CN104064296B - 过电流保护元件 - Google Patents
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Abstract
一种过电流保护元件包含PTC元件、第一电极、第二电极、第一焊接金属片以及第二焊接金属片。PTC元件包含第一导电层、第二导电层及层叠于该第一及第二导电层间的PTC高分子材料层。第一电极电气连接于该第一导电层。第二电极电气连接于该第二导电层，且与该第一电极隔离。第一焊接金属片位于元件的上表面，且连接该第一电极。第二焊接金属片位于上表面或下表面，且连接该第二电极。其中第一和第二焊接金属片位于元件的相对二端部，且该第一焊接金属片及第二焊接金属片的厚度足以承受点焊制程而不致损害该PTC元件。
Description
技术领域
本发明关于一种过电流保护元件，特别是具有正温度系数(PositiveTemperature Coefficient；PTC)特性的过电流保护元件，可用以取代传统的断路器(circuit breaker)。
背景技术
近期超薄型便携电子产品的市场快速扩展，带來了对轻巧纤薄大容量电池的需求，电池设计为符合高电压、大容量要求，除了在电芯本身增加容量外，多数采用多颗电芯以串并联设计来达成。在过电流及过温度保护方面，为提供个别电池保护，目前设计皆采用断路器温度开关作为过电流及过温度保护。
常见的过电流断路器内部设计有双金属片，双金属片构成一常闭微动开关，运作时接通电路上电流通过双金属片，使之发热并发生弯曲。当流过的电流增大时，双金属片弯曲程度增大。发生过电流时，过大的电流使双金属片弯曲过大，使常闭微动开关触点打开并保持断路，从而切断供电回路，使得保护电路不会因电流过大而引起事故。当过电流或过温度事件消除后，随着温度降温，双金属片恢复原来形状而重新形成电气通路。
图1显示双金属片的断路器5的外观结构，第一金属片6及第二金属片7自绝缘壳体8两端延伸向外，而在绝缘壳体8中的第一金属片6和第二金属片7形成常闭微动开关。在绝缘壳体8外延伸的金属片6和7则作为焊接介面。
虽然由双金属片作为断路器已广为采用，但由于其中的双金属必须通过精密机械制作，需要相当精确的制作能力。故其价格相对也高居不下。有鉴于此，如可提供同时兼顾作为安全保护装置所需的高可靠性及稳定性的断路器，且可简化制造工序及成本，应可产业所需。
发明内容
本发明公开一种具有PTC特性的过电流保护元件，可以直接点焊连接欲保护的电路，且可取代传统的双金属片断路器。因制作上无需传统上的精密冲压制程，故可有效降低生产成本。
根据本发明一实施例的过电流保护元件，公开一种过电流保护元件，其为具有上表面、下表面及四侧表面的长条状结构。过电流保护元件包含PTC元件、第一电极、第二电极、第一焊接金属片以及第二焊接金属片。PTC元件包含第一导电层、第二导电层及层叠于该第一及第二导电层间的PTC高分子材料层。第一电极电气连接于该第一导电层。第二电极电气连接于该第二导电层，且与该第一电极隔离。第一焊接金属片位于该上表面，且连接该第一电极。第二焊接金属片位于该上表面或下表面，且连接该第二电极。其中该第一焊接金属片位于该长条状结构的第一端部，第二焊接金属片位于该长条状结构的第二端部。第二端部位于第一端部的相对侧。该第一焊接金属片及第二焊接金属片的厚度足以承受点焊制程而不致损害该PTC元件。
一实施例中，本发明的过电流保护元件还包含设于该第一导电层表面的第一绝缘层及设于第二导电层表面的第二绝缘层。
一实施例中，第一电极包含分别形成于该第一绝缘层及第二绝缘层表面的二个第一电极层，该第二电极包含分别形成于该第一绝缘层及第二绝缘层表面的二个第二电极层。
一实施例中，本发明的过电流保护元件还包含第一及第二导电连接件。其中第一导电连接件电气连接该第一电极及第一导电层，第二导电连接件电气连接该第二电极及第二导电层。
根据本发明另一实施例的过电流保护元件，其包含载板、电阻件、第一焊接金属片以及第二焊接金属片。电阻件位于该载板表面，且包含：PTC元件、第一电极及第二电极。PTC元件包含第一导电层、第二导电层及层叠于该第一及第二导电层间的PTC高分子材料层。第一电极电气连接于该第一导电层。第二电极电气连接于该第二导电层。第一焊接金属片位于该载板表面上的一端部，且电气连接该第一电极。第二焊接金属片位于该该载板表面上的另一端部，且电气连接该第二电极。其中该第一焊接金属片及第二焊接金属片的厚度足以承受点焊制程而不致损害。
一实施例中，该载板包含第一至第四焊垫。第一焊垫用于连接第一焊接金属片，第二焊垫用于连接第二焊接金属片，第三焊垫位于该电阻件下方，用于连接第一电极，以及第四焊垫位于该电阻件下方，用于连接第二电极。其中该第一焊垫和第三焊垫电气相连，第二焊垫和第四焊垫电气相连。该载板可为玻纤树脂基板或软板。
本发明的过电流保护元件可直接取代传统的双金属片断路器，且可直接点焊。此外本发明制作简单且不需精密机械冲压制程即可生产，可提高生产良率及效率，且因无须使用复杂的金属冲压件，故可降低生产成本。
附图说明
图1显示现有的过电流断路器；
图2显示本发明第一实施例的过电流保护元件示意图；
图3显示图2的过电流保护元件沿1-1剖面线的示意图；
图4显示本发明第二实施例的过电流保护元件示意图；
图5显示本发明第三实施例的过电流保护元件示意图；
图6显示本发明第四实施例的过电流保护元件示意图；
图7显示本发明第五实施例的过电流保护元件示意图；
图8显示图7的过电流保护元件沿2-2剖面线的示意图；
图9显示本发明第六实施例的过电流保护元件示意图；
图10A至图10D显示本发明的过电流保护元件的焊接金属片的设置实施例；
图11A至图11B显示本发明第七实施例的过电流保护元件示意图；以及
图12显示本发明第八实施例的过电流保护元件示意图。
【符号说明】
5 断路器
10、30、40、50、70、80、90、100过电流保护元件
11 PTC元件
12 PTC材料层
13 第一导电层
14 第二导电层
15、16 绝缘层
17、37、47 第一电极
18、38、48 第二电极
19、20 导电连接件
21 防焊层
23、24、28、29 导电连接件
31、32、33、34、35、36、41、44 焊接金属片
59、60 导电连接件
81、82、83、84 焊接金属片
90 过电流保护元件
91 电阻件
92 载板
93、94、95、96 焊接金属片
171、181 延伸部
921、922、923、924 焊垫
925、926 铜线
具体实施方式
为让本发明的上述和其他技术内容、特征和优点能更明显易懂，下文特举出相关实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
图2显示本发明第一实施例的过电流保护元件10，图3为图2中沿剖面线1-1的剖面结构示意图。就结构形态而言，本实施例的过电流保护元件10实质上为具有上表面、下表面及四侧表面的长条状结构。过电流保护元件10包括PTC元件11、第一电极17、第二电极18、绝缘层15和16、第一导电连接件19、第二导电连接件20以及焊接金属片31、32、33和34。PTC元件11包含第一导电层13、第二导电层14及PTC高分子材料层12。PTC高分子材料层12叠设于第一导电层13及第二导电层14之间，且与第一及第二导电层13、14沿第一方向(图示的水平方向)共同延伸为层叠状结构。第一电极17电气连接于该第一导电层13，第二电极18电气连接于该第二导电层14，且与该第一电极17隔离。焊接金属片31及33分别位于元件10的上表面及下表面，且连接(例如焊接)于该第一电极17。焊接金属片32及34分别位于元件10的上表面及下表面，且连接该第二电极18。进一步言之，焊接金属片31及33位于该长条状结构的一端部，焊接金属片32及34位于该长条状结构相对侧的另一端部。需特别注意的是，该焊接金属片31、32、33及34的厚度必须足以承受点焊制程的大电流及高热，而不致损害PTC元件11中的高分子材料，其可为镍金属片或其合金金属片，厚度约介于0.1至1mm，或特别为0.3mm或0.5mm。
PTC高分子材料层12中含有结晶性高分子聚合物及导电粒子，且具有正温度系数(PTC)的行为。结晶性高分子聚合物适用的材料包括：聚乙烯、聚丙烯、聚氟烯、前述的混合物或共聚合物等。导电粒子可为金属粒子、含碳粒子、金属氧化物、金属碳化物，或是前述材料的混合物、固溶体或核壳体。
申言之，PTC高分子材料层12上下表面，分别设置有第一导电层13与第二导电层14，且各自延伸至高分子材料层12的相对两端面。此导电层13、14可由一平面金属簿膜，经一般蚀刻方式(如激光切割(Laser Trimming)，化学蚀刻或机械方式)产生于上下面，一左一右各一的缺口(剥离金属膜产生的缺口)。上述导电层13、14的材料可为镍、铜、锌、银、金、及前述金属所组成的合金或多层材料。此外，所述缺口可为长方型、半圆形、三角形或不规则的形状及图案。上述缺口经剥离金属膜成型后，使用绝缘层15、16将此PTC元件11与外层上下各一片的金属箔经热压固化密合。之后，可将上下外层的金属箔经蚀刻方法，产生第一电极17及第二电极18。易言之，绝缘层15设置于第一导电层13上，绝缘层16设置于第二导电层14上。第一电极17包含一对分别设置于绝缘层15和16表面的电极箔，第二电极18亦然。
绝缘层15及16可使用传统的含玻纤的环氧树脂材料，如预浸玻纤材料(如FR4基板)。绝缘层15及16可提供过电流保护元件10进行点焊时，避免损害PTC高分子材料层12中的高分子材料。一实施例中，绝缘层15或16可还包含导热填料，其可选自：氮化锆、氮化硼、氮化铝、氮化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锌或二氧化钛。绝缘层15或16的最大厚度约0.2mm，或进一步为约0.1mm或0.06mm。至于考量绝缘特性及强度上的要求，绝缘层15或16的厚度约大于0.03mm。
第一电极17和第二电极18可采用金属镍、铜、铝、铅、锡、银、金或其合金的箔片、镀镍铜箔、镀锡铜箔或镀镍不锈钢等。
本实施例中，第一电极17所包含的一对分别设置于绝缘层15和16表面的上下电极箔由第一导电连接件19进行连接。第二电极18所包含的一对分别设置于绝缘层15和16表面的上下电极箔则由第二导电连接件20进行连接。申言之，第一导电连接件19沿与第一方向垂直的第二方向(图示的垂直方向)延伸，以电气连接该第一电极17及第一导电层13，且该第一导电连接件19与该第二导电层14隔离。第二导电连接件20沿该第二方向延伸，以电气连接第二电极18及第二导电层14，且该第二导电连接件20与第一导电层13隔离。就结构位置而言，第一导电连接件19位于一端部的侧表面，第二导电连接件20位于另一端部的侧表面。绝缘层15和16设置于第一电极17及第二电极18之间，也设置于电极17和18与导电层13和14之间，提供绝缘功能。
本实施例中的导电连接件19、20以半圆形导通孔为例作一说明。在导通孔的孔壁上可利用无电电镀或电镀方法镀上一层导电金属(如铜或金)。除半圆形外，导通孔的截面形状可为圆形、1/4圆形、弧形、方形、菱形、长方形、三角形、或多边形等。此外，左右两端电极17、18也可借由全面性裁切面的电镀方式，将上下左右各区的电极选择性垂直导通相连。一实施例中，第一电极17和第二电极18间蚀刻出间隔进行隔离，或进一步于间隔中填入绝缘的防焊层21作为隔离。虽然在本实施例中作为隔离的防焊层21为长方型，其他形状的隔离如半圆形、弧形、三角形或不规则形状及图案也可适用于本发明。
过电流保护元件10于实际应用时并不需要同时具备4个焊接金属片，例如若应用时焊接上表面的焊接金属片31和32，即可省略位于下表面的焊接金属片33和34。或者，因应焊接位置的实际需求，也可仅保留焊接金属片31和34，或仅保留焊接金属片32和33。惟，图2及3所示的过电流保护元件10的设计，于安装时有不必考虑方向性的优点。
图4本发明第二实施例的过电流保护元件30的示意图，其类似于图1所示的过电流保护元件10，然而第一电极17与第一导电层13利用位于元件角落的导电连接件23进行导通连接，且第二电极18与第二导电层14利用位于元件另一侧角落的导电连接件24进行导通连接。换言之，导电连接件23位于一端部的相邻两侧表面的连接处，导电连接件24位于另一端部的相邻两侧表面的连接处。该过电流保护元件30的侧面结构类似于过电流保护元件10，可参考如图3所示者。
图5显示本发明第三实施例的过电流保护元件40的侧剖面示意图。类似于图3所示者，但导电连接件28及29并不设于两端部的侧表面，其中导电连接件28以位于元件内部的导电通孔或导电柱的方式连接作为第一电极17的上下电极箔及第一导电层13，且导电连接件28必须避开第二导电层14形成隔离。类似地，导电连接件29以位于元件内部的导电通孔或导电柱方式连接作为第二电极18的上下电极箔及第二导电层14，且导电连接件29必须避开第一导电层13形成隔离。另外，导电连接件28和29的位置也可作其他设计，例如若第一导电层13向左延伸使得导电连接件29的位置会穿过第一电极层13，此时第一电极层13的相对位置就必须挖孔避开，而同样提供两者间的隔离。
图6显示本发明第四实施例的过电流保护元件50的示意图。类似于图2所示者，但将导电连接件59和60制作于另外两相对侧表面。第一电极17有延伸部171连接至导电连接件59，以电气连接该第一导电层13。第二电极18有延伸部181连接至导电连接件60，以电气连接该第二导电层14。
以上的设计及制作方式，可增加其中PTC元件层数至二层以上(即包含两个以上的PTC元件11)进行并联联结，达到多层并联式的PTC元件，以提供大电流及更低阻抗的选择。本发明的过电流保护元件可使用PCB制程，其结构类似于现有SMD结构，在基板上形成每颗同传统的断路器的外型尺寸，在每颗外层两端露出焊垫供后制程焊接镍片，完成后再经切割形成单颗元件。
以下将针对图4的第二实施例(设计1)、图5的第三实施例(设计2和3)和图6的第四实施例(设计4)的元件结构进行各项测试，以了解本发明所示的过电流保护元件的相关特性。其中设计2和设计3同样对应于图5的结构，但设计2的宽度较窄。此外，元件除了包含单一PTC元件外，也针对包含二个电路并联且上下堆叠设置的PTC元件者进行测试。各实施例和传统断路器的长、宽及厚度尺寸如表1所示，其中显示本发明实施例的长宽尺寸约和传统断路器相符，而不论是包含单一或二个PTC元件者，其厚度均小于传统断路器。因此就安装的尺寸空间而言，本发明的实施例均可符合传统断路器所需，甚至有进一步薄型化的优点。综言之，本次测试的过电流保护元件的长度约为12mm，或在10～14mm之间。宽度约在2.3～3.5mm之间。厚度约在0.5～2.0mm之间，或厚度为0.8mm、1.0mm、1.2mm或1.5mm。
表1
以下测试使用三种板材，分别为板材1:使用高温结晶型高分子聚合物及碳化钛(TiC)作为PTC材料；板材2：使用低温结晶型高分子聚合物及碳化钨(WC)作为PTC材料；以及板材3：使用低温结晶型高分子聚合物及碳化钛作为PTC材料。碳化钛和碳化钨散布于结晶型高分子聚合物中，作为导电填料。其中高温结晶型高分子聚合物的熔点约介于120℃～140℃，例如可使用高密度聚乙烯(HDPE)或聚偏氟乙烯(PVDF)。低温结晶型高分子聚合物的熔点约介于70℃～105℃，例如使用低密度聚乙烯(LDPE)。除了碳化钛和碳化钨外，也可使用其他导电陶瓷，例如：碳化钒(VC)、碳化锆(ZrC)、碳化铌(NbC)、碳化钽(TaC)、碳化钼(MoC)、碳化铪(HfC)、硼化钛(TiB2)、硼化钒(VB2)、硼化锆(ZrB2)、硼化铌(NbB2)、硼化钼(MoB2)、硼化铪(HfB2)、氮化钛或氮化锆(ZrN)等，其体积电阻率(resistivity)均小于500μΩ·cm。
表2显示本发明的过电流保护元件的初始电阻值(Ri)以及经过一次触发后回复至室温后一小时的电阻值(R1)。其中显示各种板材和设计的电阻值Ri和R1均小于8mΩ，实际上甚至小于6mΩ。至于设计1、2和3的断路器都小于4mΩ。显然本发明的设计符合断路器的低电阻需求。
表2(电阻值，单位：mΩ)
表3显示本发明的过电流保护元件在不同环境温度23℃和60℃下的维持电流(hold current)，即元件在不触发(trip)情况下的最大电流。由表2显示，所有的过电流保护元件的维持电流均大于等于3.6A。特别是，使用板材1和3者，不论是在23℃或60℃的环境温度下，维持电流可大于等于4A，或特别是大于等于4.6A。
表3(维持电流，单位：A)
表4显示在施加不同电流2A和4.6A下，过电流保护元件的热截断温度(ThermalCut Off；TCO)，即元件升温至该温度时，将截断所通过的电流。一般会希望有较低的TCO温度，以确保元件在电流造成温度上升时可快速阻断电流。由表3显示，所有的过电流保护元件的TCO温度均小于120℃，在板材2和设计1的过电流保护元件的TCO温度甚至可以小于等于90℃或小于等于80℃。
表4(热截断温度TCO，单位：℃)
表5显示在施加8A电流下，不同板材和设计所需的「触发时间」(Time-to-Trip)，以确保元件可及时作动。一般的「触发时间」以小于60秒为佳。表4所示的测试例均可在80秒前触发。
表5(触发时间，单位：秒)
由表2至表5可知，本发明的元件设计，具有低电阻(例如小于8mΩ、高维持电流(例如于60℃时大于4A)、低热截断温度(例如施加2A电流小于等于90℃)和较短的触发时间(例如施加8A电流小于60秒)等断路器所需特性，故可以有效取代传统断路器进行电路保护。另外，因本发明的设计可以采用电路板制程，具有大量制造的成本优势。
图7显示本发明第五实施例的过电流保护元件70示意图，图8则为图7中沿2-2剖面线的示意图。相较于第一实施例的过电流保护元件10，过电流保护元件70中位于上方的第一电极37和焊接金属片35一并加以延长，且于导电层13和第一电极37之间设置多个导热金属件71。该导热金属件71除提供金属材质本身的导电功能外，同时提供导热的功能，以增加元件热传导能力，借此提高维持电流。类似地，过电流保护元件70中位于下方的第二电极38和焊接金属片36一并加以延长，且于导电层14和第二电极38之间设置多个导热金属件72，而提供同样功能。特而言之，该焊接金属片35及36分别物理接触该电极37及38，且两者共同延伸超过过电流保护元件70长度的二分之一。多个导热金属件71于垂直方向连接第一电极37和导电层13，而多个导热金属件72于垂直方向连接第二电极38和导电层14。
图9显示本发明第六实施例的过电流保护元件80的侧剖面示意图。类似于图5所示的过电流保护元件40，但将位于上方的第一电极47和焊接金属片41一并延长，以增加散热功效。类似地，位于下方的第二电极48和焊接金属片44一并延长，同样可增加散热功效。本实施例中，导电层13和14挖孔以分别供导电连接件29和28通过，进行隔离。
除上述实施例外，焊接金属片的位置可依需求弹性设置。参照图10A，焊接金属片81和82设置于元件一侧的两端。参照图10B，焊接金属片81和82分别设置于元件两侧的相对两端。参照图10C，焊接金属片81和延伸较长的焊接金属片82设置于元件一侧的两端。参照图10D，延伸较长的焊接金属片83和84分别设置于元件两侧的相对两端。
除了将焊接金属片直接设置于元件表面外，也可如以下实施例将焊接金属片设置于载板上。参照图11A和11B，其中图11A显示第七实施例的过电流保护元件侧面视图，图11B则为其中载板的俯视图。过电流保护装置90包含载板92和设置于载板92上的电阻件91。电阻件91不具可供焊接的金属片，而是将焊接金属片93和94设置于在载板92表面的两端。载板92相应于焊接金属片93和94的位置设计有焊垫921和922，以供焊接金属片93和94连接之用。另外载板92于电阻件91的下方相应处设置焊垫923和924，以连接至电阻件91的下方电极。焊垫921和923间有铜线925进行电气连接，焊垫922和924间有铜线926进行电气连接。载板92除了焊垫921、922、923及924的部分需露出以供焊接外，其可覆盖绝缘层进行保护。载板92可为玻纤环氧树脂基板(例如FR-4)，或软性印刷电路板(flexible printed circuit;FPC)设计。综言之，过电流保护元件90包含载板92、电阻件91、第一焊接金属片93以及第二焊接金属片94。电阻件91可为如前述实施例的元件但去除焊接金属片的结构，其具有第一和第二电极。第一焊接金属片93位于该载板92表面上的一端部，电气连接电阻件91中的第一电极。第二焊接金属片94位于该该载板92表面上的另一端部，且电气连接该第二电极。其中该第一焊接金属片93及第二焊接金属片94的厚度足以承受点焊制程而不致损害。
图12为本发明第八实施例的过电流保护元件示意图。相较于图11A所示者，过电流保护元件100的第一焊接金属片95及第二焊接金属片96同样设于载板92两端，但其长度较长且延伸超出载板92两端，而可增加焊接时的弹性。
以载板92使用FPC设计而言，其有散热的功能而可提高元件的维持电流值，且因载板具有弯折功效，故组装上有相当大的弹性。另外，载板92中的导电铜线925和926可用简单的印刷电路板(PCB)制程形成，而传统焊接镍片需要开模制造，故本发明可大幅提高设计上的便利性，且降低制造成本。
另外，本发明的过电流保护元件还具有以下优点：(1)可直接替换掉传统的断路器，即新设计可直接点焊；(2)制作简单且不需精密机械冲压制程即可生产，可提高生产良率及效率；(3)无须使用复杂的金属冲压件，降低生产成本；(4)焊接金属片(例如镍片)除可人工放置外，更可通过表面粘着技术(SMT)打件焊接，提供更有效率的生产方式；(5)出货前已将镍片焊上，可降低因客户端回焊制程差异造成阻抗变异；(6)外型同现行SMD过电流保护产品，可全数电阻分选，使出货电阻更集中；(7)最终的包装可使用卷带包装，提供比散料更佳的包装方式；以及(8)不同于现有轴状元件焊接，可避免焊接时因扭力过大造成焊接金属片剥离。
本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域技术人员可能基于本发明的教示及公开而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所公开的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的权利要求范围所涵盖。
Claims (2)
1.一种过电流保护元件，包含：
一载板，包含第一焊垫、第二焊垫、第三焊垫和第四焊垫；
一电阻件，为具有上表面、下表面及四侧表面的长条状结构，其位于该载板表面且包含：一PTC元件，包含第一导电层、第二导电层及层叠于该第一及第二导电层间的PTC高分子材料层；一第一电极，电气连接于该第一导电层；一第二电极，电气连接于该第二导电层，且与该第一电极隔离；
一第一焊接金属片，位于该载板表面上的一端部，且电气连接该第一电极；以及
一第二焊接金属片，位于该载板表面上的另一端部，且电气连接该第二电极；
其中该第一焊垫用于连接该第一焊接金属片，该第二焊垫用于连接该第二焊接金属片，该第三焊垫位于该电阻件下方且用于连接该第一电极，该第四焊垫位于该电阻件下方且用于连接该第二电极；
其中该第一焊垫和该第三焊垫电气相连，该第二焊垫和该第四焊垫电气相连；
其中该第一焊接金属片及该第二焊接金属片的厚度足以承受点焊制程而不致损害。
2.根据权利要求1的过电流保护元件，其中该载板为玻纤树脂基板或软性印刷电路板。
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