專利名稱：面上安裝式保險絲的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及在表面上安裝的保險絲，用以裝入和保護印刷電路板電路。
印刷電路板在各種電氣和電子裝備中的應用日益廣泛。在這類印刷電路板上制成的電路如大規(guī)模集成電路、普通電路要求進行超載保護。這種保護較典型的是通過在印刷電路板上作機械固定的超小型保險絲取得的。
這種超小型面上安裝式保險絲作為一例見之于美國專利5,166,656(以下簡稱為專利656)。這種面上安裝式保險絲的熔斷絲覆有三層復合材料一鈍化層、一絕緣層和一層用以將鈍化層粘結在絕緣層上的環(huán)氧樹脂層，見專利656，說明書第6欄第4-7行。鈍化層較典型的是化學汽相沉積的二氧化硅層或厚層印刷玻璃，見專利656說明書第3欄第39-41行。絕緣面層可以是玻璃面層，見專利′656說明書第4欄第43-46行。與此不同，本發(fā)明不用三層而只用一層材料來保護熔斷絲。
本發(fā)明為薄膜面上安裝式保險絲，具有兩種材料不同的配件。第一種配件為熔斷絲及其支承襯底和端子襯墊。第二種配件為熔斷絲上設置的保護層，用以防止其受沖擊和氧化。
保護層最好用聚合材料制成。優(yōu)選的聚合材料為聚碳酸酯粘合劑。此外，優(yōu)選的支承襯底為FR-4環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺。
本發(fā)明第二種薄膜面上安裝式保險絲具有用導電金屬制成的熔斷絲。第一導電金屬最好、但并非無例外地、選自銅、銀、鎳、鈦、鋁及其合金一類金屬。第二導電金屬不同于第一導電金屬而是沉積在這種熔斷絲表面上的。本發(fā)明面上安裝式保險絲所采用的一種優(yōu)選金屬為銅。第二優(yōu)選導電金屬為錫。
第二導電金屬可在熔斷絲上作長方形、圓形或其他任一形狀如S形或螺旋形的沉積。如采用長方形或圓形沉積，這種導電金屬最好沉積在熔斷絲中部。
照相平版印刷、機械加工和激光加工技術可用以產生幾何形狀極為精致而復雜的熔斷絲。這些技術與電化學、物理汽相沉積超薄膜涂敷技術相結合就可取得超小型保險絲來控制熔斷元件的熔斷面積而保護用于微安級和安級電流的電路。這是一種很獨特的技術，因為現有的在這種高電流下起保護作用的保險絲是用燈絲制成的。制造這樣的燈絲時是很難控制的。
本發(fā)明將熔斷絲置于保險絲的襯底頂部，這就可用激光加工作為高精度輔助工序來微調熔斷絲的最后電阻值。


圖1為制造本發(fā)明超小型面上安裝式保險絲所用FR-4環(huán)氧樹脂鍍銅薄片的透視圖。
圖2為圖1薄片沿圖1中2-2線的局部剖面圖。
圖3為圖1 FR-4環(huán)氧樹脂薄片在去除銅鍍層并在其四分部分內開出切口后的透視圖，切口的寬度為W，長度為L。
圖4為圖2薄片在開出切口并重新鍍銅后的局部放大透視圖。
圖5為重鍍銅的薄片在其上平面上用紫外線屏蔽物質作方格體屏蔽后的頂視圖。
圖6為圖5重鍍銅薄片背面的透視圖，示出背面上經去除銅鍍層的長條形部分。
圖7為圖6長條體26頂面38的透視圖，用虛線示出長條區(qū)40。
圖8為單體長條體26在浸入鍍銅槽液再浸入鍍鎳槽液而在端子襯墊的銅底層上鍍上銅度層和鎳鍍層后的視圖。
圖9為圖8長條體在紫外線固化處理前的透視圖，示出熔斷絲42中部用紫外線屏蔽物質屏蔽的部分50。
圖10為圖9長條體在浸入鍍錫槽液以便在銅和鎳上鍍上另一鍍層并在熔斷絲中部鍍上錫以后的透視圖。
圖11為圖10長條體26在其頂部加上熱塑性粘合劑層后的透視圖。
圖12示出本發(fā)明最后制成的單件保險絲，這是用金剛石鋸沿各平行面切割長條體取得這種單件面上安裝式保險絲的。
雖然對本發(fā)明可以作出很多不同的實施例，但是這里在附圖中僅示出一個優(yōu)選實施例并對此作出具體說明?？梢岳斫膺@些說明只是對本發(fā)明原理的示例說明。本發(fā)明并不受所示實施例的限制。
圖12示出本發(fā)明的一優(yōu)選實施例。薄膜面上安裝式保險絲為在印刷電路板上或在厚膜混合電路上作面上安裝的超小型保險絲。這種保險絲在本專業(yè)中一般稱作“A”類保險絲。這種保險絲的標準工業(yè)尺寸為長125mil、寬60mil。這種保險絲簡稱1206保險絲。但是可以理解，本發(fā)明可用于所有其他標準尺寸的保險絲如1210、0805、0603和0402保險絲。也可用于非標準尺寸的保險絲。
概括地說，本發(fā)明具有兩種材料不同的配件。第一種配件包括熔斷元件或熔斷絲42及其支承襯底或芯體13以及端部襯墊34、36，襯墊用以將保險絲58接到印刷電路板上。第二種配件構成位于熔斷絲42和保險絲頂部主要部分上面的保護層56，用以保護熔斷絲免受自動組裝中的沖擊和使用中的氧化。
在第一配件上裝有兩個金屬電極或襯墊以及熔斷元件，成為一單體連續(xù)薄膜粘結在襯底或芯體上。襯墊位于襯底或芯體的底部和側面，熔斷絲位于襯底或芯體的頂部。
可以看出，在優(yōu)選實施例中，襯墊由若干層構成，包括基底銅層、補加銅層、鎳層和錫層。襯墊的基底銅層和薄膜熔斷絲是通過(1)·電化學處理，如以下優(yōu)選實施例中所述的電鍍或通過(2)·物理汽相沉積同時沉積成的。同時沉積可保證熔斷絲和端子襯墊之間良好的導電通路。這種沉積也方便了制造并可十分準確地控制熔斷絲的厚度。
在襯底或芯體上形成熔斷絲和基底銅層后再在端子襯墊上形成附加的導電金屬層。這些附加層可分別通過照相平版印刷和沉積技術在襯墊上形成。
這種保險絲可通過以下步驟制成。圖1、2所示為帶銅鍍層12的FR-4環(huán)氧樹脂實體薄片10。圖2清楚地示出這一實體薄片10的銅鍍層12和FR-4環(huán)氧樹脂芯體13。這種鍍銅的FR-4環(huán)氧樹脂薄片10采用從New York州的Hoosick Falls市的Allied Signal LaminateSystems購得的0200BED130C1/C1GFN0200C1/C1A2C號構件。FR-4環(huán)氧樹脂為優(yōu)選材料，但也可采用任一其他與制造印刷電路板的合適材料相容的材料，也就是任一其他具有類似化學、物理和結構性質的合適材料。這樣，另一種用于這種實體薄片10的合適材料為聚酰亞胺。FR-4環(huán)氧樹脂和聚酰亞胺屬于具有與印刷電路工業(yè)中所用標準襯底材料幾乎相同物理性質的一種材料。這樣，本發(fā)明的保除絲和在其上裝保險絲的印刷電路板具有配合良好的熱和機械性能。本發(fā)明保險絲襯底還具有所需電弧跟蹤特性而同時呈現出足夠的機械撓性，在燃弧快速釋放能量下可保持完好無損。
在制造本發(fā)明保險絲的下一步驟中，通過普通腐蝕處理從實體薄片10上清除銅鍍層12。在此普通的腐蝕處理中，用氯化鐵溶液將銅從襯底上蝕除。
可以理解，在完成這一步驟后，圖2銅層12完全被從實體薄片10的FR-4環(huán)氧樹脂芯體13上作了腐蝕清除，但FR-4環(huán)氧樹脂薄片10上剩下的環(huán)氧樹脂芯體13卻不同于原來未經鍍銅處理的“純”FR-4環(huán)氧樹脂薄片。具體地說，化學腐蝕表面處理的作用在銅層12經腐蝕清除后仍在環(huán)氧樹脂芯體13上保留下來。處理過的環(huán)氧樹脂芯體13表面對以后的處理更容易接受，而這對于本發(fā)明面上安裝式超小型保險絲的制造來說是很必要的。
FR-4環(huán)氧樹脂薄片10上經處理過的無銅表面經沖孔而在其上開出分布在薄片10四分部分上的切口14如圖3所示。在圖3中虛線示出四個單獨的四分部分。開口14(圖4)的寬度W約為0.0625時。開口14的長度L(圖3)約為5.125英寸。
在完成沖孔后，對圖3中經腐蝕和沖孔的薄片10再鍍以銅。重新鍍銅是將圖3中經腐蝕和沖孔的薄片浸入化學鍍銅槽液中進行的。這是本專業(yè)中常用的鍍銅處理。
這一鍍銅的步驟使薄片10的裸露表面呈現一厚度均勻的銅層。例如，如圖4所示，從這一步驟取得的銅鍍層18覆蓋了(1)薄片10的上平面22；(2)至少部分地構成切口14的垂直隙沿區(qū)16。此隙沿區(qū)16必須鍍銅，因其最后會是成品保險絲端子襯墊的一部分。
銅鍍層均勻的厚度取決于用戶的最終要求。具體地說，如圖4所示，對要求在1/16A下熔斷的保險絲，銅鍍層18的厚度為2，500。對于要求在5A下熔斷的保險絲銅鍍層18的厚度約為75,000。
在完成鍍銅而取得圖4鍍銅構件后，在構件的整個裸露表面上涂上所謂的光致個抗蝕聚合物。
在涂上光致抗蝕劑后，在重鍍銅的薄片20上放上另一種透明屏蔽體。這里采用作均勻分隔排列的方格屏蔽體。這些方格體是由紫外線屏蔽物質構成的，其尺寸相當于圖5所示方格體30的尺寸。實際上，由于在重鍍銅的薄片20上放上這些方格屏蔽體，重鍍銅薄片20的上平面22上的若干部分就受到對紫外線的有效屏蔽。
這些方格體實際上限定所謂的熔斷絲42和保險絲上部22寬端區(qū)60，62的形狀和尺寸。熔斷絲42與寬端區(qū)60，62作電氣連通。熔斷絲42和這些寬端區(qū)60，62的長、寬和形狀可通過改變這些紫外線屏蔽方格體的形狀和尺寸來改變。
此外，薄片的背面涂有光致抗蝕材料，在重鍍銅薄片20上涂上光致抗蝕材料后再放上另一種透明屏蔽體。這里采用長格形屏蔽體。長格體是由紫外線屏蔽物質構成的，具有與圖6所示長格體28尺寸相當的尺寸。實際上，在重鍍銅薄片20上放上長格體后，重鍍銅薄片20的一些長格形下平面28就受到對紫外線的有效屏蔽。
長格體實際上限定長條體26下面寬端區(qū)34，36的形狀和尺寸。
長條體26下面一部分的銅鍍層是由光致抗蝕劑的屏蔽體限定的。具體來說，長條件26下面的中部28上的銅鍍層是去除了的。長條體26下面的中部28直接位于透明環(huán)氧樹脂區(qū)30的下方。圖6示出重鍍薄片20這一區(qū)段的透視圖。
這時將整個重鍍而涂有光致 抗蝕劑的薄片20、也就是薄片的頂面和底面、置于紫外線的作用下。使重鍍薄片20在紫外線下保持足夠的時間以使所有未蓋上方格體和長格體的光致抗蝕劑固化。然后從重義薄片上取去方格和長格屏蔽體。位于方格體下面的光致抗蝕劑并未固化。未固化的光致抗蝕劑仍處于液態(tài)，因而可從重鍍薄片20上洗除。
在重底銅薄片20的其余部分上固化的光致抗蝕劑對下一處理步驟起有保護作用。具體來說，固化的光致抗蝕劑防止其下面的銅被清除。在方格體下面的區(qū)域無固化的光致抗蝕劑，因而無這種保護作用。這樣，對這些區(qū)域的銅就可被腐蝕清除。這種腐蝕處理是用氯化鐵溶液進行的。
清除銅之后，如圖5、6所示，方格和長格屏蔽體下面的區(qū)域就完全外露。也就是，這些區(qū)現在是透明環(huán)氧樹脂區(qū)28，30。
這時將重鍍薄片20放進化學槽液以便從薄片20已固化的區(qū)域上清除所有固化的光致學抗蝕劑。
為了便于說明，薄片20上相鄰切口14之間的部分稱作長條體26。長條體26如圖4所示具有保險絲長度的尺寸D。在完成說明書所述的一些操作以后，將長條體26最后切成若干片，每片就成為本發(fā)明的保險絲。
如圖6所示，條長體26的下側32沿其邊緣具有仍覆有銅鍍層的區(qū)域。長條體26的下側32上的這些邊緣區(qū)34，36構成襯墊部分。這些襯墊最后用作將整個成品保險絲固定在印刷電路板上的裝置。
圖7為圖6長條體26頂側38的透視圖。頂側38上長條區(qū)40直接與長條體26下面中部28相對并相重。這些長條區(qū)40在圖7中用虛線示出。
圖7涉及本發(fā)明制造的下一步驟。在此步驟中，沿長條體26頂側38的長條區(qū)40覆蓋光致抗蝕聚合物。通過覆蓋長條區(qū)40，光致抗蝕聚合物也就形成包括熔斷絲42在內的薄層部分。熔斷絲42是用導電金屬、這里是銅、制成的。這時用紫外線處理光致抗蝕聚合物，使其在包括熔斷絲42在內的長條區(qū)40上固化。
由于光致抗蝕聚合物在包括熔斷絲42在內的長條區(qū)40上固化，在將長條體26浸入裝有電鍍金屬的電解槽液時金屬就不會附著在長條區(qū)40上。
此外，如上所述，長條體26下側32的中部28在將長條體26浸入電解鍍液時也不會受到鍍敷。原來覆蓋此中部的銅金屬已被去除，因而顯出裸露的構成薄片20的基底環(huán)氧樹脂。采用電解電鍍處理，金屬不會附著在或鍍在此裸露的環(huán)氧樹脂上。
將整個長條體26浸入電解鍍銅槽液中，再浸入電解鍍鎳槽液中。如圖8所示，銅層46和鎳層48就會鍍在基底銅層44上。在鍍上銅層46和鎳層48后，從長條區(qū)40上清除包括熔斷絲42在內的長條區(qū)40上固化的光致抗蝕聚合物。
這時立即將光致抗蝕聚合物涂在整個長條區(qū)40上。但是如圖9所示，熔斷絲42中部50是用紫外線屏蔽物體屏蔽的。這時使紫外線作用在整個長條區(qū)40上，光致抗蝕聚合物就在除受屏蔽的熔斷絲42中部50外的整個長條區(qū)上固化。清除熔斷絲中部50上的屏蔽層，并清洗長條體。熔斷絲42中部50上未固化的光致抗蝕聚合物就被從熔斷絲上清除。但是固化的光致抗蝕聚合物仍留在長條區(qū)40其余部分上。
長條體26上覆有固化的光致抗蝕聚合物的部分不會鍍上金屬。但是，由于在熔斷絲42中部50上無光致抗蝕聚合物，在中部50上就會鍍上金屬。
在將圖9所示長條體浸入電解鍍錫槽液時，在銅層46和鎳層48上就會鍍上錫層52(圖10)。在熔斷絲42中部50表面上通過電解電鍍處理也就形成了錫區(qū)54。這一電解電鍍處理實際上就是薄膜沉積處理。但是可以理解，在熔斷絲42表面上也可采用照相平版印刷處理或物理汽相沉積處理如在高真空沉積室內進行的濺鍍和蒸鍍處理。
鍍區(qū)54是由不同于熔斷絲42銅金屬的第二導電金屬錫構成的。形成錫區(qū)54的第二導電金屬是呈長方形沉積在熔斷絲42上的。
熔斷絲42上的錫區(qū)54使熔斷絲42具有某些優(yōu)點。首先，錫區(qū)54在電流超載情況下會熔化而產生錫銅合金熔斷絲42。錫銅合金使熔斷絲42具有較錫和銅都低的熔化溫度。較低的熔化溫度降低了本發(fā)明保險絲的工作溫度，從而改進了保險絲的性能。
在此示例中，是使錫沉積在銅熔斷絲42上的，對熟悉本專業(yè)的人來說，可以理解，在熔斷絲42上可以加上其他的導電金屬以降低其熔化溫度，就熔斷絲42本身來說也可采用銅以外的導電金屬。此外，沉積在熔斷絲42上的錫或其他金屬不一定是長方形的而可取任何其他的形狀。
可將第二導電金屬加在熔斷絲的凹口、開孔或孔隙中。也可采用平行的幾個熔斷絲。因此，保險絲的具體電氣特性最終取決于用戶不同要求。
如上所述，對熔斷絲可采用螺旋形。采用螺旋形熔斷絲可在保持熔斷絲相對兩端的距離不變下加長其長度。這樣，螺旋形狀可提供較長的熔斷絲而不加大保險絲本身的尺寸。
本發(fā)明保險絲的下一制造步驟是沿長條體26整個頂部38的長度設置保護層56(圖11)。保護層56為本發(fā)明保除絲的第二配件而形成包括熔斷絲42在由整個長條體26頂部38的氣密部分。這樣保護層56在其整個使用期內可防止熔斷絲42的腐蝕。保護層56還可防止將保險絲裝上印刷電路板時的氧化和沖擊。保護層還提供利用真空提取工具進行提取和安放操作時所需表面。
保護層56有助于控制電流超載時在熔斷絲42中產生的熔化、電度和燃弧。保護層56或覆蓋材料應具有所需電弧猝熄特性，這在熔斷絲42熔斷時特別重要。
保持層56可用聚合物制成，最好用聚碳酸酯粘合劑制成。優(yōu)選的聚碳酸酯粘合劑為LOCTITE 3981。其他類似的粘合劑也可用于本發(fā)明。除聚合體外，保護層56也可采用塑料、保形涂料和環(huán)氧樹脂。
保護層56用硬模敷在長條體26上。具體來說，硬模具有模腔，模腔對應于長條體26的寬度。將聚碳酸酯粘合劑涂在硬模模腔邊緣以內部分，因而使其僅覆蓋長條體26。這時將長條體26和硬模置于紫外線下保持7分鐘左右。7分鐘后聚碳酸酯粘合劑固化而形成保護層56。
雖然無色透明的聚碳酸酯粘合劑從審美觀點看是可取的，但也可采用其他的粘合劑。例如可采用有色透明粘合劑。有色的粘合劑可簡單地在透明的聚碳酸酯粘合劑中添加染料制成。采用有色粘合劑可取得色標作用。也就是，不同顏色的粘合劑可對應于不同的安倍數，使用戶可立時識別所得任意保險絲的安倍數。這兩種透明的敷層使用戶在使用熔斷絲42裝入電子裝備之前可進行目視檢查。
采用這種保護層56具有明顯勝過現有技術，包括現有所謂“加蓋”法、的優(yōu)點。由于將保護層56置于保險絲的整個頂部38上面，保護層相對于熔斷絲42的位置就不很重要了。
這時就可對長條體26進行切割而將長條體26切割成單件保險絲。在切割中，用金剛石鋸或類似工具沿平行面57(圖11)將長條體26切割成單件薄膜面上安裝式保險絲58(圖12)。切割時也就切開了銅型薄膜狀寬端區(qū)60，62。寬端區(qū)60，62位于熔斷絲42的兩側。
通過切割就完成了本發(fā)明薄膜面上安裝式保險絲58(圖12)的制造。
本發(fā)明保險絲的電壓和電流額定值大于現有保險絲。試驗表明，本發(fā)明保險絲的交流電壓額定值為60V，電流額定值在1/16-5A之間。本發(fā)明保險絲可在保持其實際尺寸不變的情況下在范圍很寬的額定安倍數下保護電路。
總之，本發(fā)明保險絲顯示出在通過調整熔斷絲42兩端電壓降控制，熔斷特性方面的改進。恒定的熔斷時間可通過以下兩點得到保證(1)通過沉積和照相平版印刷法控制熔斷絲42和寬端60、62的尺寸和形狀；(2)合理選用熔斷絲42的材料。再點火的傾向通過精選襯底13和保護層56的材料可降低到最低程度。
以上對具體實施例作了圖示和說明，但還可作出很多變型方案而不脫離本發(fā)明的精神實質，因此，保護范圍只能由所附權利要求書的范圍來限定。
權利要求
1.一種薄膜面上安裝式保險絲，具有a.一熔斷絲，用第一導電金屬制成；b.一第二導電金屬，不同于第一導電金屬，沉積在所述熔斷絲的表面上。
2.按權利要求1所述面上安裝式保險絲，其特征在于所述第一導電金屬選自銅、銀、鎳、鈦、鋁或其合金這類金屬。
3.按權利要求1所述面上安裝式保險絲，其特征在于所述第二導電金屬為錫。
4.按權利要求3所述面上安裝式保險絲，其特征在于所述第二導電金屬在所述熔斷絲上作長方體沉積。
5.按權利要求4所述面上安裝式保險絲，其特征在于所述長方體沿所述熔斷絲中部沉積。
6.一種薄膜面上安裝式保險絲，具有兩種材料不同的配件a.第一配件具有一熔斷絲及其支承襯底和端部襯墊；b.第二配件構成一保護層，位于熔斷絲上方，用以防止沖擊和氧化。
7.按權利要求6所述面上安裝式保險絲，其特征在于所述保護層用聚合物材料制成。
8.按權利要求6所述面上安裝式保險絲，其特征在于所述保護層用聚碳酸酯粘合劑制成。
9.按權利要求6所述面上安裝式保險絲，其特征在于所述支承襯底用FR-4環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺制成。
10.按權利要求7所述面上安裝式保險絲，其特征在于所述聚合材料是透明無色的。
11.按權利要求7所述面上安裝式保險絲，其特征在于所述聚合物材料是透明有色的。
12.一種制造薄膜面上安裝式保險絲的方法，具有在一襯底頂部上同時沉積的一熔斷絲和在所述熔斷絲相對兩端的寬端部分。
13.按權利要求12所述方法，其特征在于還包括在一襯底兩側和底部沉積端子襯墊，與所述寬端部分作電連接，所述襯墊用以使所述面上安裝式保險絲與印刷電路板連接。
14.按權利要求12所述方法，其特征在于所述熔斷絲和寬端部分采用汽相沉積。
15.按權利要求12所述方法，其特征在于所述熔斷絲和寬端部分采用電化學沉積。
16.一種保護薄膜面上安裝式保險絲的方法，保險絲具有一位于一襯底頂面上的熔斷絲，所述方法包括在所述整個襯底頂面上方設置一保護層。
全文摘要
一種薄膜面上安裝式保險絲(58)具有兩種材料不同的配件。第一配件具有熔斷絲(42)及其支承襯底(13)和端子襯墊(34、36)。第二配件具有位于熔斷絲(42)上方的保護層(56)，用以防止沖擊和氧化。保護層(56)最好用聚合材料制成。優(yōu)選的聚合材料為聚碳酸酯粘合劑。此外，優(yōu)選的支承襯底(13)材料為FR-4環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺。
文檔編號H01H85/17GK1153577SQ95193295
公開日1997年7月2日 申請日期1995年5月23日 優(yōu)先權日1994年5月27日
發(fā)明者弗拉迪米爾·布萊夏, 凱瑟林·M·麥圭爾, 安德魯·J·諾伊哈爾芬, 丹尼爾·B·翁肯 申請人:保險絲公司