CN111696738A

CN111696738A - 过电流保护元件

Info

Publication number: CN111696738A
Application number: CN201910189137.9A
Authority: CN
Inventors: 曾郡腾; 王绍裘
Original assignee: Polytronics Technology Corp
Current assignee: Polytronics Technology Corp
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: CN111696738B

Abstract

一种过电流保护元件具有包括上下表面及四个侧表面的六面体结构。该过电流保护元件包含PTC元件、第一绝缘层、第一电极层及第二电极层。该PTC元件包含第一导电层、第二导电层及PTC材料层。第一导电层设于PTC材料层的第一表面，该第二导电层设于该PTC材料层的第二表面，该第二表面位于该第一表面的相对侧。该第一导电层由至少一间隔分隔成第一导电区块和第二导电区块。该第一绝缘层设置于该第一导电层表面。第一电极层设置于该第一绝缘层表面，且电气连接该第一导电区块。第二电极层设置于该第一绝缘层表面，且电气连接该第二导电区块。该间隔包含一主要部分不与该第一电极层和第二电极层的纵向平行。

Description

过电流保护元件

技术领域

本发明涉及一种热敏电阻，特别涉及一种过电流保护元件。

背景技术

正温度系数元件(Positive Temperature Coefficient；PTC)可被用于保护电路，使其免于因过热或流经过量电流而损坏。正温度系数元件通常包含两电极及位在两电极间的电阻材料。此电阻材料具正温度系数特性，亦即在室温时具低电阻值，而当温度上升至一临界温度或电路上有过量电流产生时，其电阻值可立刻跳升数百或数千倍以上，借此抑制过量电流通过，以达到电路保护的目的；或应用于过温度检测电路，可预先检测周围温度，以指示后端电路启动过温度保护动作，如关机或停止供电等动作。当温度降回室温后或电路上不再有过电流的状况时，正温度系数元件可回复至低电阻状态，而使电路重新正常操作。此种可重复使用的优点，使正温度系数元件取代保险丝或其他温度感测元件，而被更广泛运用在高密度电子电路上。

未来的电子产品，将朝着具有轻、薄、短、小的趋势发展，以使得电子产品能更趋于迷你化。例如以手机而言，PTC过电流保护元件的设置于保护电路模块(ProtectiveCircuit Module；PCM)上，其外接电极片将占据一定的空间，因此小型化的过电流保护元件有其强烈需求。在表面粘着元件(Surface mountable device；SMD)的过电流保护应用上，如何将元件做小至例如0402或0201规格，实为当今技术上的一大挑战。

传统的PTC SMD结构通常会采蚀刻金属层(例如铜层)来隔离形成左右电极，在大尺寸元件设计下，整体上下金属层面积仍有足够的结构强度，但随着元件尺寸做得更小，此种蚀刻隔离设计会使得整体上下金属层面积相对变得不足，导致结构强度变弱，因此于回焊受热时容易因PTC材料膨胀造成弯曲变形或破坏，而此变形将影响元件关于耐电压及电阻特性的稳定性。

发明内容

本发明公开一种过电流保护元件，其具有过电流保护及/或温度感测功能。本发明的过电流保护元件包含PTC材料层及其表面的第一及第二导电层，并以间隔(isolation)或沟槽(trench)分隔该第一导电层为两个导电区块，间隔与下方金属焊垫沿不同方向延伸，使得两导电区块和金属焊垫交叠建构来增强结构强度，从而避免PTC材料层快速膨胀时可能造成元件变形损坏。

根据本发明的一实施例，一种过电流保护元件具有包括上下表面及四个侧表面的六面体结构。该过电流保护元件包含PTC元件、第一绝缘层、第一电极层及第二电极层。该PTC元件包含第一导电层、第二导电层及PTC材料层。第一导电层设于PTC材料层的第一表面，该第二导电层设于该PTC材料层的第二表面，该第二表面位于该第一表面的相对侧。该第一导电层由至少一间隔分隔成第一导电区块和第二导电区块。该第一绝缘层设置于该第一导电层表面。第一电极层设置于该第一绝缘层表面，且电气连接该第一导电区块。第二电极层设置于该第一绝缘层表面，且电气连接该第二导电区块。该间隔包含一主要部分不与该第一电极层和第二电极层的纵向平行。

一实施例中，该第一电极层和第二电极层为长条状，沿第一方向延伸，该间隔的主要部分沿第二方向延伸，该第二方向不与第一方向平行。

一实施例中，该间隔沿该第一导电层的斜线延伸。

一实施例中，该间隔沿该第一导电层的对角线延伸。

一实施例中，该第一导电区块和第二导电区块有相同面积。

一实施例中，该间隔连接两个相邻侧表面。

一实施例中，该间隔为弧形或L形构造。

一实施例中，该第二导电区块的面积是该第一导电区块面积的1.2倍以上。

一实施例中，该第一导电区块电气连接该第二导电层。

一实施例中，该第一导电层由二间隔交叉分隔成该第一导电区块和第二导电区块。

一实施例中，该第一导电区块的面积占该第一导电层的面积的1/5～1/3，且该第二导电区块的面积占该第一导电层的面积的1/5～1/3。

一实施例中，该四个侧表面转角处设置绝缘件。

一实施例中，该第一导电层的2个相对侧边不暴露于相应的该侧表面。

一实施例中，该过电流保护元件另包含一设置于该第二导电层表面的第二绝缘层。

一实施例中，该第二导电层由另一间隔分隔成2个导电区块，该第一导电层的间隔和第二导电层的间隔呈现交叉。

本发明的过电流保护元件将内层金属层的间隔和金属焊垫设计出不同的延伸方向，从而增强元件的结构强度。因此，即使因小型化使得元件金属层面积较小时，仍可提供足够的强度来抵抗回焊或PTC材料膨胀时的变形，特别适合于0402或0201的规格应用。

附图说明

图1显示本发明一实施例的过电流保护元件的立体示意图。

图2显示图1中的过电流保护元件上下翻转后的立体示意图。

图3～5显示图1中的过电流保护元件的内部构件示意图。

图6显示图1中沿1-1剖面线的剖面示意图。

图7显示图1中的过电流保护元件的电路示意图。

图8显示本发明另一实施例的过电流保护元件的立体分解示意图。

图9显示本发明另一实施例的过电流保护元件中的第一导电层示意图。

图10显示本发明又一实施例的过电流保护元件中的第一导电层示意图。

图11显示本发明另一实施例的过电流保护元件的电路示意图。

图12显示本发明一实施例的过电流保护元件焊接于电路板上的示意图。

图13显示本发明再一实施例的过电流保护元件中的第一导电层示意图。

图14显示本发明另一实施例的过电流保护元件焊接于电路板上的示意图。

图15显示本发明一实施例的过电流保护元件的立体分解示意图。

图16显示图15所示的过电流保护元件的电路示意图。

图17显示本发明另一实施例的过电流保护元件的内部构件立体分解示意图。

附图标记说明：

10、25、40、60：过电流保护元件

11：PTC元件

12、32、42：第一导电层

13、33、43：PTC材料层

14、34、44：第二导电层

15、35：第一绝缘层

16、36：第二绝缘层

17：第一电极层

18：第二电极层

19、351、352：导电孔

20、361、362：导电孔

21、45、46：导电件

22、41：绝缘件

30：电路板

31：焊料

37、38、39、50：电极层

121、221：第一导电区块

122、222：第二导电区块

123、124、323、343、423、443：间隔

124：侧边

125：侧边

223：第三导电区块

224：第四导电区块

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附图来进行详细说明。

图1显示本发明一实施例的过电流保护元件的立体示意图，图2则是将图1中的过电流保护元件上下翻转后的示意图。就外观而言，过电流保护元件10具有六面体结构，其包括上下表面及四个侧表面。过电流保护元件10包含PTC元件11、第一绝缘层15、第二绝缘层16、第一电极层17及第二电极层18。PTC元件11为包含第一导电层12、第二导电层14及PTC材料层13的层叠结构，该第一导电层12设于该PTC材料层13的第一表面，第二导电层14设于该PTC材料层13的第二表面，其中该第二表面位于第一表面的相对侧。第二绝缘层16设置于该第二导电层14的表面。第一绝缘层15设置于该第一导电层12表面，且第一绝缘层15的下表面设置有第一电极层17和第二电极层18。第一电极层17和第二电极层18为长条状，分别设置于该第一绝缘层15的纵向两端，作为焊接至电路板的金属焊垫。一实施例中，第一电极层17和第二电极层18表面可以镀锡，以改善焊接效果。第一绝缘层15和第二绝缘层16可为预浸玻璃纤维材料(prepreg)，第一导电层12和第二导电层14可为铜箔等金属层。另外，四个侧表面的转角处设有绝缘件22，一实施例中绝缘件22为1/4圆柱型。绝缘件22的材质可为prepreg或树脂，其比PTC材料层13强韧，也不像第一导电层12和第二导电层14有金属延展性，因此在切割时可提供保护，大幅降低毛边的发生。绝缘件22的材质并不限于前述prepreg和树脂，只要例如绝缘性和硬度等特性达到所需，如其他聚合物材料等，也为本发明所涵盖。

PTC材料层13中含有结晶性高分子聚合物及散布于结晶性高分子聚合物中的导电填料。结晶性高分子聚合物材料可包括例如聚乙烯、聚丙烯、聚氟烯、前述的混合物及共聚合物等。导电填料可为碳黑、金属粒子、金属碳化物、金属硼化物、金属氮化物等。例如：导电填料中的金属粉末可选自镍、钴、铜、铁、锡、铅、银、金、铂或其他金属及其合金。导电填料中的导电陶瓷粉末可选自金属碳化物，例如：碳化钛(TiC)、碳化鵭(WC)、碳化钒(VC)、碳化锆(ZrC)、碳化铌(NbC)、碳化钽(TaC)、碳化钼(MoC)及碳化铪(HfC)；或选自金属硼化物，例如：硼化钛(TiB₂)、硼化钒(VB₂)、硼化锆(ZrB₂)、硼化铌(NbB₂)、硼化钼(MoB₂)及硼化铪(HfB₂)；或选自金属氮化物，例如：氮化锆(ZrN)。此外，导电填料可选自前述金属或导电陶瓷的混合物、合金、硬质合金、固溶体(solid solution)或核壳体(core-shell)。

图3显示第二导电层14的平面示意图，该第二导电层14为矩形或通常为长方形。于本实施例中，四个角落顺应绝缘件22的形状而呈现弧形。图4显示第一导电层12的平面示意图，第一导电层12由一间隔123分隔成第一导电区块121和第二导电区块122。间隔123使用斜线或特别是沿第一导电层12的对角线来进行分隔，且优选的该第一导电区块121和第二导电区块122具有相同面积。图5显示第一绝缘层15的平面示意图，第一电极层17设置于该第一绝缘层15表面，且通过导电孔19电气连接该第一导电区块121。第二电极层18设置于该第一绝缘层15表面，且通过导电孔20电气连接该第二导电区块122。为了对应于第一导电区块121和第二导电区块123的位置以便于电气连接，导电孔19和20的位于第一绝缘层15斜向相对的两个角落。

图6显示图1中沿1-1剖面线的剖面结构示意图，图1中1-1剖面线经过导电孔19、元件中心处以及导电孔20。导电孔19穿过第一绝缘层15，连接第一导电区块121和第一电极层17，形成电气导通。导电孔20穿过第一绝缘层15，连接第二导电区块122和第二电极层18，形成电气导通。由图6可清楚了解，过电流保护元件10中形成一个导电路径依序包括第一电极层17、导电孔19、第一导电区块121、PTC材料层13、第二导电层14、PTC材料层13、第二导电区块122、导电孔20及第二电极层18。因为电流路径会经过PTC材料层13两次，因此会形成串联2个PTC电阻的电路，如图7所示。

再参看图4和图5，间隔123沿第一导电层12的斜线延伸，不与该第一电极层17和第二电极层18的纵向平行。因为导电层或电极层的材料通常为金属，其强度大于以聚合物为主的PTC材料，如果间隔123与第一电极层17和第二电极层18的纵向平行，对于元件的纵向力矩的抵抗力较差。过电流保护元件10回焊于电路板或后续过电流或过温度发生导致PTC材料膨胀时，容易造成元件变形或塌陷。本发明通过间隔123不与该第一电极层17和第二电极层18的纵向平行的设计，有效增加了元件对于纵向力矩的抵抗强度，进而避免元件变形的问题。另外，相比于现有技术，本发明无侧边金属导通孔设计，不受爬锡时应力影响。

图8显示本发明另一实施例的过电流保护元件25的立体分解示意图。相比于前述实施例，过电流保护元件25的第一导电层12利用间隔123和124交叉分隔成第一导电区块221、第二导电区块222、第三导电区块223和第四导电区块224等4个导电区块。本实施例中，间隔123和124沿第一导电层12的两个对角线交叉，然而斜线交叉也为本发明所涵盖。导电孔19约位于第一电极层17的中央，电气连接第一导电区块221和第一电极层17。导电孔20约位于第二电极层18的中央，电气连接第二导电区块222和第二电极层18。此设计中第三导电区块223和第四导电区块224并无电流通过，因此按电路设计考量并非必要构件而可去除，但其有增加结构强度的功效。相比于图4所示的2个第一导电区块121和第二导电区块122，本实施例中第一导电区块221和第二导电区块222的面积明显较小或约只有其一半。按电阻公式，较小的电极有效面积可提供较大的电阻，可符合高电阻的需求。在高电阻的应用上，优选地，第一导电区块221的面积占第一导电层12的面积的约1/5～1/3，且第二导电区块222的面积占第一导电层12的面积的约1/5～1/3。实际应用上，第一导电区块221和第二导电区块222并没有形状上的限制，也可能为圆型、椭圆形或其他形状。

图9显示本发明另一实施例的过电流保护元件中的第一导电层示意图。间隔123为弧形，两端连接元件相邻的侧表面，将第一导电层22分隔成第一导电区块121和第二导电区块122。弧形间隔123所包围的转角设置导电件21，连接至上方的第二导电层14，使得第一导电区块121和第二导电层14形成电气导通。此时电流路径上PTC材料层13的有效面积相当于第二导电区块122的面积。图10显示本发明又一实施例的过电流保护元件中的第一导电层示意图。间隔123为L形，两端连接元件相邻的侧表面，将第一导电层22分隔成第一导电区块121和第二导电区块122。弧形间隔123所包围的转角设置导电件21，连接至上方的第二导电层14，使得第一导电区块121和第二导电层14形成电气导通。图9和图10所示的第一导电层12的间隔123都包含弯曲和水平的主要部分不与该第一电极层17和第二电极层18的纵向平行，从而提供元件对于纵向力矩的抵抗强度，避免元件变形。导电件21连接下方的第一导电区块121和上方的第二导电层14，因此电流直接流经导电件21，不会经过两者间的PTC材料层13。为了保持电流通路上PTC材料层13有足够的有效面积，优选的第二导电区块122的面积为第一导电区块121面积的1.2倍、1.5倍或2倍以上。进一步，电流会流经位于第二导电区块122和第二导电层14之间的PTC材料层13，形成包含一个PTC电阻的电路，如图11所示。

图12显示本发明的过电流保护元件焊接或表面粘着于电路板的示意图。过电流保护元件10下表面的第一电极层17和第二电极层18作为焊接至电路板30的焊垫，利用焊料31焊接至电路板30。因为焊料31在过电流保护元件10邻近第一电极层17和第二电极层18的4个侧表面会产生爬锡现象，若第一电极层17和第二电极层18的焊料31都触及第一导电层12，将造成电气短路，电流根本不会经过PTC材料层13来提供保护。虽然造成此问题的机率不大，但本发明提出以下的解决方法。参照图13，类似前例，第一导电层12以间隔123分隔成第一导电区块121和第二导电区块122，不过长侧边内缩。图13中虚线显示图4中的2个侧边124和125的位置，而本实施例内缩至实线的位置，内缩区域则由第一绝缘层15填补。这样一来第一导电层12的纵向侧边不会暴露在过电流保护元件40的两个相应的侧表面，如图14所示，从而避免前述因爬锡造成短路问题。

在以上实施例中，因为作为焊垫的第一电极层17和第二电极层18在下方，因此焊接时要考虑方向性的问题。实际上也可在元件上下表面都形成焊垫，以免除焊接时辨识方向的步骤。图15显示过电流保护元件60的立体分解图，过电流保护元件60包括第一导电层32、PTC材料层33、第二导电层34、第一绝缘层35、第二绝缘层36、电极层37、38、39和50以及4个绝缘件41。相比于前述的过电流保护元件10，过电流保护元件60在第二导电层34中也形成有间隔343，该间隔343和第一导电层32中的间隔323呈现交叉，且在第二绝缘层36的表面也设置电极层39和50。电极层37和38分别通过导电件351和352电气连接第一导电层32中以间隔323分隔的两个导电区块。电极层39和50分别通过导电件361和362电气连接第二导电层34以间隔343分隔的两个导电区块。借此，电极层37、38或电极层39、50可择一组作为焊接界面，而没有焊接方向性的问题。因为间隔323和343交叉的关系，不论是以电极层37、38或电极层39、50作为焊接界面，均会形成如图16所示的电路。

为免除焊接元件方向性的辨识步骤，同样可将图9和图10示出的原本的设计进行修改。以图9为例进行修改，以下设计可免除焊接方向性的辨识步骤。为求附图简洁以利说明，图17只显示内部的核心构件，上下绝缘层及电极层则加以省略。第一导电层42和第二导电层44分别位于PTC材料层43的相对表面，第一导电层42的间隔423在左上方，第二导电层44的间隔443在右下方，且左上转角和右下转角分别以导电件45和46连接第一导电层42和第二导电层44。第一导电层42的不同导电区块可电气连接至下层的2个电极层或焊垫，第二导电层44的不同导电区块可电气连接至上层的2个电极层或焊垫。如此一来，不论是第一导电层42或第二导电层44所电气连接的焊垫都可以作为电流输出输入的界面，因此没有焊接方向性的问题。

本发明以上实施例中，将第一导电层的间隔方向不与第一电极层和第二电极层的纵向方向平行，增加元件对于PTC材料膨胀时抵抗变形的强度，且利用上下绝缘层提供结构支撑，以及于元件4个转角处形成绝缘件减少切割可能产生的毛边，特别适于元件小型化的应用，例如规格为0402和0201尺寸的产品。此外，本发明可根据需求制作出包含1个或2个以上PTC电阻的电路元件，从而提供设计上的弹性。

本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域普通技术人员仍可基于本发明的教导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，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本申请权利要求所涵盖。

Claims

1.一种过电流保护元件，具有包括上下表面及四个侧表面的六面体结构，该过电流保护元件包含：

一PTC元件，包含第一导电层、第二导电层及PTC材料层，该第一导电层设于该PTC材料层的第一表面，该第二导电层设于该PTC材料层的第二表面，该第二表面位于该第一表面的相对侧，该第一导电层由至少一间隔分隔成第一导电区块和第二导电区块；

一第一绝缘层，设置于该第一导电层表面；

一第一电极层，设置于该第一绝缘层表面，且电气连接该第一导电区块；以及

一第二电极层，设置于该第一绝缘层表面，且电气连接该第二导电区块；

其中该间隔包含一主要部分不与该第一电极层和第二电极层的纵向平行。

2.根据权利要求1的过电流保护元件，其中该第一电极层和第二电极层为长条状，沿第一方向延伸，该主要部分沿第二方向延伸，该第二方向不与第一方向平行。

3.根据权利要求1的过电流保护元件，其中该间隔沿该第一导电层的斜线延伸。

4.根据权利要求1的过电流保护元件，其中该间隔沿该第一导电层的对角线延伸。

5.根据权利要求1的过电流保护元件，其中该第一导电区块和第二导电区块有相同面积。

6.根据权利要求1的过电流保护元件，其中该间隔连接两个相邻侧表面。

7.根据权利要求6的过电流保护元件，其中该间隔为弧形或L形构造。

8.根据权利要求6的过电流保护元件，其中该第二导电区块的面积是该第一导电区块面积的1.2倍以上。

9.根据权利要求8的过电流保护元件，其中该第一导电区块电气连接该第二导电层。

10.根据权利要求1的过电流保护元件，其中该第一导电层由二间隔交叉分隔成该第一导电区块和第二导电区块。

11.根据权利要求10的过电流保护元件，其中该第一导电区块的面积占该第一导电层的面积的1/5～1/3，且该第二导电区块的面积占该第一导电层的面积的1/5～1/3。

12.根据权利要求1的过电流保护元件，其中该四个侧表面转角处设置绝缘件。

13.根据权利要求1的过电流保护元件，其中该第一导电层的2个相对侧边不暴露于相应的该侧表面。

14.根据权利要求1的过电流保护元件，其另包含一设置于该第二导电层表面的第二绝缘层。

15.根据权利要求1的过电流保护元件，其中该第二导电层由另一间隔分隔成2个导电区块，该第一导电层的间隔和第二导电层的间隔呈现交叉。