KR102053654B1 - 리플로우 가능한 온도 퓨즈 - Google Patents

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Abstract

리플로우 가능한 온도 퓨즈는 퓨즈 본체, 퓨즈 본체 내에 배치된 전도성 복합 부재, 전도성 복합 부재에 연결되고 퓨즈 본체 외부로 연장되는 제1 및 제2 전도성 단자들, 전도성 복합 부재의 표면을 덮고 제1 및 제2 전도성 단자들과 전기적으로 통신하는 제거 가능한 배리어, 및 제거 가능한 배리어 상에 배치되고 제거 가능한 배리어에 의해 전도성 복합 부재로부터 분리된 용매 성분을 포함하고, 제거 가능한 배리어는 리플로우 가능한 온도 퓨즈의 리플로우 온도보다 큰 퓨징 온도를 가진다.

Description

리플로우 가능한 온도 퓨즈{REFLOWABLE THERMAL FUSE}
본 발명은 일반적으로 회로 보호 장치 분야에 관한 것이며, 보다 상세하게는 온도 퓨즈에 관한 것이다.
회로 보호 장치로서 일반적으로 채용되는, 퓨즈는, 전형적으로 전원과 보호되어야 할 전기 회로 내 컴포넌트 사이에 설치된다. 일반적으로 "온도 퓨즈(thermal fuse)"로 지칭되는, 하나의 유형의 퓨즈는, 전기적으로 전도성인, 퓨즈 본체의 대향하는 단부들을 통해 연장되는 금속 단자 사이에서 연장되는 퓨즈 가능한 부재(fusible element)를 포함하는 전기 절연 퓨즈 본체를 포함한다. 과도한 전류가 퓨즈를 통해 흐르는 것에 의해 야기될 수 있는, 과열 상태와 같은 특정 결함 상황이 발생하면, 전원과 보호되는 요소 사이의 전류 흐름을 방해하기 위해 퓨즈 가능한 부재는 "트립(trip)"(예: 용융(melt))된다.
일부 애플리케이션에서는, 상대적으로 낮은 트립 온도를 갖는 온도 퓨즈를 구현하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 리플로우 솔더링(reflow soldering) 공정에 의해 발생된 열이 용융 온도보다 높은 온도 퓨즈의 퓨즈 가능한 부재를 가열하여, 온도 퓨즈가 조기에 트립되도록 야기하기 때문에, 회로 내에 퓨즈를 설치하기 위한 리플로우 솔더링의 사용을 배제할 수 있다.
온도 퓨즈를 조기에 트립하지 않고 종래의 리플로우 솔더링 공정을 사용하여 회로 내에 설치될 수 있는 온도 퓨즈를 제공하는 것이 유용할 것이며, 여기서 온도 퓨즈의 트립 온도는 설치 중에 온도 퓨즈에 가해지는 온도보다 낮다. 이 것은 현재 개선이 유용할 수 있는 이러한 고려 사항 및 다른 고려 사항과 관련되어 있다.
본 요약은 이하의 상세한 설명에서 더 설명되는 단순화된 형태의 개념의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 본 요약은 청구된 주제의 주요 특징 또는 필수 특징을 식별하기 위한 것이 아니며, 청구된 주제의 범위를 결정하는 것에 대한 도움을 의도하지 않는다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 리플로우 가능한 온도 퓨즈는 퓨즈 본체, 상기 퓨즈 본체 내에 배치된 전도성 복합 부재, 상기 전도성 복합 부재에 연결되고 상기 퓨즈 본체 외부로 연장되는 제1 및 제2 전도성 단자들, 상기 전도성 복합 부재의 표면을 덮고 상기 제1 및 제2 전도성 단자들과 전기적으로 통신하는 제거 가능한 배리어, 및 상기 제거 가능한 배리어 상에 배치되고 상기 제거 가능한 배리어에 의해 상기 전도성 복합 부재로부터 분리된 용매 성분을 포함할 수 있고, 상기 제거 가능한 배리어는 상기 리플로우 가능한 온도 퓨즈의 리플로우 온도보다 큰 퓨징 온도를 가진다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 리플로우 가능한 온도 퓨즈는 퓨즈 본체, 상기 퓨즈 본체 내에 배치된 전도성 복합 부재, 상기 전도성 복합 부재에 연결되고 상기 퓨즈 본체 외부로 연장되는 제1 및 제2 전도성 단자들, 상기 전도성 복합 부재의 표면을 덮고 내부에 개구가 형성된 기판, 상기 기판 상에 배치되고 상기 개구를 브리징하는 퓨즈 가능한 영역을 갖고, 상기 제1 및 제2 전도성 단자들과 전기적으로 통신하도록 배치된 제거 가능한 배리어, 상기 제거 가능한 배리어 상에 배치되고 상기 제거 가능한 배리어에 의해 상기 전도성 복합 부재로부터 분리된 용매 성분, 및 상기 기판 및 상기 제거 가능한 배리어를 상기 용매 성분에 대해 바이어스시키는 바이어싱 부재를 포함할 수 있고, 상기 제거 가능한 배리어는 소정의 활성화 전류가 인가될 때 상기 퓨즈 가능한 영역에서 퓨즈되도록 구성된다.
도 1a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 리플로우 가능한 온도 퓨즈를 도시한 측 단면도이고;
도 1b는 도 1a의 리플로우 가능한 온도 퓨즈를 트립된 상태(tripped state)로 도시한 측 단면도이고;
도 2a는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 리플로우 가능한 온도 퓨즈를 도시한 측 단면도이고;
도 2b는 도 2a의 리플로우 가능한 온도 퓨즈를 트립된 상태(tripped state)로 도시한 측 단면도이고;
도 3a는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 리플로우 가능한 온도 퓨즈를 도시한 측 단면도이고;
도 3b는 도 3a의 리플로우 가능한 온도 퓨즈를 활성화된 상태(activated state)로 도시한 측 단면도이고;
도 3c는 도 3a의 리플로우 가능한 온도 퓨즈를 트립된 상태(tripped state)로 도시한 측 단면도이다.
본 발명에 따른 리플로우 가능한 온도 퓨즈의 실시예들은 이제 본 발명의 바람직한 실시예가 제시되는 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 리플로우 가능한 온도 퓨즈는 많은 다른 형태로 구현될 수 있으며 여기에 설명된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이들 실시예들은 본 발명이 리플로우 가능한 온도 퓨즈의 특정 예시적인 측면을 당업자에게 전달하도록 제공된다. 도면에서, 달리 언급되지 않는 한 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 리플로우 가능한 온도 퓨즈(reflowable thermal fuse, 10)(이하 "퓨즈(10)")의 측 단면도가 도시된다. 퓨즈(10)는 표면 실장 퓨즈(surface mount fuse)로서 도시되어 있지만, 이것은 중요하지 않다. 아래에서 설명될 퓨즈(10)의 다양한 신규한 특징들이 카트리지 퓨즈(cartridge fuses), 블레이드 퓨즈(blade fuses) 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다른 유형의 퓨즈에서 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 편의와 명료성을 위해, 여기서 "상부(top)", "하부(bottom)", "종 방향(longitudinal)", "측면(lateral)", "수직(vertical)" 및 "수평(horizontal)"과 같은 용어가 퓨즈(10)의 다양한 구성요소의 상대적인 위치(positions) 및 배향(orientations), 도 1a에 나타난 퓨즈(10)의 기하학적 구조(geometry) 및 배향(orientation)과 관련된 모든 것을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 상기 용어는 구체적으로 언급된 단어, 그 파생어, 및 유사한 의미의 단어가 포함할 수 있다. 유사한 용어는 여기서 개시되는 후속 실시예를 설명하기 위해 유사한 방식으로 사용될 것이다.
퓨즈(10)는 퓨즈 본체(fuse body, 12), 전도성 복합 부재(conductive composite element, 14), 단자들(terminals, 16a, 16b), 제거 가능한 배리어(removable barrier, 18) 및 용매 성분(solvent element, 20)을 포함할 수 있다. 퓨즈 본체(12)는 전기적 절연 물질(예: 플라스틱, 세라믹 등)로 형성될 수 있고 내부 캐비티(internal cavity, 22)를 규정할 수 있다. 전도성 복합 부재(14)은 내부 캐비티(22) 내에 배치될 수 있다. 단자들(16a, 16b)은, 전도성 물질(예: 구리, 또는 니켈 또는 다른 전도성, 내식성 물질(corrosion resistant materials)로 도금된 구리 합금 중 하나)로 형성되고, 솔더(solder), 전도성 에폭시(conductive epoxy) 등과 같은, 전도성 복합 부재(14)의 대향 단부들(opposing ends)에 연결될 수 있고, 다른 회로 소자에 대한 전기적 연결을 가능하게 하기 위해 퓨즈 몸체(12)를 통해 연장될 수 있다.
전도성 복합 부재(14)은 도 1a에 도시된 것처럼 길고, 실질적으로 평면인 부재일 수 있지만, 이것은 중요하지 않다. 전도성 복합 부재(14)의 크기 및 형상은 본 발명의 범위를 벗어나지 않게 다양할 수 있다. 전도성 복합 부재(14)은 폴리머 매트릭스(polymer matrix)에 현탁된(suspended) 전도성 입자들(conductive particles)을 포함하는 정 온도 계수(positive temperature coefficient, PTC) 물질로 형성될 수 있다. 퓨즈(10)의 정상적인(normal), 비-결함 동작(non-fault operation) 동안, 전도성 복합 부재(14) 내 전도성 입자들은 비교적 서로 가깝게 있을 수 있고, 따라서 전도성 복합 부재(14)을 가로지르고(across) 단자들(16a, 16b) 사이에 비교적 낮은-저항의, 전기 전도성 경로(electrically conductive pathway)를 제공할 수 있다. 그러나, 전도성 복합 부재(14)이 용매 성분(20)과 접촉하게 되면(아래에서 보다 상세하게 설명될 것처럼), 전도성 복합 부재(14)은 용매 성분(20)을 빠르게 흡수하여, 폴리머 매트릭스가 폴리머 매트릭스 내 전도성 입자들을 팽창시키고(swell) 서로 더 분리되게(separate) 한다. 그렇게 함으로써 전도성 복합 부재(214)의 저항은 상당히 증가되고, 단자들(16a, 16b) 사이에 흐르는 전류를 완화(mitigate) 또는 실질적으로 억제(arrest)한다.
제거 가능한 배리어(18)는 전도성 복합 부재(14)의 상면(top surface) 및 측면(side surface) 및 단자들(16a, 16b)의 상면 위로 연장되고, 이들과 밀접한 접촉 상태로 배치된, 전기적 전도 물질의 층(layer) 또는 필름(film)일 수 있고, 단자들(16a, 16b) 사이에 전기 전도성 경로를 제공한다. 제거 가능한 배리어(18)의 대향 단부는 퓨즈 본체(12) 밖으로 연장되는 것으로 도 1a에 도시되어 있지만, 이것은 중요하지 않다. 제거 가능한 배리어(18)가 완전히 퓨즈 본체(12) 내에 배치되는 퓨즈(10)의 대안적 실시예가 고려된다.
제거 가능한 배리어(18)는 그 크기(size), 형상(shape), 및 재료 조성(material composition)의 적절한 선택을 통해, 소정의 비교적 낮은 전류가 인가될 때 퓨즈(fuse)(예: 분리(separate))되도록 구성되지만, 비교적 높은 열(예: 퓨즈(10)가 리플로우 솔더링(reflow soldering)을 통해 회로에 설치될 때 제거 가능한 배리어(18)가 노출되는 고온, 이하 "리플로우 온도(reflow temperature)"로 언급됨)이 가해져도 손상되지 않게 유지될 수 있다. 예를 들어, 제거 가능한 배리어(18)는 약 2암페어의 전류에서 퓨즈될 수 있도록 구성되지만, 섭씨 260도를 초과하는 리플로우 온도에 노출되어도 손상되지 않게 유지될 수 있다. 제거 가능한 배리어(18)가 퓨즈 또는 분리되는 최소 온도는 제거 가능한 배리어(18)의 "퓨징 온도(fusing temperature)"로 지칭될 수 있다. 비-제한적인 예에서, 제거 가능한 배리어(18)는 폴리이미드(polyimide) 층의 최상에 배치된 구리 층으로 형성된 층상 부재(laminar element)일 수 있다. 제거 가능한 배리어(18)는 이에 국한되지 않으며, 제거 가능한 배리어(18)는 주석, 니켈 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는, 다양한 다른 물질들을 추가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다.
용매 성분(20)은 도 1a에 도시된 것처럼 길고, 실질적으로 평면인 부재일 수 있지만, 이것은 중요하지 않다. 용매 성분(20)의 크기 및 형상은 본 발명의 범위를 벗어나지 않게 다양할 수 있다. 용매 성분(20)은 제거 가능한 배리어(18)의 최상(atop)에 있는 퓨즈 본체(12)의 내부 캐비티(22) 내에 배치될 수 있다. 특히, 제거 가능한 배리어(18)는 용매 성분(20)과 전도성 복합 부재(14) 사이를 완전히 분리하고, 이들 사이에 연속적인 배리어를 제공할 수 있다.
용매 성분(20)은 소정의 온도 이상으로 빠르게 용융(melt)되는 정밀 용융 유기 화합물(precision melting organic compound, PMOC)로 형성될 수 있다. 일 예시에서, PMOC의 용융 온도는 섭씨 120도 내지 섭씨 125도(예: 섭씨 122도)의 범위에 있을 수 있다. 본 발명은 이에 국한되지 않는다. PMOC는 전도성 복합 부재(14)의 물질에 대한 높은 친화성(affinity) 및 전도성 복합 부재(14)의 물질 내에서 높은 이동성(mobility)을 가질 수 있다. 따라서, 용매 성분(20)이 액체 또는 반-액체 상태에 있고, 전도성 복합 부재(14)과 접촉하게 된다면, 전도성 복합 부재(14)은 용매 성분(20)을 용이하게 흡수할 수 있고, 용매 성분(20)은 비교적 짧은 기간(period of time) 내에 전도성 복합 부재(14)의 전체에 걸쳐 실질적으로 고르게 분포될 수 있다. 비-제한적인, 예시적인 실시예에서, PMOC는 퓨즈(10)의 리플로우 온도 미만의 용융 온도를 갖는 비스페놀 A(bisphenol A, BPA)일 수 있다. 사용될 수 있는 대체적인 PMOC는, 비스페놀 A(Bisphenol A), 트라이페닐렌(Triphenylene), 테트라브로모비스페놀 A(Tetrabromobisphenol A), 비스페놀 S(Bisphenol S), 비스페놀 P(Bisphenol P), 4,4'-술포닐디페놀(4,4'-Sulfonyldiphenol), 4-하이드록시벤즈알데하이드(4-Hydroxybenzaldehyde), 4-니트로아닐린(4-Nitroaniline), 4-아미노벤조산(4-Aminobenzoic acid), 4-니트로페놀(4-Nitrophe), 레조르시놀(Resorcinol), 벤조인(Benzoin), 및 아스파라트산(Aspartic acid)을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
회로 내에 퓨즈(10)를 설치하는 동안, 단자들(16a, 16b)은 다른 회로 소자(예: 전원 및 부하)와 전기적으로 연결되어 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB)에 리플로우 솔더될 수 있으며, 퓨즈(10)는, 예를 들어 섭씨 260도를 초과하는 리플로우 온도에 노출될 수 있다. 리플로우 온도는 용매 성분(20)의 용융 온도보다 충분히 높을 수 있고, 용매 성분(20)은 액체 또는 반-액체 상태로 용융될 수 있다. 그러나, 제거 가능한 배리어(18)는 리플로우 온도보다 높은 용융 온도를 가질 수 있고, 따라서 손상되지 않게 유지될 수 있다. 따라서, 제거 가능한 배리어(18)는 퓨즈(10)의 설치 중에 용매 성분(20)과 전도성 복합 부재(14) 사이의 물리적 분리를 유지하여, 퓨즈(10)가 조기에 트립(trip)되는 것을 방지한다.
퓨즈(10)의 솔더 리플로우 설치가 완료되고 용매 성분(20)이 냉각될 수 있도록 한 후에, 용매 성분(20)은 "정상" 온도(예: 실온(room temperatur))로 복귀하여 재-응고될 수 있다. 퓨즈(10)는 후속적으로 정상적인 방식으로 동작할 수 있고, 전도성 복합 부재(14)는 상대적으로 낮은 저항을 가지고, 전도성 복합 부재(14) 및 제거 가능한 배리어(18)는 단자들(16a, 16b) 사이에 병렬로 전류를 전달한다.
퓨즈(10) 내에 결함 조건(예: 과전류 조건)이 발생하면, 제거 가능한 배리어(18)를 통해 흐르는 전류는 소정의 "트립 레벨"(예: 2암페어)을 초과할 수 있으며, 그 결과 제거 가능한 배리어(18)는 퓨즈(예: 용융, 분리 등)될 수 있다. 결함 조건 동안 전도성 복합 부재(14) 및 제거 가능한 배리어(18)에 의해 방사된 열은 용매 성분(20)이 빠르게 용융되도록 하기에 충분할 수 있다. 따라서, 도 1b를 참조하면, 용융된 용매 성분(20)은 제거 가능한 배리어(18) 내 하나 이상의 분리부(separations, 23)를 통해 흐를 수 있고, 전도성 복합 부재(14)과 접촉하여, 전도성 복합 부재(14)에 의해 흡수될 수 있다. 용매 성분(20)은 제거 가능한 배리어(18) 내 복수의 분리된 분리부(23)를 통해 흐르도록 도 1b에 도시되어 있으나, 이것은 중요하지 않다. 제거 가능한 배리어(18)는 트립 레벨이 초과될 때 단일 위치에서 분리되도록 대안적으로 구성될 수 있는 것으로 고려된다.
상술된 것처럼, 전도성 복합 부재(14)은 용융된 용매 성분(20)을 흡수할 수 있고, 전도성 복합 부재(14)의 폴리머 매트릭스가 폴리머 매트릭스 내의 전도성 입자들을 급격히 팽창시키고 서로 분리시키게 한다. 그렇게 함으로써 전도성 복합 부재(14)의 저항은 상당히 증가되고, 단자들(16a, 16b) 사이에 흐르는 전류를 실질적으로 억제한다. 그렇게 함으로써 퓨즈(10)에 접속된 전기 컴포넌트들은 과전류 이벤트들 중에 보호될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 리플로우 가능한 온도 퓨즈(100)(이하 "퓨즈(100)")의 측 단면도가 도시된다. 퓨즈(100)는 상술된 퓨즈(10)와 실질적으로 유사할 수 있고, 퓨즈 본체(112), 전도성 복합 부재(114), 단자들(116a, 116b), 제1 제거 가능한 배리어(118), 및 퓨즈 몸체(12)와 실질적으로 유사할 수 있는 제1 용매 성분(120), 전도성 복합 부재(14), 단자들(16a, 16b), 제거 가능한 배리어(18), 및 용매 성분(20)을 각각 포함할 수 있다. 게다가, 퓨즈(100)는 제2 제거 가능 배리어(119) 및 제2 용매 성분(121)을 포함할 수 있다.
제2 제거 가능한 배리어(119)는 실질적으로 제1 제거 가능한 배리어와 유사할 수 있지만, 전도성 복합 부재(14)의 하면 및 단자들(116a, 116b)의 하면(bottom surface) 아래로 연장되고, 이들과 밀접한 접촉 상태로 배치될 수 있고, 따라서 단자들(116a, 116b) 사이에 전기 전도성 경로를 제공한다. 제2 제거 가능한 배리어(119)의 대향 단부는 퓨즈 본체(112) 밖으로 연장되는 것으로 도 2에 도시되어 있지만, 이것은 중요하지 않다. 제2 제거 가능한 배리어(119)가 완전히 퓨즈 본체(112) 내에 배치되는 퓨즈(100)의 대안적 실시예가 고려된다.
제2 용매 성분(121)는 제1 용매 성분과 실질적으로 유사할 수 있지만, 제2 제거 가능한 배리어(119)의 아래 측(underside)에 배치될 수 있다. 특히, 제2 제거 가능한 배리어(119)는 제2 용매 성분(121) 및 전도성 복합 부재(14) 사이를 완전히 분리하고, 이들 사이에 연속적인 배리어를 제공할 수 있다.
퓨즈(100) 내에 결함 조건(예: 과전류 조건)이 발생하면, 제1 및 제2 제거 가능한 배리어들(118, 119)을 통해 흐르는 전류는 소정의 "트립 레벨"(예: 2암페어)을 초과할 수 있으며, 그 결과 제1 및 제2 제거 가능한 배리어(118, 119)들은 퓨즈(예: 용융, 분리 등)될 수 있다. 결함 조건 동안 전도성 복합 부재(14) 및 제1 및 제2 제거 가능한 배리어들(118, 119)에 의해 방사된 열은 제1 및 제2 용매 성분들(120, 121)이 빠르게 용융되도록 하기에 충분할 수 있다. 따라서, 도 2b를 참조하면, 용융된 제1 및 제2 용매 성분들(120, 121)은 제1 및 제2 제거 가능한 배리어들(118, 119) 내 하나 이상의 분리부들(123, 125)을 통해 각각 흐를 수 있고, 전도성 복합 부재(14)과 접촉하여, 전도성 복합 부재(14)에 의해 흡수될 수 있다. 제1 및 제2 용매 성분들(120, 121)은 제1 및 제2 제거 가능한 배리어들(118, 119) 내 복수의 분리된 분리부들(123, 125)을 통해 각각 흐르도록 도 2b에 도시되어 있으나, 이것은 중요하지 않다. 제1 및 제2 제거 가능한 배리어(118, 119) 중 하나 또는 양자는 트립 레벨이 초과될 때 단일 위치에서 분리되도록 대안적으로 구성될 수 있는 것으로 고려된다.
상술된 것처럼, 전도성 복합 부재(114)은 용융된 제1 및 제2 용매 성분(120, 121)을 흡수할 수 있고, 전도성 복합 부재(114)의 폴리머 매트릭스가 폴리머 매트릭스 내의 전도성 입자들을 급격히 팽창시키고 서로 분리시키게 한다. 그렇게 함으로써 전도성 복합 부재(114)의 저항은 상당히 증가되고, 단자들(116a, 116b) 사이에 흐르는 전류를 실질적으로 억제한다. 그렇게 함으로써 퓨즈(10)에 접속된 전기 컴포넌트들은 과전류 이벤트 중에 보호될 수 있다. 퓨즈(100)의 전도성 복합 부재(114)은 전도성 복합 부재(114)의 상면(top surface)과 하면(bottom surface) 모두를 통해 용매를 동시에 흡수하기 때문에, 퓨즈(10)의 전도성 복합 부재(14)에 대해 주어진 기간에 걸쳐 더 많은 양의 용매가 전도성 복합 부재(114)에 흡수될 수 있다. 따라서, 과전류 조건이 발생하면, 전도성 복합 부재(114)는 상술된 퓨즈(10)의 전도성 복합 부재(14)보다, 더 빠르게 팽창되고, 전류를 더 빠르게 억제할 수 있다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 리플로우 가능한 온도 퓨즈(200)(이하 "퓨즈(200)")의 측 단면도가 도시된다. 퓨즈(200)는 퓨즈 본체(212), 전도성 복합 부재(214), 단자들(216a, 216b), 기판(substrate, 219) 상에 형성된 제거 가능한 배리어(218), 용매 성분(220), 및 스프링 부재들(spring elements, 221a, 221b)를 포함할 수 있다. 퓨즈 본체(212)는 전기적 절연 물질(예: 플라스틱, 세라믹 등)로 형성될 수 있고 내부 캐비티(222)를 규정할 수 있다. 전도성 복합 부재(214)은 내부 캐비티(222) 내에 배치될 수 있고 퓨즈 본체(212)의 바닥(floor)에 안착(seat)될 수 있다. 단자들(216a, 216b)은, 전도성 물질(예: 구리, 또는 니켈 또는 다른 전도성, 내식성 물질로 도금된 구리 합금 중 하나)로 형성되고, 솔더, 전도성 에폭시 등과 같은, 전도성 복합 부재(214)의 대향 단부들에 연결될 수 있는 수직-배향 부분들(vertically-oriented portions, 217a, 217b)을 포함할 수 있다. 단자들(216a, 216b)은 퓨즈 본체(212)의 바닥을 통해 연장될 수 있고 다른 회로 소자에 대한 전기적 연결을 가능하게 하는 바람직한 방식(예: 도시된 것처럼 퓨즈 본체(212)의 바닥에 대해 평평한)으로 굴곡될 수 있다.
전도성 복합 부재(214)은 도 3a에 도시된 것처럼 길고, 실질적으로 평면인 부재일 수 있지만, 이것은 중요하지 않다. 전도성 복합 부재(214)의 크기 및 형상은 본 발명의 범위를 벗어나지 않게 다양할 수 있다. 전도성 복합 부재(214)은 폴리머 매트릭스에 현탁된 전도성 입자들을 포함하는 정 온도 계수(PTC) 물질로 형성될 수 있다. 퓨즈(210)의 정상적인, 비-결함 동작 동안, 전도성 복합 부재(214) 내 전도성 입자들은 비교적 서로 가깝게 있을 수 있고, 따라서 전도성 복합 부재(14)을 가로지르고 단자들(216a, 216b) 사이에 비교적 낮은 저항의, 전기 전도성 경로를 제공할 수 있다. 그러나, 전도성 복합 부재(14)이 용매 성분(220)과 접촉하게 되면(아래에서 보다 상세하게 설명될 것처럼), 전도성 복합 부재(214)은 용매 성분(220)을 빠르게 흡수하여, 폴리머 매트릭스가 전도성 입자들을 팽창시키고 서로 더 분리되게 한다. 따라서, 전도성 복합 부재(214)의 저항은 단자들(216a, 216b) 사이에 흐르는 전류를 완화시키거나 실질적으로 억제한다.
제거 가능한 배리어(218)는 전기적 절연 기판(219) 상에 형성(예: 인쇄(printed), 적층(laminated) 또는 다른 증착(deposited))되는 전기 전도성 물질의 층 또는 필름일 수 있다. 기판(219)은, FR-4 또는 유사한 재료로 형성될 수 있고, 그 내부에 형성된 하나 이상의 개구(opening, 225)를 가질 수 있다. 제거 가능한 배리어(218)는 개구(225)를 브리징(bridging)하는 하나 이상의 퓨즈 가능한 영역(fusible area, 226)(후술됨)을 포함할 수 있다. 제거 가능한 배리어(218)의 단부들은 단자들(216a, 216b)과 접촉하여 배치될 수 있으며, 단자들(216a, 216b)에 대해 이동 가능하다. 예를 들어, 제거 가능한 배리어(218)의 단부들은 수직으로 배향될 수 있고, 도 3a에 도시된 것처럼 단자들(216a, 216b)의 수직-배향된 부분들(217a, 217b)과, 수평하게 인접하여, 수평으로 배치될 수 있다.
제거 가능한 배리어(218)는 그 크기, 형상, 및 재료 조성의 적절한 선택을 통해, 소정의 비교적 낮은 "활성화 전류(activation current)"가 인가될 때 퓨즈 가능한 영역(226)에서 퓨즈(fuse)(예: 분리(separate))되도록 구성되지만, 비교적 높은 열(예: 퓨즈(100)가 리플로우 솔더링(reflow soldering)을 통해 회로에 설치될 때 제거 가능한 배리어(218)가 노출되는 고온, 이하 "리플로우 온도(reflow temperature)"로 언급됨)이 가해져도 손상되지 않게 유지될 수 있다. 예를 들어, 제거 가능한 배리어(218)는 약 2암페어의 전류에서 퓨즈될 수 있도록 구성되지만, 섭씨 260도를 초과하는 리플로우 온도에 노출되어도 손상되지 않게 유지될 수 있다. 제거 가능한 배리어(218)의 퓨즈 가능한 영역(226)이 퓨즈 또는 분리되는 최소 온도는 제거 가능한 배리어(218)의 "퓨징 온도(fusing temperature)"로 지칭될 수 있다. 비-제한적인 예에서, 제거 가능한 배리어(218)는 구리로 형성될 수 있다. 제거 가능한 배리어(218)는 이에 국한되지 않으며, 제거 가능한 배리어(18)는 주석, 니켈 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는, 다양한 다른 물질들을 추가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다.
용매 성분(220)은 도 3a에 도시된 것처럼 길고, 실질적으로 평면인 부재일 수 있지만, 이것은 중요하지 않다. 용매 성분(220)의 크기 및 형상은 본 발명의 범위를 벗어나지 않게 다양할 수 있다. 용매 성분(220)은 제거 가능한 배리어(218)의 최상에 있는 퓨즈 본체(212)의 내부 캐비티(222) 내에 배치될 수 있다. 특히, 제거 가능한 배리어(218)는 용매 성분(220)과 전도성 복합 부재(214) 사이를 완전히 분리하고, 이들 사이에 연속적인 배리어를 제공할 수 있다.
스프링 부재들(221a, 221b)은 전도성 복합 부재(214)에 형성된 대응하는 관통-구멍들(through-holes, 227a, 227b) 내에 배치될 수 있고 퓨즈 본체(212)의 바닥과 기판(219) 사이에서 압축 상태로 유지될 수 있다. 제거 가능한 배리어(218) 위의 공간을 점유하는 용매 성분(20)은 스프링 부재들(221a, 221b)의 언로딩(unloading) 및 기판(219) 및 제거 가능한 배리어(218)의 상향 이동을 방지할 수 있다. 퓨즈(200)의 비-제한적인 실시예에서, 스프링 부재들(221a, 221b)은 코일 스프링들(coil springs)일 수 있다. 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 스프링 부재들(221a, 221b)는 퓨즈 본체(212)의 바닥으로부터 기판(219)을 위쪽으로 바이어스(bias)시키는 임의의 유형의 바이어싱 부재(biasing member)일 수 있음이 고려된다.
용매 성분(220)은 소정의 온도 이상으로 빠르게 용융되는 정밀 용융 유기 화합물(PMOC)로 형성될 수 있다. 일 예시에서, PMOC의 용융 온도는 섭씨 120도 내지 섭씨 125도(예: 섭씨 122도)의 범위에 있을 수 있다. 본 발명은 이에 국한되지 않는다. PMOC는 전도성 복합 부재(214)의 물질에 대해 높은 친화성 및 전도성 복합 부재(214)의 물질 내에서 높은 이동성을 가질 수 있다. 따라서, 용매 성분(220)이 액체 또는 반-액체 상태에 있고, 전도성 복합 부재(214)과 접촉하게 된다면, 전도성 복합 부재(214)은 용매 성분(220)을 용이하게 흡수할 수 있고, 용매 성분(220)는 비교적 짧은 기간 내에 전도성 복합 부재(214) 전체에 걸쳐 실질적으로 고르게 분포될 수 있다. 비-제한적인, 예시적인 실시예에서, PMOC는 퓨즈(210)의 리플로우 온도 미만의 용융 온도를 갖는 비스페놀 A(BPA) 일 수 있다. 사용될 수 있는 대체적인 PMOC는, 비스페놀 A, 트라이페닐렌, 테트라브로모비스페놀 A, 비스페놀 S, 비스페놀 P, 4,4'-술포닐디페놀, 4-하이드록시벤즈알데하이드, 4-니트로아닐린, 4-아미노벤조산, 4-니트로페놀, 레조르시놀, 벤조인, 및 아스파라트산을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
회로 내에 퓨즈(210)를 설치하는 동안, 단자들(216a, 216b)은 다른 회로 소자(예: 전원 및 부하)와 전기적으로 연결되어 인쇄 회로 기판(PCB)에 리플로우 솔더될 수 있으며, 퓨즈(210)는, 예를 들어 섭씨 260도를 초과하는 리플로우 온도에 노출될 수 있다. 리플로우 온도는 용매 성분(220)의 용융 온도보다 충분히 높을 수 있고, 용매 성분(220)은 액체 또는 반-액체 상태로 용융될 수 있다. 그러나, 제거 가능한 배리어(218)는 리플로우 온도보다 높은 용융 온도를 가질 수 있고, 따라서 손상되지 않게 유지될 수 있다. 따라서, 제거 가능한 배리어(218)는 퓨즈(210)의 설치 중에 용매 성분(220)과 전도성 복합 부재(214) 사이의 물리적 분리를 유지하여, 퓨즈(210)가 조기에 트립되는 것을 방지한다.
퓨즈(210)의 솔더 리플로우 설치가 완료되고 용매 성분(220)이 냉각될 수 있도록 한 후에, 용매 성분(220)은 "정상" 온도(예: 실온)로 복귀하여 재-응고될 수 있다. 이 때, 활성화 전류가 퓨즈(200)에 인가될 수 있다. 상술된 것처럼, 활성화 전류는 도 3b에 도시된 것처럼 갭(gap, 229)을 남기면서, 제거 가능한 배리어(218)의 퓨즈 가능한 영역(226)을 퓨즈하기에 충분한 전류일 수 있다. 활성화 전류는 비교적 짧은 기간 동안 인가될 수 있으며, 활성화 전류의 인가는 용매 성분(220)을 용융하기 위해 제거 가능한 배리어(218) 또는 전도성 복합 부재(214)에 충분한 열을 발생시키지 않는다. 그러므로 용매 성분(220)은 고체 상태로 유지되고 퓨즈된 제거 가능한 배리어(218) 내 갭(229)을 통해 흐르지 않는다. 게다가, 고체 용매 성분(220)은 스프링 부재들(221a, 221b)의 언로딩 및 기판(219) 및 제거 가능한 배리어(218)의 상향 이동(upward movement)을 방지하기 위해 제거 가능한 배리어(218) 위의 공간을 계속 점유(occupy)한다.
퓨즈(200)가 활성화된 후(예: 활성화 전류의 인가 및 퓨즈 가능한 영역(226)의 퓨징 후), 퓨즈(200)는 정상적인 방식으로 동작할 수 있고, 여기서 전도성 복합 부재(214)은 상대적으로 낮은 저항을 가지고, 단자들(216a, 216b) 사이에 전류를 전달한다.
퓨즈(210) 내에 결함 조건(예: 과전류 조건)이 발생하면, 전도성 복합 부재(214)을 통해 흐르는 전류는 소정의 "트립 레벨"(예: 2암페어)을 초과할 수 있으며, 그 결과 결함 조건 동안 전도성 복합 부재(14)에 의해 방사된 열은 용매 성분(220)이 빠르게 용융되도록 하기에 충분할 수 있다. 따라서, 도 3c를 참조하면, 용융된 용매 성분(220)은 제거 가능한 배리어(18) 내 갭(229)을 통해 흐를 수 있고, 전도성 복합 부재(14)과 접촉하여, 전도성 복합 부재(14)에 의해 흡수될 수 있다. 게다가, 스프링 부재들(221a, 221b)은 기판(219) 및 제거 가능한 배리어(218)를 액화된 용매 성분(220)에 대해 상향(upward)으로 가압(force)할 수 있고, 그 것에 의하여 도 3c에 도시된 것처럼 용매 성분(220)을 갭(229) 및 개구(225)를 통해 강제로 압착하여(forcibly squeezing) 전도성 복합 부재(214)과 접촉시킨다.
상술된 것처럼, 전도성 복합 부재(214)은 용융된 용매 성분(220)을 흡수할 수 있고, 전도성 복합 부재(214)의 폴리머 매트릭스가 폴리머 매트릭스 내 전도성 입자들을 급격히 팽창시키고 분리시키게 한다. 그렇게 함으로써 전도성 복합 부재(214)의 저항은 상당히 증가되고, 단자들(216a, 216b) 사이에 흐르는 전류를 실질적으로 억제한다. 그렇게 함으로써 퓨즈(10)에 접속된 전기 컴포넌트들은 과전류 이벤트들 중에 보호될 수 있다.
여기서 사용된 것처럼, 단수로 인용되고 진행되거나 부정관사가 앞에 배치된 구성요소 또는 단계는 그 제외가 명시적으로 언급되지 않는 한 복수의 구성요소들 또는 단계들을 제외하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 더욱이, 본 발명의 "일 실시예"에 대한 언급은 인용된 특징들을 포함하는 부가적인 실시예의 존재를 배제하는 것으로 해석되는 것이 의도되지 않는다.
본 발명은 특정 실시예를 참조하지만, 첨부된 청구범위에 정의된 것처럼, 본 발명의 영역 및 범위를 벗어나지 않고 서술된 실시예에 대한 많은 수정, 개조 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명은 설명된 실시예들에 한정되지 않고, 다음의 청구범위의 표현, 및 그 등가물에 의해 정의된 전체 범위를 갖는 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 리플로우 가능한 온도 퓨즈에 있어서,
    퓨즈 본체;
    상기 퓨즈 본체 내에 배치된 전도성 복합 부재;
    상기 전도성 복합 부재에 연결되고 상기 퓨즈 본체 외부로 연장되는 제1 및 제2 전도성 단자들;
    상기 전도성 복합 부재의 표면을 덮고 상기 제1 및 제2 전도성 단자들과 전기적으로 통신하는 제거 가능한 배리어; 및
    상기 제거 가능한 배리어 상에 배치되고 상기 제거 가능한 배리어에 의해 상기 전도성 복합 부재로부터 분리된 용매 성분
    을 포함하는 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제거 가능한 배리어는 상기 리플로우 가능한 온도 퓨즈의 리플로우 온도보다 큰 퓨징 온도를 갖는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용매 성분은 정밀 용융 유기 화합물(PMOC)로 형성되는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 PMOC는 비스페놀 A, 트라이페닐렌, 테트라브로모비스페놀 A, 비스페놀 S, 비스페놀 P, 4,4'-술포닐디페놀, 4-하이드록시벤즈알데하이드, 4-니트로아닐린, 4-아미노벤조산, 4-니트로페놀, 레조르시놀, 벤조인, 및 아스파라트산 중 적어도 하나를 포함하는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 복합 부재는 폴리머 매트릭스에 현탁된 전도성 입자들을 포함하는 정 온도 계수(PTC) 소재로 형성되는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 복합 부재는 상기 전도성 복합 부재의 저항을 증가시키기 위해 상기 용매 성분을 흡수하도록 구성되는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 용매 성분은 상기 리플로우 가능한 온도 퓨즈에서 과전류 상태가 발생할 때 용융되도록 구성되는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제거 가능한 배리어는 상기 리플로우 가능한 온도 퓨즈에서 과전류 상태가 발생할 때 퓨즈되도록 구성되어, 상기 용매 성분이 상기 전도성 복합 부재와 접촉할 수 있게 되는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제거 가능한 배리어는 폴리이미드 층 상에 배치된 구리 층으로 형성된 층상 부재인, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제거 가능한 배리어는 상기 전도성 복합 부재의 제1 표면을 덮는 제1 제거 가능한 배리어이고 상기 용매 성분은 제1 용매 요소이고, 상기 리플로우 가능한 온도 퓨즈는,
    상기 제1 표면 반대편의 상기 전도성 복합 부재의 제2 표면을 덮는 제2 제거 가능한 배리어, 상기 제2 제거 가능한 배리어 상에 배치되고 상기 제2 제거 가능한 배리어에 의해 상기 전도성 복합 부재로부터 분리된 제2 용매 성분을 더 포함하는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  11. 리플로우 가능한 온도 퓨즈에 있어서,
    퓨즈 본체;
    상기 퓨즈 본체 내에 배치된 전도성 복합 부재;
    상기 전도성 복합 부재에 연결되고 상기 퓨즈 본체 외부로 연장되는 제1 및 제2 전도성 단자들;
    상기 전도성 복합 부재의 표면을 덮고 내부에 개구가 형성된 기판;
    상기 기판 상에 배치되고 상기 개구를 브리징하는 퓨즈 가능한 영역을 갖고, 상기 제1 및 제2 전도성 단자들과 전기적으로 통신하도록 배치된 제거 가능한 배리어;
    상기 제거 가능한 배리어 상에 배치되고 상기 제거 가능한 배리어에 의해 상기 전도성 복합 부재로부터 분리된 용매 성분; 및
    상기 기판 및 상기 제거 가능한 배리어를 상기 용매 성분에 대해 바이어스시키는 바이어싱 부재
    을 포함하고,
    상기 제거 가능한 배리어는 소정의 활성화 전류가 인가될 때 상기 퓨즈 가능한 영역에서 퓨즈되도록 구성되는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제거 가능한 배리어는 상기 리플로우 가능한 온도 퓨즈의 리플로우 온도보다 큰 퓨징 온도를 갖는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 용매 성분은 정밀 용융 유기 화합물(PMOC)로 형성되는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 PMOC는 비스페놀 A, 트라이페닐렌, 테트라브로모비스페놀 A, 비스페놀 S, 비스페놀 P, 4,4'-술포닐디페놀, 4-하이드록시벤즈알데하이드, 4-니트로아닐린, 4-아미노벤조산, 4-니트로페놀, 레조르시놀, 벤조인, 및 아스파라트산 중 적어도 하나를 포함하는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 전도성 복합 부재는 폴리머 매트릭스에 현탁된 전도성 입자들을 포함하는 정 온도 계수(PTC) 소재로 형성되는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 전도성 복합 부재는 상기 전도성 복합 부재의 저항을 증가시키기 위해 상기 용매 성분을 흡수하도록 구성되는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 용매 성분은 상기 리플로우 가능한 온도 퓨즈에서 과전류 상태가 발생할 때 용융되어 상기 제거 가능한 배리어를 통해 그리고 상기 기판 내 상기 개구를 통해 흐르도록 구성되는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 제거 가능한 배리어는 폴리이미드 층 상에 배치된 구리 층으로 형성된 층상 부재인, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 기판 내 상기 개구는 상기 기판 내 복수의 개구를 포함하고, 상기 제거 가능한 배리어의 상기 퓨즈 가능한 영역은 상기 기판 내 상기 개구들 각각을 브리징하는 복수의 퓨즈 가능한 영역들을 포함하는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 바이어싱 부재는 상기 전도성 복합 부재를 통해 연장되는 코일 스프링을 포함하는, 리플로우 가능한 온도 퓨즈.
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