一端，形成在第一端部和導電聚合物層的底部的部分上，使其與第一內電極和第二外電極電接觸；和第二端，形成在第二端部和金屬層的頂部的部分上，使其與第二內電極和第一外電極電接觸。
13.如權利要求12所述的電子器件，其中電極部件由金屬箔制成。
14.如如權利要求13所述的電子器件，其中金屬箔由從鎳箔和鍍鎳的銅箔所構成的組中選出的材料制成。
15.如權利要求12所述的電子器件，其中第一、第二和第三導電聚合物層由具有PTC特性的材料制成。
16.如權利要求12所述的電子器件，其中第一和第二端是由鍍覆到導電金屬層上的焊料層而形成的。
17.如權利要求12、13、14、15或16所述的電子器件，還包括導電金屬層的每個頂和底部上的絕緣層，將該絕緣層定位成使第一和第二端彼此絕緣。
18.如權利要求17所述的電子器件，其中第一和第二端以及導電聚合物層的頂和底部確定了器件的基本上平齊的上和下表面。
19.如權利要求12、13、14、15或16所述的電子器件，其中第一、第二和第三導電聚合物層通過第一和第二內電極以及第一和第二外電極并聯連接在第一和第二端之間。
20.一種電子器件的制造方法，包括步驟(1)提供疊層結構，包括夾在第一和第二金屬層之間的第一導電聚合物層；(2)隔離第一和第二金屬層的選定區，以便分別形成金屬帶的第一和第二陣列；(3)在金屬帶的第一陣列的每個外表面上形成多個第一絕緣區，在金屬帶的第二陣列的每個外表面上形成多個第二絕緣區；和(4)形成多個第一端，每個與第一陣列中的一個金屬帶電連接，并形成多個相應的第二端，每個與第二陣列中的一個金屬帶電連接，每個第一端和相應的第二端被多個第一絕緣區中的一個和多個第二絕緣區中的一個隔離開來。
21.如權利要求20所述的方法，其中導電聚合物具有PTC特性。
22.如權利要求20所述的方法，其中金屬層由從鎳箔和鍍鎳的銅箔所構成的組中選出的材料制成。
23.如權利要求20、21或22所述的方法，還包括步驟(5)將疊層結構分為多個器件，每個器件包括夾在第一電極和第二電極之間的導電聚合物層，其中第一電極由第一陣列中的一個金屬帶形成，第二電極由第二陣列中的一個金屬帶形成；第一端只與第一電極電接觸；和第二端只與第二電極電接觸。
24.如權利要求20、21或22所述的方法，其中隔離第一和第二金屬層的選定區的步驟包括(2)(a)形成一組穿過疊層結構的基本上平行的線形的溝槽；(2)(b)在溝槽的內側壁以及第一和第二金屬層的外表面上鍍敷導電金屬鍍層；和(2)(c)在每個包含鍍覆在其上的金屬鍍層的第一和第二金屬層中，蝕刻出一組基本上是線形的隔離間隙。
25.如權利要求24所述的方法，其中進行蝕刻隔離間隙組的步驟，使得在第一金屬層中形成的隔離間隙與第一組溝槽相鄰，在第二金屬層中形成的隔離間隙與和第一組交錯的第二組溝槽相鄰。
26.如權利要求24所述的方法，其中形成多個第一和第二絕緣區的步驟包括分別在第一和第二金屬層的外表面上的導電金屬鍍層上淀積第一和第二絕緣材料層的步驟，使得絕緣材料填充到隔離間隙內，并且留出第一和第二金屬層的與每個溝槽相鄰的部分，使這些部分具有暴露的從鍍覆步驟形成的金屬鍍層。
27.如權利要求26的方法，其中形成多個第一和第二端的步驟包括在溝槽的鍍覆了的內壁上以及在第一和第二金屬層的具有暴露的金屬鍍層的部分上淀積焊料層的步驟。
28.如權利要求27所述的方法，其中進行淀積焊料層的步驟，使得淀積在第一和第二金屬層上的焊料層部分與絕緣材料基本上平齊。
29.一種電子器件，具有第一和第二相反的端面，該器件包括導電聚合物層，其具有相反的第一、第二兩表面；第一電極，具有外表面和與導電聚合物層的第一表面電接觸的內表面；第二電極，具有外表面和與導電聚合物層的第二表面電接觸的內表面；導電金屬層，具有分別覆蓋器件的第一和第二端面的第一和第二端部，和分別覆蓋第一和第三電極的外表面的頂和底部；第一端，形成在第一端部和導電金屬層的部分底部上，使其與第二電極電接觸；和第二端，形成在第二端部和金屬層的部分頂部上，使其與第一電極電接觸。
30.如權利要求29所述的電子器件，其中電極部件由金屬箔制成。
31.如權利要求30所述的電子器件，其中金屬箔由從鎳箔和鍍鎳的銅箔所構成的組中選出的材料制成。
32.如權利要求29所述的電子器件，其中導電聚合物層由具有PTC特性的材料制成。
33.如權利要求29所述的電子器件，其中第一和第二端是通過鍍覆到導電金屬層上的焊料層而形成的。
34.如權利要求29、30、31、32或33所述的電子器件，還包括導電金屬層的每個頂和底部上的絕緣層，將該絕緣層定位成使第一和第二端彼此絕緣。
35.如權利要求34所述的電子器件，其中第一和第二端以及導電聚合物層的頂和底部確定了器件的基本上平齊的上和下表面。
全文摘要
一種電子器件,具有夾在兩個外電極和兩個內電極之間的三個導電聚合物層,使上述電極錯開以建立與第一端接觸的第一組電極,該第一組電極和與第二端接觸的第二組電極交錯。通過下述步驟制造該器件:(1)提供:(a)第一疊層子結構,其包括夾在第一和第二金屬層之間的第一聚合物層;(b)第二聚合物層;和(c)第二疊層子結構,其包括夾在第三和第四金屬層之間的第三聚合物層;(2)隔離第二和第三金屬層的選定區,以便分別形成內金屬帶的第一和第二陣列;(3)將第一和第二疊層子結構疊加到第二導電聚合物層的相反的兩表面上,以形成疊層結構;(4)隔離第一和第四金屬層的選定區,以分別形成外金屬帶的第一和第二陣列;(5)在外金屬帶的外表面上形成絕緣區;(6)形成多個第一端和第二端,每個第一端將第一內陣列中的金屬帶與第二外陣列中的金屬帶電連接,每個第二端將第一外陣列中的金屬帶與第二內陣列中的金屬帶電連接;和(7)將疊層結構分為多個器件,每個器件具有在第一和第二端之間并聯連接的三個聚合物層。
文檔編號H01C1/14GK1342322SQ99814684
公開日2002年3月27日 申請日期1999年12月10日 優先權日1998年12月18日
發明者安德魯·布瑞安·巴萊特, 史蒂文·D·霍格, 黎文彬, 楊昆明 申請人:伯恩斯公司