TW201904154A - 內嵌保護構件的印刷電路板 - Google Patents

Abstract

本文中提供將一或多個保護構件內嵌於例如印刷電路板（PCB）等基板內的方式。在一種方式中，一種裝置包括第一印刷電路板層及第二印刷電路板層，以及多個保護構件，所述多個保護構件形成於所述第一印刷電路板層與所述第二印刷電路板層之間。所述裝置更包括核心殼體及一組包封體層，所述核心殼體包圍所述多個保護構件，所述一組包封體層形成於所述核心殼體的第一側及第二側之上。在一些方式中，所述多個保護構件是選自由以下組成的群組：熔絲、正溫度係數元件、積體電路、及/或感測器。例如電阻器及電容器等電子構件可表面安裝於印刷電路板的頂側上以與保護構件一起完成保護電路。藉由端子連接、迴焊焊接、或其他方式，所述裝置可連接至蓄電池組以保護蓄電池操作。

Description

內嵌保護構件的印刷電路板

本發明大體而言是有關於蓄電池保護元件，且更具體而言是有關於內嵌於及/或包封於例如印刷電路板（printed circuit board，PCB）等基板內的保護構件。

隨著電子工業、通訊工業及電腦工業的快速發展，越來越多地使用到可攜式電子元件。諸多可攜式電子元件採用二次（例如，可再充電的）蓄電池作為電源。

例如鋰蓄電池等蓄電池對於由外部短路、不受控的充電（uncontrolled charging）、過度使用過充電（abuse of over-charging）等所造成的故障敏感。為對蓄電池單元提供超溫保護或過電流保護，已開發出各種保護元件。一種此類保護元件包括正溫度係數（positive temperature coefficient，PTC）元件，正溫度係數元件可含有PTC組件，所述PTC組件例如是PTC導電聚合物（例如，包含有機聚合物且分散於或以另一種方式分佈於其中的成分）、微粒導電填料（例如，碳黑（carbon black））、或者金屬或導電金屬化合物。此種元件可被稱作聚合物PTC，或者PPTC電阻器或電阻元件。

當前的蓄電池單元保護元件位於蓄電池單元外部以力求使對蓄電池單元的損傷最小化。然而，蓄電池單元保護元件定位於外部會妨礙對例如電流、溫度條件等蓄電池參數的直接感測。

綜上所述，需要一種其中內嵌有及/或包封有包括主動保護構件（例如，積體電路（integrated circuit，IC）或感測器）及被動保護構件（例如，PTC、負溫度係數（negative temperature coefficient，NTC）、及/或熔絲）的保護電路的PCB。

根據本發明實施例的一個方式包括一種裝置，所述裝置具有第一印刷電路板（PCB）層及第二PCB層，以及多個保護構件，所述多個保護構件形成於所述第一PCB層與所述第二PCB層之間。所述裝置更包括核心殼體、第一包封體層及第二包封體層，所述核心殼體包圍所述多個保護構件，所述第一包封體層形成於所述核心殼體的第一側之上，所述第二包封體層形成於所述核心殼體的第二側之上。

根據本發明實施例的另一方式包括一種印刷電路板（PCB），所述印刷電路板具有第一PCB層及第二PCB層，以及多個保護構件，所述多個保護構件形成於所述第一PCB層與所述第二PCB層之間。所述PCB更包括包圍所述多個保護構件的核心殼體，所述核心殼體設置於所述第一PCB層與所述第二PCB層之間。所述PCB可更包括第一包封體層及第二包封體層，所述第一包封體層耦合至所述核心殼體的第一側，所述第二包封體層耦合至所述核心殼體的第二側。

根據本發明實施例的又一方式包括一種方法，所述方法包括：在第一印刷電路板（PCB）層與第二PCB層之間提供多個保護構件；以及將所述多個保護構件包圍於核心殼體的一組開口內。所述方法更包括將第一包封體層耦合至所述核心殼體的第一側，且將第二包封體層耦合至所述核心殼體的第二側。

現將在下文中參照附圖更詳細地闡述根據本發明的實施例。系統/電路可實施為諸多不同形式且不應被視為僅限於本文中所述實施例。確切而言，提供該些實施例是為使此揭露內容將透徹及完整，且將向熟習此項技術者充分傳達系統及方法的範圍。

為方便及清晰起見，本文中將使用例如「頂部」、「底部」、「上部」、「下部」、「垂直」、「水平」、「側向」、及「縱向」等用語來闡述各種組件及其各構成部件的相對放置及取向。所述術語將包括所特別提及的詞語、其派生詞、及為相似含義的詞語。

除非明確陳述排除複數個元件或操作，否則本文中所使用的以單數形式陳述且以詞語「一（a或an）」開頭的元件或操作應被理解為不排除複數個元件或操作。此外，提及本發明的「一個實施例」並非旨在被解釋為排除亦包括所陳述特徵的附加實施例的存在。

如上所述，慮及先前技術，需要一種其中內嵌有及/或包封有包括主動保護構件（例如，積體電路或感測器）及被動保護構件（例如，PTC、負溫度係數（NTC）、及/或熔絲）的保護電路的PCB。主動構件及/或被動構件可與導電層及/或通孔連接以形成積體PCM。由於存在諸多蓄電池組變型，因此各個保護電路模組通常被設計成分別滿足各個蓄電池組。由於正構件及被動構件通常為保護電路的更具影響性的態樣，因此將正構件與被動構件一起整合於PCB內（此為PCM的基礎）將會簡化PCM設計。對設計者而言，所剩的工作就只有視需要來選擇電阻器及電容器以完成保護電路。

如上所述，本文中闡述一種其中內嵌有包括主動保護構件（例如，積體電路或感測器）及被動保護構件（例如，PTC、負溫度係數（NTC）、或熔絲）的保護電路的一些部分的裝置（例如基板/PCB）。PCB可包括由PCB FR-4材料製成或藉由模塑製成的核心殼體，且利用第一包封體層及第二包封體層（例如環氧樹脂或包封體）包封保護構件。主動構件及被動構件與導電層及/或通孔孔連接以形成保護電路。

在一些實施例中，一種裝置包括第一PCB層及第二PCB層，以及多個保護構件，所述多個保護構件形成於所述第一PCB層與所述第二PCB層之間。所述裝置更包括核心殼體及一組包封體層，所述核心殼體包圍所述多個保護構件，所述一組包封體層形成於所述核心殼體的第一側及第二側之上。在一些方式中，所述多個保護構件是選自由以下組成的群組：熔絲、正溫度係數元件、積體電路、及/或感測器。藉由端子連接、迴焊焊接、或其他方式，所述裝置可連接至外部電路及/或例如蓄電池等外部設備。

因此，本發明的實施例可將保護電路設計簡化成電子構件選擇工作以滿足各個蓄電池組容量，從而使客戶端裝配及安裝技術及製程簡化而降低成本。此外，將一些保護構件包封於核心殼體內，且對所述保護構件施加保護分層（protective layering），從而提高現有產品的效能及增強產品可靠性。

現轉至圖1至圖3，示出根據本發明的裝置100的示例性實施例。如所示，裝置100（例如被包括而作為蓄電池保護電路模組的一部分的基板或PCB）可包括第一PCB層102A及第二PCB層102B，以及多個保護構件104A至104B，所述多個保護構件104A至104B形成於第一PCB層102A與第二PCB層102B之間。保護構件104A至104B可設置於核心殼體110內（例如設置於核心殼體110中的一組開口112A至112B內）。保護構件104A至104B可被形成於核心殼體110的第一側116（例如，頂表面）之上的第一包封體層114A進一步包圍，且被形成於核心殼體110的第二側118（例如，底表面）之上的第二包封體層114B包圍。

如進一步示出，裝置100可包括第一導電層120A及第二導電層120B，第一導電層120A設置於第一PCB層102A與第一包封體層114A之間，第二導電層120B設置於第二PCB層102B與第二包封體層114B之間。第一PCB層102A可包括一或多個開口122A至122B以暴露出且容許接達第一導電層120A的外表面124（例如，上表面）來與一組端子進行貼合，如以下將更詳細闡述。相似地，第二PCB層102B可包括一或多個開口126A至126B以暴露出且容許接達第二導電層120B的外表面129（例如，底表面）。

裝置100可更包括第一組引線130，第一組引線130是穿過第一導電層120A中的開口132及第一包封體層114A中的開口134形成。引線130在所述多個保護構件104A至104B與耦合至第一導電層120A的一組端子（未示出）之間提供電性路徑。相似地，穿過第二導電層120B中的開口142及第二包封體層114B中的開口144可形成第二組引線140。

在一些實施例中，所述多個保護構件104A至104B是選自由以下組成的非限制性群組：熔絲、PTC、NTC、IC、及感測器。在該些保護構件中，IC及感測器被視為主動保護構件，而PTC、NTC、及熔絲被視為被動構件。在所示實施例中，保護構件104-A可為PTC，且保護構件104-B可為IC（例如，可與金屬氧化物半導體場效電晶體（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）進行整合）。然而，應理解，此種構造是非限制性的，且保護構件的數目及配置可視應用而有所變化。

保護構件104-A的PTC材料可由包括聚合物及導電填料的正溫度係數導電成分製成。PTC材料的聚合物可為選自由聚乙烯、聚丙烯、聚辛烯、聚偏二氯乙烯、或其混合物組成的群組的結晶聚合物。導電填料可分散於聚合物中且是選自由碳黑、金屬粉末、導電陶瓷粉末、及其混合物組成的群組。此外，為改善PTC材料的敏感性及物理性質，PTC導電成分亦可包括例如光起始劑（photo initiator）、交聯劑（cross-link agent）、耦合劑（coupling agent）、分散劑（dispersing agent）、穩定劑（stabilizer）、抗氧化劑（anti-oxidant）及/或非導電抗弧填料（nonconductive anti-arcing filler）等添加劑。

在一些實施例中，核心殼體110整體地圍繞保護構件104A至104B中的每一者的外周界延伸。舉例而言，核心殼體110可具有框架150，框架150界定所述一組開口112A至112B，所述一組開口112A至112B中接納有保護構件104A至104B。如所示，保護構件104A至104B在核心殼體110的第一側116及第二側118下方稍微凹陷，以便不干擾耦合至核心殼體110的第一包封體層114A及第二包封體層114B。儘管不限於任何特定形狀或配置，然而核心殼體110可具有大致為矩形的形狀。在一些實施例中，核心殼體110是由FR-4玻璃加強型環氧層壓體（FR-4 glass-reinforced epoxy laminate）製成。在其他實施例中，核心殼體110是由陶瓷或可模塑材料製成。

在一些實施例中，第一包封體層114A及第二包封體層114B是直接耦合至核心殼體110的框架150的相對兩側（例如，頂側與底側）以充分包封容納於框架150中的所述多個保護構件104A至104B的結合層。在一些實施例中，第一結合層包封體層114A及第二結合層包封體層114B是可分別設置有形成於其中的通孔134及144的環氧樹脂層。通孔134及144可藉由機械鑽孔（mechanical drilling）、隨後進行電鍍（electro plating）或無電鍍覆（electroless plating）來形成。在其他實施例中，通孔134及144可利用導電膏（conductive paste）來填充。在一些實施例中，第一包封體層及第二包封體層114A至114B例如藉由注射模塑（injection molding）而耦合至核心殼體110。

如圖4A至圖4B中所示，裝置100可更包括一或多個端子155A至155B，所述一或多個端子155A至155B耦合至第一導電層120A以形成保護電路模組168。在一個非限制性實施例中，端子155A至155B可藉由引線130連接至保護構件104A至104B，引線130穿過第一導電層120A中的開口132及第一包封體層114A的開口134延伸，且其中引線130可被設計成滿足特定蓄電池組應用要求。如所示，例如電阻器164A至164B及電容器165A至165B等電子構件亦可耦合至第一導電層120A以與保護構件104A至104B一起完成保護電路。在一些實施例中，根據蓄電池容量及相關效能要求，可對電阻器164A至164B及電容器165A至165B進行調整，且當發生故障時可將該些構件替換。然而，應理解，此種構造是非限制性的，且在外部耦合至裝置100的保護構件的數目及配置可視應用而有所變化。在一些實施例中，如圖5中所示，裝置100利用端子155A至155B耦合至蓄電池組170。保護構件104A至104B與裝置100的電子構件構成用於蓄電池組170的保護電路。

現轉至圖6A至圖6E，將更詳細闡述裝配圖1至圖5中所示裝置100的示例性製程。首先，如圖6A中所示，可將所述多個保護構件104A至104B插入核心殼體110的開口112A至112B中。開口112A至112B可為不同大小，且可被各別地確定尺度以在其中容置保護構件104A至104B。在一些實施例中，如圖6B中所示，使保護構件104A至104B在核心殼體110的第一側116及第二側118下方稍微凹陷，以便不干擾被接著耦合至核心殼體110的第一包封體層114A至第二包封體層114B。第一包封體層114A及第二包封體層114B可具有與核心殼體110的佔用面積（footprint）相同或相似的佔用面積，且可為實質上平面的或與核心殼體110的第一側116及第二側118齊平。一旦固定至核心殼體110的各個側，保護構件104A至104B便會被第一包封體層114A及第二包封體層114B以及核心殼體110包封。在一些實施例中，可在將保護構件104A至104B放置於核心殼體110中之前首先將第二包封體層114B貼合至核心殼體110的第二側/底側118。

接下來，如圖6C中所示，可將第一導電層120A及第二導電層120B耦合至第一包封體層114A的外表面及第二包封體層114B的外表面。在一些實施例中，第一導電層120A及第二導電層120B中的每一者可為作為連續材料片材而分別形成於第一包封體層114A及第二包封體層114B上的層壓體銅箔（laminate copper foil）。如所示，可對第一導電層114A及第二導電層114B進行蝕刻以形成各個分立區段。如圖6D中所示，可接著穿過第一包封體層114A及設置於第一包封體層114A中的所述多個引線130形成所述多個開口/通孔132。最終，如圖6E中所示，第一PCB層102A及第二PCB層102B可耦合至第一包封體層114A及第二包封體層114B中的每一者以形成裝置100。如所示，第一PCB層102A與第二PCB層102B可具有相同的或相似的佔用面積，且可為實質上平面的或與第一包封體層114A及第二包封體層114B以及核心殼體110齊平。

現參照圖7，將更詳細闡述一種形成例如圖1至圖6E中所示裝置100等裝置的方法200。如方塊201處所示，方法200包括在第一PCB層與第二PCB層之間提供多個保護構件。在一些實施例中，第一PCB層及第二PCB層包括一或多個開口以使第一導電層及第二導電層的外表面暴露至所述裝置的外部。

如方塊203處所示，方法200更包括將所述多個保護構件包圍於核心殼體的一組開口內。在一些實施例中，所述多個保護構件是選自由以下組成的群組：熔絲、正溫度係數元件、積體電路、及/或感測器。在一些實施例中，所述裝置的保護構件及電子構件構成用於外部蓄電池組的保護電路。

如方塊205處所示，方法200更包括將第一包封體層耦合至核心殼體的第一側且將第二包封體層耦合至核心殼體的第二側。在一些實施例中，第一包封體層及第二包封體層是直接耦合至核心殼體的框架的相對兩側（例如，頂側與底側）以充分包封容納於框架中的所述多個保護構件的結合層。在一些實施例中，第一結合層包封體層及第二結合層包封體層是可設置有形成於其中的通孔的環氧樹脂層。

如方塊207處所示，方法200可更包括在第一PCB層與第一包封體層之間提供第一導電層且在第二PCB層與第二包封體層之間提供第二導電層。在一些實施例中，將第一導電層的外表面（例如，上表面）耦合至一組端子。在一些實施例中，第一導電層及第二導電層中的每一者為銅箔，所述銅箔用以將核心殼體內的保護構件與定位於外部的構件（例如電容器、電阻器、及/或端子）連接。在一些實施例中，第一PCB層包括一或多個開口以暴露出第一導電層的外表面且其中第二PCB層包括一或多個開口以暴露出第二導電層的外表面。

本文中揭露用於將蓄電池保護構件及元件包封於PCB板內的元件及方法。第一個優點是設計簡化，乃因無需考量多種保護構件配置。相反，保護構件早已在電路內固定到位。

第二個優點是設計靈活性，乃因定位於外部的電阻器及電容器可被選擇/修改以滿足不同的蓄電池容量要求。第三個優點是大小微型化，乃因保護構件是最大的PCB安裝構件，所述保護構件被自PCB的表面移動至核心殼體110的內層。此種位置變化可使總PCB自由空間提升達近似60%。第四個優點是更高的可靠性效能，乃因保護構件被包封於PCB內，從而避免了環境污染。

儘管已參照特定方式闡述了本發明，然而在不背離如隨附申請專利範圍中所界定的本發明的範疇及範圍的條件下，可對所述方式作出諸多潤飾、變更及改變。因此，本文旨在使本發明不限於所述方式，而是具有由以下申請專利範圍的語言所界定的全部範圍及其等效範圍。儘管已參照特定方式闡述了本發明，然而在不背離如隨附申請專利範圍中所界定的本發明的精神及範圍的條件下，可對所述方式作出諸多潤飾、變更及改變。因此，本文旨在使本發明不限於所述方式，而是具有由以下申請專利範圍的語言所界定的全部範圍及其等效範圍。

100‧‧‧裝置

102A‧‧‧第一PCB層

102B‧‧‧第二PCB層

104A、104B‧‧‧保護構件

110‧‧‧核心殼體

112A、112B、122A、122B、126A、126B、142‧‧‧開口

114A‧‧‧第一包封體層

114B‧‧‧第二包封體層

116‧‧‧第一側

118‧‧‧第二側/底側

120A‧‧‧第一導電層

120B‧‧‧第二導電層

124、129‧‧‧外表面

130‧‧‧引線/第一組引線

132、134、144‧‧‧開口/通孔

140‧‧‧第二組引線

150‧‧‧框架

155A、155B‧‧‧端子

164A、164B‧‧‧電阻器

165A‧‧‧電容器

168‧‧‧保護電路模組

170‧‧‧蓄電池組

200‧‧‧方法

201、203、205、207‧‧‧方塊

附圖示出截至目前為止為實際應用所揭露實施例的原理而設計的所揭露實施例的示例性方式，且在附圖中：

圖1是根據本發明示例性方式的裝置（例如PCB）的俯視圖。

圖2是根據本發明示例性方式的圖1所示裝置的側剖視圖。

圖3是根據本發明示例性方式的圖1所示裝置的分解圖。

圖4A至圖4B是根據本發明示例性方式的耦合至圖1所示裝置以形成保護電路模組的大量構件的立體圖。

圖5是根據本發明另一示例性方式的蓄電池組及裝置的立體圖。

圖6A至圖6E繪示根據本發明示例性方式來形成裝置的方式。

圖7繪示根據本發明示例性方式來形成裝置的製程。

各圖式未必是按比例繪製。各圖式僅為代表圖，而並不旨在描繪本發明的具體參數。各圖式旨在繪示本發明的典型實施例，且因此不應被視為在範圍上存在限制。在各圖式中，相同的編號代表相同的組件。

此外，為清晰示出，可省略或可不按比例地示出一些圖中的特定組件。此外，為清晰起見，可在特定圖式中省略一些參考編號。

Claims (20)

1. 一種裝置，包括： 第一印刷電路板（PCB）層及第二印刷電路板層； 多個保護構件，形成於所述第一印刷電路板層與所述第二印刷電路板層之間； 核心殼體，包圍所述多個保護構件；以及 第一包封體層及第二包封體層，所述第一包封體層形成於所述核心殼體的第一側之上，所述第二包封體層形成於所述核心殼體的第二側之上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，更包括第一導電層及第二導電層，所述第一導電層設置於所述第一印刷電路板層與所述第一包封體層之間，所述第二導電層設置於所述第二印刷電路板層與所述第二包封體層之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述的裝置，其中所述第一印刷電路板層包括一或多個開口以暴露出所述第一導電層的外表面。
4. 如申請專利範圍第2項所述的裝置，其中所述第二印刷電路板層包括一或多個開口以暴露出所述第二導電層的外表面。
5. 如申請專利範圍第2項所述的裝置，更包括第一組引線及第二組引線，所述第一組引線穿過所述第一導電層及所述第一包封體層形成，所述第二組引線穿過所述第二導電層及所述第二包封體層形成。
6. 如申請專利範圍第2項所述的裝置，更包括一組端子，所述一組端子耦合至所述第一導電層或所述第二導電層。
7. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述核心殼體包括一組開口，所述一組開口接納所述多個保護構件，且其中所述保護構件在所述核心殼體的所述第一側及所述第二側下方凹陷。
8. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述多個保護構件選自由以下組成的群組：熔絲、正溫度係數元件、積體電路及感測器。
9. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述核心殼體、所述第一包封體層及所述第二包封體層封閉所述保護構件。
10. 一種印刷電路板，包括： 第一印刷電路板（PCB）層及第二印刷電路板層； 多個保護構件，形成於所述第一印刷電路板層與所述第二印刷電路板層之間； 核心殼體，包圍所述多個保護構件，所述核心殼體設置於所述第一印刷電路板層與所述第二印刷電路板層之間；以及 第一包封體層及第二包封體層，所述第一包封體層耦合至所述核心殼體的第一側，所述第二包封體層耦合至所述核心殼體的第二側。
11. 如申請專利範圍第10項所述的印刷電路板，更包括第一導電層及第二導電層，所述第一導電層設置於所述第一印刷電路板層與所述第一包封體層之間，所述第二導電層設置於所述第二印刷電路板層與所述第二包封體層之間。
12. 如申請專利範圍第11項所述的印刷電路板，其中所述第一印刷電路板層包括一或多個開口以容許接達所述第一導電層的外表面，且其中所述第二印刷電路板層包括一或多個開口以容許接達所述第二導電層的外表面。
13. 如申請專利範圍第11項所述的印刷電路板，更包括第一組引線及第二組引線，所述第一組引線穿過所述第一導電層及所述第一包封體層形成，所述第二組引線穿過所述第二導電層及所述第二包封體層形成，其中所述第一組引線及所述第二組引線連接至所述多個保護構件。
14. 如申請專利範圍第11項所述的印刷電路板，其中所述核心殼體包括第一開口及第二開口，所述第一開口及所述第二開口接納所述多個保護構件，且其中所述保護構件在所述核心殼體的所述第一側及所述第二側下方凹陷。
15. 如申請專利範圍第10項所述的印刷電路板，其中所述多個保護構件選自由以下組成的群組：熔絲、正溫度係數元件、積體電路及感測器。
16. 一種方法，包括： 在第一印刷電路板（PCB）層與第二印刷電路板層之間提供多個保護構件； 將所述多個保護構件包圍於核心殼體的一組開口內；以及 將第一包封體層耦合至所述核心殼體的第一側，且將第二包封體層耦合至所述核心殼體的第二側。
17. 如申請專利範圍第16項所述的方法，更包括：在所述第一印刷電路板層與所述第一包封體層之間提供第一導電層，以及在所述第二印刷電路板層與所述第二包封體層之間提供第二導電層。
18. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中所述第一印刷電路板層包括一或多個開口以暴露出所述第一導電層的外表面，且其中所述第二印刷電路板層包括一或多個開口以暴露出所述第二導電層的外表面。
19. 如申請專利範圍第17項所述的方法，更包括：提供穿過所述第一導電層及所述第一包封體層的第一組引線，以及提供穿過所述第二導電層及所述第二包封體層的第二組引線，其中所述第一組引線及所述第二組引線連接至所述多個保護構件。
20. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中所述多個保護構件選自由以下組成的群組：熔絲、正溫度係數元件、積體電路及感測器。