CN102484016A - 热熔丝 - Google Patents

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Abstract

一种热熔丝(100)，包括连接至传感器(110)的顶表面(110a)的第一接触表面(109a)和连接至传感器(110b)的底表面的底表面(115)。该传感器包括Sn和Zn的混合物。传感器的顶表面和底表面之间的距离大小形成为当传感器的温度低于传感器的熔化温度时基本上限制Zn在传感器的中央区域(207)中的损耗。传感器的中央区域在传感器的温度低于传感器的熔化温度时防止第一接触表面和第二接触表面分离，并且第一接触表面和第二接触表面构造为在传感器的中央区域的温度超过传感器的熔化温度时分离。

Description

热熔丝
技术领域
本发明主要涉及电保护电路。更具体地，本发明涉及热熔丝。
背景技术
保护电路通常用在电子电路中来将故障电路与其它电路隔离。例如，保护电路可以用来防止电动汽车发动机控制器中的电路模块的级联故障或其它损坏。
一种类型的保护电路为热熔丝。热熔丝以类似于典型玻璃容器的方式起作用。也就是说，在正常运行条件下，熔丝具有短路的性质，在故障条件期间，容器具有开路的性质。当热熔丝的温度超过激活温度时，热熔丝在这两种运行模式之间的热熔丝转换。为了有利于这些模式，热熔丝可以包括导电元件，如可熔电线、一组金属触点，或一组焊接金属触点，其可以从导电状态切换至非导电状态。金属触点通过用传感器彼此连接，该传感器可以为焊料形式。该传感器可以对应于在对应于热熔丝的激活温度的熔化温度处熔化的低熔点合金。
在操作中，电流流过热熔丝。在传感器达到指定激活温度之后，传感器可以释放金属触点，这将热熔丝的状态从闭合状态改变至断开状态。这又防止电流流过热熔丝。
现有热熔丝的一个缺点在于，由于在用在高温环境中时热熔丝的传感器可能会随着时间的过去而损坏，因此现有热熔丝通常具有有限的预期寿命。例如，当热熔丝用在高温环境中时，传感器的熔点可能会随着时间增加至它不能防止对其它电路的损坏的点。
发明内容
在一个方面中，一种热熔丝包括连接至传感器的顶表面的第一接触表面和连接至传感器的底表面的第二接触表面。该传感器包括锡(Sn)和锌(Zn)的混合物。传感器的顶表面和底表面之间的距离大小形成为当传感器的温度低于传感器的熔化温度时基本上减少传感器的中央区域中的Zn的比率。传感器的中央区域在传感器的温度低于传感器的熔化温度时防止第一接触表面和第二接触表面分离，并且第一接触表面和第二接触表面构造为在传感器的中央区域的温度超过传感器的熔化温度时分离
在第二方面中，一种热熔丝包括连接至传感器的顶表面的第一接触表面和连接至传感器的底表面的第二接触表面。该传感器包括Sn和Zn的混合物。第一接触表面和第二接触表面由一元素制成，当所述传感器的温度低于所述传感器的熔化温度时，该元素限制Zn迁移出所述传感器和迁移到所述第一接触表面或所述第二接触表面上。所述第一接触表面和所述第二接触表面构造为在所述传感器的温度超过所述熔化温度时分离。
在第三方面中，一种热熔丝包括第一接触表面和第二接触表面。多个镍(Ni)层沉积在第一接触表面和第二接触表面上，传感器设置在所述Ni层之间。传感器包括Sn和Zn的混合物。所述Ni层构造为基本上防止Zn迁移到第一接触表面和第二接触表面上。第一接触表面和第二接触表面构造为在传感器的温度超过传感器的熔化温度时分离。
附图说明
图1为构造为最小化来自传感器的Zn迁移的示例性热熔丝。
图2图示了Zn迁移对传感器成份的影响。
图3图示了用于最下化来自传感器的Zn迁移的传感器配置的第二实施方式。
图4A为表示包括处于闭合状态的热熔丝的电路的示意图。
图4B为表示包括处于断开状态的热熔丝的电路的示意图。
图5A图示了处于闭合状态的第二示例性热熔丝。
图5B图示了处于断开状态的第二示例性热熔丝。
具体实施方式
为了克服上述问题，公开了多种热熔丝结构。热熔丝包括传感器，该传感器配置为最小化Zn迁移，以便在热熔丝用在高温环境中时维持传感器的激活温度。
图1为示例性热熔丝100。热熔丝100包括弹簧杆105、传感器110、第一基板115和第二基板117。
弹簧杆105可以包括第一端109、弯段112和第二端107。弹簧杆105的第一端109包括构造为粘附至传感器110的顶表面110a的接触表面109a。弹簧杆105的第二端107固定至第二基板117。例如，第二端107可以被焊接、点焊和/或铆接至第二基板117。弹簧杆105可以由诸如金属或合金之类的导电材料制成。弹簧杆105可以具有使得在热熔丝100的温度达到激活温度时弹簧杆105能够以弹簧状方式打开的弹性。例如，激活温度可以约为199℃。
传感器110具有横过X轴的宽度、沿着Y轴的厚度、顶表面110a和底表面110b。传感器110的顶表面110a构造为粘附至弹簧杆105的第一端109的接触表面109a。底表面110b构造为粘附至第一基板115。在一种实施方案中，传感器110可以为一种合金制成，该合金在低于该合金的熔化温度时处于固态。当该合金的温度上升到高于熔化温度时，传感器110可以熔化或失去其弹性。熔化温度可以对应于热熔丝100的激活温度。例如，在汽车应用中，热熔丝100的激活温度可以约为199℃。在一种实施方案中，传感器110可以配置为具有约199℃的熔化温度。
在一些实施方案中，传感器110可以焊料形式，并且可以包括Sn和Zn的混合物。所述焊料可以包括其它元素。例如，所述焊料可以包括Sn/Zn/铋(Bi)，Sn/Zn/铝(A1)，Sn/Zn/铟(In)，Sn/Zn/镓(Ga)，Sn/Zn/In/Bi和Sn/Zn/银(Ag)的混合物。Sn与Zn之比可以为91份Sn比9份Zn(按重量计)。由Sn和Zn的混合物形成的合金具有约199℃的熔点。
可以显示出，传感器110中的Zn倾向于以一速率迁移出传感器110并迁移到接触表面110a和基板115上，该速率取决于传感器110的温度、传感器110周围的湿度、接触传感器110的接触表面的成分，以及传感器110的厚度。当Zn迁移出传感器110时，Sn与Zn之比可以在如图2所示的一些区域中增加。
图2图示了Zn迁移对传感器110成分的影响。参照图2，传感器110包括外部区域205和中央区域207。在中央区域207，Sn与Zn之比随着时间和温度保持相对不变。例如，Sn与Zn之比可以为91份Sn比9份Zn(按重量计)。在外部区域205中，Sn与Zn之比会增加。可以显示出，由于外部区域205中的Sn浓度增加，传感器110在外部区域205中的熔点高于中央区域207中的熔点。传感器110成分这种变化改变了传感器110的整个特性。如果允许太多的Zn迁移出传感器110，则传感器110的有效激活温度或熔点会超过原始激活温度。例如，传感器110的激活温度最初可以为199℃，但在高温环境中运行期间随着时间的过去，传感器110的激活温度可能增加至超过217℃的温度，这是场效应晶体管FET的焊垫可能熔化的温度。如果传感器110的激活温度上升到高于FET中的焊垫可能熔化的温度，则热熔丝不能在FET损坏或分离出现之前激活。
为了克服Zn迁移的问题，在一些实施方案中，传感器110沿着Y轴的总厚度增加，以便传感器110的激活温度在热熔丝的设计寿命期间基本上保持不变。例如，在汽车发动机舱环境中运行的热熔丝的设计寿命可以约为10年。通过改变传感器110的厚度，可以增加或减少热熔丝的设计寿命。例如，增加厚度可以增加设计寿命，减小厚度可以减少设计寿命。可以显示出，如果从传感器110的顶表面110a和底表面110b到传感器110的沿着X轴延伸的中心线210的厚度T 215约为0.10mm(0.004英寸)，假设从顶表面110a到底表面110b的总厚度约为0.20mm(0.008英寸)，则传感器110的中央区域207中的Sn与Zn之比在整个温度、湿度和接触传感器110的表面的成分范围内基本上保持不变。因此，当在高温环境中运行时传感器110的激活温度在设计寿命范围内将基本上保持不变。
可以示出，Zn倾向于迁移到与传感器110接触的接触表面上，直到所述接触表面变为Zn饱和。为了在热熔丝的设计寿命期间维持给定的比，在一些实施方案中，过量的Zn添加至传感器110以补偿Zn在接触表面上的迁移。
在其它实施方案中，通过由包括Ni、金(Au)、铝(Al)、钯(Pd)和/或Zn或其它类似材料形成接触传感器110的表面，可以最小化Zn迁移出传感器110。例如，参照图1，弹簧杆105的第一端109的接触表面109a和基板115可以由包括Ni、Au、Al、Pd和/或Zn的材料制成。
图3图示了用于最小化来自传感器310的Zn迁移的另一种传感器配置300。在配置300中示出的是传感器310、多个层305(可以为Ni)、以及接触表面302。在一些实施方案中，传感器310可以包括包含上述Sn和Zn的合金。Sn与Zn之比可以为91份Sn比9份Zn(按重量计)。所述多个层305以后可以称为第一层和第二层。
接触表面302可以对应于图1中示出的弹簧杆105的第一端109的接触表面109a，并且还对应于基板115。
层305可以沉积或设置在接触表面302和传感器310之间。可以显示出，接触表面302和传感器310之间沉积的基本无孔且均匀的Ni层将最小化来自传感器310的Zn迁移。在一些实施方案中，当层305的厚度T 307约为0.0023mm(0.000090英寸)或更大时可以实现基本无孔且均匀的Ni层。
为了进一步增强传感器310的特性，上述多种实施方式可以组合。例如，如上所述，从传感器310的顶表面和底表面到传感器310的沿着传感器的X轴延伸的中心线的厚度可以配置为约为0.10mm(0.004英寸)或更大，即使从传感器的顶表面到底表面的厚度约为0.20mm(0.008英寸)或更大。除此之外或可替换地，传感器310的层305可以由包括Ni，Au，Al，Pd和/或Zn的材料制成。例如，如果与0.20mm的总传感器厚度结合，Ni用作具有约0.0023mm(0.000090英寸)的厚度T307的层305，则可以减少Zn迁移出传感器310，以便当在高温环境中运行时传感器310的激活温度在热熔丝的设计寿命期间基本上保持不变。
因此，通过使传感器310具有在高的环境温度环境中基本上保持不变的激活温度，上述实施克服了在高的环境温度环境中运行热熔丝的问题。这使得热熔丝的制造适合高温环境，如汽车的发动机舱。
图4A为表示包括具有上述一种或多种特性的热熔丝405的电路400的示意图。示出的是热熔丝405、电源420、开关装置423、功率控制电路407和负载425。热熔丝405连接在电源420和开关装置423的第一接线端之间，并与电源420和开关装置423的第一接线端串联连接。开关装置423的第二接线端可以由功率控制电路407驱动。开关装置423的第三接线端可以连接至负载425。
开关装置423可以对应于场效应晶体管(FET)或其它半导体开关装置。例如，第一、第二和第三接线端可以分别对应于FET的漏极、栅极和源极。功率控制电路407可以对应于可操作以调整输送至负载425的电压和/或电流的电路。功率控制电路407可以产生脉冲图案或其它信号，所述脉冲图案或其它信号引起开关装置443“断开”和“闭合”，并且因此经由第三接线端输出平均直流电压。负载425可以包括一个或多个无源和/或有源电路元件。例如，负载425可以包括电阻器、电容器、电感器、半导体电路和晶体管。负载425可以包括其它器件。
热熔丝405可以对应于图1的热熔丝100。当热熔丝405周围的环境温度低于热熔丝405的激活温度时，热熔丝保持为闭合状态并且电流从电源420流过热熔丝405并流至负载425。例如，在一些实施方案中，当环境低于约199℃，热熔丝405保持闭合状态并且电流流过热熔丝405。
图4B图示了处于电路400的环境温度超过热熔丝405的激活温度的环境中的热熔丝。在这些条件下，热熔丝405中的传感器开始失去其弹性。例如，热熔丝405的传感器可能开始从固态变为液态。当这种情况发生时，传感器开始失去其粘附至接触表面的能力，如粘附至弹簧杆105(图1)的第二端109(图1)的接触表面109a(图1)以及第一基板115(图1)的能力。在这种情况中，弹簧杆105中储存的弹性能使弹簧杆105从第一基板115上分离，将热熔丝405置于电开路状态，因而有效地将负载425从电源420上断开连接。因此，热熔丝能够保护在延长时间周期内在高温环境，如在汽车的发动机舱中运行的电路。
虽然已经参考某些实施方式描述了热熔丝和用于使用该热熔丝的方法，但本领域技术人员将会理解，在不偏离本申请的权利要求的保护范围的条件下可以进行多种变化和可以替换等同物。例如，本领域技术人员将会认识到，可以增加传感器的厚度。可以利用不吸收Zn的其它接触表面材料。除Ni之外的限制Zn迁移的材料可以沉积在接触表面上。而且，上述方案可以组合。
除了这些修改之外，在不偏离权利要求的保护范围的条件下，可以进行其它修改以使特定情况或材料适应所述教导。例如，传感器可以被修改以在图5A的热熔丝中运行。
图5A图示了处于闭合状态的第二示例性热熔丝500。热熔丝500包括第一端部结构545和第二端部结构546、中间结构505、第一传感器510和第二传感器511、以及弹簧515。第一端部、中间和第二端部结构(545，505和546)可以由任何导电材制成，如铜、铝或其它金属，或导电合金。第一端部结构545和第二端部结构546彼此分开，以便电流不能直接在第一端部结构545和第二端部结构546之间流动。第一端部结构545和第二端部结构546中的每一个包括第一端545a和546a以及第二端545b和546b。每个结构的第一端545a和546a包括构造为分别粘附至第一传感器510和第二传感器511的底表面510a和511a的接触表面。
第一端部结构545和第二端部结构546的第二端545b和546b构造为分别粘附至基板560或印刷电路板焊垫。
中间结构505构造为桥接第一端部结构545和第二端部结构546，并包括一对接触表面505a。每个接触表面505a构造为分别粘附至第一传感器510和第二传感器511的顶表面510b和511b。
第一传感器510和第二传感器511可以对应于上述传感器110。例如，传感器510和511具有横过X轴的宽度和沿着Y轴的厚度。传感器510和511可以由一种合金制成，该合金在低于该合金的熔化温度下处于固态。传感器510和511在高于熔化温度的情况下会熔化或失去它们的弹性。熔化温度可以对应于热熔丝500的激活温度。
弹簧515可以为大致圆筒形形状，并且可以包括围绕弹性材料的螺旋，弹性材料例如为金属、合金或其它弹性材料。弹簧515可以定位为覆盖第一端部结构545和第二端部结构546并位于中间结构505的下方。
在运行中，热熔丝500可以连接在电源和负载(如图4A中示出的电源420和负载425)之间并与电源和负载串联。当热熔丝500周围的环境温度低于热熔丝的激活温度时，热熔丝保持为闭合状态，并且电流流过热熔丝并流入电路。例如，电流可以从第一端部结构545流过第一传感器510，流入中间结构505，流过第二传感器511，并流入第二端部结构546。在该运行模式期间，弹簧515在中间结构505与第一端部结构545和第二端部结构546之间保持压缩状态。
当热熔丝500周围的环境温度超过热熔丝500的激活温度时，传感器510和511可能开始失去它们的弹性。在这些情况下，传感器510和511可能失去它们分别粘附至第一端部结构545和第二端部结构546以及中间结构505上的接触表面的能力。在这种情况发生之后，弹簧515中储存的能量推动中间结构505从第一端部结构545和第二端部结构546上分离，如图5B所示。在中间结构505从第一端部结构545和第二端部结构546上分离之后，电流停止流过热熔丝500。
除了这些修改，还可以进行其它修改。例如，上述热熔丝可以构造为经由回流工艺放置在电路板或基板上。例如，保持线(未示出)可以构造为固定热熔丝以防止回流工艺期间的过早激活，如在2009年3月24日递交的美国专利申请No.12/383,560(Matthiesen等人)和2009年3月24日递交的美国专利申请No.12/383,595(Galla等人)中描述的那样，通过参考将这些美国专利申请的全部内容结合于此。因此，意图是，热熔丝和用于使用该热熔丝的方法不限于所公开的特定实施方式，而是落入权利要求的保护范围内的任何实施方式。

Claims (10)

1.一种热熔丝，包括：
第一接触表面；
传感器，包括锡(Sn)和锌(Zn)的混合物，该混合物具有一比率和熔化温度，该传感器限定有顶表面、中央区域和底表面，其中所述顶表面连接至第一接触表面，并且其中传感器的顶表面和底表面之间的距离的大小被形成为当传感器的温度低于所述熔化温度时基本上维持传感器的中央区域中的Sn与Zn的所述比率；和
第二接触表面，连接至所述传感器的底表面；
其中当所述传感器的温度低于所述熔化温度时，所述传感器的中央区域防止所述第一接触表面和所述第二接触表面分离，并且当所述传感器的中央区域高于所述熔化温度时，所述传感器失去弹性，
所述第一接触表面和所述第二接触表面构造为在所述传感器失去弹性时分离。
2.根据权利要求1所述的热熔丝，其中从所述传感器的顶表面到所述传感器的中心线的距离为至少0.0625mm(0.0025英寸)。
3.根据权利要求1所述的热熔丝，其中所述传感器包括91份Sn比9份Zn(按重量计)的混合物。
4.根据权利要求1所述的热熔丝，其中所述第一接触表面和所述第二接触表面包括从由Ni、Au、Al、Pd和Zn构成的组中选择的元素。
5.根据权利要求1所述的热熔丝，还包括所述第一接触表面上的第一层和所述第二接触表面上的第二层，所述第一层和第二层分别构造为基本上防止Zn迁移到所述第一接触表面和所述第二接触表面上，优选地，其中所述第一层和所述第二层包括具有至少0.0023mm(0.000090英寸)厚度的镍(Ni)。
6.根据权利要求1所述的热熔丝，还包括弹簧杆，其中所述第一接触表面定位在弹簧杆的端部，并且所述第二接触表面固定至基板。
7.根据权利要求1所述的热熔丝，其中该热熔丝构造为经由回流工艺进行安装。
8.一种热熔丝，包括：
第一接触表面；
传感器，包括锡(Sn)和锌(Zn)的混合物，该混合物具有熔化温度，该传感器限定有顶表面和底表面，该传感器的顶表面连接至所述第一接触表面；和
第二接触表面，连接至所述传感器的底表面；
其中所述第一接触表面和第二接触表面由一元素制成，当所述传感器的温度低于所述熔化温度时，该元素基本上限制Zn迁移出所述传感器和迁移到所述第一接触表面或所述第二接触表面上，并且当所述传感器高于所述熔化温度时，所述传感器失去弹性，
其中所述第一接触表面和所述第二接触表面构造为在所述传感器失去弹性时分离。
9.根据权利要求8所述的热熔丝，还包括下述中的至少一种：
(a)弹簧杆，其中所述第一接触表面和第二接触表面中的一个定位在所述弹簧杆的端部处并且所述第一接触表面和第二接触表面中的另一个接触表面固定至基板；
(b)卷簧，该卷簧构造为移动所述第一接触表面和所述第二接触表面使第一接触表面和第二接触表面彼此远离；和
(c)保持线，该保持线构造为防止所述第一接触表面和所述第二接触表面移动分开。
10.一种热熔丝。包括：
第一接触表面；
设置在第一接触表面上的第一层；
第二接触表面；
设置在第二接触表面上的第二层；和
传感器，设置在所述第一接触表面的第一层和所述第二接触表面的第二层之间；
所述第一层和第二层构造为基本上防止Zn迁移到所述第一接触表面和所述第二接触表面上，
当所述传感器的温度高于所述传感器的熔化温度时，所述传感器失去弹性，并且
所述第一接触表面和所述第二接触表面构造为在所述传感器失去弹性时分离。
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