CN102800541B - 一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件及制作方法，该元件的陶瓷基板上设有一冲压沟槽，冲压沟槽内通过厚膜印刷工艺填充有LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料，所述的填充有LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料的陶瓷基板上堆叠熔体层，使得所述电极图形位于填充有LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料的冲压沟槽的正上方，所述已具有熔体层的陶瓷基板上再堆叠另一陶瓷基板，两个陶瓷基板的冲压沟槽部分位于同一垂直平面，使所述熔体层位于填充有LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料的冲压沟槽部分之间，采用具有极低导热系数和大比表面积的多孔填充材料，分散熔断体动作时所产生的高压热流对产品自身的冲击作用。

Description

一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种过流保护元件及其制作方法，特别是涉及一种采用原位固化堆叠工艺生产多孔低温共烧陶瓷过电流保护元件的结构及其制作方法。

背景技术

应用于电源开关、变压器等电气设备中的高压限流熔断器通常需要包含一个灭弧装置（拥有灭弧材料或特殊结构），用以帮助熄灭熔断器元件在故障电流状态下动作时产生的电弧，从而避免过大电流产生的热量使熔断体元件熔融和汽化，并在熔断器内部形成高压热流的现象，导致产品发生爆裂等不安全熔断问题。松下电器国际专利申请号PCT/JP2007/055083（中国专利申请号200780009165.3）在制作贴片式熔断器时，提出采用上下两个基台用粘合剂粘结，基台中部形成一个凹部空间的方式制作电流熔断器。进而功得电子在中国专利申请号201010122121.5中提出在基板内设置埋入式微穴结构以形成泄压聚热空间，用来聚焦熔断体在电流通过时所产生的高温，并泄除熔断体在熔断时所产生的压力，实现产品在大功率高电压上的应用。但此结构具有明显的缺点：微穴在产品堆叠及烧结时容易产生变形，造成微穴尺寸难于控制，且其微穴大小也受到了限制；另外熔断体在微穴上铺设时，容易因重力作用而向下凹陷，造成熔断体长度难于控制，从而最终产品熔断特性的一致性会变得较差。

发明内容

针对上述问题，本发明提供的是一种通过采用具有极低导热系数和大比表面积的多孔填充材料，来降低产品功耗，分散熔断体动作时所产生的高压热流对产品自身的冲击作用，以提高产品安全性的低温共烧陶瓷堆叠保护元件。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件，包括第一陶瓷基板、第二陶瓷基板，设置在第一、第二陶瓷基板之间的熔体层和第一、第二陶瓷基板两端的端电极，所述的熔体层是由LTCC陶瓷膜片和电极图形组成的，所述的电极图形包括引出电极和熔断体两部分，所述的端电极分别与两个引出电极电性相连，所述第一、第二陶瓷基板在朝向熔体层一侧的表面上设有沟槽，所述沟槽内填充有LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料，所述第一、第二陶瓷基板的沟槽部分位于同一垂直平面；所述陶瓷基板是由一层或多层陶瓷膜片组成；所述熔体层中的电极图形位于第一陶瓷基板沟槽的正上方；所述的沟槽为冲压沟槽；所述的熔体层的电极图形采用单层结构，熔体层由两层LTCC陶瓷膜片和两层LTCC陶瓷膜片之间的电极图形组成或者所述的熔体层的电极图形采用多层并联结构，熔体层由两层以上的LTCC陶瓷膜片和各个LTCC陶瓷膜片之间的电极图形组成或者所述的熔体层的电极图形采用多层串联结构，熔体层由至少四层的偶数层数的LTCC陶瓷膜片和各个LTCC陶瓷膜片之间的电极图形组成，在中间各层LTCC陶瓷膜片间有导电浆料。

一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件的制作方法，其特征在于该方法包括：

1）制备造孔剂浆料、LTCC陶瓷浆料和LTCC多孔陶瓷浆料；

2）用无造孔剂材料的LTCC陶瓷浆料流延成LTCC陶瓷膜片，LTCC陶瓷膜片堆叠出陶瓷基板，在陶瓷基板上面贯穿基板长轴方向制作有沟槽，将上述得到的LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料填充到沟槽内，并进行干燥；

3）再在上述未堆叠的LTCC陶瓷膜片上印刷电极图形，所述电极图形包括保护元件的引出电极和熔断体两部分，所述熔体层是由LTCC陶瓷膜片和电极图形组成的；在上述填充有LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料的陶瓷基板上堆叠上述熔体层，使电极图形恰好位于填充有LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料的沟槽上方；然后将填充有LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料的另一陶瓷基板继续堆叠至已具有所述电极图形的陶瓷基板上方，两个陶瓷基板的沟槽部分位于同一垂直平面，使所述电极图形的熔断体部分位于填充有LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料的沟槽部分之间;

4）将堆叠好的陶瓷基板切割成保护元件生坯，经烧制形成保护元件，最后在保护元件产品两个端头涂敷端电极，并使其与产品内部熔体层的电极图形中的两个引出电极部分形成电性连接；

步骤1）所述的造孔剂浆料包括造孔剂材料、溶剂、粘合剂和分散剂，通过球磨混合而成；步骤1）所述的造孔剂材料选用木炭粉、淀粉、纤维素、聚苯乙烯、聚乙烯醇、甲基丙烯酸甲脂、尿素、锯末、聚氯乙烯、萘、石蜡中的一种或多种；步骤1）所述的LTCC陶瓷浆料包括混合LTCC陶瓷粉、溶剂、分散剂、粘合剂、增塑剂，通过高能球磨工艺来制备的；步骤1）所述的LTCC多孔陶瓷浆料是在LTCC陶瓷浆料中添加造孔剂材料，通过高速搅拌混合均匀形成的，造孔剂材料与LTCC陶瓷粉的配比为5wt%~40wt%；步骤2）中所述的沟槽是通过冲压方式形成的；步骤3）中所述的熔体层中的电极图形采用单层结构，再在一层印有电极图形的LTCC陶瓷膜片上堆叠另一层LTCC陶瓷膜片覆盖层组成熔体层；步骤3）中所述的熔体层中的电极图形采用多层并联结构，在至少两层印刷有电极图形的LTCC陶瓷膜片连续堆叠并在最外层堆叠另一层LTCC陶瓷膜片覆盖层组成熔体层；步骤3）中所述的熔体层中的电极图形采用多层串联结构，至少三层的奇数层数的印刷有电极图形的膜片层的连续堆叠，并在中间各层LTCC陶瓷膜片间上打孔并灌注导电浆料，以形成各层电性相连的堆叠膜片，再在最外层堆叠另一层LTCC陶瓷膜片覆盖层组成熔体层。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

 1.本发明创新性地将多孔陶瓷材料结构应用到过流保护元件的灭弧功能上，通过将多孔陶瓷结构包围在熔断体层上、下两面，运用其较大的孔比表面积和开孔率，使这些孔在保护元件动作时，可以起到分散由于熔断体熔融或气化产生的高压热流对瓷体及产品两端头的冲击作用，以及通过孔的毛细吸收现象将熔融熔体吸入孔内，避免保护元件有不能断开或残阻较低等缺陷;

2.多孔陶瓷包覆层可以起到保温隔热的作用。多孔陶瓷的导热系数一般比陶瓷基板低一个数量级以上，从而可以降低因基板散热速度快带来的热损耗，产品的功耗相对较少；

3.多孔陶瓷可以起到支撑熔断体的作用，避免了熔断体的凹陷变形，从而熔断体的尺寸一致性较好；

4.采用多孔LTCC陶瓷堆叠工艺可以方便的实现多层熔断体元件的串、并联结构设计，从而提高产品额定电流的设计规格极限。

附图说明

图1是本发明涉及的LTCC陶瓷膜片堆叠的陶瓷基板局部立体外观示意图；

图2是本发明涉及的陶瓷基板冲压沟槽后的局部立体外观示意图；

图3是本发明涉及的陶瓷基板冲压沟槽后的A-A剖面示意图；

图4是本发明涉及的印刷LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料后的陶瓷基板局部立体外观示意图；

图5是本发明涉及的印刷电极图形后的LTCC陶瓷膜片局部俯视外观示意图；

图6是本发明涉及的堆叠熔体层后的陶瓷基板的局部立体外观示意图；

图7是本发明涉及的堆叠熔体层（设计一）后的陶瓷基板的侧视图；

图8是发明涉及的堆叠熔体层（设计二）后的陶瓷基板的侧视图；

图9是本发明涉及的堆叠熔体层（设计三）后的陶瓷基板的侧视图；

图10是本发明涉及的堆叠完成（设计一）后的陶瓷基板的侧视剖面图；

图11是本发明例涉及的切割后的保护元件产品立体外观示意图；

图12是本发明涉及的印刷产品标识后的保护元件产品立体外观示意图；

图13是本发明涉及的形成端电极后的保护元件产品立体外观示意图；

附图标记说明：

1—陶瓷基板   11—LTCC陶瓷膜片  2—冲压沟槽   21—LTCC多孔陶瓷浆料   22—造孔剂浆料   3—熔体层   31—电极图形   311—引出电极   312—熔断体   4—保护元件产品   41—保护元件生坯   42—保护元件产品标识   5—保护元件端电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件的实施例：如图13所示的一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件4，包括陶瓷基板1、熔体层3和端电极5。如图1所示，所述的陶瓷基板1是由陶瓷膜片11堆叠而成；所述的陶瓷膜片11是由LTCC陶瓷浆料通过流延工艺形成的；如图2、图3 所示， 在所述的陶瓷基板1上设有一冲压沟槽2，如图4所示，冲压沟槽2内通过厚膜印刷工艺填充有LTCC多孔陶瓷浆料21或造孔剂浆料22；所述的熔体层3是由LTCC陶瓷膜片11和电极图形31组成，如图5所示，所述的电极图形31包括保护元件的引出电极311和熔断体312两部分，电极图形31印刷在LTCC陶瓷膜片11上；如图7、图8、图9所示，所述的熔体层3中电极图形31有单层、多层并联、多层串联三种结构；所述的单层结构是熔体层3由两层LTCC陶瓷膜片11和两层LTCC陶瓷膜片11之间的电极图形31组成；所述的多层并联结构是熔体层3由两层以上的LTCC陶瓷膜片11和各个LTCC陶瓷膜片11之间的电极图形31组成；所述的多层串联结构是熔体层3由至少四层的偶数层数的LTCC陶瓷膜片11和各个LTCC陶瓷膜片11之间的电极图形31组成，并在中间各层LTCC陶瓷膜片11间上打孔并灌注导电浆料，形成各层电性相连的堆叠膜片；如图6所示，所述的填充有LTCC多孔陶瓷浆料21或造孔剂浆料22的陶瓷基板1上堆叠熔体层3，使得所述电极图形31位于填充有LTCC多孔陶瓷浆料21或造孔剂浆料22的冲压沟槽2的正上方；如图10所示，所述已具有熔体层3的陶瓷基板1上再堆叠另一陶瓷基板1，两个陶瓷基板1的冲压沟槽2部分位于同一垂直平面，使所述电极图形31位于填充有LTCC多孔陶瓷浆料21或造孔剂浆料22的冲压沟槽2部分之间；所述保护元件4的两个表面印刷有产品的标识，所述产品标识包括商标、负载电压、负载电流或使用功率等一个或几个方面。所述保护元件4两端涂敷端电极5，所述的端电极5分别与产品内部熔体层3中电极图形31的两个引出电极311电性连接，并实现其表面焊接功能。

第二个是实现本发明一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件制作方法的技术方案的实施例，其步骤如下：

A．浆料制备：LTCC陶瓷浆料是通过高能球磨工艺混合LTCC陶瓷粉、溶剂、分散剂、粘合剂、增塑剂等主要原料来制备。LTCC陶瓷浆料的配比及可选主要原料为业内常见的，在本发明中不是主要内容，所得到的浆料没有特殊要求，并非是关键。LTCC多孔陶瓷浆料21是由在制备完成的LTCC陶瓷浆料中加入占陶瓷粉比例为5wt%~ 40wt%之间的造孔剂材料，通过高速搅拌混合均匀形成。所述的LTCC陶瓷粉料可以采用如常见的MgO-Al₂O₃-SiO₂微晶玻璃体系的材料，；所述的造孔剂材料优先选用木炭粉、淀粉、纤维素、聚苯乙烯、聚乙烯醇、甲基丙烯酸甲脂、尿素、锯末、聚氯乙烯、萘、石蜡中的一种或多种，通过选择不同形状的造孔剂材料的配比，使最终得到的多孔陶瓷支撑体具有更高的开孔率、更大的孔比表面积，以及优异的孔间连通性，为了达到这一目的，本发明优先采用加入木炭粉：淀粉：纤维素比例为5~7:2~3:1~2（质量比）的造孔剂材料，也可根据所选造孔剂材料的成分及要达到的最终目的进行配比调整。所述造孔剂材料的特性必须满足下列要求：在加热过程中易于排除；排除后在基体中无有害残留物；不与基体发生反应。造孔剂颗粒的大小和形状决定了最终LTCC多孔陶瓷浆料孔的大小和形状；造孔剂添加量的多少直接影响多孔陶瓷的气孔率。因此，造孔剂材料的选择对多孔陶瓷的形成起关键作用，常用的造孔剂可以选用如上面所列材料。造孔剂浆料22是由造孔剂材料、溶剂、粘合剂、分散剂等主要成分通过球磨混合而成，造孔剂材料可以选择上述单一成分的造孔剂加入。造孔剂浆料仅为在膜片堆叠过程中起支撑体作用，产品烧成后就会完全挥发掉，其配比对产品性能没有影响。

B．基板堆叠：将LTCC陶瓷浆料通过流延工艺形成陶瓷膜片11，并按图1方式采用叠层工艺将陶瓷膜片11堆叠出具有一定厚度的陶瓷基板1。

C．冲压沟槽：按图2所示，在上述堆叠后的基板上以冲压成型工艺或其它工艺形成一特定形状的冲压沟槽2，图3是如图2所示沿A-A方向此冲压沟槽2的局部剖面图。冲压沟槽的形状可以根据产品设计的实际需要而定，要求其起到使熔体层电极图形在设计位置聚热更大的作用，从而可以使熔断体在该位置最先断开电路。

D．沟槽填充：按图4所示，在上述陶瓷基板1的冲压沟槽2内通过厚膜印刷方式，印刷上述LTCC多孔陶瓷浆料21或造孔剂浆料22，优选LTCC多孔陶瓷浆料21或造孔剂浆料22在印刷前进行适度干燥成糊状，以减少其印刷后与基板共同干燥所需的时间。

E．熔体层形成：按图5所示，在上述未堆叠的LTCC陶瓷膜片11上印刷规定的电极图形31，所述电极图形31包括保护元件的引出电极311和熔断体312两部分。最后通过再在其上堆叠一层LTCC陶瓷膜片11覆盖层，以得到熔体层3。

F．熔体层堆叠：按图6所示，在干燥后的填充有LTCC多孔陶瓷浆料21或造孔剂浆料22的陶瓷基板1上堆叠上述熔体层3，使得所述电极图形31位于填充有LTCC多孔陶瓷浆料21或造孔剂浆料22的冲压沟槽2的正上方。电极图形31可以按图7、图8、图9三种方式设计成单层、多层并联、多层串联熔体结构，并堆叠成熔体层3。多层电极并联工艺涉及2层或2层以上上述印刷有电极图形31的膜片层连续堆叠并在最外层堆叠一层覆盖层11而形成；多层电极串联工艺涉及3层或大于3的奇数层数的印刷有电极图形31的膜片层的连续堆叠，并要求在中间各层陶瓷膜片11间如图9所示位置上打孔并灌注导电浆料，以形成各层电性相连的堆叠膜片。所述电极图形优选引出电极部分和熔断体部分采用同一电极浆料，并一次印刷，以提高生产效率；但也可以设计为两步印刷工艺或采用印刷引出电极后，在引出电极之间搭接金属丝材工艺。

G．完成堆叠：按图10所示，将另一陶瓷基板1再堆叠至已具有所述熔体层3的陶瓷基板1上，两个陶瓷基板的冲压沟槽2部分位于同一垂直平面，使所述电极图形31位于填充有LTCC多孔陶瓷浆料21或造孔剂浆料22的冲压沟槽2部分之间，即完成保护元件生坯巴块的堆叠。

H．产品切割：按图11所示，将已堆叠完毕的生坯巴块进行切割，以得到符合尺寸要求的、一定数量的保护元件生坯产品41。

I．产品烧结：将保护元件生坯产品41进行烧结，以得到LTCC多孔陶瓷保护元件产品4。

J．标识印刷：按图12所示，在所述保护元件产品4上下表面印刷产品标识43，所述产品标识包括商标、负载电压、负载电流或使用功率等一个或几个方面。

K．端电极涂敷：按图13所示，在所述保护元件产品4两端以浸浆或离子溅射等相关工艺形成端电极5，以将产品内部熔体层3的电极图形31两引出电极311部分引出，并满足产品表面焊接要求。

Claims (9)

1.一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件，包括第一陶瓷基板、第二陶瓷基板，设置在第一、第二陶瓷基板之间的熔体层和第一、第二陶瓷基板两端的端电极，所述的熔体层是由LTCC陶瓷膜片和电极图形组成的，所述的电极图形包括引出电极和熔断体两部分，所述的端电极分别与两个引出电极电性相连，其特征在于：所述第一、第二陶瓷基板在朝向熔体层一侧的表面上设有沟槽，所述沟槽内填充有LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料，所述第一、第二陶瓷基板的沟槽部分位于同一垂直平面，所述熔体层中的电极图形位于第一陶瓷基板沟槽的正上方，且电极图形与沟槽之间均被LTCC陶瓷膜片隔开。

2.根据权利要求1所述的一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件，其特征在于：所述的熔体层的电极图形采用单层结构，熔体层由两层LTCC陶瓷膜片和两层LTCC陶瓷膜片之间的电极图形组成；或者所述的熔体层的电极图形采用多层并联结构，熔体层由两层以上的LTCC陶瓷膜片和各个LTCC陶瓷膜片之间的电极图形组成；或者所述的熔体层的电极图形采用多层串联结构，熔体层由至少四层的偶数层数的LTCC陶瓷膜片和各个LTCC陶瓷膜片之间的电极图形组成，在中间各层LTCC陶瓷膜片间有导电浆料。

3.一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件的制作方法，其特征在于：该方法包括：

1）制备造孔剂浆料、LTCC陶瓷浆料和LTCC多孔陶瓷浆料；

2）用无造孔剂材料的LTCC陶瓷浆料流延成LTCC陶瓷膜片，LTCC陶瓷膜片堆叠出陶瓷基板，在陶瓷基板上面贯穿基板长轴方向制作有沟槽，将上述得到的LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料填充到沟槽内，并进行干燥；

3）再在上述未堆叠的LTCC陶瓷膜片上印刷电极图形，所述电极图形包括保护元件的引出电极和熔断体两部分，由LTCC陶瓷膜片和电极图形组成熔体层；在上述填充有LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料的陶瓷基板上堆叠上述熔体层，使电极图形恰好位于填充有LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料的沟槽上方；然后将填充有LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料的另一陶瓷基板继续堆叠至已具有所述电极图形的陶瓷基板上方，两个陶瓷基板的沟槽部分位于同一垂直平面，使所述电极图形的熔断体部分位于填充有LTCC多孔陶瓷浆料或造孔剂浆料的沟槽部分之间；

4）将堆叠好的陶瓷基板切割成保护元件生坯，经烧制形成保护元件，最后在保护元件产品两个端头涂敷端电极，并使其与产品内部熔体层的电极图形中的两引出电极部分形成电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件的制作方法，其特征在于步骤1）所述的造孔剂浆料包括造孔剂材料、溶剂、粘合剂和分散剂，通过球磨混合而成。

5.根据权利要求4所述的一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件的制作方法，其特征在于步骤1）所述的造孔剂材料选用木炭粉、淀粉、纤维素、聚苯乙烯、聚乙烯醇、甲基丙烯酸甲脂、尿素、锯末、聚氯乙烯、萘、石蜡中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件的制作方法，其特征在于步骤1）所述的LTCC陶瓷浆料包括混合LTCC陶瓷粉、溶剂、分散剂、粘合剂、增塑剂，通过高能球磨工艺来制备的。

7.根据权利要求6所述的一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件的制作方法，其特征在于步骤1）所述的LTCC多孔陶瓷浆料是在LTCC陶瓷浆料中添加造孔剂材料，通过高速搅拌混合均匀形成的，造孔剂材料与LTCC陶瓷粉的配比为5wt%~40wt%。

8.根据权利要求3所述的一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件的制作方法，其特征在于步骤2）中所述的沟槽是通过冲压方式形成的。

9.根据权利要求3所述的一种低温共烧陶瓷堆叠保护元件的制作方法，其特征在于步骤3）中所述的熔体层中的电极图形采用单层结构，在一层印有电极图形的LTCC陶瓷膜片上堆叠另一层LTCC陶瓷膜片覆盖层组成熔体层或者所述的熔体层中的电极图形采用多层并联结构，在至少两层印刷有电极图形的LTCC陶瓷膜片连续堆叠并在最外层堆叠另一层LTCC陶瓷膜片覆盖层组成熔体层或者所述的熔体层中的电极图形采用多层串联结构，至少三层的奇数层数的印刷有电极图形的膜片层的连续堆叠，并在中间各层LTCC陶瓷膜片间上打孔并灌注导电浆料，以形成各层电性相连的堆叠膜片，再在最外层堆叠另一层LTCC陶瓷膜片覆盖层组成熔体层。