CN101354937A - 集成的热敏电阻和金属元件器件以及方法 - Google Patents

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Abstract

一种电路保护器件，包括与PTC热敏电阻层并联放置的保险丝元件。该元件和PTC热敏电阻层被提供在一个或多个绝缘衬底上，例如FR－4或聚酰亚胺衬底。第一和第二导体并联电连接该保险丝元件和PTC热敏电阻层，使得电流(i)初始在正常运行下以较低的电压降主要流过该保险丝元件和PTC热敏电阻层以及(ii)在该保险丝元件断开后在正常运行下以较高的电压降流过该PTC热敏电阻层。

Description

集成的热敏电阻和金属元件器件以及方法
技术领域
本发明一般涉及电路保护，具体来说涉及过流保护。
背景技术
在很多情况下印刷电路板(“PCB”)级应用的保险丝都已经是可复位型保险丝。原因在于，在很多情况下，PCB是高度总装(populated)的，这使得为了断开的不可复位的保险丝而处理掉整个PCB是不切实际的。将断开的不可复位的保险丝替换掉也是不切实际的。该PCB有可能被埋藏在机器、汽车、计算机等的内部，从而几乎不可能触及。即使能够触及，该PCB也可能在个人使用的设备中，例如，计算机、手机或其他手持设备中，这使得维护变得困难和/或成本昂贵。
一种已知的能够被做成适宜PCB级应用的尺寸的可复位保险丝叫作正温度系数(“PTC”)器件。PTC热敏电阻材料依赖与很多导体材料有关的物理特性，那就是，导体材料的电阻率随着温度而增加。依靠分散在其中的导电填充材料而实现导电的晶态聚合物表现出PTC效果。这种聚合物主要包括聚烯烃，例如聚乙烯、聚丙烯和乙烯/丙烯共聚物。某些掺杂陶瓷(例如钛酸钡)也表现出PTC的特性。
导电填充材料使得PTC热敏电阻材料的电阻率随着材料温度升高而增大。当温度低于一个特定值时，PTC热敏电阻材料表现出相对低的、恒定的电阻率。然而，当PTC热敏电阻材料的温度超过这一点时，很小的温度增量也会使得电阻率急剧增大。
如果被PTC热敏电阻材料保护的负载短路，那么流过PTC热敏电阻材料的电流增加，并且PTC热敏电阻材料的温度(由于上述的i2R加热)快速增加到临界温度。在临界温度，PTC热敏电阻材料消耗大量能量从而使得其发热的速率大于其散热到周围的速率。这种能量消耗仅仅持续一小段时间(例如，几分之一秒)。但是，增加的能量消耗提高了温度和PTC热敏电阻材料的电阻，从而将电路中的电流限制到一个相对低的值。PTC热敏电阻材料从而起到了保险丝的作用。
一旦中断电路中的电流，或者将引起短路的相应的条件消除，PTC热敏电阻材料就冷却到临界温度以下并恢复到正常运行的低电阻状态。因此是可复位的过流电路保护材料。
即使PTC热敏电阻材料在正常情况下在较低电阻下运行，PTC热敏电阻材料的正常运行电阻仍然比其他类型的保险丝(诸如不可复位的金属保险丝)电阻高。与类似额定值的不可复位的金属保险丝相比，更高的运行电阻导致通过PTC热敏电阻材料的压降更高。对于致力于将特定电路的驱动能力和电池寿命最大化的电路设计者而言，压降和功耗变得越来越重要。
因此，需要一种改进的PCB级的电路保护器件。
发明内容
本发明一般涉及电路保护，更具体来说涉及过流保护。虽然导致事故的过大电流相对罕见，尤其是在某些器件中，但这种情况仍然可以发生，因此必须有针对它的保护性措施。然而，很明显由于导致事故的短路相对罕见，因此将具有较低运行电阻的不可复位型保险丝元件(例如金属保险丝)与一个或多个可复位型保险丝材料(例如正温度系数(“PTC”)热敏电阻)并联的器件和方法，提供了一种理想的全面的电路保护组合。
该并联组合导致了总的组合的或等效的器件电阻，该电阻甚至低于金属保险丝元件的运行电阻。在不常见的过大电流发生的情况下，金属保险丝元件断开，PTC热敏电阻层的电阻增加，限制电流从而保护电路。当过流情况或短路被解除时，PTC电阻降低到其正常的运行值，电路功能恢复，尽管与金属保险丝元件未被破坏前相比运行电阻变高。这种措施提供了这样的好处：在过流情况发生之前能够有较低的运行电阻，正如前文所述，因为过流情况非常罕见，所以在大多数情况下，较低运行电阻将会延续电路整个寿命。
因此，在一个实施例中，一种电路保护器件包括与PTC热敏电阻层并联放置的保险丝元件。该元件和PTC热敏电阻层被提供在一个或多个绝缘衬底(例如FR-4材料或聚酰亚胺衬底)上。第一和第二导体将保险丝元件和PTC热敏电阻层并联电连接，从而电流(i)初始在正常运行中流过保险丝元件和PTC热敏电阻层，造成较小的压降，(ii)在保险丝元件断开后的正常运行中流过PTC热敏电阻层，造成较大的压降。
如下所示，在一个实施例中的PTC热敏电阻层和金属保险丝元件可以经配置为具有近似相同的时间-电流断开特性。得到的组合时间-电流断开特性更接近于PTC热敏电阻材料，尤其是在高电流下。在低电流下，组合的时间-电流断开特性比保险丝元件和PTC热敏电阻材料的都慢。或者，PTC热敏电阻层和金属保险丝元件被选择为具有不同的额定值。例如，PTC材料可以被选择为具有比金属保险丝元件更低的额定值。
在一个实施例中，PTC热敏电阻层是聚合物基的。在替代实施例中，PTC热敏电阻层是陶瓷。如下所显示和描述的，陶瓷基集成器件可以包括薄膜型金属保险丝元件或金属丝保险丝元件。陶瓷基器件可以通过轴向或径向放置的导线来安装或安装在表面。
金属保险丝元件经配置以提供期望的断开特性。例如，金属元件(其可以是铜)可以是表面安装的元件，因此该元件的长度、厚度和/或高度被设置以提供期望的断开特性。同样，可以使用异金属(例如Metcalf斑点(spot))以达到期望的断开特性。该异金属可以是镍、铟、银和锡中的任意一种或多种。
该保险丝元件也可以是单股或多股的金属丝保险丝元件。该金属丝可以是单一材料或覆盖有异金属。该金属丝元件被接合(例如焊接)到形成第一和第二导体的一部分的电极上。
第一和第二导体中的每一个都包括延伸到金属保险丝元件和PTC热敏电阻材料中的每一个的焊盘或电极。电极可以例如是通过光刻工艺在绝缘衬底上形成的。PTC热敏电阻层随后被敷设到电极和暴露的衬底上。电极可以从一个导体的一端延伸穿过衬底的大部分到第二导体的一端。电极的长度被设计为保证与PTC热敏电阻层的良好接触并允许PTC热敏电阻材料实现期望的功能。
在一个实施例中，保险丝元件被提供在绝缘衬底的一侧上，而PTC元件被提供在该衬底的相反侧上。在表面安装器件的情况下，该元件可以通过光刻工艺，例如从铜层来形成，以具有薄的断开部分和更宽的焊盘部分，该焊盘部分延伸到形成导体末端初始层的端子焊盘。该铜焊盘随后镀上一层或多层例如电解铜和电解锡。该电镀操作形成通孔或沟槽(castellations)以在器件的每一端上电连接该焊盘、电极和保险丝元件。在实施例中的该保险丝元件具有保护层，例如环氧树脂涂层。在实施例中的整个器件的该保险丝元件侧被配置为朝向PCB安装，从而该元件断开时释放的能量被包含在该器件和该PCB之间。
在一个实施例中，该器件包括多个绝缘衬底。例如，该保险丝元件可以被放置在较低的绝缘衬底的底侧。第一导体包括敷设(例如，几乎越过全部路径)到底部衬底的顶侧的第一电极。该PTC热敏电阻层随后被敷设到电极以及底部衬底任何暴露的顶端。而后第二绝缘衬底被敷设到PTC热敏电阻层的顶端，该第二绝缘衬底具有例如通过光刻工艺形成在其底侧的第二电极。该第二电极延伸到第二导体。
第二绝缘衬底的顶侧包括铜端子焊盘。在一个实施例中该上面的端子焊盘与下面的端子焊盘相同的被镀覆。该器件因此可以被以任何方向安装，例如，如果其被确定在一个特殊的情况下，即，将保险丝元件朝向PCB来安装器件会带来这样的危险，即当该保险丝元件断开时会损害该器件到PCB的连接的完整性。
上面的绝缘衬底的顶侧还可以用适当的标志(例如额定值标志和制造商信息)来标记。此外，在实施例中，该保险丝元件被提供在最底部的衬底的底侧。
在另外的一个替代实施例中，用上述的方式增加一个或多个附加PTC热敏电阻层和绝缘衬底以制造在金属保险丝元件未损坏和金属保险丝元件已断开的情况下都具有整体理想运行特性的器件。增加PTC热敏电阻层通常允许器件的PTC侧具有更高的电流额定值并可能需要被制作以匹配金属保险丝元件的额定值。
在各种实施例中，该器件被提供在1206型(0.120英寸×0.06英寸)和1812型(0.180英寸×0.120英寸)封装中。
因此，本发明的一个优点在于提供一种改进的过流保护器件。
本发明的另一个优点在于提供一种可复位的过流器件，其具有被降低的内阻和运行压降。
本发明的再一个优点在于提供一种可复位的具有金属保险丝元件的过流器件。
其余的特征和优点在此被描述，并将会由于以下的详细叙述和附图而变得显而易见。
附图说明
图1是本发明的集成的可复位和不可复位过流保护器件的一个实施例的顶视图。
图2A是沿图1的A-A线的集成的可复位和不可复位过流保护器件的侧面截面图，示出了沿着该器件的一侧延伸的端子。
图2B是沿图1的B-B线的集成的可复位和不可复位过流保护器件的侧面截面图，示出了在截面上没有沿着该器件的一侧延伸的端子。
图3是图1的集成的可复位不可复位过流保护器件的底视图。
图4是电路示意图，示出了图1的器件的并联的可复位和不可复位过流部件的等效电阻实例。
图5是通过对图1中集成的可复位和不可复位过流保护器件的样品进行测试得到的时间-电流曲线。
图6是通过对图1中集成的可复位过流保护器件的各种样品进行测试得到的压降-电流的图。
图7是本发明的可替代的集成的可复位和不可复位过流保护器件的侧面截面图。
图8是本发明的集成的可复位和不可复位过流保护器件的一个实施例的侧面截面图，其使用了陶瓷可复位过流保护材料。
图9是本发明的集成的可复位和不可复位过流保护器件的另一实施例的侧面截面图，其使用了陶瓷可复位过流保护材料。
图10是本发明的集成的可复位和不可复位过流保护器件的又一实施例的侧面截面图，其使用了陶瓷可复位过流保护材料。
图11是本发明的集成的可复位和不可复位过流保护器件的再一实施例的侧面截面图，其使用了陶瓷可复位过流保护材料。
图12是这里任何一个实施例的侧视图，示出了一个表面安装构造。
图13是使用了一对本发明的集成的可复位过流保护器件的远程通信电路的电路示意图。
图14是使用了本发明的集成的可复位过流保护器件的数据总线电路的电路示意图。
图15是使用了本发明的集成的可复位过流保护器件的电池组电路的电路示意图。
具体实施方式
现在参照附图，尤其是附图1、2A、2B和3，器件10示出了本发明的集成的可复位和不可复位电路保护器件和相应方法的一个实施例。器件10包括上部绝缘衬底12和下部绝缘衬底14(这里共同称作绝缘衬底12或通常，单独称作绝缘衬底12)。在实施例中，绝缘衬底12以相同的材料制备，例如FR-4材料或聚酰亚胺。例如，衬底12可以是在FR-4材料的两个表面上都带有铜涂层。在一个实施例中，该铜随后使用标准光刻工艺被刻蚀掉以形成各种电极图案。例如，该铜镀层可以被刻蚀掉以形成作为端子36a和36b的基础层的上部铜层20a。
如图2A和2B所示，第二铜层16从绝缘衬底12上沿着器件10的右侧而被刻蚀掉。通过这种方式，电极16不会直接电接触到形成在器件10右侧的端子。类似的第三铜层或电极18在绝缘衬底14的上表面上被刻蚀。这里，电极18接触形成在器件10右侧的端子，但不直接电接触形成在器件10左侧的类似的端子。第四铜层20b被用标准光刻工艺从绝缘衬底14的底侧光刻蚀掉(photo-etched away)。如图3的器件10的底视图所示，铜层20b被刻蚀成特定的形状以形成器件10的金属保险丝元件。下部铜层20b同样延伸以形成端子36a和36b的底侧基础层。
分别具有被刻蚀的铜层16、18、20a和20b的绝缘衬底12和14，被夹在正温度系数(“PTC”)层30附近。适宜用作PTC热敏电阻层的一种PTC热敏电阻材料被提供在本发明的最终受让人销售的
Figure A20081016111100101
LF1206L器件中。该材料是聚合物基的。陶瓷构造在下面讨论。
在实施例中，PTC热敏电阻层30最初被层叠在两个大的绝缘衬底之间。在他们组装之前，电极16、18、20a和20b被预先形成在该大的绝缘衬底上，使得很多器件10可以用一个组装的阵列形成。器件10然后通过已知的分离或独立(singulation)技术从绝缘衬底和附接的PTC热敏电阻层的组装的阵列中独立分离出来(singulated)。
图3示出了在一个实施例中金属保险丝元件24被形成在绝缘衬底14的底面上。铜层20b被光刻蚀成特定的形状以形成保险丝元件。被刻蚀的铜层20b包括焊盘区域22a和22b，其延伸到元件24。焊盘区域22a和22b也延伸到铜层20b的更大的端子区域26a和26b，其最终连同上部铜层20a一起被镀覆以形成端子36a和36b。因此在一个实施例中用于保险丝元件24的该基底金属是铜。
虽然器件10被通常描述为具有光刻蚀的铜电极，但是应当理解，电极16、18、20a和20b可以用其他金属制造并通过不同的工艺(例如电镀、溅射、印刷或层压)而被敷设。绝缘衬底12可以用聚酰亚胺而非FR-4材料制得。不管哪种方法，电极16、18、20a和20b可以是一种或多种金属，例如银、铜、镍、锡及其合金，通过如上所述的任何一种方法敷设到聚酰亚胺的表面上。
元件24具有高度为h，长度为l，宽度为w的尺寸以产生作为保险丝元件24的理想的断开特性。在元件24中高度h例如可以比焊盘22a和22b以及端子区域26a和26b的高度更薄。在实施例中元件24减薄的高度h通过削磨或另外的刻蚀工艺形成。元件24在图3中被示出，其一般具有笔直的长度l。但是应当理解，元件24也可以是锯齿状的或弯曲的，例如蜿蜒的，以根据需要增加距离l从而产生元件24的理想的断开特性。
并且，一个或多个异金属斑点28(有时被称作Metcalf斑点)可以被敷设在元件24的对于元件断开而言理想的区域上，例如在该元件的中心。异金属斑点28可以是镍、铟、银和锡中的任意一种或多种。异金属斑点28具有比保险丝元件24的基础金属(例如铜)更低的熔化温度。低熔化温度斑点28熔化的更快并扩散到元件24的基础金属中。该基础金属和异金属可以这样选择，即其中一个到另一个中的扩散导致了具有比基础金属更低的熔化温度和更高电阻的金属间相，这样迫使该元件在更低的过流级别处熔化，并避免器件的过热。
如图2和3所示，保护涂层32被敷设在保险丝元件24和保险丝焊盘22a和22b的一部分上。在实施例中保护涂层32是电绝缘的环氧树脂，其被印刷、喷涂或其他方法敷设到绝缘衬底14和形成保险丝元件24、焊盘区域22a和22b以及端子区域26a和26b的铜层20b的底侧。
在实施例中，器件10被配置以便，保险丝元件24被朝向印刷电路板(“PCB”)安装。保护涂层32以及向下放置的安装构造有助于限制从保险丝元件24的断开中释放的能量。但是应当理解，该器件10可以在保险丝元件24朝向PCB安装或远离PCB安装的情况下运行。
图1示出了器件10的顶面。这里，标记34明确了器件10的额定值和制造商信息。在实施例中标记34被敷设(例如被印刷)到上部绝缘衬底12的顶面上。
器件10可以是各种标准尺寸，例如1206型封装，其是0.120英寸×0.06英寸即(3.2mm)×(1.6mm)。或者，器件10可以是1812型封装，其是大约0.179英寸×0.127英寸即(4.5mm)×(3.24mm)。但是应当理解，器件10可以根据需更被制作得更大或更小以提供具有期望额定值的器件。
在图示的实施例中，端子36a和36b通过标准电镀技术形成在器件10的上部和下部表面上。端子36a和36b可以是多层金属，例如电解铜、电解锡、银、镍或所需要的其他金属或合金。端子36a和36b被按规定尺寸制作以及构造为使器件10能够被以表面安装的方式安装在PCB上。
图2A示出了通过器件10中部的图1的截面A-A。由此，元件24和异金属斑点28可以在图2A中示出。一对孔46和48由绝缘材料12和14制造，例如，在器件10被从器件阵列中单独分离出来以前。镀覆端子36a和36b以覆盖孔46和48的侧面。因此，如图2A所示，端子沿着器件10的侧面在孔46和48的表面延伸。如图2B所示，当器件10被单独分离出来时，端子36a和36b不沿着器件的直边延伸，例如，在图1的截面B-B中不沿着器件直边延伸。
图4示出了上述讨论的器件10的等效电路。图4中示出的电阻仅仅是为了示例而并不意在限制后附的权利要求的范围。但是，这些电阻确实表示了当前器件的实际值。因此PTC热敏电阻层30(或多个PTC热敏电阻层30的集合)被举例示作具有0.070欧姆的电阻。保险丝元件24具有更低的电阻0.031欧姆。如图4所示，并且从图2中也应当看出，PTC热敏电阻层30和保险丝元件24彼此并联放置。根据并联器件的电阻公式，该器件10的等效电阻Eq等于PTC的电阻Rat乘以保险丝电阻Rf再除以Rat与Rf的和。在该例子中，这个公式得到的等效电阻Eeq为0.022欧姆。该等效电阻甚至小于金属保险丝元件24的电阻。器件10因此具有初始的低运行电阻。器件10还具有通过PTC热敏电阻层30自己复位的能力。
根据图4的等效电路，在过流情况发生之前电流初始通过保险丝元件24和PTC热敏电阻层30，之后通过元件24的电流通路断开因此在正常运行时电流整个流过PTC热敏电阻层30。相信发生过流事故是相对罕见的，尤其是对于使用器件10的某些应用，这意味着在很多情况下，在PCB的整个寿命中器件10将不会遇到过流情况。也就是说，很多器件10在PCB的整个寿命中都会运行在低电阻和低压降的情况下。但是如果过流事件真的发生，器件10会发挥它的功能，而安装了其的PCB就不需要被重做或替换。开始的低电阻和压降的优势不存在了，但整体功能被保持。
现在参见图5，其示出了对器件10的断开时间对电流的测试结果。三条时间-电流曲线被示出，一条是额定值为2安培的金属保险丝元件24，一条是额定值为2安培的PTC热敏电阻层30，一条是两个并联放置的过流部件(组合，combo)的时间-电流曲线。该组合线倾向于沿着PTC热敏电阻层30的线，其响应时间比保险丝元件24或PTC层30都长。
示出的器件10使用具有类似额定值的保险丝元件24和PTC热敏电阻层30。或者，器件10也可以使用具有不同额定值的保险丝元件24和PTC热敏电阻层30。例如，PTC热敏电阻层30可以具有比保险丝元件24的2安培更低的额定值，例如1.5安培。得到的器件10将具有更快的响应时间，例如，对于下面将详细描述的数据总线的应用。下面描述的远程通信和电池应用可能需要行动更慢的整体器件10。
现在参见图6，示出了根据关于器件10的本教导制得的四个部分的压降-电流的测试结果。该图示出了四个部分的压降是相对可重复的，尤其是到约两安培。然后，这些部分开始现出轻微的不一致。并且，在整个图示的电流范围内该器件的等效电阻保持相对恒定。而且，甚至在3安培下所有四个部分测试的通过器件10的压降都保持在100毫伏以下。
现在参见图7，示出了可替代的多层PTC器件50。器件50包括很多相同的上述元件，例如保险丝元件24(以及相应的焊盘22a和22b以及端子区域26a和26b)。器件50也包括如上所示的覆盖在保险丝元件24以及保险丝元件焊盘的一部分上的保护涂层32。在一个实施例中，器件50被构造为以保险丝元件24面对PCB的方式安装。或者，器件50可以以相反的方向安装。器件50还包括上部绝缘衬底12，如上所述其具有例如被刻蚀的电极20a和16。在一个实施例中，标签34被置于上部绝缘衬底12的顶面上。器件50还包括下部绝缘衬底14，其具有例如被刻蚀的上部和下部铜电极18和20b。如上所示内部电极16和18越过他们相应的衬底12和14的至少一半延伸，以为相邻的PTC热敏电阻层30a和30b(这里共同称作PTC热敏电阻层30或一般单独的称作PTC热敏电阻层30)产生期望的断开特性。
器件50包括三个PTC热敏电阻层30a、30b和30c(统称为30)。器件50还包括两个额外的内部绝缘衬底52和54，其分别具有例如上部和下部电极38、40、42和44，这些电极如同电极16和18一样，越过他们各自的绝缘底52、52、54和54的大部分路径延伸。电极16、18、20a、30b、38、40、42和44中的每一个都可以如这里另外描述的被刻蚀或形成到各自的FR-4或聚酰亚胺绝缘衬底12上。PTC热敏电阻层30通过上述任何方法被夹在带有各自电极的绝缘衬底之间。器件50，如同器件10，可以被制成器件50的阵列，该阵列被分离成单独的器件。
PTC热敏电阻层30a到30c中的每一个都如同器件10的PTC热敏电阻层30一样运行，即，这些层在正常运行电流负载下是导电的。当过载情形使保险丝元件24断开时，PTC热敏电阻层30发热使得其温度和电阻升高到阈值点，在这一点温度和电阻成指数倍增加，从而形成一个高电阻的电流通路，近似于保险丝元件24的开路。对于给定尺寸的封装，额外的PTC热敏电阻层增加了器件50的PTC部件的额定值。因此，尽管器件50中示出了三个PTC热敏电阻层30，但是可以根据需要得供两层或四层或更多层以制造具有理想的保险丝额定值的器件50。PTC热敏电阻层30的整体额定值与金属元件24相比可以相同或有些许差别，例如稍低。
现在参见图8，器件110示出了可替代的集成的金属/PTC热敏电阻器件。这里，PTC热敏电阻层130是陶瓷基的，而非
Figure A20081016111100141
LF1206L器件的聚合材料。题为“PTC Thermistor Material”的美国专利NO.6,218,928中公开了一种适宜的陶瓷基热敏电阻材料，在扉页上示出该专利被转让给了TDK公司(日本东京)。
器件110包括绝缘衬底112，其可以是例如陶瓷材料或玻璃。上部和下部基础电极120a和120b通过厚膜丝网印刷或溅射分别形成在衬底112的上表面和下表面上。电极120a和120b还可以用一种或多种金属形成，例如银、铜、镍、锡及其合金，通过上述的任何方式敷设到聚酰亚胺的表面上。
设计基础电极120b的形状以形成保险丝元件。电极120b例如包括焊盘区域122a和122b，如上文中电极20、焊盘区域22、元件24和端子区域26示出的那样，其向内延伸到元件124且向外延伸到更大的端子区域126a和126b。端子区域126a和126b最终与上部铜层120a一同被镀覆以形成端子136a和136b。器件110的金属保险丝元件124可以具有任意形状、尺寸和如上文中所讨论的器件10和50的元件24使用的异金属。
陶瓷PTC(“CPTC”)热敏电阻层130位于绝缘基座112的第一侧上，例如，通过厚膜丝网印刷或旋转涂覆。如图所示，CPTC热敏电阻层130接触电极120a的部分。上部覆盖层132a(例如，烧结玻璃(fired glass))被敷设到CPTC热敏电阻层130和电极120a的暴露部分上。尽管未示出，但是可以在CPTC热敏电阻层130的顶面上提供标签(上文所述)并可以通过上部覆盖层132a而看到。
下部覆盖层132b(例如，烧结玻璃)被敷设到下部电极120b和衬底112的暴露部分上。端子136a和136b被形成在衬底112、电极120a和120b以及覆盖层132a和132b的侧边上。端子136a和136b还分别覆盖例如玻璃的覆盖层132a和132b的顶部和底部表面部分。如上所述和示出的，端子136a和136b可以包括多层金属化。而且，多层CPTC热敏电阻层130可以以与图7的聚合物器件类似的方式被敷设在多个绝缘层112之间。
在运行过程中，电流从例如端子136a通过上部和下部电极120a和120b以及CPTC热敏电阻层130和并联的金属保险丝元件流到端子136b，直到保险丝元件断开。当保险丝元件断开后，CPTC热敏电阻层130电阻变高并限制电流从端子136a到136b的流动。当能量的急剧释放消散后，CPTC热敏电阻层130变成导电性的从而电流能够流过器件110。
现在参见图9，器件150示出了可替代的集成的金属/CPTC热敏电阻器件。在这里，CPTC热敏电阻层130仍然是陶瓷基的，而非LF1206L器件的聚合材料。在器件150中，作为基础衬底，CPTC热敏电阻层130加倍，以利用陶瓷基材料相对刚性的优点。
上部和下部基础电极120a和120b通过厚膜丝网印刷或溅射分别形成在CPTC热敏电阻层130的上部和下部表面上。电极120a和120b可以是一种或多种金属，例如银、铜、镍、锡及其合金，其以上述任意方式被敷设到CPTC热敏电阻层130的表面上。
在器件150中，下部基础电极120b没有形成金属保险丝元件，相反与CPTC热敏电阻层130、上部基础电极120a以及端子136a和136b一起运作以在正常运行条件下允许电流通过CPTC热敏电阻层130。
薄绝缘层112(例如玻璃)被敷设到下部基础电极120b和CPTC热敏电阻层130的底面的任意暴露区域之上。第三保险丝元件电极152被成形在衬底112上以形成保险丝元件。电极152可以，例如包括相同焊盘区域122a和122b，其向内延伸到元件124且向外延伸到更大的端子区域126a和126b(如图8所示)。器件150的金属保险丝元件可以具有任意形状、尺寸和上述讨论中器件10和50的元件24以及器件8的元件124的异金属。
上部覆盖层132a(例如玻璃)被敷设到上部基础电极120a和CPTC热敏电阻层130的暴露部分上。尽管没有示出，但是可以在上部基础电极120a的顶面上提供标签(如上所述)，并且其能够通过上部覆盖层132a可见。
下部覆盖层132b(例如玻璃)被敷设到保险丝元件电极152和衬底112的暴露部分上。端子136a和136b被形成在CPTC热敏电阻层130、衬底112、电极120a、120b和152以及覆盖层132a和132b的侧边上。端子136a和136b还分别覆盖了例如玻璃的覆盖层132a和132b的顶部和底部表面的一部分。如上文所讨论和图示的，端子136a和136b可以包括多层金属化。
在器件150的运行中，电流从例如端子136a通过上部电极120a、CPTC热敏电阻层130、电极120b和金属保险丝元件层150流到端子136b，直到保险丝元件断开。在保险丝元件断开后，CPTC热敏电阻层130变成非导电的从而防止电流从端子136a流到端子136b。当能量的急剧释放消散后，CPTC热敏电阻层130变成导电的，从而电流再次可以流过器件150。
现在参见图10，示出了可替代的CPTC热敏电阻器件160。CPTC热敏电阻器件160有利地使用上部和下部基础电极120a和120b以接触CPTC热敏电阻层130和保险丝元件162，在该示出的实施例中，保险丝元件162是厚膜、薄膜或导线接合的保险丝元件。保险丝元件162，一般显示为垂直的放置，沿着CPTC热敏电阻层130的边缘从一个基础电极120a延伸到另一个基础电极120b。这种保险丝元件的角度、形状和数量都可以变化。基础电极120a和120b同样通过任意适宜的技术，由任意合适的一种或多种上述金属形成在CPTC热敏电阻层130的两侧上。
在图示的实施例中器件160还包括引线164和166，其可以被沿着径向或轴向放置以适应不同的安装配置。在器件160的运行中，电流从例如上部电极120a(引线164)通过并联的CPTC热敏电阻层130和保险丝元件162流到下部电极120b(引线166)，直到保险丝元件断开。在保险丝元件断开后，CPTC热敏电阻层130变成非导电的并阻止电流从上部电极120a(引线164)流到下部电极120b(引线166)。当能量的急剧释放消散后，CPTC热敏电阻层130变成导电的，从而电流再次可以流过器件160。
现在参见图11，示出了可替代的CPTC热敏电阻器件170，除了CPTC热敏电阻层130包括或限定出一个更大直径的洞或孔138以用来接收对角放置的保险丝元件172外，其与器件160相同。如图所示保险丝元件172是被焊接或电连接到位于孔138相反两侧上的基础电极120a和120b。元件172被示为对角地越过该孔而延伸。这种对角延伸使元件172得以延长，这可以有利于调整尺寸。
CPTC热敏电阻器件170也在端板174和176上分别设置了引线164和166，其被依次分别焊接或连接到基础电极120a和120b上。端板174和176覆盖孔138，保护保险丝元件172并电连接保险丝元件到引线164和166上。并且，该端板允许最后部分被保护材料(例如环氧树脂)覆盖，以在孔138中保留一个空间，其改善保险丝元件172的熔断性能。引线164和166被示出从端板174和176以放射状延伸。或者，引线164和166从端板174和176以轴向方向延伸，例如，如图10所示。
金属丝保险丝元件CPTC热敏电阻器件160和170与薄膜CPTC热敏电阻器件110和150一样的运行，其至少与上述聚合物基PTC热敏电阻器件基本一样的运行。在正常运行下电流流过CPTC热敏电阻层130以及保险丝元件124、152、162或172，直到过流事故发生。在这时，保险丝元件断开，CPTC热敏电阻层130变成非导电的，这样器件110、150、160或170不允许过大电流通过到器件下游的电子部件中。当过流事故消除后，CPTC热敏电阻层130自己复位到导电状态，允许被保护的电路继续工作，尽管通过器件110、150、160或170的压降变大了。
图12示出了图10或11中示出的器件的表面安装构造。这里，PTC或CPTC器件包括端板182和184，其每一个都具有焊盘区域180，焊盘区域180被构造为回流焊接或波动焊接到印刷电路板上。图示的实施例中示出了CPTC盘130(存在险丝元件但不可见)，其中端板182和184和焊盘区域180将CPTC盘130和保险丝元件电连接到印刷电路板的路径图案(trace pattern)上。
现在参见图13，电路60示出了器件10、50、110、150、160、170(方便起见之后简称为器件10)的一个适宜的应用，即远程通信保护应用。远程通信保护电路60包括数字信息转换器线路(digital transcriber line)(“DSL”)驱动器62，其可以是设在下游远程通信设备(未示出)和图8中示出的数据线路之间的接口卡。远程通信设备可以包括用于中心局交换机(central office switch)的设备，其交换从一点到另一点的呼叫，例如交换数字声音或互联网数据。
DSL驱动器62调节信号并将信号重建到开关或其他远程通信设备的装置。DSL驱动器62是双向的收发机，其调节通过尖端(tip)线路64和环形(ring)线路66发出的两个方向的信号。变压器68防止存在在变压器一侧的直流电(“DC”)被传播到变压器的另一侧。变压器68还防止了来自耦接的并因此公共的邻近线路的任何噪音或信号串扰到尖端和环形线路。变压器68因此耦接了差动信号。
瞬态电压抑制器70包括过压保护器件，例如闸流晶体管。抑制器70可以例如使用与闸流晶体管一起放置的多个二极管以减少沿着任何通路(例如从尖端线路64到环形线路66，尖端线路64到接地72，接地72到环形线路66)的电容。放置该二极管和闸流晶体管使得每一个通路都至少有三次电容降低，从而提供偏压很大的路径，该路径将电容逐步依次降低到一个很低的水平使其不会削弱或阻碍数字信号。
集成的保险丝元件/PTC器件10被设置在环形线路64和尖端线路66中以防止由例如能量交叉情况导致的过流情形发生，这时电话线或数据线与电源线相感应的耦合在一起，产生持续的过压情形。瞬态电压抑制器70将过压钳制在一个安全级别，消耗大量能量并触发过流器件10。
如果仅仅使用金属元件，电路60中相应的保险丝就得被更换。如果仅使用PTC元件，PTC元件的电阻基本上较高，从而限制了DSL驱动器62能够将DSL信号驱动到尖端64或环形66线路的距离。由于能量交叉线路情形并不常见，器件10提供了初始在低电阻下运行的可复位的器件。如果能量交叉情况确实发生了，则该保险丝元件断开且PTC器件跳闸并最终复位，这样电路60仍然能够工作，至少在一个受限的数据传播范围内。
现在参见图14，电路80示出了集成的保险丝元件/PTC器件10的另一个应用，即数据总线电路。示出的数据总线电路使用IEEE 1394控制器82，其与计算机和其他设备(例如摄影机和电缆箱(cable boxes))一同使用。相应的1394连接器84不大，利于上述应用。电路80使用两条双绞线TPA和TPB，其中每一个都在控制器82和连接器84之间双向传输数据。
电路80包括穿过数据线到接地88放置的瞬态电压抑制器86。电压抑制器86抑制静电放电(“ESD”)事故在数据线TPA和TPB上发生。电路80也包括变阻器90，其抑制ESD或其他发生在电压线路Vbus92上的瞬时现象。Vbus是例如33VDC电源，控制器82使用其驱动电压下行线路92以为任何连接到连接器84上的设备(例如，打印机或调制解调器)供电。
集成保险丝元件/PTC的器件10保护相关的设备不受任何发生在电源线92上的过流情形影响。这里，期望器件10具有尽可能低的电阻，从而通过该器件的压降尽可能低，且从而尽可能多的能量可以被从控制器82传送到连接器84和相关的器件。器件10因此很适合这种应用，因为线路92不大可能遇到过流情形。
器件10可以同样有效的适用于通用串行总线(“USB”)数据电路和应用中。并且，该器件可以被用在有动力的以太网电路中。在以太网供电电路中，Cat3/5电缆中的四条双绞线中的两条输送电力并且也可以输送数据。这种电路的电力传输能力是有限的，使得器件10很适合于该应用。
现在参见图15，电路100示出了集成保险丝元件/PTC的器件10的进一步的应用，即，电池保护电路。电路100与例如手机96的充电器94一同工作。电池组电路100的控制电路102感应由充电器94提供的电压。如果，例如，电压的极性出错，或者电压值出错，则控制器102断开冗余的场效应晶体管(“FET”)开关104以阻止任何电流通过电路100流到电池108中。控制电路102还可以监测温度以进行散热。这里，电路102通过开关104切断到电池108的电流。
PTC保险丝器件10提供冗余电路保护层。例如，如果控制电路102运行错误或FET 104短路，则PTC保险丝器件10提供过流保护的备用层。电池组100的电池106的直流电压波动使得器件10的低电阻很重要。例如，如果过流器件在一个3VDC的电池组中降低1/4VDC，则该过流器件消耗了电池可使用时间的百分之八。电池108可以具有一个截止电压，低于此电压手机不会工作，这使得上述可使用时间消耗的百分比变的更高。因此，图6中压降在毫伏范围内的器件10很适合这种应用。
应当理解，本领域技术人员很容易对上述优选实施例进行各种变化和修改。这些变化和修改可以在不偏离本主题的主旨和范围也不影响其有利效果的前提下实现。因此，这些变化和修改都落入所附的权要求的范围内。

Claims (23)

1、一种电路保护器件，包括：
电绝缘衬底；
设置的该衬底上的保险丝元件；
连接到该衬底的正温度系数(“PTC”)热敏电阻层，该保险丝元件比该PTC热敏电阻层的电阻低，以及
第一和第二导体，与该保险丝元件和该PTC热敏电阻层并联电连接，使得电流(i)初始在正常运行下流过该保险丝元件和该PTC热敏电阻层，以及(ii)该保险丝元件断开后在正常运行下流过该PTC热敏电阻层。
2、如权利要求1所述的电路保护器件，其中该保险丝元件和PTC热敏电阻层具有至少相似的电流额定值。
3、如权利要求1所述的电路保护器件，其中该保险丝元件是选自下列组中的至少一种类型：(i)金属丝，(ii)表面安装的，(iii)单独的一种金属，以及(iv)多种金属的。
4、如权利要求1所述的电路保护器件，其中该第一和第二端子包括选自下列组中的至少一种属性：(i)第一和第二末端端子，(ii)延伸到该电绝缘衬底的第一和第二侧上，以及(iii)由不同的金属制成。
5、如权利要求1所述的电路保护器件，其中该保险丝元件和PTC热敏电阻层位于该绝缘衬底的相反侧上。
6、如权利要求1所述的电路保护器件，其中该衬底由选自下列组的材料制成：FR-4，聚酰亚胺和玻璃。
7、如权利要求1所述的电路保护器件，该PTC热敏电阻层是选择下列组中的类型：聚合物的和陶瓷的。
8、如权利要求1所述的电路保护器件，其包括多个绝缘衬底和多个该PTC热敏电阻层。
9、如权利要求8所述的电路保护器件，其中该第一和第二导体中的每一个电连接到该PTC热敏电阻层中的每一个。
10、一种电路保护器件，包括：
第一电绝缘衬底；
保险丝元件，位于该第一绝缘衬底的第一侧上；
第一正温度系数(“PTC”)热敏电阻层，具有与该第一衬底的第二侧接触的第一侧；
第二电绝缘衬底，具有与该第一PTC热敏电阻层的第二侧接触的第一侧；
第二PTC热敏电阻层，与该第二绝缘衬底的第二侧接触；以及
第一和第二导体，与该保险丝元件以及该第一和第二PTC热敏电阻层并联电连接。
11、如权利要求10所述的电路保护器件，该保险丝元件具有选自下组中的至少一种属性：(i)是表面安装元件；(ii)具有异金属；(iii)是导线接合型的；以及(iv)具有与该第一和第二PTC热敏电阻层的整体额定值至少相似的额定值。
12、如权利要求10所述的电路保护器件，其包括第三电绝缘衬底，该第二PTC热敏电阻层具有与该第二绝缘衬底的第二侧接触的第一侧和与该第三电绝缘衬底接触的第二侧。
13、如权利要求10所述的电路保护器件，其中该第一和第二导体中的每一个包括至少一个接触该保险丝元件以及该第一和第二PTC热敏电阻层的电极。
14、如权利要求10所述的电路保护器件，其中该第一和第二导体中的每一个包括至少越过该第一和第二PTC热敏电阻层之一的一半延伸的电极。
15、如权利要求14所述的电路保护器件，其中该第一和第二导体中的每一个包括至少一个接触该电极的金属化端帽。
16、一种电路保护器件，包括：
陶瓷的正温度系数(“CPTC”)热敏电阻层；
保险丝元件，由该CPTC热敏电阻层支撑，该保险丝元件的电阻低于该CPTC热敏电阻层的电阻；以及
第一和第二导体，与该保险丝元件和CPTC热敏电阻层并联电连接，使得电流(i)初始在正常运行下流过该保险丝元件和该CPTC热敏电阻层，以及(ii)在该保险丝元件断开后，在正常运行下流过该CPTC热敏电阻层。
17、如权利要求16所述的电路保护器件，其中该保险丝元件是被敷设到该CPTC热敏电阻层上的表面安装保险丝元件。
18、如权利要求16所述的电路保护器件，其中该保险丝元件是固定到电极上的金属丝元件，该电极被敷设到该CPTC热敏电阻层上。
19、一种电路保护方法，包括：
通过具有相对较低电阻的不可复位的保险丝装置来保护器件中的第一电流通路；以及
通过具有相对较高电阻的可复位的保险丝装置来保护与该第一电流通路并联的该器件中的第二电流通路，使得电流(i)初始在正常运行下以较低的电压降流过该可复位的和不可复位的保险丝装置二者，以及(ii)在该不可复位的保险丝装置断开后，在正常运行下以较高的电压降流过该可复位的保险丝装置。
20、如权利要求19所述的电路保护方法，其中该可复位的保险丝装置包括多个正温度系数层。
21、如权利要求19所述的电路保护方法，包括配置该器件用于在远程通信电路的尖端或环形线路中运行。
22、如权利要求19所述的电路保护方法，包括配置该器件用于在数据总线控制器和数据总线连接器之间的电压供给线路中运行。
23、如权利要求19所述的电路保护方法，包括配置该器件用于在电池组的充电线路中运行。
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