CN1697092B - 具有整体焊接板的表面可安装pptc器件 - Google Patents
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Abstract
一种表面安装电路保护器件(10)包括,具有第一和第二主面以及其间的厚度的PTC电阻元件(12)。基本上与该第一表面同延的第一电极层由适合于焊接至印刷电路基板的类型的第一金属材料形成。在第二主面处形成的第二电极包括形成或限定焊接板(18)的结构。该金属焊接板具有能承受连接片(34)的电阻微点焊接的热质量和厚度,且不会对器件有大的损害。该器件最好被表面安装至印刷电路板组件(20),该印刷电路板组件形成通过电池组连接片连接至电池组/电池的电池组保护电路,其中电池组连接片中的一个被微点焊接至器件的焊接板。
Description
技术领域
本发明涉及电路元件。更具体地,本发明涉及一种包括其上可被电阻焊接导体连接片(例如—种适合于电池组的连接片)的焊接板的可表面安装的聚合物正温度系数(PPTC)器件连接片。
背景技术
众所周知,有一种包括印刷电路板和表面安装到该印刷电路板的PPTC器件的电池或电池组保护电路。有一种形成在包括PPTC器件的印刷电路板上的电路,其作用是在安全限定内调整流自和/或流向电池或电池组的电流。在这种现有装置中,来自电池或电池组的连接片一般通过焊接连接到PPTC器件的薄片电极。这样的现有方法的一个示例在国际公开No.W099/60637(K.K.Ravchem)中公开。另一示例在2003年2月6日公布的共同转让的美国专利申请No.09/923,598中,作为专利申请出版物No.US2003/0026053公开。本申请通过参照而明示包含这些公开的内容。
例如参照的出版物中公开的现有方法的一个缺点在于,来自电池组的i车接片被焊接到PPTC器件的薄片电极。在某些晴况下,该连接片被再次连接到印刷电路板。当PPTC器件通过例如回流焊技术被加热并焊接到印刷电路板的时候,在这样的器件中这些电池组/电池连接片易于被移位或脱离。已经发现,在回流焊操作期间为了保持电池组/电池连接片处于适当的位置,必须使用高温粘着材料或提供高温聚合物上塑压(overwold)结构以将连接片保持在适当的位置。
尽管最好能够将电池组/电池连接片或电池组/电池电极直接焊接到PPTC器件,但PPTC器件的使用者实施的电阻点焊接方法要求必须产生足够的局部加热而将金属熔化,从而将连接片熔化到器件的电极层下面。这里,有效焊接需要的1500℃至1600℃量级的高温,导致PPTC材料的不可逆的损坏,或物理性质和电学性质的破坏。因此,至今仍没有解决通过焊接把电池组/电池电极连接片连接到表面可安装的PPTC器件的需求。
发明内容
为了在后续使用电池组期间保护相关联的PPTC器件并保持其预期功能,我们发现电池组电极连接片的电阻点焊可以通过向PPTC器件提供具有足够大的热质量的焊接板来进行,以经受点焊,不损坏直接面对焊接位置的PPTC材料。
因此,本发明一般目的是提供具有整体形成或分离形成并连接的焊接板的可表面安装的PPTC器件,连接片可电阻焊接至该焊接板,以克服现有技术的局限性和缺点。
本发明的另一目的是提供可表面安装的PPTC器件,连接片可以随后通过使用者以提供可靠的电气和机械连接而焊接至该器件,该连接在PPTC器件的焊料回流焊接至印刷电路板期间不移动,因此能够作为分离的元件制造和提供PPTC器件,再装到包括印刷电路板和电池/电池组的电路中。
本发明的另一目的是提供这样的可表面安装PPTC器件,连接片可(尤其是通过电阻焊)机械固定并电气连接到该PPTC器件,而不改变、损坏或破坏形成PPTC-84q:的聚合物材料。
依照本发明的原理和形态,表面安装电路保护器件包括薄层PTC电阻元件,该电阻元件包括第一和第二主面以及其间的厚度。第一电极层形成在第一主面处且基本上与其同延(coextensive)。该第一电极层是由适合焊接到印刷电路基板以实现器件的表面安装的类型的第一金属材料形成。该保护器件还包括在第二主面上形成的、且基本上与其同延的第二电极层。该第二电极层包括形成或确定焊接板的结构。该焊接板由金属材料形成,例如基本上为纯镍材料,且具有能够经受连接片的微点焊的热质量而对器件没有明显有效的损坏。在一优选实施例中,第二电极层形成为金属薄片层,且焊接板与第二电极层分开形成且通过例如焊料等的导电材料连接层与其连接。在一个优选例中,焊接板包括抬高的中心台区,且该器件具有包围外部边缘,且定义暴露该抬高的中心台区的开口的例如固化的环氧树脂的绝缘盒。在另一实施例中,该焊接板具有0.100mm的最小厚度,且具有0.100mm和0.300mm范围内的厚度,其最优选厚度约为0.250mm。
在本发明的一个关联形态中,电路保护器件是印刷电路板组件的可表面安装元件。在该例中,印刷电路板组件形成电池组保护电路,且通过电池组连接片安装并电性连接到电池组或电池,其中两个电池组连接片中的一个被微点焊接到电路保护器件的焊接板上。
本发明的这些和其他的目的、优点、形态以及特征,在研读了结合附图示出的优选实施例的详细描述之后,当会有更完整的理解。
附图说明
图1是本发明的电路保护器件的侧面放大视图。
图2是本发明的电路保护器件的可选择实施例的侧面和纵面放大视图。
图3是包括图1的电路保护器器件的电池组保护电路组件的侧面放大视图。
图4A是包括图1的电路保护器件的图3的电池组保护电路组件的顶面放大视图,该电路保护器件描述点焊接操作期间电池组连接片的位置公差;以及图4B是类似于图4A视图的视图,表示一开槽连接片到焊接板的电阻微点焊接。
图5是示出在通过点焊接使得相关的电池组连接片连接至电池组的阳极和阴极端子之后,图4的电池组保护电路组件的侧面放大视图。
图6是包括焊接板的电池组保护电路的放大平面视图,其中锂聚合物电池的电池接线端被电阻微点焊接至该焊接板。
具体实施方式
本发明的电路保护器件包括由例如导电聚合物结构的PTC材料组成的薄膜电阻元件。这样的导电聚合物结构包括一种聚合物成分,且其中分散着微粒导电填充物,例如金属或黑烟末。导电聚合物结构在美国专利第4,237,441号(van Konynenburg等)、第4,304,987号(vanKonynenburg)、第4,514,620号(Cheng鞠、第4,534,889号(van Konynenburg等)、第4,545,926号(outs等)、第4,724,417号(Au 等)、第4,774,024 号(Deep)、第4,935,156 号(van Konynenburg等)、第5,049,850号(Evans等)、第5,378,407号(Chandler等)、第5,451,919号(Chu争、第5,582,770-号(Chu等)、第5,747,147号(Wartenberg等)、第5,801,612号(Chandler等)、第6,130,597号(Toth勒、第6358,438号(Isozaki等)和第6,362,721号(Chen等)中作了公开。本申请通过参照而包括这些专利的各自公开内容。由于具有比体现PTC性能的陶瓷组合物更低的电阻率且更容易制造,导电聚合物结构被优选采用。
“PTC性能”指那些在相对小的温度范围内随着温度增长而电阻率表现明显增长的结构所具有的性能。术语“PTC'’用于指具有至少2.5的R14值和/或至少10的R100值的结构或器件,且优选该结构或器件具有至少6的R30值,其中R14是14℃范围的终点和起点处的电阻率之比,R100是100℃范围的终点和起点处的电阻率之比,R30是30℃范围的终点和起点处的电阻率之比。
PTC电阻元件具有厚度t,该厚度依据导电聚合物结构的特定应用以及电阻率而变化。一般,该厚度t是0.051至2.5mm(0.002至0.100英寸),优选0.08至2.0mm(0.003至0.080英寸),特别优选O.13至0.51mm(O.005至0.020英寸),例如选择0.13mm或0.25mm(0.005英寸或0.010英寸)。
本发明的器件最优选基本平坦的、具有两个主面或主表面的矩形盒状。这些器件包括在主面处固定或限定的第一和第二薄层电极。这些电极优选金属薄层电极。第一电极形成于或固定于第一主面,第二电极形成于或固定于第二主面,因此得到薄层结构。特别适合的薄层电极具有至少一个微粗造表面,例如电镀层,优选电镀镍或铜。适合的电极在美国专利第4,689,475号(Matthiesen)、第4,800,253号(Kleiner等)、第5,874,885号(Chandler等)和第6,570,483号(Chandler等)中公开,本申请通过参照而包括上述每个公开的内。这些电极可以通过压缩一模塑(compression-moldin劫、压挤一层叠(I如4amination)或任何其他适合的方法连接到电阻元件。这些电极可以直接固定在电阻元件上或通过粘着或束缚的方式连接。对于某些器件,最好第一和第二薄层电极包括通过直接在FTC电阻元件上沉积金属(例如通过电镀、溅镀或化学沉积)而形成的金属层。
例如通过回流焊技术,将一般由镍形成的适合尺寸的焊接板焊接至第一和第二薄层电极中的一个。该焊接板具有厚度tw,以及可充分有效地吸收由传统电阻微点焊接操作导致的剧烈加热的容积,并保护薄膜PPTC器件不:受到不可逆的损坏或破坏。在一个以下更详尽描述的当前优选例中,该焊接板具有0.250mm的厚度,且连接片具有0.125mm的厚度,从而显示了焊接板和连接片之间接近2:1的厚度比率的有效I生。另一方面,该焊接板被制成实际上足够薄以便于快速自电池组向PPTC器件转移热量,从而辅助其过电流保护功能,且该连接片可以更厚,例如在0.250mm的量级或更大。在后-隋况下,该连接片最好限定为纵向缝或槽,对准的微点焊接电流横跨该缝或槽,从而将熔化电流集中到焊接板下层。
另一个第一和第二薄层电极适合于直接焊接至印刷电路板或基板,从而实现可焊接的电池组保护表面安装器件(SMD),使用传统装置和技术的电池组系统使用者、组装者或集成者可在其上焊接的电池组连接片,而不对该PPTC元件带来伤害或破坏。当向电池组或向含有一个或更多个分散单元的电池组制作连接时,本发明的器件尤其有用。电池组连接片可以自电池组或电池的端子延伸并通过焊接到保护器件的焊接板。另外,电池组的端子电极可以自其延伸,形成有效的连接片,以电阻焊接至根据本发明原理的保护电路的焊接板。可以使用基于任何电池化学类型的电池组,包括镍镉电池组、镍金属氢化物电池组、锂离子电池组,锂聚合物(Li-聚合物)电池组以及首选的锂电池组。使用本发明的器件的电池组保护电路可以在形式和布局上作各种变形,例如由美国专利第6,518,731号(Thomas等)例示的类型的分路调节器电路,本申请以参照方式而包括其内容。
尽管本发明的器件最优选以连接片的形式接受电引线,但其他PTC电路保护器件类型也可受益于本发明。例如,可以使用其中例如钢、黄铜或铜的金属接线端子,通过电阻焊接的形式连接至芯片以控制器件热扩散的器件。这样的器件在美国专利第5,089,801号和第5,436,609号(均属Chart等)中公开,本申请以参照方式包括其公开内容。因此,这里使用的“连接片”或“突起”(“tab”)等表达应广义理解为涵盖各种各样的较薄的片状金属连接物。
参考图1,可表面安装电保护器件10包括薄层PPTC片。该PPTC片包括具有厚度t的PPTC材料12的层,基本上与层12的下部主面同延且相焊接的下部薄层电极14,基本上与层12的上部主面同延且相焊接的上部薄层电极16。焊接板18优选在适合的回焊炉中通过焊料(在图1的描述中未示出)的薄层的回流,连接至上部薄层电极16。该焊板18最好例如由基本纯质的镍,如镍200合金或镍201合金(例如包括99%的镍和--5'百分比的铜、碳、锰、铁、硫和硅以及其他的可能元素或杂质的合金)形成。另外,该焊接板可以由镀镍的不锈钢形成,例如有O.1至5gm镀镍层的合金304或316。例如,最好是在每—侧有2gm厚镀镍层的不锈钢合金304。其他的铁合金或铜合金,适于低温焊接和电阻焊接且具有适合的厚度tw,的,均可以用作焊接板18。
该焊接板18具有预定的最小厚度tw,选择以提供必要的吸收相关焊接连接片至其外部主正面的热能所产生的足够的热质量。当焊接板18的厚度在O.100至0.300mm的范围内,最好是接近0.250mm,并且其中一般为镍的非开槽连接片具有基本上不大于约0.125mm至0.150mm的厚度时,可获得满意的结果。成品的保护器件10可以作为在图1中说明的分立电子元件提供给使用者,或者可以与其他电路元件组合在基板上,例如图3中示出的印刷电路板,然后提供给具有保护电路的电池组的使用者、集成者或组装者。
在本发明的另一实施例中,连接片确定了使电阻焊接电流流过焊接板,且在此时通过连接片和焊接板之间的点焊连接点的结构上的开口或特征。该结构上的开口或特征一般在连接片中采取缝或槽的形式,但是可以采取其他任何有效的形式,例如拉长的孔或椭圆等。在本发明中,这样的结构上的开口或特征能使更厚的连接片有效地被电阻微点焊接至焊接板,而不需要显著增加焊接能量和焊接温度,且因此将能使用具有大于0.125mm的互连厚度的优选焊接板厚度,例如具有0.250mm厚度的连接片。
图2说明本发明的另一实施例。其中,可表面安装电路保护器件10A基本上与图1中示出的器件10具有相同的结构件及布置。另外,该器件10A具有绝缘材料的外围盒19,例如成形并固化的环氧树脂围绕并保护器件10A的边缘,使其免受焊接溅射或其他潜在损坏性污染。焊接板18A具有用于焊接的未覆盖的抬高的中心台区,它可以通过使用任何适合的金属成形技术(例如冲压、锻造、模锻、模压等)形成。焊接板18A的全部热质量足以允许电池组连接片的焊接,而不损坏薄膜层14A和16以及PPTC层12。在本例中,例如,下部薄膜14A最好延伸出PPTC层12的边缘而至少达到外围环氧树脂盒19的边缘,以便于使用回流焊接技术的表面安装。尽管图2中示出的该中心台区作为抬高区域,在某些实施例中,这取决于电池组连接片的形状,该区域可不必升高,只要不被绝缘材料覆盖。
图3示出了包括图1中的表面安装保护器件10的电路板组件20,该表面安装保护器件10被安装到印刷电路板22的适当尺寸的连接垫。其他的电元件例如场效应晶体管、二极管调整器、电阻、集成电路等,也可以是电路板组件20的一部分。例如,图3中示出的表面安装元件24和26,以及在图4中略图形式示出的引线元件28和30。该电路组件20还包括固定于板22的金属焊接板32,使第二电池连接片能焊接至板22上,以可在电池组或电池和电路组件20之间完成电路。第二焊接板32可以具有与焊接板18相同或类似的厚度tw以及特性。
图4A说明一个可通过本发明实现的具体优点。其中,示出连接片34在点焊接点35处被电阻点焊接至器件10的焊接板18。该连接片34不需要精确对准器件10或电路组件20,因此,它可以小角度地焊接,如连接片34A的虚线外框位置所示,或通过由连接片34B的虚线外框位置所示,可以在相对于电路组件20的纵向轴的直角角度焊接。
图4B示出带纵向缝的连接片34C。两个电阻微点焊接点35穿过切开的连接片34C两侧的面并进入焊接板18。依照本发明的原理,该缝具有预定的小宽度,它使得能以基本上不大于焊接较薄的连接片所需能量的电阻焊接能量进行较厚的连接片例如连接片34C的有效焊接。
图5示出通过电池组连接片34和42连接至电池组/电池36的电路组件20。该连接片34在点焊处37点焊于电池组的盒并在点焊处35点焊于焊接板18。第二连接片42在点焊处43焊接板32,在点焊处41处焊接于电池组端子40。该连接片34和40不止提供电路组件20和电池组36之间的完整的电路连接,而且连接片34起到将电池组36处产生的热直接向PPTC层12传送的作用,因此增强其保护功能。
图6说明电池组组件47,示出通过点焊处43和35分别将电池端子或凸起44A或44B电阻微点焊到板32和焊接板18,从而连接至锂聚合物电池45的电路保护模块20。该电池端子44A和44B穿过密封区46而引出电池结构45。
这些焊接最好使用传统电阻微点焊接装置及技术进行。目前优选采用的微点焊接装置,例如是具有VB-S+ZH-32型双端焊接头的MSW-412型微点焊接机电源。通过HCP-20型压力监视器检测的焊头压力为2kgf。可以从Seiwa制造有限公司(Mitaka High-Tech Center Bldg 8-7-3、ShimorenjakuMitaka-City,东京,181-0013日本)获得MSW-412型电源,VB-S+ZH-32型焊头,以及HCP-20型压力检测器。
在具有厚度为O.125mm和0.250mm的焊接板的器件10中进行导致对保护器件极小至没有损坏的成功焊接。该互连厚度为0.125mm和0.100mm。用于上述的微点焊接装置并且通过焊接端头和连接片焊接板之间的接触触发的焊接波形是方波,删以如下:1msec的0.0A,1.Smsec的1.SA,9msec的0.0A以及2.3msec的2.4A。使用90°的剥离试验测量结果得到的焊接强度。对器件的电气特征的影响是通过比较焊接之前(Rbefore)和之后(Rafter)的电阻来测量的。以下的表格给出了其结果:
表格
焊接板厚度tw(mm) | 互连厚度(mm) | Rbefore(欧姆) | Rafter(欧姆) | 焊接强度(Kgf) | 评述 |
O.125 | 0.125 | 0.0059 | 0.0060 | 2.1 | 轻微损伤,存在若干焊球 |
0.125 | 0.100 | 0.0060 | 0.0057 | 0.7 | 轻微损伤,存在若干焊球 |
0.250 | 0.125 | 0.00499 | 0.00505 | >3.5 | 原始状态,无损伤或焊球 |
0.250 | 0.100 | 0.00456 | 0.00466 | >3.5 | 原始状态,无损伤或焊球 |
采用厚度tw低于O.125mm的焊接板时,焊接实验结果表明对保护器件的极大损伤,主要是有来自焊接板18和上部薄膜层16之间的焊料层喷出的焊球。使用90°剥离测试以及测力计测出机械焊接强度。从上面示出的数据表的右栏记录的评述可确知:具有0.250mm的焊接板厚度tw的焊接板组合可提供优良的结果,而在相同的微点焊接条件下,逐渐变薄的焊接板厚度导致逐渐变变差的结果。目前优选0.100mm和0.300mm的焊接板厚度范围用于本发明。尽管当前优选直流微点焊接,但是其他的焊接技术也可用于本发明,例如激光焊接。虽然优选单个双点焊接处,但是依照上述技术,可以采用多个双点焊接处或其他数量焊接点的焊接。
通过以上描述的本发明的优选实施例,应当理解本发明的目的已经完全达到,本领域技术人员应当理解,可对本发明的结构作许多改变并提出多种不同的实施例以及应用而并不偏离本发明的精神和范围。因此,本申请的公开内容和说明纯属说明性而不是限制性的。
Claims (12)
1.一种表面安装电路保护器件,包括:
(a)具有第一和第二主面以及其间的厚度的薄层PTC电阻元件;
(b)在所述第一主面形成且基本上与其同延的第一电极层,包含适合于焊接至印刷电路基板的类型的第一金属材料,以实现所述器件的表面安装;
(c)在所述第二主面形成第二电极层且基本上与其同延;以及
(d)形成在所述第二电极层上并沿所述第二电极层延伸的金属材料的焊接板装置,具有能够承受连接片装置的电阻微点焊接的热质量而不会对所述器件有损害。
2.权利要求1中的表面安装电路保护器件,其中,所述第二电极层形成为薄膜层,所述焊接板装置与所述第二电极层分离地形成,且通过导电材料的连接层与之连接。
3.权利要求2中的表面安装电路保护器件,其中,所述连接层包括焊料。
4.权利要求2中的表面安装电路保护器件,其中:所述焊接板包括镍或镀镍不锈钢。
5.权利要求1中的表面安装电路保护器件,其中,所述焊接板装置包括抬高的中心台区,并且还包括包围所述器件的外部边缘且设有露出所述中心台区的开口的绝缘盒。
6.权利要求1中的表面安装电路保护器件,其中,所述焊接板装置具有0.100mm的最小厚度。
7.权利要求6中的表面安装电路保护器件,其中,所述焊接板装置具有0.100mm至0.300mm范围内的厚度。
8.权利要求1中的表面安装电路保护器件,其中,所述表面安装电路保护器件被表面安装且电连接到印刷电路板组件上。
9.权利要求8中的表面安装电路保护器件,其中,所述印刷电路板组件形成电池组保护电路模块,并且通过电池组连接片安装到且电连接到电池组或电池,所述电池组连接片中的一个被微点焊接至所述焊接板装置。
10.一种表面安装电路保护器件,包括:
(a)具有第一和第二主面以及其间的厚度的薄层PTC电阳元件;
(b)形成于所述第一主面且基本上与其同延的第一电极层,包括能使得所述器件通过焊料而表面安装至印刷电路的第一金属薄膜层;
(c)形成在所述第二主面且基本上与其同延的第二电极层,包括第二金属薄膜层;以及
(d)固定于所述第二金属薄膜层的金属材料的焊接板,具有足以承受连接片装置的微点焊接的容积、厚度和热质量而不会对该器件有损害。
11.一种电池组保护电路组件,其中包括印刷电路基板,多个电元件连接到包括表面安装电路保护器件的所述印刷电路基板,其中包括:
(a)具有第一和第二主面以及其间的厚度的薄层PTC电阳元件;
(b)形成在所述第一主面且基本上与其同延的第一电极层,并包括能使所述器件通过焊料而表面安装至印刷电路的第一金属薄膜层;
(c)形成在所述第二主面且基本上与其同延的第二电极层,并包括第二金属薄膜层;以及
(d)固定于所述第二金属薄膜层的金属材料的焊接板,具有足以承受连接片装置的微点焊接的容积、厚度和热质量而不会对器件有损害。
12.权利要求11中的电池组保护电路组件,包括至少一个锂聚合物电化学电池,该电池具有第一和第二端子接片,其中至少以下的一个条件适用:
(a)所述第一端子接片包括被微点焊接至焊接板的所述连接片装置,以及
(b)所述第二端子接片连接到所述印刷电路基板的电路。
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