CN107393784A - 一种可以耐受高压的自控制型保护器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可以耐受高压的自控制型保护器及其制备方法，属电子产品用自控制型保护元器件，特别适用于锂离子电池保护用的自控制型保护元器件。一种可以耐受高压的自控制型保护器，包括陶瓷基板、电极、绝缘层和主导电回路，其中：所述的陶瓷基板的为矩形，在该陶瓷基板的四个边上对称设有电极一、二、三和四，其中一对相对的电极至少连接一个发热层，在该发热层上设有绝缘层，在绝缘层上覆有电极层；至少在另一对电极上设有阻挡层，在电极层与阻挡层之间通过焊接或印刷并烧结的方式连接主导电回路，在该主导电回路上涂覆助熔剂后将上盖粘结在所述的陶瓷基板上方。不但有常规大电流保险丝的功能，同时有自主控制主导电回路熔断的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种可以耐受高压的自控制型保护器及其制备方法，属电子产品用自控制型保护元器件，特别适用于锂离子电池保护用的自控制型保护元器件。
背景技术
锂离子电池自问世以来，在手机、笔记本、平板电脑、数码相机等便携式移动设备中已得到大量地应用，并且正在电动汽车、电动自行车、无人机、扫地机、电动平衡车等诸多新的领域中应用起来。锂离子电池具有诸多优越性能的同时，却依然有着容易起火燃烧、***等缺点，特别是在电动车上应用时，因为其使用锂离子电池的数量或体积非常巨大，一旦发生燃烧或***，甚至会有危及到生命的危险。
目前锂离子电池广泛采用两级或以上的充放电保护回路。一级保护大多采用IC加MOSFET，基本上能起到正常的过流、过压、防反充等各项保护。但一旦一级保护失效（虽然这种概率很小，但也还是有这种可能性），就需要二级保护起到必要的保护作用。二级保护多采用PTC、Breaker、SMD Fuse、温度保险丝、IC加MOSFET、自控制型保护器等多种元器件。上述元器件基本只有自控制型保护器具有过压防护功能。
目前市场上的自控制型保护器，通过对应其保护的锂离子电池的电芯数量来确定其型号，不同的应用场景有不同大小的保护电压需求，导致自控制保护器的型号特别繁杂（从1串到14串等等），在实际使用中物料容易出错。市面上已有厂家采用低串数的自控制型保护器应用于高压场景，减小物料采购型号。根据公式P= U2/R，电压越大发热功率越大，越有利于主导电回路（6）熔断保护电芯，但实际应用中却发现发热层在高发热功率下出现阻值上升的PTC效应。
所以市场需要一种可以耐受高压的自控制型保护器，即可以实现过压保护功能又能以低串数型号用于高压场景，减少物料型号。
发明内容
本发明目的在于提供一种可以耐受高压的自控制型保护器，
本发明的再一目的在于：提供所述一种可以耐受高压的自控制型保护器的制备。
本发明目的通过下述方案实现：一种可以耐受高压的自控制型保护器，包括陶瓷基板、电极、绝缘层和主导电回路，其中：所述的陶瓷基板的为矩形，在该陶瓷基板的四个边上对称设有电极一、二、三和四，其中一对相对的电极至少连接一个发热层，在该发热层上设有绝缘层，在绝缘层上覆有电极层；至少在另一对电极上设有阻挡层，在电极层与阻挡层之间通过焊接或印刷并烧结的方式连接主导电回路，在该主导电回路上涂覆助熔剂后将上盖粘结在所述的陶瓷基板上方。
本发明有常规大电流保险丝的功能，同时有自主控制主导电回路熔断的功能。特别是发热层的设计采用并排的并联、串联或者叠层的并联等等方式，在保证整体阻值不变的情况下，增加某一电阻层的阻值或者降低电阻层每单元的承受电压，达到降低通电时电阻层的表面最高温度，从而提升产品的总的耐受电压，进而实现自控制型保护器的低串数型号通用于高电压保护场景。
本发明所述的陶瓷基板厚度不大于0.5mm。可用薄型陶瓷基板材料加工而成，可以是氧化铝、氧化锆等为主要原料的基材经冲压或激光切割等工艺加工成厚度在0.5mm以下的陶瓷基板。
所述的陶瓷基板上可以设有二个或者两个以上的发热层以并联、串联或叠层并联的形式，如：可以是两个电阻层并排的并联组成，或者两个以上的电阻层并排的串联组成，或者两个以上的电阻层叠层并联组成形式连接在同一对相对电极上。
所述的陶瓷基板设第一发热层，所述的上盖上设第二发热层，在所述上盖的对边上设有一对电极，第二发热层连接在该对电极上，然后覆上第二绝缘层后粘结在所述的陶瓷基板上方。以保护内部器件。
本发明提供一种根据上述的可以耐受高压的自控制型保护器的制备方法，依下述步骤：
1）陶瓷基板的表面沿四个边上对称印刷导体浆料，经高温烧结后形成电极一、二、三和四；
2）在电极三和四之间印刷电阻浆料，经高温烧结后形成发热层；
3）在发热层上方印刷介质浆料，经过高温烧结形成绝缘层；
4）在绝缘层上方印刷导体浆料，经过高温烧结形成电极层；
5）在电极一和二上印刷或者溅射或者喷涂绝缘材料，根据绝缘材料种类采用高温烧结或低温固化形成阻挡层一、二；
6）在电极层与阻挡层一、二之间通过焊接或印刷并烧结的方式连接主导电回路，在主导电回路上方添加助熔剂或不添加助熔剂；
7）在陶瓷基板上方粘结上盖。
电极可采用丝印工艺将导体浆料印刷在陶瓷基板后经高温烧结后形成，导体浆料可以由银、铂、钯、金、铜、锌、铝等导电性良好的金属及其氧化物的一种或多种构成
发热层采用丝印工艺将电阻浆料印刷在陶瓷基板后经高温烧结后形成，电阻浆料可以是钌基、铂基、钯基的一种或多种构成，发热层可以是两个或者两个以上的电阻层并排的并联组成，或者两个或两个以上的电阻层并排的串联组成，亦或者两个或者两个以上的电阻层叠层并联组成。通过此类设计在保证整体阻值不变的情况下，增加某一电阻层的阻值或者降低电阻层每单元的承受电压，达到降低通电时电阻层的表面最高温度，从而提升产品的总的耐受电压。
所述的绝缘层用丝印工艺将介质浆料印刷在陶瓷基板后，经高温烧结后形成。介质浆料可以是玻璃浆、陶瓷浆、玻璃釉等无机非金属绝缘材料构成。
所述的阻挡层可以是线条，可以是圆环，亦或者其它不规则形状。根据选择的材料的不同，可以用丝印工艺或者喷涂工艺或者溅射工艺将绝缘材料覆盖在电极一、二、三和四上，绝缘材料可以是介质浆料、阻焊油墨、绝缘树脂等阻焊材料。可以在产品过回流焊贴装时有效阻止爬锡影响主导电回路，从而安全过回流焊。
所述的主导电回路可以是高分子PTC热敏电阻、双金属片、低熔点合金（如铋铟锡合金）、高熔点合金（如锡铅、锡银、锡铅锑合金）、熔断体金属材料（银、铂、钯、金、铜、锌、铝等导电性良好的金属及其氧化物）、表面贴装型式的保险丝元件等，也可以是合金表面镀银或镀锡的复合合金。
所述的助熔剂，根据设计不同，可以选择马来松香酯类物质熔融覆盖在主导电回路上，也可以是直径＜0.15mm的镀银铜线或者镍线等吸锡线焊接在主导电回路上方。
所述的上盖选择具有阻燃、耐高温等特点的材质，可以是工业化液晶聚合物LCP，亦或者陶瓷基板、环氧树脂板等等材料。
本发明的优越性在于：不但有常规大电流保险丝的功能，同时有自主控制主导电回路熔断的功能。特别是通过发热层结构设计，在保证整体阻值不变的情况下，增加某一电阻层的阻值或者降低电阻层每单元的承受电压，达到降低通电时电阻层的表面最高温度，从而提升产品的总的耐受电压，进而实现自控制型保护器的低串数型号通用于高电压保护场景。
附图说明
图1陶瓷基板上印刷了电极一、二、三、四；
图2在电极三与电极四之间连接有并排且并联的第一、第二发热层；
图3在第一、第二发热层上覆有绝缘层；
图4在电极一、二上分别设有阻挡层一、二；
图5在绝缘层上有电极层；
图6在电极层与阻挡层一、二之间连接了主导电回路；
图7在图6基础上在主导电回路上有助熔剂层；
图8在上盖上面对称印刷电极六、七；
图9在电极六、七之间连接第二发热层，且在第二发热层上覆有绝缘层；
图10第一、第二发热层是并排已串联形式连接在电极三与电极四之间；
图11第一、第二发热层是叠层且并联形式连接在电极三与电极四之间；
图12第一、第二发热层是分别设在陶瓷基板和上盖上。
图中标号说明：
11、12、13、14——电极一、二、三、四；
15——电极层；
16、17——电极六、七；
2——陶瓷基板；
31、31’、31’’、31’’’——第一发热层；
32、32’、32’’、32’’’——第二发热层；
4——绝缘层；41、42——第一、第二—绝缘层；
51、52——阻挡层一、二；
6——主导电回路；
7——助熔剂；8——上盖。
具体实施方式
实施例1
如图1陶瓷基板上印刷了电极一、二、三、四，图2在电极三与电极四之间连接有并排且并联的第一、第二发热层，图3在第一、第二发热层上覆有绝缘层，图4在电极一、二上分别设有阻挡层一、二和图5在绝缘层上有电极层所示：
如图1所示，在陶瓷基板2上印刷有电极一、二、三、四11、12、13、14。
如图2、3、4、5所示，在电极三13与电极四14之间将电阻浆料印刷在陶瓷基板2后经高温烧结后形成有电阻层作为第一、第二发热层31、32，第一发热层31与第二发热层32是并排且并联形式连接在电极三13与电极四14之间。在第一、第二发热层31、32上印刷绝缘层4，在电极一11与电极二12上分别印刷了阻挡层一51和阻挡层二52，在绝缘层4上印刷电极层15。
如图6在电极层与阻挡层一、二之间连接了主导电回路和图7在图6基础上在主导电回路上有助熔剂层所示：在电极层15与阻挡层一、二51、52之间印刷锡膏焊接合金形成主导电回路6，在合金上面加了助熔剂7为助熔松香，然后，为保护产品内部，可在陶瓷基板2上粘结上盖。
如，假设保持发热层总阻值（5Ω）不变的情况下，两个电阻层阻值可以都为10Ω，在电阻层的厚度材质等工艺与加载两端的电压不变的情况下，电阻层表面最高温度下降20-50%
该案例情况下，还可以有发热层为三个及其以上个数的变种情况。
实施例2
本实施例其他与实施例1相同，只是如图10第一、第二发热层一、二是并排已串联形式连接在电极三与电极四之间所示，发热层结构设计不同。
如图1所示，在陶瓷基板2上印刷了电极一、二、三、四11、12、13、14。
如图10、3、4、5所示，在电极三13与电极四14之间印刷了第一、第二发热层31’、32’，第一、第二发热层31’、32’是并排且串联形式连接在电极三13与电极四14之间。在第一、第二发热层31’、32’上印刷有绝缘层4，在电极一、二11、12上分别印刷阻挡层一、二51、52，在绝缘层4上印刷电极层15。
如图6、7所示，在电极层15与阻挡层一、二51、52之间印刷锡膏焊接合金形成主导电回路6，在合金上面加上助熔松香7。为保护产品内部，可在陶瓷基板2上粘结上盖8。
如，假设保持发热层总阻值（5Ω）不变的情况下，两个电阻层阻值可以都为2.5Ω，在电阻层的厚度材质等工艺与加载两端的电压不变的情况下，电阻层表面最高温度下降10-30%。
该案例情况下，还可以有发热层为三个及其以上个数的变种情况。
实施例3
本实施例其他与实施例1相同，只是如图11第一、第二发热层一、二是叠层且并联形式连接在电极三与电极四之间所示，发热层结构设计不同。
如图1所示，在陶瓷基板2上对称印刷了电极一、二、三、四11、12、13、14。
如图11、3、4、5所示，在电极三、四13、14之间印刷第一、第二发热层31’’、32’’， 第一、第二发热层31’’、32’’是叠层且并联形式连接在电极三、四13、14之间。在第一、第二发热层31’’、32’’上印刷绝缘层4，在电极一、二11、12上分别印刷阻挡层一、二51、52，在绝缘层4上印刷电极层15。
如图6、7所示，在电极层15与阻挡层一、二51、52之间印刷锡膏焊接合金形成主导电回路6，在合金上面加上助熔松香7。为保护产品内部，在陶瓷基板2上粘结上盖8。
如，假设保持发热层总阻值（5Ω）不变的情况下，两个电阻层阻值可以为8Ω与6Ω，在电阻层的厚度材质等工艺与加载两端的电压不变的情况下，电阻层表面最高温度下降10-15%。
实施例4
本实施例其他与实施例1相同，只是如图12第一、第二发热层是分别设在陶瓷基板和上盖上。
如图1所示，在陶瓷基板2上在矩形的四边分别对称印刷电极一、二、三、四11，12，13，14。
如图12、3、4、5所示，在电极三、四13、14之间印刷第一发热层31’’’，在第一发热层31’’’上印刷第一绝缘层41，在电极一、二11、12上分别印刷阻挡层一、二51、52，在绝缘层4上印刷电极层15。
如图6、7所示，在电极层15与阻挡层一、二51、52之间印刷锡膏焊接合金形成主导电回路6，在合金上面加上助熔松香7。
如图8在上盖上面对称印刷电极六、七和图9在电极六、七之间连接第二发热层，且在第二发热层上覆有绝缘层所示，在上盖8上面对称印刷电极六、七16、17，在电极六、七上印刷第二发热层32’’’，在第二发热层上印刷第二绝缘层42，最后在陶瓷基板2上粘结上盖8，以有效保护产品内部结构。
Claims (9)
1.一种可以耐受高压的自控制型保护器，包括陶瓷基板、电极、绝缘层和主导电回路，其特征在于：所述的陶瓷基板的为矩形，在该陶瓷基板的四个边上对称设有电极一、二、三和四，其中一对相对的电极至少连接一个发热层，在该发热层上设有绝缘层，在绝缘层上覆有电极层；至少在另一对电极上设有阻挡层，在电极层与阻挡层之间通过焊接或印刷并烧结的方式连接主导电回路，在该主导电回路上涂覆助熔剂后将上盖粘结在所述的陶瓷基板上方。
2.根据权利要求1所述的可以耐受高压的自控制型保护器，其特征在于，所述的陶瓷基板厚度不大于0.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的可以耐受高压的自控制型保护器，其特征在于，所述的陶瓷基板上设有二个或者两个以上的发热层以并联形式，或者，两个电阻层并排的并联形式，或者两个或两个以上的电阻层并排的串联形式，或者两个或者两个以上的电阻层叠层并联形式连接在同一对相对电极上。
4.据权利要求1或2所述的可以耐受高压的自控制型保护器，其特征在于，所述的陶瓷基板设第一发热层，所述的上盖上设第二发热层，在所述上盖的对边上设有一对电极，第二发热层连接在该对电极上，然后覆上第二绝缘层后粘结在所述的陶瓷基板上方。
5.一种根据权利要求1至3所述的可以耐受高压的自控制型保护器的制备方法，依下述步骤：
1）陶瓷基板的表面沿四个边上对称印刷导体浆料，经高温烧结后形成电极一、二、三和四；
2）在电极三和四之间印刷电阻浆料，经高温烧结后形成发热层；
3）在发热层上方印刷介质浆料，经过高温烧结形成绝缘层；
4）在绝缘层上方印刷导体浆料，经过高温烧结形成电极层；
5）在电极一和二上印刷或者溅射或者喷涂绝缘材料，根据绝缘材料种类采用高温烧结或低温固化形成阻挡层一、二；
6）在电极层与阻挡层一、二之间通过焊接或印刷并烧结的方式连接主导电回路，在主导电回路上方添加助熔剂或不添加助熔剂；
7）在陶瓷基板上方粘结上盖。
6.根据权利要求5所述的可以耐受高压的自控制型保护器的制备方法，其特征在于：步骤2）中在电极三和四之间印刷二条平行的电阻浆料条，经高温烧结后形成并联的第一、第二发热层，在第一、第二发热层上覆盖绝缘层。
7.根据权利要求5所述的可以耐受高压的自控制型保护器的制备方法，其特征在于：步骤2）中在电极三和四之间印刷二条并排串联的电阻浆料条，经高温烧结后形成串联的第一、第二发热层，在第一、第二发热层上覆盖绝缘层。
8.根据权利要求5所述的可以耐受高压的自控制型保护器的制备方法，其特征在于：步骤2）中在电极三和四之间印刷二条叠层已并联形式并排的电阻浆料条，经高温烧结后形成串联的第一、第二发热层，在第一、第二发热层上覆盖绝缘层。
9.一种根据权利要求4所述的可以耐受高压的自控制型保护器的制备方法，依下述步骤：
1）陶瓷基板的表面沿四个边上对称印刷导体浆料，经高温烧结后形成电极一、二、三和四；
2）在电极三和四之间印刷一层电阻浆料，经高温烧结后形成第一发热层；
3）在发热层上方印刷介质浆料，经过高温烧结形成第一绝缘层；
4）在绝缘层上方印刷导体浆料，经过高温烧结形成电极层；
5）在电极一和二上印刷或者溅射或者喷涂绝缘材料，根据绝缘材料种类采用高温烧结或低温固化形成阻挡层一、二；
6）在电极层与阻挡层一、二之间通过焊接或印刷并烧结的方式连接主导电回路，在主导电回路上方添加助熔剂或不添加助熔剂；
7）上盖形状与陶瓷基板对应，在上盖的二个相对边对称印刷导体浆料，经高温烧结后形成电极五和六；
8）在电极五和六之间印刷一层电阻浆料，经高温烧结后形成第二发热层；
9）在第二发热层上印刷第二绝缘层，最后第二发热层向内将上盖粘结在陶瓷基板上。
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