一种芯片型熔断器及其生产方法与流程

1.本发明涉及电气保护元件领域，尤其是提供一种具有独石结构的芯片型熔断器。


背景技术：

2.熔断器被广泛的应用于各种电子元器件的过流保护。利用金属导体作为熔体串联于电路中，熔断器通电时因电流转换的热量会使熔体的温度上升，在负载正常工作电流或允许的过载电流时，电流所产生的热量和通过熔体，壳体和周围环境所幅射、对流、传导等方式散发的热量能逐步达到平衡；如果散热速度跟不上发热速度时，这些热量就会在熔体上逐步积蓄，使熔体温度上升，一旦温度达到和超过熔体材料的熔点时就会使它液化或汽化，从而断开电流，对电路和人身起到安全保护的作用。
3.随着新能源领域的发展，对电池保护要求越来越高，熔断器作为关键部件，装配时大多需要被灌封，为了避免在灌封时内部结构受到影响，对熔断器本身的密封性提出了很高要求；同时，汽车使用长达10年以上，对元器件的寿命、性能一致性提出了更高的要求。
4.表面贴装熔断器主要有两大类型：中空结构熔断器及固体器件型熔断器。目前中空结构熔断器主要采用陶瓷管和fr4为基材，熔丝悬浮在内腔中，其有以下缺点：（1）陶瓷管熔断器采用含铅焊料将管与端帽焊接，fr4为基材的熔断器采用多层压合的方式将基材和线材压合，都难以保证很好的密封。陶瓷管熔断器更取决于工艺控制能力，严重的会导致焊锡膏深入内腔，影响熔断器的熔断特性和可靠性。（2）现有技术熔丝悬空的熔断器在高频震动等领域的应用受到一定的限制，熔丝悬浮结构虽有利于形成隔热的结构，但在高频震动的条件下更易导致熔丝金属材质的疲劳，长期工作导致失效。（3）陶瓷管中空熔断器因要采用sn合金熔丝来作为熔体，降低起弧时的温度，进而提升断器的分断能力。但这也限制了保险丝的工作温度，一般不能超过125℃；而fr4基材熔断器受制于基材的tg点（约为155℃），一般也较难应用在较高的工作环境。可见中空结构熔断器并不能满足前述新领域对熔断器的要求。
5.固体器件型熔断器多以陶瓷作为基材，其具体又包括独石结构和熔丝表面结构两大类，独石结构的突出优势是密封性好和良好的灭弧能力，熔丝表面结构熔断器凸出的优势是成本低。但两者还共同存在如下缺点：（1）固态熔断器绝大多数采用丝印或薄膜工艺形成单金属或双金属熔丝，熔丝一致性较金属线作为熔丝的产品有一定差距。在新能源汽车、服务器等对性能一致性、可靠性要求较高的行业，传统固态熔断器的应用受到一定限制。（2）独石结构虽然密封性和灭弧能力很好，但对材料和工艺控制的要求很高；而熔丝表面结构熔断器难以保证密封，熔断或分断时金属蒸汽外溢，外溢的金属蒸汽如沉积在高密度引脚ic附近，易导致电路短路，产生二次危害。因此，现有的固体器件型熔断器也无法满足前述新领域对熔断器的要求。
6.现有技术中的一种陶瓷空腔型熔断器，熔体放入绝缘管的中空腔内，熔体的两端由中空腔两端引出，在中空腔的两端部滴入灭弧胶以固定熔体的两端，再在中空腔的中间区域填充石英沙，在槽口位置装入绝缘盖板，盖板通过摩擦接合、通过其它机械配合技术或
用粘结剂或粘胶等方式机械配装到外壳底座，使之与绝缘管连接；在端帽内部滴入锡膏，将其紧配合安装在绝缘管的两端，采用焊接工艺使端帽内部的锡膏瞬间熔化，实现熔体与端帽的连接。该熔断器存在如下缺陷：（1）对灭弧胶的滴入精度要求非常高，滴入过多，胶会顺着熔丝流淌，污染熔丝，过载条件下导致熔丝碳化；滴入过少，则无法起到固定、密封效果；（2）填砂量、槽口和绝缘盖板之间的匹配性要求非常高，否则会出现很严重的密封性问题，高过载条件下会直接将盖板炸飞；（3）熔断器外壳与金属帽之间要逐个组装而成，生产效率较低，而且外壳与金属帽之间的连接强度很难保证；（4）盖板与外壳底座的连接位置为结构薄弱部，严重影响熔断器的密封特性及结构强度。
7.综上，迫切的需要提供一种熔断器，其兼具高的密封性、高的工作温度、良好的熔断特性、高的电性一致性及长寿命的可靠性的特点。


技术实现要素：

8.为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有独石结构的芯片型熔断器，易于生产，具有高的电性一致性和可靠性，同时具备一定的wire-in-air特性。
9.本发明提供一种芯片型熔断器，包括绝缘基体、熔断体，所述绝缘基体的外部设置有端电极，所述绝缘基体包括陶瓷壳体及填料，其中：所述陶瓷壳体自顶壁向内凹陷形成容置腔，所述熔断体位于所述容置腔中，所述填料包括基体材料，所述基体材料与所述陶瓷壳体选自同种类陶瓷材料，例如都选自低温共烧陶瓷粉或玻璃粉，所述基体材料中均匀分布有中空玻璃微球或中空陶瓷微球，所述填料填充于所述容置腔中并包覆所述熔断体，所述填料构成部分所述容置腔的开口对应位置的所述芯片型熔断器的上壁；所述熔断体为条状或片状的金属丝，所述熔断体与所述端电极相电连接。
10.本发明提供的芯片型熔断器，具体的一种表面贴装型芯片型熔断器，陶瓷壳体、熔断体、端电极与含有可低温共烧陶瓷的填料紧密连接在一起形成独石结构，且采用了结构强度和电性一致性更高的高精度金属丝、片或箔作为熔断部，稳定可靠。同时，含有中空玻璃微球或中空陶瓷微球的填料包覆熔断体的设置使得芯片型熔断器在保证高结构强度的前提下具备了wire-in-air特性，具有良好的隔热效果，有效解决了传统中空熔断器熔丝抗震、密封性不足等的问题。
11.在一些实施例中，所述容置腔相对的两端为用于限位所述熔断体的定位槽，两个所述定位槽之间的所述容置腔为容置腔主体，所述定位槽的自所述陶瓷壳体的顶壁的深度≤所述容置腔主体的自所述陶瓷壳体的顶壁的深度，所述熔断体的两端分别位于两个相对的所述定位槽中，所述定位槽的宽度略大于对应位置的所述熔断体的宽度。
12.在一些实施例中，两个所述端电极分别包覆所述定位槽对应位置的所述芯片型熔断器的端部，所述熔断体穿过所述定位槽并与对应位置的所述端电极电连接。
13.在一些实施例中，所述定位槽的对应位置设有结构加强部，银质的所述结构加强部包覆对应位置的所述熔断体并与所述端电极电连接。
14.在一些实施例中，陶瓷壳体的导热系数介于1.0-5.0w/mk之间，填料的导热系数介于0.02-2 w/mk之间。
15.在一些实施例中，每个所述定位槽远离所述容置腔主体的一侧为所述端电极形成
的侧壁。
16.本发明还提供一种芯片型熔断器的生产方法，包括如下步骤：s1，准备开设有容置腔主体和定位槽的陶瓷壳体，所述容置腔主体和所述定位槽自所述陶瓷壳体的一顶壁向内凹陷形成，可以用陶瓷材料成型后制成陶瓷生坯，在所述陶瓷生坯的一顶壁通过机加工、激光切割等方式开设容置腔主体和定位槽制得壳体生坯即陶瓷壳体，也可以直接利用外购件，用准备好的含定位槽及容置腔主体的陶瓷壳体的基板，两个所述定位槽相对设置（包括斜对或正对，方便熔断体定位），所述容置腔主体与所述定位槽连通形成容置腔，所述容置腔主体的深度≥所述定位槽的深度；s2，将熔断体布置在所述定位槽中，所述熔断体的主体置于所述容置腔主体中；s3，将填料注入到所述容置腔中并将所述填料固化制得待烧产品阵列，所述填料包覆所述熔断体，所述填料包括基体材料，所述基体材料与所述陶瓷壳体选自同种类陶瓷材料，所述基体材料可以为可低温共烧玻璃粉或陶瓷粉，所述填料还包括中空玻璃微球或中空陶瓷微球；s4，通过切割-剥离的方式将待烧产品阵列分离成多个单颗待烧产品；s5，将所述待烧产品排胶后，烧结所述待烧产品制得致密的熔断器芯片，其中所述陶瓷生坯及所述填料烧结在一起；s6，对所述熔断器芯片进行倒角、上端、烧银、电镀工艺，制得芯片型熔断器，其中，所述填料构成部分所述容置腔的开口对应位置的所述芯片型熔断器的上壁。
17.在一些实施例中，所述步骤s1之后，及所述步骤s2之前，在所述定位槽的槽内coating银浆，使得在s2步骤时银浆包覆熔断体的两端，增加熔断体与端头的接触面积。
18.在一些实施例中，所述填料中，所述填料中所述中空玻璃微球或所述中空陶瓷微球的含量在10-60% wt之间。
19.在一些实施例中，所述熔断体为金属丝或金属片&箔，所述熔丝的熔点大于900℃。
20.在一些实施例中，所述熔断体的表层的材料为银。
21.在一些实施例中，所述步骤s1中，用可低温共烧陶瓷材料成型制成陶瓷壳体；所述步骤s5中，烧结方式为低温共烧，这样填料与陶瓷壳体同时烧结为一体，两者的连接强度更强，芯片型熔断器的密封性及结构强度更高。
22.本发明的有益效果有：与现有技术相比，本发明提供的芯片型熔断器，陶瓷壳体、熔断体、端电极与含有可低温共烧陶瓷的填料紧密连接在一起形成独石结构，不需要盖板，且采用了结构强度和电性一致性更高的高精度金属丝/片&箔作为熔断部，具有较高的电气特性的一致性，密封性更高，稳定可靠。同时，含有中空玻璃微球或中空陶瓷微球的填料包覆熔断体的设置使得芯片型熔断器在保证高结构强度的前提下具备了wire-in-air特性，陶瓷壳体和填料的导热系数较低，整个方案使得芯片型熔断器具有良好的隔热效果，有效解决了传统中空熔断器熔丝抗震、密封性不足等的问题。包括陶瓷壳体、熔丝及填料均为耐高温材料，可以应用在150℃甚至更高的环境温度。相比于已知的固态熔断器，本发明的芯片型熔断器采用高精度金属熔丝替代了丝印、薄膜丝网印刷工艺，大幅度降低了熔丝缺陷，大幅度降低了工艺控制难度；同时，所用壳体材料相对更易获得，对材料的特性要求较低，更易实现低成本、大规模的量产。
附图说明
23.图1为本发明中的芯片型熔断器的局部剖视结构示意图；图2为本发明中的芯片型熔断器的爆炸结构示意图；图3为本发明中的芯片型熔断器的陶瓷壳体结构示意图；图4为本发明中的芯片型熔断器的纵剖结构示意图；图5为本发明中的芯片型熔断器的横剖结构示意图；图6为本发明中的芯片型熔断器的成品结构示意图。
24.下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
具体实施方式
25.通过下面给出的本发明的具体实施例可以进一步清楚地了解本发明，但它们不是对本发明的限定。
26.实施例一如图1-6所示，本实施例提供一种芯片型熔断器，包括陶瓷壳体1、填料2及熔断体3，陶瓷壳体1和填料2属于芯片型熔断器的绝缘基体，所述绝缘基体的外部设置有端电极4，其中：陶瓷壳体1自顶壁向内凹陷形成包括定位槽5和容置腔主体6的容置腔，所述熔断体2位于所述容置腔中；具体地，所述容置腔相对的两端为用于限位熔断体3的定位槽5，两个定位槽5之间的所述容置腔为容置腔主体6，所述定位槽5的自所述陶瓷壳体1的顶壁11的深度≤所述容置腔主体6的自所述陶瓷壳体1的顶壁11的深度，所述熔断体3的两端分别位于两个相对的所述定位槽5中，所述定位槽5的宽度略大于对应位置的所述熔断体5的宽度，熔断体3的主体部分位于容置腔主体6中。
27.陶瓷壳体1的材料可以选自滑石瓷、堇青石、镁橄榄石、莫来石、氧化铝、氧化锆陶瓷、氧化铝-玻璃粉构成的低温共烧陶瓷（ltcc）等一种或多种组分构成的复合陶瓷，相比传统共烧用陶瓷基体材料，本实施例中的芯片型熔断器的陶瓷壳体1的材料只需要提供一定的强度即可，无其他特殊功能、性能要求，材料可选范围较宽。本实施例中的陶瓷壳体1的导热系数介于1.0-5.0w/mk之间，材料选择导热系数低的ltcc、滑石瓷、镁橄榄石为主的陶瓷，保证芯片型熔断器具有良好的隔热效果。
28.填料2包括的基体材料选自与陶瓷壳体1的材料一致的玻璃粉或陶瓷粉，本实施例中，填料2包括可低温共烧陶瓷23，低温共烧陶瓷23中均匀分布有中空玻璃微球或中空陶瓷微球22，所述填料填充于所述容置腔中并包覆所述熔断体，所述填料2构成部分所述容置腔的开口对应位置的所述芯片型熔断器的上壁，而不需要额外加设盖板，保证整个芯片型熔断器的密封性；中空玻璃微球或中空陶瓷微球22为玻璃或陶瓷材质，其内部含有空腔，降低填料2的导热系数（介于0.02-2 w/mk之间）至接近空气的导热系数，从而实现了wire-in-air特性，具有良好的隔热效果。本实施例中，填料2中所述中空玻璃微球或所述中空陶瓷微球的含量在10-60% wt之间，填料2的烧结温度低于920℃。
29.所述熔断体3为条状或片状的高精度金属丝、金属片或金属箔，熔断体所采用的金属能够承受850~900℃烧结温度，本实施例中的熔断体3其表层材料为银，材质为银或银包合金，熔断体3的熔点高于900℃，所述熔断体与所述端电极相电连接。
30.两个所述端电极分别包覆所述定位槽对应位置的所述芯片型熔断器的端部，所述
熔断体穿过所述定位槽并与对应位置的所述端电极电连接。
31.每个所述定位槽5远离所述容置腔主体6的一侧为所述端电极4形成的侧壁。
32.本实施例的芯片型熔断器的生产方法，包括如下步骤：s1，采用不限于注浆成型、注塑成型、ltcc成型工艺、uv coating的方法用陶瓷材料成型后制成陶瓷生坯，在所述陶瓷生坯的一顶壁通过机加工或激光切割等的方式开设容置腔主体6和定位槽5制得壳体生坯即陶瓷壳体，两个所述定位槽5相对设置，所述容置腔主体6与所述定位槽5连通形成容置腔，所述容置腔主体的深度大于所述定位槽的深度；s2，将银质熔丝作为熔断体3布置在所述定位槽5中，所述熔断体的主体置于所述容置腔主体中；s3，将填料注入到所述容置腔中并将所述填料通过uv光固化或热固化的方式固化制得待烧产品阵列，所述填料包覆所述熔断体，所述填料包括共烧陶瓷粉作为基体材料，基体材料与陶瓷壳体的材料选自同种类陶瓷材料，所述填料还包括中空玻璃微球或中空陶瓷微球；s4，通过切割-剥离的方式将待烧产品阵列分离成多个单颗待烧产品；s5，将所述待烧产品排胶后，通过低温共烧的方式烧结所述待烧产品制得结构致密的熔断器芯片，其中所述陶瓷生坯及所述填料烧结在一起；s6，对所述熔断器芯片进行倒角、上端、烧银、电镀工艺，制得多个可用于内外导通和用于焊接的芯片型熔断器，其中，所述填料构成部分所述容置腔的开口对应位置的所述芯片型熔断器的上壁。
33.实施例二本实施例提供的一种芯片型熔断器，与实施例一的不同之处在于，所述定位槽5的对应位置灌注有银浆（图中未标出）形成结构加强部，银质的所述结构加强部包覆对应位置的熔断体3并与端电极4电连接，增加熔断体与端头的接触面积，以确保熔断体3与端电极4的电连接的可靠性。
34.本实施例的芯片型熔断器的生产方法，包括如下步骤：s1，采用不限于注浆成型、注塑成型、ltcc成型工艺、uv coating的方法用陶瓷材料成型后制成陶瓷生坯，在所述陶瓷生坯的一顶壁通过机加工的方式形成容置腔主体和定位槽制得壳体生坯，两个所述定位槽相对设置，所述容置腔主体与所述定位槽连通形成容置腔，所述容置腔主体的深度大于所述定位槽的深度；在所述定位槽的对应位置灌注/涂覆银浆；s2，将熔断体布置在所述定位槽中，银浆包覆熔断体3的两端，所述熔断体的主体置于所述容置腔主体中；s3，将填料注入到所述容置腔中并将所述填料固化制得待烧产品阵列，所述填料包覆所述熔断体，所述填料包括共烧陶瓷粉，所述填料还包括中空玻璃微球或中空陶瓷微球；s4，通过uv光固化或热固化的方式将填料固化；s5，通过切割-剥离的方式将待烧产品阵列分离成多个单颗待烧产品；s6，将所述待烧产品排胶后，通过低温共烧的方式烧结所述待烧产品制得结构致密的熔断器芯片，其中所述陶瓷生坯及所述填料烧结在一起；
s7，对所述熔断器芯片进行倒角、上端、烧银、电镀工艺，制得可用于内外导通和用于焊接的芯片型熔断器，其中，所述填料构成部分所述容置腔的开口对应位置的所述芯片型熔断器的上壁。
35.实施例三本实施例提供的一种芯片型熔断器，与实施例一的不同之处在于，其制备方法中的步骤s1中，陶瓷壳体直接利用外购件，用准备好的含定位槽及容置腔主体的陶瓷壳体的基板；在步骤s5中，将所述待烧产品排胶后，烧结所述待烧产品制得致密的熔断器芯片，其中所述陶瓷生坯及所述填料烧结在一起。
36.本发明提供的芯片型熔断器，陶瓷壳体、熔断体、端电极与含有低温共烧陶瓷的填料紧密连接在一起形成独石结构，不需要盖板，且采用了结构强度和电性一致性更高的高精度金属丝、片&箔作为熔断部，具有较高的电气特性的一致性，密封性更高，稳定可靠。同时，含有中空玻璃微球或中空陶瓷微球的填料包覆熔断体的设置使得芯片型熔断器在保证高结构强度的前提下具备了wire-in-air特性，陶瓷壳体和填料的导热系数较低，具有良好的隔热效果，有效解决了传统中空熔断器熔丝抗震、密封性不足等的问题。包括陶瓷壳体、熔丝及填料均为耐高温材料，可以应用在150℃甚至更高的环境温度。相比于已知的固态熔断器，本发明的芯片型熔断器采用高精度金属熔丝替代了丝印、薄膜丝网印刷工艺，大幅度降低了熔丝缺陷，大幅度降低了工艺控制难度；同时，所用壳体材料相对更易获得，对材料的特性要求较低，更易实现低成本、大规模的量产。
37.以上所揭露的仅为本发明优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种芯片型熔断器，包括绝缘基体、熔断体，所述绝缘基体的外部设置有端电极，其特征在于：所述绝缘基体包括陶瓷壳体及填料，其中：所述陶瓷壳体自顶壁向内凹陷形成容置腔，所述熔断体位于所述容置腔中，所述填料包括基体材料，所述基体材料与所述陶瓷壳体选自同种类陶瓷材料，其中所述基体材料中均匀分布有中空玻璃微球或中空陶瓷微球，所述填料填充于所述容置腔中并包覆所述熔断体，所述填料构成部分所述容置腔的开口对应位置的所述芯片型熔断器的上壁；所述熔断体为金属丝、金属片或金属箔，所述熔断体与所述端电极相电连接。2.根据权利要求1所述的芯片型熔断器，其特征在于，所述容置腔相对的两端为用于限位所述熔断体的定位槽，两个所述定位槽之间的所述容置腔为容置腔主体，所述定位槽的自所述陶瓷壳体的顶壁的深度≤所述容置腔主体的自所述陶瓷壳体的顶壁的深度，所述熔断体的两端分别位于两个相对的所述定位槽中。3.根据权利要求2所述的芯片型熔断器，其特征在于，两个所述端电极分别包覆所述定位槽对应位置的所述芯片型熔断器的端部，所述熔断体穿过所述定位槽并与对应位置的所述端电极电连接。4.根据权利要求2所述的芯片型熔断器，其特征在于，所述定位槽的对应位置设有结构加强部，银质的所述结构加强部包覆对应位置的所述熔断体并与所述端电极电连接。5. 根据权利要求1所述的芯片型熔断器，其特征在于，所述陶瓷壳体的导热系数介于1.0-5.0w/m.k之间，所述填料的导热系数介于0.02-2 w/m.k之间。6.一种芯片型熔断器的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，准备开设有容置腔主体和定位槽的陶瓷壳体，所述容置腔主体和所述定位槽自所述陶瓷壳体的一顶壁向内凹陷形成，所述容置腔主体与所述定位槽连通形成容置腔，所述容置腔主体的深度≥所述定位槽的深度；s2，将熔断体布置在所述定位槽中，所述熔断体的主体置于所述容置腔主体中；s3，将填料注入到所述容置腔中并将所述填料固化制得待烧产品阵列，所述填料包覆所述熔断体，所述填料包括基体材料，所述基体材料与所述陶瓷壳体选自同种类陶瓷材料，所述填料还包括中空玻璃微球或中空陶瓷微球；s4，通过切割-剥离的方式将待烧产品阵列分离成多个单颗待烧产品；s5，将所述待烧产品排胶后，烧结所述待烧产品制得致密的熔断器芯片，其中所述陶瓷生坯及所述填料烧结在一起；s6，对所述熔断器芯片进行上端、烧银、电镀工艺，制得芯片型熔断器，其中，所述填料构成部分所述容置腔的开口对应位置的所述芯片型熔断器的上壁。7.根据权利要求6所述的芯片型熔断器的生产方法，其特征在于，所述步骤s1之后，及所述步骤s2之前，在所述定位槽灌注银浆。8.根据权利要求6所述的芯片型熔断器的生产方法，其特征在于，所述填料中，所述填料中所述中空玻璃微球或所述中空陶瓷微球的含量在10-60%wt之间;微球粒径介于0.1-200um之间。9.根据权利要求6所述的芯片型熔断器的生产方法，其特征在于，所述熔断体为金属
丝、金属片或金属箔，所述熔断体的熔点大于900℃。10.根据权利要求9所述的芯片型熔断器的生产方法，其特征在于，所述步骤s1中，用可低温共烧陶瓷材料成型制成陶瓷壳体；所述步骤s5中，烧结方式为低温共烧。

技术总结
本发明公开一种芯片型熔断器，包括绝缘基体、熔断体，所述绝缘基体的外部设置有端电极，所述绝缘基体包括陶瓷壳体及填料，所述陶瓷壳体自顶壁向内凹陷形成容置腔，所述熔断体位于所述容置腔中，所述填料包括陶瓷粉或玻璃粉，其中均匀分布有中空玻璃微球或中空陶瓷微球，所述填料填充于所述容置腔中并包覆所述熔断体，所述填料构成部分所述容置腔的开口对应位置的所述芯片型熔断器的上壁；所述熔断体为金属丝、片或箔，所述熔断体与所述端电极相电连接；本发明还提供该种芯片型熔断器的制备方法；本发明公开的芯片型熔断器密封性好，熔断体具有高的一致性，导热系数低，具有高的可靠性。性。性。


技术研发人员：杨永林 谈英 张国荣
受保护的技术使用者：AEM科技（苏州）股份有限公司
技术研发日：2021.12.27
技术公布日：2023/7/11