JP3892049B2 - Ｐｔｃサーミスタ - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、Positive Temperature Coefficient（以下、「ＰＴＣ」と記す。）特性を有する導電性ポリマを用いたＰＴＣサーミスタに関するものである。
背景技術
以下、従来のＰＴＣサーミスタについて説明する。
従来のＰＴＣサーミスタは、特開昭６１−１０２０３号公報に複数枚のＰＴＣ特性を有するポリマよりなる導電性シートと金属箔よりなる内層電極および外層電極とが交互に積層され、対向する側面に引き出し部である側面電極層を備えたものが開示されている。
第７図は従来のＰＴＣサーミスタの断面図である。
第７図において、１は架橋されたポリエチレン等の高分子材料にカーボンブラック等の導電粒子が混在された導電性シートである。２は導電性シート１の始端および終端に開口部３を有して交互に挟まれるとともに導電性シート１の上・下面とに設けられた銅またはニッケル等の金属箔で、この金属箔２よりなる内層電極２ａおよび外層電極２ｂと導電性シート１とを交互に積層して積層体としている。５は積層体４の対向する側面に内層電極２ａおよび外層電極２ｂの一端と電気的に接続されるように設けられた側面電極層である。
以上のように構成された従来のＰＴＣサーミスタについて、以下にその製造方法を説明する。
まず、ポリエチレンにカーボンブラック等の導電粒子を混在させ、矩形状にした導電性シート１の縦および横の少なくとも一方の寸法を導電性シート１より０．５〜３．０mm程度短くした銅またはニッケルからなる金属箔よりなる内層電極２ａおよび外層電極２ｂを、一端が交互に導電性シート１の一端と揃えられ、他端に開口部３が形成されるように積層して積層体４を形成する。この際、積層体４の最上面と最下面とは金属箔よりなる外層電極２ｂが積層されるようにして形成するものである。
次に、積層体４を１００〜２００℃の温度に加熱しながら上下から加圧し、導電性シート１を軟化させ、積層体４の導電性シート１と金属箔よりなる内層電極２ａおよび外層電極２ｂとを固着する。
最後に、前工程で固着された積層体４の対向する側面に金属箔２よりなる内層電極２ａおよび外層電極２ｂの一端と電気的に接続するように導電性ペーストを塗布し側面電極層５を形成し、その後に架橋処理することによりＰＴＣサーミスタを製造していた。
しかしながら、上記従来のＰＴＣサーミスタの構成では、初期抵抗値を下げるため導電性シート１と金属箔よりなる内層電極２ａおよび外層電極２ｂとを交互に積層し熱圧着するが、異種材料であるために熱衝撃を受けると、熱膨張係数の差が大きいことに起因して導電性シート１と金属箔２よりなる内層電極２ａおよび外層電極２ｂの間に剥がれが生じ、抵抗値が増大するという問題があった。
さらに、第７図に示すような従来のＰＴＣサーミスタにおいて、ＰＴＣサーミスタをプリント基板に半田付けにより接合するとき、半田は側面電極５又は外層電極２ｂに十分に接合されなくなる。その結果、接続不良が発生し、さらに、高温と低温との熱衝撃において、半田付け部分にクラックが発生する。
本発明は、導電性シートと金属箔よりなる内層電極および外層電極との密着性に優れ、熱衝撃に起因する抵抗値の増大を招くことのないＰＴＣサーミスタを提供することを目的とするものである。
発明の開示
上記の目的を達成するために本発明のＲＴＣサーミスタは、内層電極を両面に第１のめっき層を形成することにより粗面化した金属箔で構成し、外層電極を、導電性シートに対向する面を第２のめっき層を形成することにより粗面化した金属箔で構成したことを特徴とするものである。
【図面の簡単な説明】
第１図(a)は本発明の第１の実施例におけるＰＴＣサーミスタの斜視図、第１図(b)は同ＰＴＣサーミスタのＡ−Ａ断面図、第２図、第３図は同ＰＴＣサーミスタの製造方法を示す工程図、第４図は同ＰＴＣサーミスタに使用する金属箔の破断特性を示す特性曲線図、第５図は本発明の他の実施例におけるＰＴＣサーミスタの断面図、第６図は本発明の更なる実施例におけるＰＴＣサーミスタの断面図、第７図は従来のＰＴＣサーミスタの断面図である。第８図は、本発明の一実施例ＰＴＣサーミスタの製造工程、および、そのＰＴＣを配線板に接続する工程を示す。第９図は従来のＰＴＣサーミスタを配線板に接続する工程を示す。
発明を実施するための最良の形態
本発明の請求の範囲第１項記載の発明は、ＰＴＣ特性を有するポリマからなる少なくとも２層の導電性シートと両面に第１のめっき層を有する金属箔よりなる少なくとも１層の内層電極とを含み、前記内層電極が側端部で欠落部を有するとともに最外層が前記導電性シートとなるように交互に複数層積層してなる積層体と、
前記積層体の最外層に位置する前記導電性シートの前記内層電極と対向する面に設けられ、一部に欠落部を有し、かつ前記導電性シートと対向する面に第２のめっき層を有する外層電極と、
前記積層体の対向する側面に設けられ、前記内層電極および外層電極を電気的に接続する側面電極層を備えたものである。
請求の範囲第２項記載の発明は、請求の範囲第１項記載のＰＴＣサーミスタにおいて、導電性シートを３層以上とし、内層電極を２層以上として、かつ側端部で互い違いになるように欠落部を有するものである。
請求の範囲第３項記載の発明は、請求の範囲第１項記載のＰＴＣサーミスタにおいて、内層電極および外層電極をニッケルめっきした銅箔としたものである。
請求の範囲第４項記載の発明は、請求の範囲第１項記載のＰＴＣサーミスタにおいて、側面電極層を内層電極および外層電極と同材料の金属で構成したものである。
請求の範囲第５項記載の発明は、請求の範囲第１項記載のＰＴＣサーミスタにおいて、積層体が対向する側面に凹部を有し、その凹部にのみ側面電極層を設けたものである。
実施例
以下、本発明の実施例におけるＰＴＣサーミスタについて、図面を参照しながら説明する。
第１図(a)は本発明の第１の実施例におけるＰＴＣサーミスタの斜視図、第１図(b)は同Ａ−Ａ断面図である。
第１図において、１１は上・下面にニッケル等からなる第１のめっき層１２を有する電解銅箔等の金属箔からなる内層電極である。
１３は内層電極１１と、高密度ポリエチレン等からなる結晶性ポリマとカーボンブラック等からなる導電性粒子とを混合してなる導電性シート１４とを最外層が導電性シート１４となるように交互に積層してなる積層体であり、金属箔よりなる内層電極１１の側端部に欠落部１５を有する。
１８は積層体１３の最外層に位置する導電性シート１４の金属箔よりなる内層電極１１と対向する面に設けられた一部に欠落部１７を有する第２のめっき層１６が設けられた電解銅箔等の金属箔からなる外層電極であり、第２のめっき層１６が導電性シート１４に対向するように積層されている。１９は積層体１３の対向する側面に設けられた凹部である。２０は積層体１３の対向する側面の凹部１９に、内層電極１１と外層電極１８とを電気的に接続するように設けられた、内層電極１１と同材料の金属からなる側面電極層である。
以上のように構成された本発明の第１の実施例におけるＰＴＣサーミスタについて、以下にその製造方法を図面を参照しながら説明する。
第２図、第３図は本発明の第１の実施例におけるＰＴＣサーミスタの製造方法を示す工程図である。
まず、第２図(a)に示すように、電解銅箔等の金属箔よりなる内層電極２１の上・下面の全面に無電解めっき法等によりニッケル等の金属で第１のめっき層２２を形成した後、上・下両面を２μm以上粗面化する。この際、後の工程で個々に裁断できるように、金型プレスまたはエッチング法等を用いて金属箔よりなる内層電極２１に分割溝２３を形成しても良いし、予め分割溝２３を有する金属箔よりなる内層電極２１を用いても良い。
次に、第２図(b)に示すように、結晶化度が約７０〜９０％の高密度ポリエチレン等からなる結晶性ポリマ約５６重量％と、平均粒径が約５８nmで比表面積が約３８ｍ²／ｇのカーボンブラック等からなる導電性粒子を約４４重量％との混合物からなる導電性シート２４を、上・下面を第１のめっき層２２で２μm以上に粗面化された金属箔よりなる内層電極２１の上・下面に積層し、積層体２５を形成する。
次に、第２図(c)に示すように、電解銅箔等の金属の片面にニッケル等の金属で第２のめっき層２６を形成して片面を粗面化した外層電極２７を得られた積層体２５の最外層に、粗面化された面が導電性シート２４に接するように積層する。
次に、第２図(d)に示すように、前工程で得られた外層電極２７を積層した積層体２５を、ポリマの融点より約４０℃高い約１７５℃の熱板を用いて真空度約２０Torr、面圧約５０kg／cm²の圧力で約１分間加熱しながら加圧して成形し、積層シート２８を形成する。この際、後の工程で個々に裁断できるように、金型プレスまたはエッチング法を用いて外層電極２７に分割溝２９を形成しても良いし、予め分割溝２９を有する金属箔よりなる外層電極２７を用いても良い。
次に、第３図(a)に示すように、積層シート２８の分割溝２９の上面にドリリングマシン、あるいは金型プレス等で貫通孔３０を形成する。
次に、第３図(b)に示すように、貫通孔３０の少なくとも内壁に、電解銅めっき、無電解銅めっき等で２５〜３０μmの厚みで銅めっきし、側面電極層３１を形成する。この際、貫通孔３０の内壁に施されためっきは、貫通孔３０の周辺、積層シート２８の上面および下面を覆うように形成しても良い。
次に、第３図(c)に示すように、積層シート２８の最外層である外層電極２７の上面にスクリーン印刷または写真法によりレジストを形成して塩化鉄によりケミカルエッチングを行い、レジストを剥離して欠落部３２を設ける。
最後に、第３図(d)に示すように、分割溝２９に沿って積層シート２８をダイシング、あるいは金型プレスにより個片３３に裁断してＰＴＣサーミスタを製造するものである。
ここで、導電性シート２４と内層電極２１および外層電極２７との密着性と、加圧する際の面圧との関係について以下に説明する。
導電性シート２４と内層電極２１および外層電極２７との密着性を上げるためには、加熱しながら加圧する際、面圧約５０kg／cm²以上の圧力を加えることが必要である。内層電極２１および外層電極２７の厚みとの関係も考慮すると、加圧により導電性シート２４は溶融して面方向に伸びようとし、さらに、この導電性シート２４と内層電極２１および外層電極２７との摩擦力により、内層電極２１および外層電極２７に面方向の引張応力が発生し、内層電極２１および外層電極２７としての金属箔が薄い場合は破断することがある。この面方向にかかる力（面圧）と金属箔の厚みとから金属箔の破断の有無を比較したデータを第４図に示す。第４図は、本発明の第１の実施例におけるＰＴＣサーミスタを外層電極２７の上下から約１７５℃に加熱した熱板で挟み込み、プレス機で圧力をかけた後、プレス機からはずして外層電極２７の上面からＸ線を当てて内部の内層電極２１としての金属箔の破断の有無を調べたものである。ここで、外層電極２７は片面のみが導電性シートに密着している関係で内層電極２１に比し面圧による破断が起こることが少ない。
第４図において、金属箔の厚みが３５μm未満では、面圧が５０kg／cm²未満で既に破断してしまい、密着性を得るために必要な５０kg／cm²の圧力をかけることができない。従って、５０kg／cm²の圧力をかけても金属箔が破断することなく圧着するためには３５μm以上の厚みが必要であることがわかる。
さらに、導電性シートと金属箔との密着性を向上するために、第５図に示すように、上・下面に第１のめっき層３４を有する内層電極３５としての金属箔と側面電極層３６との接続部の近傍に電解銅めっき等を用いて約３０μmの接合部３７を形成すると、側面電極層３６との接合部３７における機械的強度が増す。従って、熱衝撃に対して導電性シート３８との密着性だけではなく、側面電極層３６との密着性も同時に向上させることができるものである。
上記した第１の実施例では、側面に凹部１９を有することにより、導電性シート１４と金属箔よりなる内層電極１１との熱膨張係数が異なるために生じる熱応力が凹部１９部分に集中することなく分散され、金属箔よりなる内層電極１１と側面電極層２０間および外層電極１８と側面電極層２０間の接合部分における破断への影響度を軽減することができるが、特に凹部１９を設けることなく側面電極層２０を部分的に形成しても良い。
また、内層電極１１および外層電極１８としての金属箔の表面を粗面化する際、ニッケルめっきまたはニッケルを含む銅等の金属からなるめっきを用いると、めっき層の表面粗さが他の金属に比べて大きくなる。導電性シート１４と金属箔よりなる内層電極１１との密着性を向上させるためには２μm以上の表面粗さが必要であり、この表面粗さを確保するためには２μｍの粗さを得ることができるニッケルめっきが有効である。
また、上述の第１の実施例におけるＰＴＣサーミスタでは、導電性シート１４が２層で金属箔よりなる内層電極１１が１層のものを例に取り説明したが、第６図に示すように、導電性シート３９を３層とし、金属箔よりなる内層電極４０を２層として交互に積層したものでも良く、それ以上の積層数であっても同様に製造可能であり、積層数を増やすことで、より大きな電流を流すことができるＰＴＣサーミスタを製造できるものである。この場合、内層電極４０はその側端部に欠落部４１が互い違いになるように配列することが必要である。
次に、第６図に示すようなＰＴＣサーミスタをプリント配線板に実装する工程について、第８図を用いて説明する。
初めに、ＰＴＣサーミスタの製造方法を説明する。このＰＴＣサーミスタの製造方法は、前述の第一の実施例と概略同じである。本実施例は、３層の導電性シートを構成したＰＣＴサーミスタについて説明する。
（ａ）有機ポリマを含有しＰＴＣ特性を持つ第一導電性シート５１ａ、第二導電性シート５１ｂおよび第三導電性シート５１ｃを供給する。
（ｂ）金属箔を含む電極材料を供給する。
（ｃ）前記電極材料の表面を粗面化処理して、粗面化された表面を持つ第一内層電極５６ａ、第二内層電極５６ａ、第一外層電極５２と第二外層電極５３を作成する。
（ｄ）第一外層電極５２、第一導電性シート５１ａ、第一内層電極５６ａ、第二導電性シート５１ｂ、第二内装電極５６ｂ、第三導電性シートおよびの第二外層電極５３の順に積層する。
（ｅ）前記有機ポリマの融点以上の温度に加熱しながら、上記の積層体を、前記第一外層電極５２と第二外層電極５３との両側から加圧する。
（ｆ）前記第一外層電極５２に第一欠落部５７を形成して、前記第一欠落部５７により電気的に分離された第三外層電極５２ｂを形成し、そして、
前記第二外層電極５３に第二欠落部５８を形成して、前記第二欠落部５８により電気的に分離された第四外層電極５３ｂを形成する。
（ｇ）前記積層体の第一側面に、前記第一外層電極５２と前記第二内層電極５６ｂと前記第四外層電極５３ｂとに接続して、第一側面電極５４を設置し、そして、前記積層体の第二側面に、前記第二外層電極５３と前記第三外層電極５２ｂと前記第一内層電極５６ａとに接続して、第二側面電極５５を設置する。
このようにして、ＰＴＣサーミスタを作成した。
なお、本実施例において、第一外層電極５２に第一欠落部５７を形成することにより、第三外層電極５２ｂが形成されたが、あらかじめ、第一外層電極５２と第三外層電極５２とを第一導電性シート５１ａの表面に設置する工程も可能である。同様に、第二外層電極５３に第二欠落部５８を形成することにより、第四外層電極５３ｂが形成されたが、あらかじめ、第二外層電極５３と第四外層電極５３ｂとを第三導電性シート５１ｃの表面に設置する工程も可能である。
次に、所定の配線を有するプリント配線板６３を供給する。そのプリント配線板の所望の配線部６０の位置に、半田ペースト５９を設置する。次に、半田ペースト５９を設置した部分に、前述のＰＣＴサーミスタの第一側面電極５４と第二側面電極５５とのそれぞれを載置する。その後、半田ペースト５９をリフローする。このようにして、第一側面電極５４と第二側面電極５５とのそれぞれは半田によりプリント配線板の配線部６０に接続される。
このようにしてプリント配線板に半田付けされたＰＣＴサーミスタにおいて、第一側面電極５４と第二側面電極５５とのそれぞれは、高温と低温との熱差衝撃試験においても、プリント配線板に完全に接続された状態を維持していた。
これに対して、第７図に示すような従来のＰＣＴサーミスタを用いて、上記と同じようにプリント配線板の配線部に半田ペーストにより接続した工程を示す工程図を第９図に示す。第９図において、半田ペーストの量が少ない場合、第一側面電極８０と配線部８１との接続において、半田ペースト８２は第一側面電極８０に接続されないという不良が発生した。
すなわち、本実施例において、第一側面電極５４が第三導電性シート５１ｃの下面に設置された第四外層電極５３ｂにまで延びているため、半田ペーストの量が少ない場合においても、半田ペースト５９は第四外層電極５３ｂに完全に接続され、第四外層電極５３ｂと配線部８０とが半田ペースト５９により完全に接続される。その結果、高温と低温との熱衝撃においても、ＰＣＴサーミスタと配線板とが完全に接続される。
産業上の利用可能性
以上のように本発明は、内層電極および外層電極にめっきにより表面を粗面化した金属箔を使用するため、熱衝撃を受けても導電性シートと金属箔よりなる内層電極および外層電極との密着性が優れ、より大きい電流遮断特性を有するＰＴＣサーミスタを提供することができるものである。

Claims (19)

1. ＰＴＣ特性を有するポリマからなる少なくとも２層の導電性シートと両面に第１のめっき層を有する金属箔よりなる少なくとも１層の内層電極とを含み、前記内層電極が側端部で欠落部を有するともに最外層が前記導電性シートとなるように交互に複数層積層してなる積層体と、
   前記積層体の最外層に位置する前記導電性シートの前記内層電極と対向する面に設けられ、一部に欠落部を有し、かつ前記導電性シートと対向する面に第２のめっき層を有する外層電極と、
   前記積層体の対向する側面に設けられ、前記内層電極および外層電極を電気的に接続する側面電極層を備え、
   前記積層体は対向する側面に凹部を有し、その凹部にのみ側面電極層を設けたＰＴＣサーミスタ。
2. 請求の範囲第１項において、導電性シートは３層以上であり、内層電極は２層以上であってかつ側端部で互い違いになるように欠落部を有するＰＴＣサーミスタ。
3. 請求の範囲第１項において、内層電極および外層電極はニッケルめっきした銅箔であるＰＴＣサーミスタ。
4. 請求の範囲第１項において、側面電極層を銅めっきにより形成したＰＴＣサーミスタ。
5. (a) ＰＴＣ特性を持つ導電性シートと、
   (b) 前記導電性シートの第一表面に密着して設置された第一外層電極と、
   前記第一外層電極から電気的に分離して、前記第一表面に設置された第三外層電極と、
   (c) 前記導電性シートの第一表面に対向する第二表面に密着して設置された第二外層電極と、
   前記第二外層電極から電気的に分離して、前記第二表面に設置された第四外層電極と、
   (d) 前記第一外層電極と前記第二外層電極とに接続し、前記導電性シートの第一面に設置された第一側面電極層と、
   (e) 前記第三外層電極と前記第四外層電極とに接続し、前記第一側面に対向する第二側面に設置された第二側面電極層と、
   (f) 一端を前記第一側面電極と前記第二側面電極とのうちの一つの側面電極に接続し、前記第一外層電極と前記第二外層電極との双方に対向して前記導電性シートの内部に密着して設置され、前記導電性シートとの密着性を増す密着手段を形成した金属箔を有する内層電極と
   を備えたＰＣＴサーミスタ。
6. 請求の範囲第５項において、
   前記内層電極は複数の内層電極を有し、
   前記複数の内層電極のそれぞれの内層電極は、前記第一側面の側と前記第二側面の側とにおいて互い違いの第一欠落部を有するＰＴＣサーミスタ。
7. 請求の範囲第５項において、
   前記金属箔はニッケルメッキを持つ銅箔であり、
   前記密着手段は前記金属箔の表面を粗面化処理することであるＰＴＣサーミスタ。
8. 請求の範囲第５項において、
   前記第一側面電極、前記第二側面電極、前記第一外層電極、前記第二外層電極および前記内層電極は、前記金属箔と同じ材料であるＰＴＣサーミスタ。
9. 請求の範囲第５項において、
   前記第一側面は第一凹部を形成し、
   前記第二側面は第二凹部を形成し、
   前記第一側面電極が前記第一凹部に設置され、
   前記第二側面電極が前記第二凹部に設置されたＰＴＣサーミスタ。
10. 請求の範囲第５項において、
    前記内層電極は２μｍ以上の表面粗さの粗面化された表面を有し、
    前記粗面化された表面と前記導電性シートとが密着しているＰＴＣサーミスタ。
11. 請求の範囲第５項において、さらに、
    前記第二側面電極と接続している端部側の前記内層電極の表面の一部に設置された接合部層を備えたことを特徴とするＰＴＣサーミスタ。
12. （ａ） 金属箔を含む電極材料を供給する工程と
    (b) 前記電極材料の表面を粗面化処理して、粗面化された表面を持つ内層電極を形成する工程と、
    (c) 前記内層電極の第一表面に有機ポリマを含有するＰＴＣ特性を持つ第一導電性シートを積層し、そして、
    前記内層電極の第二表面に前記有機ポリマを含有する前記ＰＴＣ特性を持つ第二導電性シートを積層する工程と、
    (d) 前記第一導電性シートの表面に第一外層電極を積層し、そして、前記第二導電性シートの表面に第二外層電極を積層する工程と、
    (e) 前記有機ポリマの融点以上の温度に加熱しながら、
    前記第一外層電極、前記第一導電性シート、前記内層電極、前記第二導電性シートおよび前記第二外層電極とを含む積層体を、前記第一外層電極と第二外層電極との両側から加圧する工程と、
    (f) 前記第一外層電極に第一欠落部を形成して、前記第一欠落部により電気的に分離された第三外層電極を形成し、そして、
    前記第二外層電極に第二欠落部を形成して、前記第二欠落部により電気的に分離された第四外層電極を形成する工程と、
    (g) 前記積層体の第一側面に、前記第一外層電極と前記第四外層電極とに接続して、第二側面電極を設置し、そして、
    前記積層体の第二側面に、前記第二外層電極と前記第三外層電極と前記内層電極とに接続して、第一側面電極を設置する工程と
    を備えたＰＴＣサーミスタの製造方法。
13. 請求の範囲第１２項において、
    前記電極材料の表面を、約２μｍ以上の表面粗さに粗面化することを特徴とするＰＴＣサーミスタの製造方法。
14. 請求の範囲第１２項において、
    前記有機ポリマの融点以上の温度に加熱した状態で、
    前記積層体を、約３５ｋｇ／ｃｍ²以上の圧力で加圧することを特徴とするＰＴＣサーミスタの製造方法。
15. 請求の範囲第１４項において、
    約３５μｍ以上の厚さを有する前記内層電極を形成することを特徴とするＰＴＣサーミスタの製造方法。
16. 請求の範囲第１２項において、さらに、
    前記第二側面電極と接続している端部側の前記内層電極の表面の一部に、接合部層を設置する工程を備えたことを特徴とするＰＴＣサーミスタの製造方法。
17. 請求の範囲第１２項において、さらに、
    前記積層体の前記第一側面におよび前記第二側面とのうちの少なくとも一つの側面に、凹部を形成する工程を備えたことを特徴とするＰＴＣサーミスタの製造方法。
18. 請求の範囲第１２項において、
    前記第一外層電極と前記第二外層電極とのうちの少なくとも一つの外層電極の表面にレジストを設置し、そして、ケミカルエッチングを行って、前記第一欠落部および前記第二欠落部のうちの少なくとも一つの欠落部を形成することを特徴とするＰＴＣサーミスタの製造方法。
19. 請求の範囲第１２項において、
    前記(c)工程において、
    前記内層電極を含む複数の内層電極と、
    前記第一導電性シートと前記第二導電性シートとを含む複数の導電性シートとが交互に積層するように、そして、
    前記複数の内層電極のそれぞれの内層電極は、前記第一側面の側と前記第二側面の側とにおいて互い違いの第三欠落部を有するように、
    前記積層体を作成することを特徴とするＰＴＣサーミスタの製造方法。

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