TW202011441A - 具有溫度保險絲之暫態電壓抑制裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種暫態電壓抑制（TVS）裝置，包含：暫態電壓抑制二極體，具有第一電極及第二電極；絕緣板，安置於第一電極上；第一終端引線，連接至絕緣板；第二終端引線，連接至第二電極；以及溫度保險絲元件，將第一終端引線連接至第一電極，溫度保險絲元件經設置以在暫態電壓抑制二極體的溫度超過預定安全溫度時熔融及斷開第一終端引線與第一電極之間的電連接。
Description
本發明大體上是關於電路保護裝置的領域，且更尤其是關於一種具有溫度保險絲特徵的暫態電壓抑制裝置。
有時被稱作曾納（Zener）二極體或突崩（avalanche）二極體的暫態電壓抑制（transient voltage suppression；TVS）二極體常用於電子電路中以保護裝置免受可以其他方式由暫態電壓信號引起的損害。暫態電壓抑制二極體通常包含分組或堆疊在一起的一系列互連矽晶粒。暫態電壓抑制二極體中的矽晶粒的數目、大小、配置以及組成指明二極體的電壓額定值。
在正常非暫態操作條件下，暫態電壓抑制二極體經反向偏置。然而，在暫態條件期間，跨越暫態電壓抑制二極體的反向偏壓電壓將超過二極體的反向崩潰電壓，從而致使二極體將暫態電壓箝位至反向崩潰電壓，藉此防止暫態電壓超過電耦接至二極體的電子裝置可承受的最大電壓。
與暫態電壓抑制二極體相關聯的缺點在於：當暫態電壓抑制二極體經受超過二極體的電壓額定值的暫態電壓信號時，二極體可過熱且發生故障，此可引起二極體的短路。（可接著允許大量後繼電流流動通過短路二極體，且後繼電流可損害連接至二極體的裝置。）
關於此等以及其他考慮因素，本發明的改良可為有用的。
提供此發明內容以按簡化形式引入下文在實施方式中進一步描述的概念的選擇。此發明內容既不意欲識別所主張標的物的關鍵特徵或基本特徵，亦不意欲在判定所主張標的物的範疇時作為輔助。
根據本發明的暫態電壓抑制（TVS）裝置的例示性實施例可包含：暫態電壓抑制二極體，其具有第一電極以及第二電極；絕緣板，其安置於所述第一電極上；第一終端引線，其連接至所述絕緣板；第二終端引線，其連接至所述第二電極；以及溫度保險絲元件，其將所述第一終端引線連接至所述第一電極，所述溫度保險絲元件經設置以在所述暫態電壓抑制二極體的溫度超過預定安全溫度時熔融以及斷開所述第一終端引線與所述第一電極之間的電連接。
根據本發明的暫態電壓抑制裝置的另一例示性實施例可包含：第一暫態電壓抑制二極體以及第二暫態電壓抑制二極體，其藉由溫度保險絲元件彼此連接，所述溫度保險絲元件經設置以在所述第一暫態電壓抑制二極體以及所述第二暫態電壓抑制二極體中的至少一者的溫度超過預定安全溫度時熔融及斷開所述第一暫態電壓抑制二極體與所述第二暫態電壓抑制二極體之間的電連接；絕緣封套，其包圍所述溫度保險絲元件且界定中空內部腔室；第一終端引線，其連接至所述第一暫態電壓抑制二極體的電極；以及第二終端引線，其連接至所述第二暫態電壓抑制二極體的電極。
根據本發明的暫態電壓抑制裝置的另一例示性實施例可包含：暫態電壓抑制二極體，其具有第一電極以及第二電極；第一終端引線，其連接至所述第一電極；第二終端引線，其藉由溫度保險絲元件連接至所述第二電極，所述溫度保險絲元件經設置以在所述暫態電壓抑制二極體的溫度超過預定安全溫度時熔融及斷開所述第二終端引線與所述第二電極之間的電連接，所述暫態電壓抑制二極體、所述第一終端引線以及所述第二終端引線安置於外殼內，所述外殼包含：掣動元件，其約束所述暫態電壓抑制二極體在所述第二終端引線的方向上的移動；以及彈簧元件，其以壓縮形式固持於所述外殼的部分與所述第二終端引線之間，所述彈簧元件使所述第二終端引線偏置遠離所述第二電極。
現將參看附圖更充分地描述一種根據本發明的暫態電壓抑制（TVS）裝置的若干實施例，在附圖中呈現暫態電壓抑制裝置的較佳實施例。然而，本發明的暫態電壓抑制裝置可以許多不同形式體現，且不應被解釋為限於本文中所闡述的實施例。確切而言，提供此等實施例以使得本發明將為透徹且完整的，且將向本領域中具通常知識者充分傳達暫態電壓抑制裝置的範疇。在圖式中，除非另外指出，否則全篇類似數字是指類似元件。
現參看圖1A至圖1C，展示根據本發明的例示性實施例的暫態電壓抑制裝置（下文中為「裝置10」）。如圖1A中最佳地展示，裝置10可包含由互連的矽晶粒14的堆疊或群組界定的暫態電壓抑制二極體12。矽晶粒14可界定暫態電壓抑制二極體12的第一頂部側上的第一電極16以及暫態電壓抑制二極體12的第二底部側上的第二電極18。在裝置10的正常操作期間，允許電流流動通過第一電極16與第二電極18之間的暫態電壓抑制二極體12，如下文更詳細地描述。如本領域中具通常知識者應瞭解，暫態電壓抑制二極體12可具有由矽晶粒14的數目、大小、配置以及組成指明的反向崩潰電壓以及電壓額定值。
裝置10可更包含安置於第一電極16上的絕緣板20。可將絕緣板20繫固(fastened)或接合至第一電極16（例如，用非導電黏著劑），但並不限於此1。絕緣板20可由任何電絕緣耐熱性材料形成，所述材料包含（但不限於）陶瓷、玻璃、塑膠、橡膠、各種複合物等等。可諸如用黏著劑或其他繫固構件而將具導電性的第一終端引線22連接至絕緣板20。具導電性的第二終端引線24可諸如用焊料或導電黏著劑而直接地連接至暫態電壓抑制二極體12的第二電極18（亦即，其間不具有絕緣板），以與所述第二電極18建立直接電連接。第一終端引線22以及第二終端引線24可促進裝置10電連接至電路內的其他裝置。
仍參看圖1A，裝置10可更包含安置於第一終端引線22與暫態電壓抑制二極體12的第一電極16之間的溫度保險絲元件26。溫度保險絲元件26可包含藉由導電性低溫接合部30、32而連接至第一終端引線22以及第一電極16的熔線元件28。舉例而言，低溫接合部30、32可由低溫導電膏或低溫焊料形成。熔線元件28以及低溫接合部30、32可具有接近於且較佳地低於暫態電壓抑制二極體12的預定「安全」溫度的熔融溫度。「安全溫度」可為暫態電壓抑制二極體12的最大安全操作溫度，高於所述溫度時，暫態電壓抑制二極體12可發生故障以及短路。因此，當將熔線元件28以及低溫接合部30、32加熱至接近安全溫度的溫度（例如，藉由在暫態條件期間自暫態電壓抑制二極體12輻射的熱）時，熔線元件28以及低溫接合部30、32可熔融，藉此斷開第一終端引線22與第一電極16之間的導電路徑。熔線元件28亦可具有對應於過電流的電流額定值，在熔線元件28經受此過電流時（例如，在暫態條件期間），所述過電流將致使熔線元件28以習知熔斷的方式熔融以及分離。
參看圖1B，可將一數量的低溫非導電黏著材料34安置於溫度保險絲元件26的頂部上（出於清晰起見，圖1A中未展示黏著材料34）。在一個非限制性實例中，黏著材料34可被熱熔，不過其他低溫非導電黏著材料被預期到且可相似地實施而不脫離本發明的範疇。當黏著材料34是固態時（亦即，在低於黏著材料34的熔融溫度的溫度下），黏著材料34可包圍溫度保險絲元件26，以使得當如圖1C中所展示將裝置10包覆於保護性電絕緣外部塗層36（例如，塑膠）中時，外部塗層36將界定包圍溫度保險絲元件26的半球形或凸起部分38。黏著材料34可具有接近於且較佳地低於上文所描述的暫態電壓抑制二極體12的安全溫度的熔融溫度。因此，當將黏著材料加熱至接近安全溫度的溫度（例如，藉由在暫態條件期間自暫態電壓抑制二極體12輻射的熱）時，黏著材料34可熔融且可在包圍溫度保險絲元件26的凸起部分38內產生空的空間。
當溫度保險絲元件26的熔線元件28以及低溫接合部30、32熔融時（其可在黏著材料34的熔融之後或在與黏著材料34的熔融實質上相同的時間發生，且其可由於在暫態條件期間自暫態電壓抑制二極體12輻射的熱及/或由於在暫態條件期間高於熔線元件28的電流額定值的過電流而發生），經熔融熔線元件28以及低溫接合部30、32可流動或耗散至由經熔融黏著材料34抽空的周圍空的空間中，藉此減輕在將經熔融導電組件約束至密閉空間且不允許分散的情況下可能以其他方式發生的電弧。
在裝置10的正常操作期間，可允許電流通過溫度保險絲元件26以及暫態電壓抑制二極體12在第一終端引線22與第二終端引線24之間流動，且暫態電壓抑制二極體12可以習知方式操作至超過暫態電壓抑制二極體12的反向崩潰電壓的箝位電壓以便保護相連接的裝置。然而，若跨越裝置10的電壓超過暫態電壓抑制二極體12的電壓額定值，則暫態電壓抑制二極體12的溫度可增加至安全溫度以上，且暫態電壓抑制二極體12可輻射一定量的熱，所述熱致使熔線元件28、低溫接合部30、32以及黏著材料34被加熱至其各別熔融溫度。另外或替代地，流動通過熔線元件28的電流可超過熔線元件28的電流額定值。因此，熔線元件28、低溫接合部30、32以及黏著材料34可以上文所描述的方式熔融以及分離，藉此斷開第一終端引線22與暫態電壓抑制二極體12的第一電極16之間的導電路徑。因此，即使暫態過電壓條件損害暫態電壓抑制二極體12且使暫態電壓抑制二極體12短路，仍防止後繼電流流動通過裝置10。
現參看圖2A至圖2D，展示根據本發明的另一例示性實施例的暫態電壓抑制裝置（下文中為「裝置110」）。如圖2A中最佳地展示，裝置110可包含由互連的矽晶粒114、矽晶粒115的各別堆疊或群組界定的第一暫態電壓抑制二極體112以及第二暫態電壓抑制二極體113。第一暫態電壓抑制二極體112以及第二暫態電壓抑制二極體113可藉由可為或可包含熔線元件128（下文更詳細地描述）的溫度保險絲元件126彼此串聯地電連接。如本領域中具通常知識者應瞭解，第一暫態電壓抑制二極體112以及第二暫態電壓抑制二極體113可具有由其各別矽晶粒114、矽晶粒115的數目、大小、配置以及組成指明的各別反向崩潰電壓以及電壓額定值。
熔線元件128可具有接近於且較佳地低於暫態電壓抑制二極體112、113的預定「安全溫度」的熔融溫度。「安全溫度」可為暫態電壓抑制二極體112、113的最大安全操作溫度，高於所述最大安全操作溫度時，暫態電壓抑制二極體112、113可發生故障以及短路。因此，當將熔線元件128加熱至接近安全溫度的溫度（例如，藉由在暫態條件期間自暫態電壓抑制二極體112、113中的一者或兩者輻射的熱）時，熔線元件128可熔融，藉此斷開暫態電壓抑制二極體112、113之間的導電路徑。暫態電壓抑制二極體112、113的安全溫度可相同或可不同。熔線元件128亦可具有對應於過電流的電流額定值，所述過電流將致使熔線元件128在熔線元件128經受此過電流時（例如，在暫態條件期間）以習知熔斷的方式熔融以及分離。
裝置110可更包含具導電性的第一終端引線122以及第二終端引線124，其可諸如用焊料或導電黏著劑分別連接至第一暫態電壓抑制二極體112以及第二暫態電壓抑制二極體113的第一電極116以及第二電極118以與其建立直接電連接。第一終端引線122以及第二終端引線124可促進裝置110電連接至電路內的其他裝置。
現參看圖2B，裝置110可更包含絕緣封套134（展示為透通的），其包圍在暫態電壓抑制二極體112、113中間的溫度保險絲元件126的熔線元件128。絕緣封套134可由任何電絕緣耐熱性材料形成，所述材料包含（但不限於）陶瓷、玻璃、塑膠、橡膠、各種複合物等等。絕緣封套134可界定中空內部腔室135（圖2C），其提供徑向地包圍熔線元件128的空的圍封空間。
當熔線元件128熔融時（其可由於在暫態條件期間自暫態電壓抑制二極體112、113輻射的熱及/或由於在暫態條件期間高於熔線元件128的電流額定值的過電流而發生），經熔融的熔線元件128可流動或耗散至由內部腔室135提供的周圍空的空間中，藉此減輕在經熔融熔線元件128約束至密閉空間且不允許分散的情況下可能以其他方式發生的電弧。預期到裝置110的可用電弧淬滅材料（例如，砂粒）填充絕緣封套134的內部腔室135的實施例，電弧淬滅材料可進一步輔助減輕在熔線元件128熔融之後的發弧。如圖2D中所展示，可用保護性電絕緣外部塗層138（例如，塑膠）覆蓋暫態電壓抑制二極體112、113以及絕緣封套134。
在裝置110的正常操作期間，可允許電流在第一終端引線122與第二終端引線124之間流動通過第一暫態電壓抑制二極體112、第二暫態電壓抑制二極體113以及溫度保險絲元件126，且第一暫態電壓抑制二極體112以及第二暫態電壓抑制二極體113可以習知方式操作至超過第一暫態電壓抑制二極體112以及第二暫態電壓抑制二極體113的反向崩潰電壓的鉗位電壓以便保護所連接的裝置。然而，若跨越裝置110的電壓超過第一暫態電壓抑制二極體112以及第二暫態電壓抑制二極體113中的一者或兩者的電壓額定值，則第一暫態電壓抑制二極體112以及第二暫態電壓抑制二極體113中的一者或兩者的溫度可增加至其各別安全溫度以上，從而致使第一暫態電壓抑制二極體112以及第二暫態電壓抑制二極體113中的一者或兩者輻射一定量的熱，所述熱致使熔線元件128被加熱至熔線元件128的熔融溫度。另外，或替代地，流動通過熔線元件128的電流可超過熔線元件128的電流額定值。因此，熔線元件128可以上文所描述的方式熔融，藉此斷開第一暫態電壓抑制二極體112與第二暫態電壓抑制二極體113之間的導電路徑。因此，即使暫態過電壓條件損害第一暫態電壓抑制二極體112以及第二暫態電壓抑制二極體113且使第一暫態電壓抑制二極體112以及第二暫態電壓抑制二極體113短路，仍防止後繼電流流動通過裝置110。
現參看圖3A至圖3C，展示根據本發明的另一例示性實施例的暫態電壓抑制裝置（下文中為「裝置210」）。參看圖3A，裝置210可包含由互連的矽晶粒214的堆疊或群組界定的暫態電壓抑制二極體212。矽晶粒214可界定暫態電壓抑制二極體212的第一頂部側上的第一電極216以及暫態電壓抑制二極體212的第二底部側上的第二電極218。在裝置210的正常操作期間，允許電流流動通過第一電極216與第二電極218之間的暫態電壓抑制二極體212，如下文更詳細地描述。如本領域中具通常知識者應瞭解，暫態電壓抑制二極體212可具有由矽晶粒214的數目、大小、配置以及組成指明的反向崩潰電壓以及電壓額定值。
裝置210可更包含具導電性的第一終端引線222以及第二終端引線224，其可分別電連接至暫態電壓抑制二極體212的第一電極216以及第二電極218，以促進裝置210電連接至電路內的其他裝置。第二終端引線224可藉由可為或可包含具導電性的低溫接合部232的溫度保險絲元件226連接至第二電極218。舉例而言，低溫接合部232可由低溫導電膏或低溫焊料形成。低溫接合部232可具有接近於且較佳地低於暫態電壓抑制二極體212的預定「安全溫度」的熔融溫度。「安全溫度」可為暫態電壓抑制二極體212的最大安全操作溫度，高於所述最大安全操作溫度時，暫態電壓抑制二極體212可發生故障以及短路。因此，當將低溫接合部232加熱至接近安全溫度的溫度（例如，藉由在暫態條件期間自暫態電壓抑制二極體212輻射的熱）時，低溫接合部232可熔融且斷開通過裝置210的導電路徑，如下文進一步描述。
可將暫態電壓抑制二極體212以及第一終端引線222及第二終端引線224安置於可由（例如）塑膠形成的保護性電絕緣外殼233內。可將環氧樹脂模製化合物或相似材料塗覆至裝置210以密封裝置210的內部，且環氧樹脂模製化合物或相似材料可經固化以界定外殼233的第一終端引線222以及第二終端引線224突起通過的前壁237（圖3C中所展示）。出於清楚起見，圖3A以及圖3B中省略前壁237。外殼233可包含一體式掣動元件236a至掣動元件236d，其包圍暫態電壓抑制二極體212且約束暫態電壓抑制二極體212在第一終端引線222以及第二終端引線224的方向上（例如，如圖3A中所展示向上以及向下）的移動。可用耐熱性材料（例如，矽凝膠）塗佈裝置210的內部，包含第一終端引線222及第二終端引線224以及掣動元件236a至掣動元件236d。耐熱性材料可使裝置210的內部隔熱以保護裝置210周圍的裝置免受可能在暫態條件期間由暫態電壓抑制二極體212產生的熱影響。耐熱性材料可另外防護暫態電壓抑制二極體212免受離子穿透。再者，雖然與上文所描述的環氧樹脂模製化合物已經固化之後的環氧樹脂模製化合物相比較相對較軟，但耐熱性材料可在環氧樹脂模製化合物以未固化狀態塗覆時提供對環氧樹脂模製化合物的實體支撐，且可充當緩衝層從而防止環氧樹脂模製化合物包封以及硬化在第二終端引線224的周圍。因為耐熱性材料與經固化環氧樹脂模製化合物相比較相對較軟，所以可允許第二終端引線224在耐熱性材料內移動（如下文進一步描述），即使第二終端引線224由耐熱性材料包圍。
仍然參看圖3A，裝置210可更包含彈簧元件235，在裝置210的正常操作期間，彈簧元件235以一方式以壓縮形式固持於外殼233的內部與第二終端引線224的一部分之間，使得使第二終端引線224偏置遠離暫態電壓抑制二極體212的第二電極218。舉例而言，如圖3A中所展示，彈簧元件235可以壓縮形式固持於掣動元件236d與第二終端引線224的經水平定向的部分240之間，所述經水平定向的部分240相對於第二終端引線224的直接地自第二電極218延伸的經垂直定向的部分242成90度角度地彎曲。當低溫接合部232是固態（亦即，在低溫下）時，由低溫接合部232提供的接合可足夠強以抵抗經壓縮彈簧元件235的力並維持第二終端引線224與第二電極218之間的電連接。然而，當低溫接合部232經熔融時，可破壞所述接合，且彈簧元件235可迫使第二終端引線224彎曲或折曲遠離第二電極218，如圖3B中所展示，藉此在第二終端引線224與第二電極218之間產生實質性間隙以減輕在暫態條件期間使第二終端引線224非常接近於第二電極218的情況下可能以其他方式發生的電弧。
在裝置210的正常操作期間，可允許電流通過暫態電壓抑制二極體212在第一終端引線222與第二終端引線224之間流動，且暫態電壓抑制二極體212可以習知方式操作至超過暫態電壓抑制二極體212的反向崩潰電壓的鉗位電壓以便保護所連接的裝置。然而，若跨越暫態電壓抑制二極體212的電壓超過暫態電壓抑制二極體212的電壓額定值，則暫態電壓抑制二極體212的溫度可增加至安全溫度以上，且暫態電壓抑制二極體212可輻射一定量的熱，所述熱致使將低溫接合部232加熱至其熔融溫度。因此，低溫接合部232可熔融，從而允許彈簧元件235使第二終端引線224移動遠離第二電極218，如上文所描述，藉此斷開通過裝置210的導電路徑。因此，即使暫態過電壓條件損害暫態電壓抑制二極體212且使暫態電壓抑制二極體212短路，仍防止後繼電流流動通過裝置210。
如本文中所使用，應將以單數形式敍述且用詞語「一（a/an）」進行的元件或步驟理解為不排除多個元件或步驟，除非此排除被明確地敍述。此外，並不意欲將對本發明的「一個實施例」的參考解譯為排除亦併有所敍述特徵的額外實施例的存在。
雖然本發明參考某些實施例，但對所描述實施例的眾多修改、更改以及改變在不脫離本發明的如隨附申請專利範圍中所定義的領域以及範疇的情況下是可能的。因此，意欲本發明不限於所描述的實施例，而是具有由以下申請專利範圍及其等效物的語言界定的完整範疇。
10、110、210:暫態電壓抑制（TVS）裝置
12、212:暫態電壓抑制（TVS）二極體
14、114、115、214:矽晶粒
16、116、216:第一電極
18、118、218:第二電極
20:絕緣板
22、122、222:第一終端引線
24、124、224:第二終端引線
26、126、226:溫度保險絲元件
28、128:熔線元件
30、32、232:低溫接合部
34:黏著材料
36、138:外部塗層
38:半球形或凸起的部分
112:第一暫態電壓抑制二極體
113:第二暫態電壓抑制二極體
134:絕緣封套
135:內部腔室
233:外殼
235:彈簧元件
236a、236b、236c、236d:掣動元件
237:前壁
240:經水平定向的部分
242:經垂直定向的部分
圖1A是說明根據本發明的暫態電壓抑制裝置的例示性實施例的透視圖。
圖1B是說明圖1A中展示的暫態電壓抑制裝置的透視圖，其中低溫黏著材料覆蓋裝置的溫度保險絲元件。
圖1C是說明圖1A中展示的具有電絕緣外部塗層的暫態電壓抑制裝置的透視圖。
圖2A是說明根據本發明的暫態電壓抑制裝置的另一例示性實施例的透視圖。
圖2B是說明圖2A中展示的暫態電壓抑制裝置的透視圖，其中絕緣封套包圍裝置的溫度保險絲元件。
圖2C是說明圖2B中展示的絕緣封套的橫截面細節視圖。
圖2D是說明圖2A中展示的具有電絕緣外部塗層的暫態電壓抑制裝置的透視圖。
圖3A是說明根據本發明的暫態電壓抑制裝置的另一例示性實施例的透視圖。
圖3B是說明圖3A中展示的暫態電壓抑制裝置的透視圖，其中裝置的溫度保險絲元件處於斷開狀態。
圖3C是說明圖3A中展示的暫態電壓抑制裝置的透視圖，其中裝置外殼經完整組裝。
10:暫態電壓抑制(TVS)裝置
12:暫態電壓抑制(TVS)二極體
14:矽晶粒
16:第一電極
18:第二電極
20:絕緣板
22:第一終端引線
24:第二終端引線
26:溫度保險絲元件
28:熔線元件
30、32:低溫接合部
Claims (4)
- 一種暫態電壓抑制裝置，包括： 第一暫態電壓抑制二極體以及第二暫態電壓抑制二極體，所述第一暫態電壓抑制二極體以及所述第二暫態電壓抑制二極體藉由溫度保險絲元件彼此連接，所述溫度保險絲元件經設置以在所述第一暫態電壓抑制二極體以及所述第二暫態電壓抑制二極體中的至少一者的溫度超過預定安全溫度時熔融及斷開所述第一暫態電壓抑制二極體與所述第二暫態電壓抑制二極體之間的電連接； 絕緣封套，包圍所述溫度保險絲元件且界定中空內部腔室； 第一終端引線，連接至所述第一暫態電壓抑制二極體的電極；以及 第二終端引線，連接至所述第二暫態電壓抑制二極體的電極， 其中所述溫度保險絲元件包括熔線元件，所述熔線元件經設置以在所述熔線元件經受超過所述熔線元件的電流額定值的電流時分離， 其中所述絕緣封套安置於所述第一暫態電壓抑制二極體與所述第二暫態電壓抑制二極體之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的暫態電壓抑制裝置，其中所述第一暫態電壓抑制二極體以及所述第二暫態電壓抑制二極體中的至少一者包括矽晶粒的堆疊。
- 如申請專利範圍第1項所述的暫態電壓抑制裝置，更包括安置於所述絕緣封套內的電弧淬滅材料。
- 如申請專利範圍第1項所述的暫態電壓抑制裝置，更包括囊封所述第一暫態電壓抑制二極體及所述第二暫態電壓抑制二極體以及所述溫度保險絲元件的電絕緣外部塗層。
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