一种PCB基体熔断器及其制造方法与流程

本发明涉及一种熔断器，具体的说，是涉及一种以pcb基板为基体的用于过流过压保护的熔断器结构及其制造方法。

背景技术：

随着现在电子工业的发展，电子产品领域中元件小型化、集成化要求越来越高，片式保护元件的体积也大大缩小了。然而，在缩小片式保护元件体积的同时，目前尚欠缺有效的方案能够同时提高其分断性能和抗浪涌能力。特别是宽度在6.5mm以下的片式熔断器尚无法承受220v或者更高电压，并且在长期的使用中，保护元件也难以耐受频繁开关机以及间接雷电等浪涌的冲击，进而很难保持性能的长期稳定和有效。

分断能力是指在额定电压下，熔断器能够安全断开电路，并且不发生破损时的最大电流值。熔断器必须能在不破坏周围电路的情况下断开故障电路，从而避免在故障发生熔断器熔断时出现持续飞弧、引燃、熔断器烧毁、连同接触件一起熔融、出新熔断器标记无法辨认等现象，并且阻止开路电压通过断开的熔体层元件再次触发电弧。而熔断器的抗浪涌能力是指在雷击浪涌和长期频繁的开关机产生的浪涌作用下，熔断器不发生衰退和失效。对于高抗浪涌型熔断器，其熔断热能值比较高，而熔断时发热量越大，预飞弧时间即熔断时间越长，其相应分断时电弧也会越强，所以单纯的紧靠改变熔体的材料、长度、截面很难同时提升熔断器的分断能力和抗浪涌能力。对于传统的有内腔的瓷管类熔断器可以填充灭弧介质如石英砂来切断电流，但6.3mm宽度以下的贴片型熔断器尚没有有效方法提升分断能力并保有高的抗浪涌能力。

目前市场上以pcb板为基体的小型熔断器有熔体层悬空结构和金属铜箔蚀刻两种方式。相比起陶瓷基板的熔断器，pcb板做为基体的熔断器成本更低、工艺更简单。但是，在做熔断测试以及分断测试的时候，有部分pcb板熔断器产品熔体层熔断不够完全，残留部分的熔体层在大电流大电压作用下温度持续上升，当温度超过300℃后，pcb板变黑甚至烧毁，导致pcb板熔断器无法承受较高的电压。且pcb板为基体的熔断器更易燃烧，由于结构限制，在缩小体积的同时，无法同时提升熔断器的分断能力和抗浪涌能力的问题更为突出。所以，以pcb板为基体的小型熔断器目前只能应用于低压直流领域，并且此类型的熔断器经常耐受不住频繁的浪涌冲击而失效，从而产生安全隐患。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种pcb基体熔断器，该熔断器同时具备高分断性能和高抗浪涌能力。

技术手段：本发明所述的一种pcb基体熔断器，包括pcb基板、两个端电极和熔体层，所述两个端电极分别包覆在pcb基板两端，所述熔体层设置于pcb基板上表面且熔体层两端分别与两个端电极连接；所述pcb基板至少在上表面还附着有基板包覆层，基板包覆层采用阻燃灭弧胶制成；所述熔体层位于所述基板包覆层外部，熔体层的效应点部位还包覆有助熔体，所述助熔体上包覆有一层灭弧保护层，所述灭弧保护层的制备材料至少包括阻燃灭弧胶。其中，熔体层的效应点部位指包覆助熔体后形成的易熔断位置。

有益效果：本发明所述的一种pcb基体熔断器，通过在熔体层和pcb基板之间设置采用阻燃灭弧胶制成的基板包覆层，并且在熔体层效应点部位设置助熔体，使其成为易熔断部位，在助熔体上覆盖采用阻燃灭弧胶制作的灭弧保护层，同时提高了熔断器分断能力及抗浪涌能力；阻燃灭弧胶在熔体层熔断或分断时能同时起到阻燃和灭弧的作用，还有能帮助熔体层迅速分开无残留的作用，当熔断器遇到大电流大电压时在阻燃灭弧胶的帮助下，液态金属迅速向四周扩散，切断了电流，温度不会持续上升，使保险丝能够承受更大的电流和电压；熔体层的熔断部分整个被阻燃灭弧胶完全包裹，也实现了高抗浪涌能力。

其中，所述阻燃灭弧胶包括1000重量份纯净水、10重量份环氧体系胶或硅橡胶体系胶、2-5重量份固化剂以及1-3重量份灭弧剂；灭弧剂为氢氧化铝、氢氧化镁、三聚氰胺、二氧化硅、氧化铝、氧化铁中的至少一种。因此，本发明的阻燃灭弧胶采用高压电力上防电弧用的环氧体系胶或硅橡胶体系胶作为保护，具有三维弹性体结构的灭弧层，其中填充了纳米填料的灭弧剂，当分断电弧产生，形成等离子体向外喷溅，灭弧层会吸收大量热量并能承受等离子的能量冲击，所述的纳米填料吸收大量热量并且部分材料分解产生阻燃灭弧气体，加速短路电流的衰减，最终熄灭电弧，提高产品的分断能力。

所述若干保护层还包括上保护层，所述上保护层包覆所述熔体层及所述灭弧保护层，上保护层的制备材料至少包括uv固化材料。uv固化材料相对硬度高，粘结力强，可以有效抵抗外力；同时出现短路电流或者大过载电流时，耐高温的上保护层亦可以吸收大量热量，提高熔断器的可靠性。

所述端电极包括上表面电极、下表面电极、侧导电极、内部电极以及外部电极；所述上表面电极和下表面电极分别位于pcb基板的上下表面；所述侧导电极位于pcb基板的端部，侧导电极连通所述上表面电极和下表面电极；所述内部电极包覆所述上表面电极、下表面电极以及侧导电极；所述外部电极包覆所述内部电极。内部电极用于加厚电极，降低端电极电阻，防止大电流时端电极被击穿，或者因端电极发热量大，焊料熔融导致的产品脱落；外部电极可防止内部电极氧化，并且提供焊接性能。

对应于上述pcb基体熔断器，本发明同样提供了一种pcb基体熔断器的制造方法的技术方案以能够制造上述同时具备高分断性能和高抗浪涌能力的pcb基体熔断器。

一种pcb基体熔断器的制造方法，包括下述步骤：

(1)将1000重量份纯净水、10重量份环氧体系胶或硅橡胶体系胶、2-5重量份固化剂以及1-3重量份灭弧剂混合搅拌均匀，制得阻燃灭弧胶；

(2)将pcb基板浸泡在阻燃灭弧胶中，取出所述pcb基板干燥固化，使pcb基板至少在上表面形成阻燃灭弧胶材质的基板包覆层；

(3)在pcb基板上下表面压合金属箔；

(4)通过电镀方式在pcb基板两端形成连通上下表面金属箔的侧导电极；

(5)采用蚀刻工艺在pcb基板的上表面金属箔上形成熔体层以及分别位于熔体层两端并与熔体层连成一体的两个上表面电极，采用蚀刻工艺在pcb基板的下表面金属箔上形成与两个上表面电极对应的两个下表面电极；

(6)在所述熔体层中心部位覆盖一层锡材料的助熔体；

(7)制作灭弧保护层，使所述灭弧保护层完全包覆助熔体，灭弧保护层的制备材料至少包括阻燃灭弧胶；

(8)采用电镀铜工艺形成包覆所述上表面电极、下表面电极以及侧导电极的内部电极，并采用电镀或化学镀工艺在内部电极外部形成包覆内部电极的外部电极，即得。

其中，所述步骤(1)中灭弧剂为氢氧化铝、氢氧化镁、三聚氰胺、二氧化硅、氧化铝、氧化铁中的至少一种。

所述步骤(7)还制作有上保护层，所述上保护层包覆所述熔体层及所述灭弧保护层，上保护层的制备材料至少包括uv固化材料。

本发明同时还提供一种pcb基体熔断器的批量制造方法，包括下述步骤：

(1)制备阻燃灭弧胶：将1000重量份纯净水、10重量份环氧体系胶或硅橡胶体系胶、2-5重量份固化剂以及1-3重量份灭弧剂混合搅拌均匀，得阻燃灭弧胶；

(2)表面处理：将pcb板浸泡在阻燃灭弧胶中，使所述pcb板至少在上表面形成阻燃灭弧胶材质的基板包覆层，并在pcb板上下表面压合金属箔；

(3)制作侧导电极：在所述pcb板上按照pcb基体熔断器的形状大小划分每一颗pcb基板的位置，使pcb板上形成若干阵列排布的pcb基板，在每一颗pcb基板的两端部位通过铣槽或钻孔的方式贯通pcb板的上下表面，通过电镀方式在每个pcb基板的两端面形成连通上下表面金属箔的侧导电极；

(4)制作熔体层、上表面电极及下表面电极：采用蚀刻工艺在每一颗pcb基板的上表面金属箔上形成熔体层以及分别位于熔体层两端并与熔体层连成一体的两个上表面电极，采用蚀刻工艺在每一颗pcb基板的下表面金属箔上形成与两个上表面电极对应的两个下表面电极；

(5)制作助熔体：在每一颗pcb基板上的熔体层中心部位覆盖一层锡材料的助熔体；

(6)制作保护层：在每一颗pcb基板的熔体层上制作灭弧保护层，使所述灭弧保护层完全包覆助熔体，灭弧保护层的制备材料至少包括阻燃灭弧胶；

(7)形成端电极：采用电镀铜工艺在每一颗pcb基板上形成包覆上表面电极、下表面电极以及侧导电极的内部电极，并采用电镀或化学镀工艺在内部电极外部形成包覆内部电极的外部电极；

(8)切割成粒：将经过上述步骤的pcb板按产品位置切割，即得。

附图说明

图1是pcb基体熔断器上表面结构示意图；

图2是pcb基体熔断器侧面结构示意图；

图3是pcb基体熔断器a-a剖面结构示意图；

图4是本发明采用铣槽方式的pcb板示意图；

图5是本发明蚀刻上表面电极及熔体层后的pcb板示意图；

图6是本发明蚀刻下表面电极的pcb板示意图；

图7是本发明压合干膜后助熔体孔位示意图；

图8是本发明助熔体成型示意图；

图9是本发明保护层成型示意图；

图10是本发明端电极成型示意图；

图11是采用铣槽方式的pcb基体熔断器切割成粒示意图；

图12是本发明采用钻孔方式的pcb板示意图；

图13是本发明采用钻孔方式的pcb基体熔断器成型示意图；

图14是本发明采用钻孔方式的pcb基体熔断器切割成粒示意图。

其中：1、pcb基板，2、熔体层，3、助熔体，4、保护层，5、端电极，11、基板包覆层，31、助熔体孔位，41、灭弧保护层，42、上保护层，51、上表面电极，52、下表面电极，53、侧导电极，54、内部电极，55、外部电极，61铣槽位置，62、钻孔位置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的可实现方式做进一步详细说明。

如图1-2所示，一种pcb基体熔断器，包括pcb基板1，熔体层2以及两个端电极5，两个端电极5分别包覆在pcb基板1的两端，熔体层2设置于pcb基板1的上表面且熔体层2两端分别与两个端电极5连接；熔体层2的中心部位还包覆有一层助熔体3，使其成为易熔断的效应点部位，助熔体3上包覆有保护层4，保护层4完全覆盖助熔体3。

如图3所示，所述pcb基板1至少在上表面还附着有基板包覆层11，所述基板包覆层11采用阻燃灭弧胶制成，并且完全覆盖pcb基板1的上表面，熔体层2位于基板包覆层11的外部，亦即基板包覆层11的上表面；所述阻燃灭弧胶包括1000重量份纯净水、10重量份粘结剂、2-5重量份固化剂以及1-3重量份灭弧剂，其中，粘结剂为环氧体系胶或硅橡胶体系胶，环氧体系胶和硅橡胶体系胶俗称环氧树脂胶水和硅橡胶胶水，因其高分子组成种类多，行业也用环氧体系和硅橡胶体系表述；灭弧剂为氢氧化铝、氢氧化镁、三聚氰胺、二氧化硅、氧化铝、氧化铁中的至少一种作为纳米材料。将上述材料混合均匀制得的阻燃灭弧胶不会对熔体层2以及端电极5造成污染或腐蚀，且该阻燃灭弧胶无色无味，对环境无影响，对熔断器的整体外观没有影响，不会增加厚度，有利于熔断器的薄型化。因此，作为优选，可以直接将pcb基板1全部浸泡在阻燃灭弧胶中而不必增加多余的设备及成本，从而使整个pcb基板1的外表面均附着上阻燃灭弧胶制成的基板包覆层11，包覆了阻燃灭弧胶的pcb基体熔断器，分断电压上升了一倍以上，并且整体熔断器产品性能均匀，不存在个别熔断器外观变黑或者烧毁的现象。

所述保护层4包括一层灭弧保护层41，灭弧保护层41完全包覆助熔体3，灭弧保护层41的制备材料至少包括阻燃灭弧胶。作为优选，保护层4还包括一层上保护层42，上保护层42将熔体层2以及灭弧保护层41完全包覆住，上保护层42的制备材料至少包括uv固化材料，uv固化材料亦即紫外光固化保护胶，也称光敏胶或者无影胶，因为uv胶固化不需要加温度，紫外光照射短时间即可固化，不会影响内层pcb基板1以及阻燃灭弧胶制作的基板包覆层11，并且uv固化材料粘结强度高、硬度适中，可以弥补阻燃灭弧胶较软的不足。另外，也可以仅设置一层灭弧保护层41，将阻燃灭弧胶和uv固化材料两种保护材料混合一层成型，整体覆盖熔体层2以及助熔体3。亦或者可以设置多层叠加保护，使用上述两种保护材料制作多层保护层叠加成型。

所述端电极5包括上表面电极51、下表面电极52、侧导电极53、内部电极54以及外部电极55；所述上表面电极51和下表面电极52分别位于pcb基板1的上下表面；所述侧导电极53位于pcb基板1的端部，侧导电极53连通所述上表面电极51和下表面电极52；所述内部电极54设在上表面电极51、下表面电极52和侧导电极53外部，内部电极54包覆所述上表面电极51、下表面电极52以及侧导电极53；所述外部电极55设在内部电极54外部并且包覆所述内部电极54。

其中，所述熔体层2是通过在pcb基板1压合金属箔的基础上经电镀、蚀刻等工艺形成，金属箔可以采用铜箔或者其他易蚀刻的合金膜，熔体层2可以在金属箔上直接蚀刻成型，或者在压合金属箔后再电镀一层其他金属层。

上表面电极51和下表面电极52为pcb基板1上压合的金属箔通过蚀刻工艺形成，可以与熔体层2同一步形成；侧导电极53为化铜工艺或导电碳浆工艺形成；内部电极54为电镀铜层，用于加厚电极，降低端电极5的电阻，防止大电流时端电极5被击穿，或者因端电极5发热量大焊料熔融导致的产品脱落；外部电极55为镍/锡层或镍/金层，防止内部铜层氧化，并提高焊接性能。

助熔体3为电镀工艺或者印刷工艺形成的亚光锡层，当熔体层2通过电流在额定电流范围内时，熔体层2处于热平衡状态，助熔体3不会发生变化；当熔体层2通过电流超过额定电流，达到限定的熔断电流时，溶体层2的热平衡状态被破坏，熔体层2温度持续上升，助熔体3因合金效应在较低熔融温度下开始熔融，并且进一步熔蚀效应点位置的熔体层2，从而使得效应点阻值升高，随着效应点阻值升高，发热量随之变大，将加速助熔体3合金熔融，熔体层2迅速在效应点熔断。

熔体层2的效应点位置上下均采用阻燃灭弧胶包覆，当出现短路电流或者大过载电流时，熔体层2会急剧发热发生熔融，产生电弧，形成等离子体向外喷溅，此时具有硅氧键si-o-si形成三维弹性体结构的保护层，会吸收大量热量并能承受等离子的能量冲击，纳米填料吸收大量热量并且部分材料分解产生阻燃灭弧气体，加速短路电流的衰减，最终熄灭电弧，提高分断能力。上保护层42为uv固化耐高温材料，覆盖全部熔体层2表面、助熔体3及灭弧保护层41，而灭弧保护层41具有弹性高、硬度低的特点，为防止灭弧保护层41因氧化、磨损等外力失去保护作用，采用相对硬度高、粘结力强的上保护层42，可以有效抵抗外力，同时出现短路电流或者大过载电流时，耐高温的上保护层42亦可以吸收大量热量，提高熔断器的可靠性。

对应于上述pcb基体熔断器，本发明同样提供了一种pcb基体熔断器的制造方法的技术方案以能够制造上述同时具备高分断性能和高抗浪涌能力的pcb基体熔断器。

一种pcb基体熔断器的制造方法，包括下述步骤：

(1)将1000重量份纯净水、10重量份环氧体系胶或硅橡胶体系胶、2-5重量份固化剂以及1-3重量份灭弧剂混合搅拌均匀，制得阻燃灭弧胶；其中，灭弧剂为氢氧化铝、氢氧化镁、三聚氰胺、二氧化硅、氧化铝、氧化铁中的至少一种；

(2)将pcb基板1浸泡在阻燃灭弧胶中，取出所述pcb基板1干燥固化，使pcb基板1两面均形成阻燃灭弧胶材质的基板包覆层11；

(3)在pcb基板1上下表面压合金属箔，金属箔可以采用铜箔或者其他易蚀刻的合金膜；

(4)用化学沉铜或者导电碳浆方式使上下表面的金属箔在pcb基板1两端实现电导通，并通过电镀方式在pcb基板1两端形成连通上下表面金属箔侧导电极；

(5)采用蚀刻工艺在pcb基板1的上表面金属箔上形成熔体层2以及分别位于熔体层2两端并与熔体层2连成一体的两个上表面电极51，采用蚀刻工艺在pcb基板1的下表面金属箔上形成与两个上表面电极51一一对应的两个下表面电极52，其中，上表面电极51可以与熔体层2一次成型或者分别成型，熔体层2可以按照实际产品规格要求设计成直线型、曲线型等；

(6)将步骤(5)的半成品压合干膜并曝光显影出熔体层2位置，在熔体层2的中心部位裸露出效应点位置，即形成助熔体孔位31，其他部分由干膜遮挡，在效应点位置电镀亚光锡层或者印刷锡膏，从而在所述熔体层2中心部位形成一层锡材料的助熔体3；

(7)在熔体层2上制作保护层4，所述保护层4包括灭弧保护层41，灭弧保护层41采用阻燃灭弧胶制作并且完全包覆助熔体3；保护层4还包括采用uv固化材料制作的完全包覆全部熔体层2表面、助熔体3及灭弧保护层41的上保护层42；或者也可以将两种保护材料混合一层成型，整体覆盖住熔体层2表面、助熔体3，亦或者使用包含两种保护材料的多层保护叠加成型完全包覆熔体层2表面、助熔体3；制作保护层4可以采用印刷工艺或者喷涂工艺，亦或采用其他任何可以实现将保护层4包覆在所述位置的工艺方法；

(8)采用电镀铜工艺形成包覆所述上表面电极51、下表面电极52以及侧导电极53的内部电极54，并采用电镀或化学镀工艺在内部电极54外部形成包覆内部电极54的外部电极55，即得。

本发明同时还提供一种pcb基体熔断器的批量制造方法，包括下述步骤：

(1)制备阻燃灭弧胶：将1000重量份纯净水、10重量份环氧体系胶或硅橡胶体系胶、2-5重量份固化剂以及1-3重量份灭弧剂混合搅拌均匀，得阻燃灭弧胶；其中，灭弧剂为氢氧化铝、氢氧化镁、三聚氰胺、二氧化硅、氧化铝、氧化铁中的至少一种；

(2)表面处理：将pcb板浸泡在阻燃灭弧胶中，使所述pcb板上下表面形成阻燃灭弧胶材质的基板包覆层11，并在pcb板上下表面压合金属箔，金属箔可以采用铜箔或者其他易蚀刻的合金膜；

(3)制作侧导电极53：如图4及图12所示，在所述pcb板上按照pcb基体熔断器的形状大小划分每一颗pcb基板1的位置，使pcb板上形成若干阵列排布的pcb基板1，在每一颗pcb基板1的两端部位通过铣槽或钻孔的方式贯通pcb板的上下表面，采用化学沉铜或导电碳浆方式使上下表面金属箔导通，并通过电镀方式在每个pcb基板1的两端面的铣槽或钻孔位置形成连通上下表面金属箔的侧导电极53；

(4)制作熔体层2、上表面电极51及下表面电极52：如图5、6所示，采用蚀刻工艺在每一颗pcb基板1的上表面金属箔上形成熔体层2以及分别位于熔体层2两端并与熔体层2连成一体的两个上表面电极51，采用蚀刻工艺在每一颗pcb基板1的下表面金属箔上形成与两个上表面电极51一一对应的两个下表面电极52，其中，上表面电极51可以与熔体层2一次成型或者分别成型，熔体层2可以按照实际产品规格要求设计成直线型、曲线型等；

(5)制作助熔体3：如图7、8所示，在步骤(4)的半成品上表面压合干膜并曝光显影出助熔层2的位置，并在每一颗pcb基板1的熔体层2中心部位裸露出效应点位置，即形成助熔体孔位31，其他部分由干膜遮挡，在每一颗pcb基板1上的熔体层2的效应点位置电镀亚光锡层或者印刷锡膏，从而在每一颗pcb基板1上的熔体层2中心部位形成一层锡材料的助熔体3；

(6)制作保护层：如图9所示，在每一颗pcb基板1的熔体层2上制作保护层4，所述保护层4包括灭弧保护层41，灭弧保护层41采用阻燃灭弧胶制作并且完全包覆助熔体3；保护层4还包括采用uv固化材料制作的完全包覆全部熔体层2表面、助熔体3及灭弧保护层41的上保护层42；或者也可以将两种保护材料混合一层成型，整体覆盖住熔体层2表面、助熔体3，亦或者使用包含两种保护材料的多层保护叠加成型完全包覆熔体层2表面、助熔体3；制作保护层4可以采用印刷工艺或者喷涂工艺，亦或采用其他任何可以实现将保护层4包覆在所述位置的工艺方法；

(7)形成端电极5：如图10、13所示，采用电镀铜工艺在每一颗pcb基板1上形成包覆上表面电极51、下表面电极52以及侧导电极53的内部电极54，并采用电镀或化学镀工艺在内部电极54外部形成包覆内部电极53的外部电极55；

(8)切割成粒：如图11、14所示，使用精密切割机将经过上述步骤的pcb板按产品位置切割，即得铣槽工艺的pcb基体熔断器100或者钻孔工艺的pcb基体熔断器200。

以上述方法制得尺寸为6.3mm*3.1mm、额定电流为1a，编号s1-s18共计18件pcb基体熔断器，每件采用的阻燃灭弧胶通过不同重量配比组分制备，各组分重量配比如表1：

表1不同重量配比阻燃灭弧胶实施例

采用上表中不同重量配比组分制备的阻燃灭弧胶，制作18件pcb基体熔断器成品，并对各成品进行分断能力及抗雷击浪涌能力实验，实验数据如表2所示：

表2s1-s18分断能力及抗雷击浪涌能力数据表

如上表所示，以上各不同组分阻燃灭弧胶制得的pcb基体熔断器的分断能力均达到ac250v/100a以上，抗浪涌能力均在0.7kv以上，而现有技术的两种同样尺寸熔断器，一种产品的分断能力可以达到ac250v/100a,但抗雷击浪涌能力仅达到0.6kv，另一种产品的抗雷击浪涌能力达0.7kv，但分断能力仅能达到ac250v/50a，本发明的产品在分断能力和抗浪涌能力上均有明显提升。同时可从数据上看出，固化剂比例提高，形成的保护层硬度高但同时脆性提高，含量比例过高则保护能力下降，含量比例过低则固化时间过长甚至无法固化，所以固化剂以2-5重量份为宜。灭弧剂比例提升，分断能力会明显改善，但灭弧剂比例过高，胶水固化反应会受到影响，固化时间延长，故灭弧剂比例不能太高，以1-3重量份为宜。同时，比较环氧体系胶和硅橡胶体系胶的效果，两者均能明显提升产品的分段能力及抗浪涌能力，但硅橡胶体系胶散热效果更好，抗雷击浪涌能力更高。另外，氢氧化铝、氢氧化镁及三聚氰胺阻燃灭弧原理相似，氧化铝、氧化铁及二氧化硅也都是常见的灭弧介质，均可以相互替代。

本发明所述的制造方法工艺成熟，对于小型特别是6.5mm以下的高抗浪涌高分断能力的熔断器而言，成本十分低廉。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干推演或替代，这些推演或替代都应视为本发明的保护范围。