CN104658726B - 过电流保护元件及其保护电路板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种过电流保护元件及其保护电路板，该过电流保护元件用于焊接于一电路板表面，其包含PTC材料层、第一电极箔、第二电极箔、焊接区及金属连接件。PTC材料层具有相对的第一和第二表面，第一电极箔物理接触该第一表面，第二电极箔电气连接该PTC材料层的第二表面。第二电极箔和焊接区均位于该过电流保护元件下表面，且焊接区与该第二电极箔隔离。金属连接件位于过电流保护元件的侧表面。其中该第二电极箔用于焊接于该电路板中的电极区，该焊接区与金属连接件用于与该电路板中的相应焊垫焊接固定。
Description
技术领域
本发明涉及一种过电流保护元件以及表面设有该过电流保护元件的保护电路板。该过电流保护元件特别是具有正温度系数(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性。
背景技术
熟知的PTC元件的电阻值对温度变化的反应相当敏锐。当PTC元件于正常使用状况时，其电阻可维持极低值而使电路得以正常运作。但是当发生过电流或过高温的现象而使温度上升至一临界温度时，其电阻值会瞬间跳至一高电阻状态(例如102Ω以上)而将过量的电流反向抵消，以达到保护电池或电路元件的目的。
美国专利US 6,713,210揭示一具过电流保护的电路板结构。IC元件2是设置于电路板1上，PTC元件3则以表面黏着方式固设于该电路板1表面。该PTC元件3是一层叠结构，PTC材料层6是设置于镍箔(或镀镍铜箔)7、7’之间，该镍箔7、7’作为PTC材料层6的电极箔。镍片4是固接于该镍箔7的上表面作为外接电极之用。在镍箔7’的下表面(即相邻于电路板1的表面)另焊接一电极5，相对于PTC元件3成一对称结构。该电极5是电路板1上的电极区块，由此可降低元件的高度，以符合电子装置小型化或薄型化的需要。
PTC元件3是以回焊方式焊接于电路板1，其间强度不及点焊方式，而有可能造成后续组装时PTC元件3自电路板1表面剥离的情况。举例而言，当该电路板1进行组装时，镍片4可能需要弯曲以配合组装时焊接至电池的情形，而弯折镍片4时的拉力及扭力可能破坏PTC元件3和电路板1间的焊接结构，或更甚者将使得PTC元件3自电路板1表面剥离，造成元件毁损。
鉴于以上问题，如何增加PTC元件和电路板间的结合强度，以解决后续制程PTC元件可能产生剥离的问题，实为目前业界所亟欲解决及突破的技术障碍。
发明内容
本发明揭示一种具有PTC特性的过电流保护元件，其焊接于相应电路板表面时，具有较强的结合强度，不易因后续组装的拉力，造成过电流保护元件与电路板剥离的情形。另外，过电流保护元件可提供整个上表面供外接电极焊接之用，无须特定外接电极的焊接区域，因而方便后续焊接制程。
根据本发明的第一方面，揭露一种过电流保护元件，用于焊接于一电路板表面。该过电流保护元件为具有上表面、下表面及连接该上表面和下表面的四个侧表面的方体结构，且包含PTC材料层、第一电极箔、第二电极箔、焊接区及金属连接件。PTC材料层具有相对的第一和第二表面，第一电极箔物理接触该第一表面，第二电极箔电气连接该PTC材料层的第二表面。第二电极箔和焊接区均位于该过电流保护元件下表面，且焊接区与该第二电极箔隔离。金属连接件位于该过电流保护元件侧表面。其中该第二电极箔用于焊接于该电路板中的电极区，该焊接区与金属连接件用于与该电路板中的相应焊垫焊接固定。
根据本发明的第二方面，揭露一种保护电路板，其包含一电路板及在其表面设置的过电流保护元件。过电流保护元件为具有上表面、下表面及连接该上表面和下表面的四个侧表面的方体结构，其包含PTC材料层、第一电极箔、第二电极箔、焊接区及金属连接件。PTC材料层具有相对的第一表面及第二表面，第一电极箔物理接触该第一表面，第二电极箔电气连接该PTC材料层的第二表面。第二电极箔和焊接区位于该过电流保护元件下表面，且焊接区与该第二电极箔隔离。金属连接件位于该侧表面。电路板的表面设有电极区及焊垫，其中该第二电极箔焊接于该电路板中的该电极区，该焊接区与金属连接件焊接于该焊垫。
一实施例中，该焊接区可环绕该第二电极箔设置，且设置于该过电流保护元件下表面的四周边缘。该金属连接件可设置于所有四个侧表面，其可为全铺面(full face)设计。
一实施例中，该焊接区位于过电流保护元件下表面相对的两端部，且该第二电极箔设于两端部焊接区之间。该金属连接件设于焊接区所在两端部的两个侧表面。
一实施例中，该焊接区位于过电流保护元件下表面的角落。该金属连接件是位于相邻两侧表面相接角落的金属导电通孔。
一实施例中，该金属连接件连接该第一电极箔和焊接区。
一实施例中，该金属连接件和电路板间形成爬锡结构。
一实施例中，第一电极箔表面可设置焊块，以供外接电极片直接点焊与其连接。
一实施例中，第二电极箔物理接触该PTC材料层的第二表面。
一实施例中，过电流保护元件另包含绝缘层及第三电极箔，其中绝缘层位于该第一电极箔表面，而第三电极箔位于该绝缘层表面且电气连接该第一电极箔。
一实施例中，过电流保护元件另包含第三电极箔、绝缘层及导电连接件。第三电极箔位于该PTC材料层的第二表面，且与该金属连接件隔离。绝缘层位于该第二电极箔和第三电极箔之间。导电连接件穿过该绝缘层以电气连接该第二及第三电极箔。
一实施例中，该电路板是柔性电路板。该柔性电路板上设置有两个焊块，该两个焊块可分别位于电路板的两端，且分别电气连接该焊接区及第二电极箔。其中该电路板在该两个焊块下方的位置有相应开口，用于提供两侧焊接(例如点焊)。
本发明的过电流保护元件及包含该过电流保护元件的保护电路板，具有增强焊接强度的设计，可解决过电流保护元件于后续组装时可能发生的自电路板剥离的潜在问题。此外，本发明的过电流保护元件的整个上表面可供外接电极进行焊接(例如点焊)，无须精确对位，故可提升生产效率。
附图说明
图1显示熟知的过电流保护元件及其保护电路板；
图2A～2C显示本发明一实施例的过电流保护元件；
图3A显示本发明一实施例的过电流保护元件相应的电路板；
图3B～3D显示本发明一实施例的保护电路板；
图4A、4B显示本发明另一实施例的过电流保护元件及相应的电路板；
图5A、5B显示本发明又一实施例的过电流保护元件及相应的电路板；
图6A、6B显示本发明另一实施例的保护电路板；以及
图7A、7B显示本发明其他实施例的过电流保护元件。
其中，附图标记说明如下：
1 电路板
2 IC元件
3 PTC元件
4 镍片
5 电极区
6 PTC材料层
7、7’ 镍箔
20、30、40、60、70 过电流保护元件
21、31、41 电路板
22、50 保护电路板
23、24 焊块
51 柔性电路板
201、301、401、601、701 PTC材料层
202、302、402、602、702 第一电极箔
203、303、403、603、703 第二电极箔
204、304、404、604、704 焊接区
205、305、405、605、705 绝缘隔离区
206、306、406、606、706 金属连接件
207 爬锡结构
211、311、411 电极区
212、312、412 焊垫
213 电子元件
510 开口
511、512 焊块
607、707 绝缘层
608、708 第三电极箔
609、709 导电连接件
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，并配合所附图式，作详细说明如下。
图2A～2C显示本发明第一实施例的过电流保护元件的示意图。图2A显示过电流保护元件20的立体示意图，图2B则为将过电流保护元件20上下翻转后的示意图，图2C则为图2A沿1-1剖面线的剖面图。过电流保护元件20为具有上表面、下表面及连接该上表面及下表面的四个侧表面的方体结构，其包含PTC材料层201、第一电极箔202及第二电极箔203，其中该PTC材料层201叠设于第一电极箔202和第二电极箔203之间。具体来讲，第一电极箔202是物理接触PTC材料层201的上表面，而第二电极箔203是物理接触PTC材料层201的下表面，形成电气连接。第二电极箔203设于PTC材料层201下表面的中央部位。焊接区204环绕该第二电极箔203设置，亦即设置于该下表面的四周边缘。第二电极箔203和焊接区204均位于该过电流保护元件20下表面，且焊接区204与该第二电极箔203间有绝缘隔离区205进行隔离，绝缘隔离区205可涂布防焊漆。过电流保护元件20的四个侧表面镀上金属层，例如四个侧表面均全部镀满金属层的全铺面设计，形成连接第一电极箔202和焊接区204的金属连接件206。
图3A是一电路板21示意图，其可供过电流保护元件20焊接于其表面，形成如图3B所示的保护电路板22或称保护电路模块(Protective Circuit Module；PCM)。过电流保护元件20的第二电极箔203焊接于该电路板21中的电极区211，且电路板21中相应过电流保护元件20的焊接区204处设计有环状焊垫212，以供与焊接区204进行焊接。电极区211和焊垫212间有隔离分开，另外电路板21上设有焊块23，以连接一外接电极片(图未示)及电路板21中的相关电路。电路板21可依需求设置其他电子元件213，如IC、电阻、电容或电感等。当焊接区204与焊垫212进行表面黏着制程或回焊时，因为过电流保护元件20侧表面有金属连接件206，会受到焊接区204的热传导，因此锡膏会受牵引而产生爬锡现象，即于侧表面产生如图3C所示的爬锡结构207。如此可增强过电流保护元件20固定于电路板21的焊接强度，不易受后续组装的拉力或扭力而产生剥离的情形。
过电流保护元件20的第一电极箔202表面可连接另一外接电极片(图未示)，其可搭配焊块23的外接电极片以形成导电回路。外接电极片可因应电池组装而设计不同形状，例如直条状或各种角度的L型设计，其材质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。
一实施例中，第一电极箔202表面可设置焊块24，如图3D所示，以供直接点焊外接电极片之用。为防止点焊时因高热损坏PTC材料层201，该焊块24必须具有一定的热质量(thermal mass)，且厚度必须大于等于0.1mm、0.2mm或较佳地大于等于0.3mm。具体来讲，焊块23和焊块24可分别连接两外接电极片，形成串联过电流保护元件20的导电回路。
PTC材料层201中含有结晶性高分子聚合物及导电粒子。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、金属碳化物、金属硼化物，或是前述材料的混合物、固溶体或核壳体。例如导电粒子可选自碳化钛(TiC)和碳化钨(WC)、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(TiN)或氮化锆(ZrN)等。
第二电极箔203和焊接区204可由一平面金属薄膜，经一般蚀刻方式(如LaserTrimming，化学蚀刻或机械方式)产生缺口，即形成绝缘隔离区205。第一电极箔202、第二电极箔203及焊接区204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，例如镀镍铜箔、镀锡铜箔等。
图4A显示本发明第二实施例的过电流保护元件30上下翻转后的情况，图4B则是过电流保护元件30相应的电路板31结构，以供过电流保护元件30焊接于其表面。如第一实施例，过电流保护元件30同样包含的PTC材料层301、第一电极箔302及第二电极箔303，而其中第二电极箔303位于过电流保护元件30下方中央处，两侧设有焊接区304，且其间相隔绝缘隔离区305。焊接区304相应的两相对的侧表面设有金属连接件306，其连接第一电极箔302及焊接区304。图4B显示与过电流保护元件30相应的电路板31的示意图。过电流保护元件30的第二电极箔303用于焊接于该电路板31中的电极区311，且电路板31中相应过电流保护元件30的焊接区304处设计有焊垫312，以供其间焊接。电极区311和焊垫312间有隔离分开。当过电流保护元件30焊接于电路板31上时，因金属连接件306连接于焊接区304，故会传导来自焊接区304的热，而于金属连接件306和电路板31间形成爬锡结构，增强结合强度。类似地，第一电极箔302表面也可设置如图3D所示的焊块，以供直接点焊外接电极片之用。
图5A显示本发明第三实施例的过电流保护元件40上下翻转的情况，图5B则是过电流保护元件40相应的电路板41结构，以供过电流保护元件40焊接于其表面。如第一实施例，过电流保护元件40同样包含的PTC材料层401、第一电极箔402及第二电极箔403，而其中第二电极箔403位于过电流保护元件40下表面中央处，且下表面的四个角落设有焊接区404，且第二电极箔403和焊接区404之间相隔绝缘隔离区405。焊接区404相应的相邻侧表面的连接角落设有沿垂直方向延伸的金属连接件406，其可为连接第一电极箔402及焊接区404的金属导电通孔。图5B显示焊接区404的相应的电路板41示意图。过电流保护元件40的第二电极箔403焊接于该电路板41中的电极区411，且电路板41中相应过电流保护元件40的焊接区404处设计有焊垫412，以供焊接区404进行焊接。电极区411和焊垫412间有隔离而未连接。当过电流保护元件40焊接于电路板41上时，因金属连接件406连接于焊接区404，故会传导来自焊接区404的热，而于金属连接件406和电路板41间形成爬锡结构，增强结合强度。类似地，第一电极箔402表面可设置如图3D所示的焊块，以供直接点焊外接电极片之用。
上述第一至第三实施例中，是将焊接区204、304及404和焊垫212、312和412进行焊接，其原则上仅作物理固定用，本身并不提供电气传输的功能。位于上表面的第一电极箔202、302、402为没有图案的完整铺面设计，故外接电极可直接焊接或设置焊块，增加使用上的便利性。
参照图6A，在实际应用上，除传统的玻璃纤维电路板(例如FR-4)外，焊接过电流保护元件的电路板也可采用柔性电路板(Flexible Printed Circuit；FPC)。以前述第一实施例的过电流保护元件20为例，可利用相同或相似方式焊接于柔性电路板51上，形成保护电路板50。柔性电路板51两侧可设置焊块511、512，作为外接电极。本设计可将第二电极箔203和焊接区204分别作为过电流保护元件20的两电极，提供电气传输功能，且其分别电气连接两侧焊块511、512，形成电气导通。具体而言，两侧焊块511、512串联其间的过电流保护元件20，此时焊接区204提供电流传输的功能。柔性电路板51具可弯折的特性，可依需求形成如L型的结构，以便焊接于例如二次电池。
以使用FPC设计而言，其有较佳的散热的功能而可提高元件的维持电流值，且因FPC具有弯折功效，故组装上有相当大的弹性。另外，连接第二电极箔203与焊块511以及连接焊接区204与焊块512的电气连接可用简单的印刷电路板(PCB)制作导电铜线而成，具有简化制程和节省成本的功效。
图6B是过电流保护元件50的仰视图。柔性电路板51可为一般传统的结构，或如图6B特地在焊块511及512相应处形成开口510，如此焊块511和512上下两侧均可作为焊接(例如点焊)介面，可提高组装时的便利性。
图7A揭示另一实施例的过电流保护元件60，其包含PTC材料层601、第一电极箔602、第二电极箔603、焊接区604、绝缘层607、第三电极箔608以及金属连接件606。该PTC材料层601叠设于第一电极箔602和第二电极箔603之间。详言之，第一电极箔602是物理接触PTC材料层601的上表面，而第二电极箔603是物理接触PTC材料层601的下表面。绝缘层607位于该第一电极箔602表面，其可为预浸玻纤材料(prepreg)。第三电极箔608位于该绝缘层607表面，且电气连接该第一电极箔602。焊接区604和第二电极箔603位于该过电流保护元件60的下表面，且其间利用绝缘隔离区605进行隔离。金属连接件606位于元件60侧表面，且连接焊接区604、第一电极箔602及第三电极箔608。较佳地，该第一电极箔602和第三电极箔608之间可使用一个或多个导电连接件609连接，以加速排除PTC材料层601产生的热，从而增加过电流保护元件60的维持电流值(hold current)。按此实施例，因增加的绝缘层607的设计，第三电极箔608可直接进行点焊，而不致于损害PTC材料层601。
图7B揭示另一实施例的过电流保护元件70，其包含PTC材料层701、第一电极箔702、第二电极箔703、焊接区704、绝缘层707、第三电极箔708以及金属连接件706。该PTC材料层701叠设于第一电极箔702和第三电极箔708之间。详言之，第一电极箔702是物理接触PTC材料层701的上表面，而第三电极箔708是物理接触PTC材料层701的下表面。焊接区704和第二电极箔703位于该过电流保护元件70的下表面，且其间利用绝缘隔离区705进行隔离。绝缘层707位于该第三电极箔708和第二电极箔703之间，其可为预浸玻纤材料(prepreg)。第二电极箔703位于该绝缘层707表面，且需电气连接该第三电极箔708。金属连接件706位于元件70的侧表面，以连接焊接区704及第一电极箔702。该第二电极箔703和第三电极箔708之间可使用一个或多个导电连接件709连接，进行电气导通。
综上，本发明的过电流保护元件利用特殊设计可于过电流保护元件的侧表面与电路板之间形成爬锡结构，从而增加焊接于电路板的结合强度，以避免后续制程因扭力或拉力过大造成过电流保护元件自电路板表面剥离。另外，过电流保护元件的上电极箔较佳地为不具图案的全铺面设计，便于连接外接电极。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示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揭示，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所涵盖。
Claims (18)
1.一种过电流保护元件，用于焊接于一电路板表面，该过电流保护元件为具有上表面、下表面及连接该上表面和下表面的四个侧表面的方体结构，且包含：
PTC材料层；
第一电极箔，物理接触该PTC材料层的第一表面；
第二电极箔，位于该过电流保护元件的下表面，且电气连接该PTC材料层相对于该第一表面的第二表面；
焊接区，位于该过电流保护元件的下表面，且与该第二电极箔隔离；以及
金属连接件，位于该过电流保护元件的侧表面；
其中该焊接区相对于该第二电极箔成对称；
其中该第二电极箔用于焊接于该电路板中的电极区，该焊接区与金属连接件用于与该电路板中的相应焊垫焊接固定，且该焊接区不提供电气传输的功能。
2.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该焊接区环绕该第二电极箔设置，且设置于该过电流保护元件下表面的四周边缘。
3.根据权利要求2所述的过电流保护元件，其中该金属连接件设置于该过电流保护元件的所有四个侧表面。
4.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该焊接区位于该过电流保护元件下表面相对的两端部，且该第二电极箔设于两端部焊接区之间。
5.根据权利要求4所述的过电流保护元件，其中该金属连接件设于焊接区所在两端部的两个侧表面。
6.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该焊接区位于该过电流保护元件下表面的角落。
7.根据权利要求6所述的过电流保护元件，其中该金属连接件是位于相邻两侧表面相接角落的金属导电通孔。
8.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该金属连接件连接该第一电极箔和焊接区。
9.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该第二电极箔物理接触该PTC材料层的第二表面。
10.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该第一电极箔表面设有一焊块，供与外接电极片点焊连接。
11.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其还包含：
绝缘层，位于该第一电极箔表面；以及
第三电极箔，位于该绝缘层表面，且电气连接该第一电极箔。
12.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其还包含：
第三电极箔，位于该PTC材料层的第二表面，且与该金属连接件隔离；
绝缘层，位于该第二电极箔和第三电极箔之间；以及
导电连接件，穿过该绝缘层以电气连接该第二电极箔及该第三电极箔。
13.一种保护电路板，包含：
一过电流保护元件，为具有上表面、下表面及连接该上表面和下表面的四个侧表面的方体结构，其包含：
PTC材料层；
第一电极箔，物理接触该PTC材料层的第一表面；
第二电极箔，位于该过电流保护元件的下表面；
焊接区，位于该过电流保护元件的下表面，且与该第二电极箔隔离；及
金属连接件，位于该过电流保护元件的侧表面；以及
一柔性电路板，为长条状，其表面设有电极区及焊垫；
其中该焊接区相对于该第二电极箔成对称；
其中该柔性电路板设置有两个焊块，该两个焊块分别电气连接该焊接区及第二电极箔，该两个焊块设于该柔性电路板的两端，且该过电流保护元件位于该两个焊块之间；
其中该第二电极箔焊接于该柔性电路板中的该电极区，该焊接区与金属连接件焊接于该焊垫。
14.根据权利要求13所述的保护电路板，其中该焊接区环绕该第二电极箔设置，且设置于该过电流保护元件下表面的四周边缘。
15.根据权利要求13所述的保护电路板，其中该焊接区位于该过电流保护元件下表面相对的两端部，且该第二电极箔设于两端部焊接区之间。
16.根据权利要求13所述的保护电路板，其中该焊接区位于该过电流保护元件下表面的角落，且该金属连接件是位于相邻两侧表面相接角落的金属导电通孔。
17.根据权利要求13所述的保护电路板，其中该金属连接件和柔性电路板间有爬锡结构。
18.根据权利要求13所述的保护电路板，其中该柔性电路板于该两个焊块下方的位置有相应开口，用于提供两侧焊接。
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