TW202329573A

TW202329573A - 複合式電路保護裝置

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Publication number: TW202329573A
Application number: TW111100716A
Authority: TW
Inventors: 陳繼聖; 江長鴻
Original assignee: 富致科技股份有限公司
Priority date: 2022-01-07
Filing date: 2022-01-07
Publication date: 2023-07-16

Abstract

一種複合式電路保護裝置包含一正溫度係數(PTC)元件、一二極體元件、一焊料、一第一導電引線及一第二導電引線。該二極體元件藉由該焊料連接於該PTC元件。該焊料包括第一合金材料及第二合金材料，該第二合金材料的熔點低於該第一合金材料，該第一合金材料的熔點及該第二合金材料的熔點各自大於190℃且小於308℃。該第一導電引線及該第二導電引線分別連結於該PTC元件及該二極體元件。本發明複合式電路保護裝置的PTC元件藉由焊料連接該二極體元件，可達到優異的結構穩定性及電性穩定性。

Description

複合式電路保護裝置

本發明是有關於一種複合式電路保護裝置，特別是指一種包含一正溫度係數(positive temperature coefficient, PTC)元件及一二極體元件的複合式電路保護裝置，該PTC元件與該二極體元件藉由一含有至少兩種合金材料的焊料互相連接。

一種現有的聚合物正溫度係數(polymer positive temperature coefficient, PPTC)過電流(over-current)保護結構如圖1所示，其包含兩個電極30、一層疊在該等電極30之間的PTC聚合物基材20、分別連結於該等電極30的第一導電引線50及第二導電引線60。該PTC聚合物基材20可形成有一孔洞40，該孔洞40具有能容納該PTC聚合物基材20在溫度升高時之熱膨脹的有效體積。

電氣特性[例如工作電流(operating current)和高壓突波耐受性(high-voltage surge endurability)]是影響在PPTC過電流保護結構中發生電力突波(power surge)的重要因素。當通過增加該PTC聚合物基材20的厚度或面積來增加PPTC過電流保護結構的操作電流及高壓耐受性時，其更容易受到電力突波的損害。

二極體可藉由焊料連接該PPTC過電流保護結構以對於組合得到的複合式電路保護裝置賦予過電壓(over-voltage)保護，在上述複合式電路保護裝置的製程中，該焊料必須有效地連結該二極體至該PPTC過電流保護結構，否則將造成該複合式電路保護裝置的電氣特性不佳。

因此，本發明之目的，即在提供一種複合式電路保護裝置，可以克服上述先前技術的至少一個缺點。

於是，本發明的複合式電路保護裝置包含一正溫度係數(PTC)元件、一二極體元件、一焊料、一第一導電引線及一第二導電引線。該PTC元件包括一PTC層、第一電極層及第二電極層，該PTC層具有兩個相反表面，該第一電極層及該第二電極層分別設置於該PTC層的兩個相反表面。該焊料包括第一合金材料及第二合金材料，該第二合金材料的熔點低於該第一合金材料，該第一合金材料的熔點及該第二合金材料的熔點各自大於190℃且小於308℃。該二極體元件藉由該焊料連接於該第二電極層。該第一導電引線連結於該第一電極層，該第二導電引線連結於該二極體元件。

本發明之功效在於：本發明複合式電路保護裝置的PTC元件藉由焊料連接該二極體元件，可達到優異的結構穩定性及電性穩定性。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2，本發明的複合式電路保護裝置之第一實施例包含一正溫度係數(PTC)元件2、一二極體元件3、一焊料6、一第一導電引線4及一第二導電引線5。

該PTC元件2包括一PTC層21、第一電極層22及第二電極層23，該PTC層21具有兩個相反表面211，該第一電極層22及該第二電極層23分別設置於該PTC層21的兩個相反表面211。

根據本發明，該PTC元件2形成有一孔洞210。在本實施例中，該孔洞210形成在該PTC層21中。該PTC元件2的PTC層21具有一周緣212，該周緣定義該PTC層21的邊界並與該PTC層21的兩個相反表面211互連。該孔洞210與該PTC層21的周緣212相間隔，且具有能容納該PTC層21在溫度升高時之熱膨脹的有效體積，以避免該PTC層21發生不欲的結構變形。

在本發明的具體實施例中，該孔洞210貫穿該PTC層21的兩個相反表面211中的至少其中一者。在本發明的某些具體實施例中，該孔洞210還貫穿該第一電極層22及該第二電極層23中的至少其中一者。在本實施例中，該孔洞210貫穿該PTC層21的兩個相反表面211及該第一電極層22、該第二電極層23，以形成一穿孔。在本發明的某些具體實施例中，該孔洞210沿著一穿過該PTC層21的幾何中心且橫過該兩個相反表面211的線延伸。該孔洞210是由一孔洞定義壁所定義，該孔洞定義壁具有平行於該PTC層21的表面211之橫截面。該孔洞定義壁的橫截面可為圓形、方形、橢圓形、三角形、十字形等。

根據本發明，該PTC元件2可為一聚合物PTC (PPTC)元件，且該PTC層21可包括聚合物基材及分散在該聚合物基材中的導電填料。該聚合物基材可由含有非接枝的烯烴系聚合物(non-grafted olefin-based polymer)的聚合物組成物所製得。在本發明的某些具體實施例中，該非接枝的烯烴系聚合物為高密度聚乙烯(HDPE)。在本發明的某些具體實施例中，該聚合物組成物還包括經接枝的烯烴系聚合物(grafted olefin-based polymer)。在本發明的某些具體實施例中，該經接枝的烯烴系聚合物為經羧酸酐接枝的烯烴系聚合物。本發明適用的導電填料是選自於碳黑(carbon black)粉末、金屬粉末、導電陶瓷粉末或前述的組合，但不限於此。

該二極體元件3包括一二極體結構31、一第三電極層32及一第四電極層33。該二極體結構31具有兩個相反表面311。

在本發明的某些具體實施例中，該二極體元件3為一瞬間電壓抑制(transient voltage suppression, TVS)二極體，該TVS二極體包括一具有PN接面的矽晶圓。

該二極體元件3在開始導電時具有一崩壞電壓(breakdown voltage)。該PTC元件2在指派工作時具有一額定電壓(rated voltage)。在本發明的某些具體實施例中，該PTC元件2具有的額定電壓介於50%-100%該二極體元件3在1 mA下量測的崩壞電壓。在本發明的其他具體實施例中，該複合式電路保護裝置處於一過電壓下而跳脫，該過電壓小於該PTC元件2的額定電壓及該二極體元件3的崩壞電壓的總和。

該焊料6用於連接該二極體元件3至該PTC元件2。在本發明的某些具體實施例中，該PTC元件2與該二極體元件3是串聯連接。在本發明的其他具體實施例中，該PTC元件2與該二極體元件3是並聯連接。該焊料6包括至少兩種合金材料。在本實施例中，該焊料6包括第一合金材料及第二合金材料，該第二合金材料的熔點低於該第一合金材料。該第一合金材料的熔點及該第二合金材料的熔點各自大於190℃且小於308℃。在本發明的某些具體實施例中，該第一合金材料的熔點及該第二合金材料的熔點各自介於200-300℃。舉例來說，該第一合金材料的熔點不小於280℃，例如介於280-300℃；該第二合金材料的熔點不大於230℃，例如介於210-230℃。藉由上述焊料6將該PTC元件2與該二極體元件3焊接在一起，所形成的複合式電路保護裝置可具有較佳的結構穩定性及電性穩定性。

該第一導電引線4藉由該焊料6或任何其他現有焊料連結於該第一電極層22。在本實施例中，該第一導電引線4具有一連接部41及一自由部42，該第一導電引線4的連接部41連結於該第一電極層22的外表面，且該第一導電引線4的自由部42自該連接部41延伸出該第一電極層22以供插入一電路板或一電路裝置的接腳孔(圖未示)。

該第二導電引線5藉由該焊料6或任何其他現有焊料連結於該二極體元件3。在本實施例中，該第二導電引線5具有一連接部51及一自由部52，該第二導電引線5的連接部51連結於該二極體元件3的第四電極層33，且該第二導電引線5的自由部52自該連接部51延伸出該第四電極層33以供插入一電路板或一電路裝置的接腳孔(圖未示)。

該複合式電路保護裝置還包含一封裝材7，該封裝材7包裝該PTC元件2、該二極體元件3、該焊料6、一部分該第一導電引線4及一部分該第二導電引線5。在本實施例中，該第一導電引線4的自由部42及該第二導電引線5的自由部52暴露在該封裝材7外。在本發明的某些具體實施例中，該封裝材7是由環氧樹脂所製得。

參閱圖3，本發明的複合式電路保護裝置之第二實施例與第一實施例相似，差異之處在於第二實施例還包含一第三導電引線8。該第三導電引線8藉由該焊料6或任何其他現有焊料連結並設置於該第二電極層23與該第三電極層32之間。在本實施例中，該第三導電引線8具有一連接部81及一自由部82，該第三導電引線8的連接部81連接於該第二電極層23及該第三電極層32，該第三導電引線8的自由部82自該連接部81延伸出該第二電極層23及該第三電極層32以供插入一電路板或一電路裝置的接腳孔(圖未示)。

在本實施例中，該封裝材7包裝該PTC元件2、該二極體元件3、該焊料6、一部分該第一導電引線4、一部分該第二導電引線5及一部分該第三導電引線8。該第一導電引線4的自由部42、該第二導電引線5的自由部52及該第三導電引線8的自由部82暴露在該封裝材7外。

本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

實施例

[ 製備焊料]

將表1所示的四種焊膏(A-D，具有不同組成及熔點)根據表2所示的用量配製在實施例1至5 (E1-E5)及比較例1至6 (CE1-CE6)的複合式電路保護裝置中使用的焊料。【表1】

焊膏	焊膏組成 (wt%)	熔點 (℃)	來源
A	Sn5/Pb95	308-312	Indium Corporation
B	Sn5/Pb92.5/Ag2.5	287-296	Indium Corporation
C	Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5	217-221	Nihon Genma Mfg. Co., Ltd.
D	Sn62/Pb37.6/Ag0.4	179-190	Nihon Genma Mfg. Co., Ltd.

【表2】

	焊料
第一焊膏	wt%	第二焊膏	wt%
E1	B	10	C	90
E2	B	25	C	75
E3	B	50	C	50
E4	B	75	C	25
E5	B	90	C	10
CE1	A	100	--	--
CE2	B	100	--	--
CE3	C	100	--	--
CE4	D	100	--	--
CE5	A	50	C	50
CE6	B	50	D	50

「--」表示不含此焊膏。

[ 製備複合式電路保護裝置]

＜實施例1 (E1) ＞

12.5 g HDPE(購自台灣塑膠工業股份有限公司，產品型號：HDPE9002)作為非接枝的烯烴系聚合物，12.5 g經馬來酸酐接枝的HDPE (購自杜邦公司，產品型號：MB100D)作為經羧酸酐接枝的烯烴系聚合物，25 g碳黑粉末(購自Columbian Chemicals公司，產品型號：Raven 430UB)作為導電填料。

將上述配料在一混煉機(廠牌：Brabender)中混合，以溫度為200℃、攪拌轉速為30 rpm的條件混合配料10 min。

將上述得到配料混合物置於模具中，以熱壓溫度為200℃及熱壓壓力為80 kg/cm ²的條件進行熱壓4 min，以形成一厚度為0.6 mm的PTC聚合物(PPTC)層薄片。將薄片從模具中取出，並使其兩個相反表面分別接觸兩片銅箔(分別作為第一電極層及第二電極層)，並在200℃及80 kg/cm ²下進行熱壓4 min，以形成一厚度為0.67 mm的PPTC層合體。再將該PPTC層合體裁切成多個4.0 mm × 4.0 mm的小片(chip，下稱PPTC小片)後，用Co-60 γ射線以總輻射劑量150 kGy照射每一PPTC小片，在每一PPTC小片的中央部分鑿出一穿孔，每一穿孔是由具有圓形截面(直徑為0.15 mm，圓面積為0.0177 mm ²)的孔洞定義壁所定義。根據Underwriter Laboratories公司對於熱敏電阻類型的裝置(thermistor-type device)的安全標準UL 1434 (1998)測量PPTC小片： (1) 保持電流(hold current，即正常操作時的最大電流值)：0.2 A。 (2) 跳脫電流(trip current，即PPTC小片達到高電阻狀態所需的最小電流值)：0.4 A。 (3) 額定電壓(即PPT小片工作時適用的電壓)：60 V。 (4) 耐受電壓(withstand voltage，即不會造成PPTC小片故障或損壞的最大電壓)：60 V。 (5) 額定電阻(rated resistance，即在25℃下量測的電阻)：2-3 Ω。

根據Underwriter Laboratories公司對於瞬間電壓突波抑制器(transient voltage surge suppressor)的安全標準UL 497B (2004)測量二極體元件(TVS二極體，4 mm × 4 mm，購自百福林企業股份有限公司，產品型號：SMCJ90A)： (1) 崩壞電壓(V _BR，即TVS二極體在開始導電時的電壓，在1 mA下量測)：100-111 V。 (2) 最大箝制電壓(maximum clamping voltage，即TVS二極體可提供限制的最大電壓，在脈波波形(t _p) 10/1000 μs及最大脈波峰值電流(I _pp) 10.3 A下量測)：146 V。

將如上表2所示的焊料塗在該PPTC小片上，並將TVS二極體置於該焊料上。接著，將第一導電引線及第二導電引線分別焊接至每一PPTC小片的兩片銅箔的其中一片上及該TVS二極體上。將所得的樣品置於一回焊爐(reflow oven)中以進行回焊(reflow soldering)，以形成E1的複合式電路保護裝置(焊接樣品)。回焊爐的峰值溫度設定為320℃，以控制回流區間為在305℃的液相溫度以上持續20秒，整體回焊時間為4 min。

＜實施例2 至5 (E2-E5) ＞

E2-E5的複合式電路保護裝置的製程條件與E1相似，差異之處在於E2-E5的複合式電路保護裝置中使用的焊料是如上表2所示。

＜比較例1 至4 (CE1-CE4) ＞

CE1-CE4的複合式電路保護裝置的製程條件與E1相似，差異之處在於CE1-CE4的複合式電路保護裝置中使用的焊料分別是焊膏A、焊膏B、焊膏C、焊膏D(如上表2所示)。

＜比較例5 及6 (CE5 及CE6) ＞

CE5及CE6的複合式電路保護裝置的製程條件與E1相似，差異之處在於CE5及CE6的複合式電路保護裝置中使用的焊料是如上表2所示。

性能測試

[ 可焊性測試 (Solderability test)]

利用光學顯微鏡觀察E1-E5及CE1-CE6的焊接樣品，並以下式計算可焊性，結果分別如表3所示。【表3】

	可焊性(%)
E1	100
E2	100
E3	100
E4	100
E5	100
CE1	N/A
CE2	90
CE3	75
CE4	45
CE5	N/A
CE6	55

「N/A」表示無法獲得。

如表3結果所示，由於CE1及CE5的焊接樣品中使用的焊料(含有焊膏A)在上述回焊條件下難以熔化，因此無法測量PPTC小片焊接上TVS二極體的表面的面積。CE2-CE4及CE6的焊接樣品的可焊性僅為45%-90%，其焊膏在上述回焊條件下的高流動性導致該PPTC小片及該TVS二極體容易相對滑動而造成焊接不良。相反地，E1-E5的焊接樣品的可焊性皆為100%，顯示其焊接良好而具有較佳的結構穩定性。

[ 電阻測試 ]

對於E1-E5及CE1-CE6的焊接樣品各取10個作為測試樣品，利用微歐姆計(micro-ohmmeter)測量PPTC小片在室溫(25℃)時的電阻，其平均值分別如表4所示。

[ 最大箝制電壓測試 ]

對於E1-E5及CE1-CE6的焊接樣品各取10個作為測試樣品，利用保護二極管TVS diode逆向沖擊測試機(購自冠魁電機股份有限公司，產品型號：VC6880A)測量TVS二極體在脈波波形(t _p) 10/1000 μs及最大脈波峰值電流(I _pp) 10.3 A下可提供限制的最大電壓，其平均值分別如表4所示。【表4】

	焊接樣品的PPTC小片的電阻 (Ω)	焊接樣品的TVS二極體的最大箝制電壓 (V)
E1	2.45	126.4
E2	2.47	126.5
E3	2.52	122.2
E4	2.55	123.5
E5	2.59	124.6
CE1	5.23	148.5
CE2	5.15	135.5
CE3	2.65	154.5
CE4	2.62	160.7
CE5	4.45	147.5
CE6	4.33	155.7

表4結果顯示，關於CE1-CE4，其中CE1及CE2的焊接樣品的PPTC小片的電阻分別為5.23 Ω及5.15 Ω，其不欲地大於PPTC小片在回焊前的額定電阻(2-3 Ω)；且其中CE1、CE3及CE4的焊接樣品的TVS二極體的最大箝制電壓介於148.5-160.7 V，其不欲地大於TVS二極體在回焊前的最大箝制電壓(146 V)。結果顯示在製程中只使用單一焊膏進行焊接的CE1-CE4的焊接樣品，無法維持其PPTC小片及TVS二極體的電性，導致其電性穩定性不足。

關於CE5及CE6，其焊接樣品的PPTC小片的電阻分別為4.45 Ω及4.33 Ω，其不欲地大於PPTC小片在回焊前的額定電阻(2-3 Ω)；且其焊接樣品的TVS二極體的最大箝制電壓分別為147.5 V及155.7 V，其不欲地大於TVS二極體在回焊前的最大箝制電壓(146 V)。結果顯示在製程中使用兩種不同焊膏[其中一種的熔點過高(例如不小於308℃)或熔點過低(例如不大於190℃)]進行焊接的CE5及CE6的焊接樣品，無法維持其PPTC小片及TVS二極體的電性，導致其電性穩定性不足。

相反地，E1-E5的焊接樣品的PPTC小片的電阻皆落在回焊前的額定電阻的範圍(2-3 Ω)內；且其焊接樣品的TVS二極體的最大箝制電壓皆小於在回焊前的最大箝制電壓(146 V)。顯示在製程中使用兩種不同焊膏(熔點各自大於190℃且小於308℃)進行焊接的E1-E5的焊接樣品，可維持其PPTC小片及TVS二極體的電性，具有較佳的電性穩定性。

綜上所述，藉由該焊料6包括熔點各自大於190℃且小於308℃的第一合金材料及第二合金材料，本發明複合式電路保護裝置的PTC元件2藉由該焊料6連接該二極體元件3，可達到具有優異的結構穩定性及電性穩定性，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

20:PTC聚合物基材 30:電極 40:孔洞 50:第一導電引線 60:第二導電引線 2:PTC元件 21:PTC層 210:孔洞 211:表面 212:周緣 22:第一電極層 23:第二電極層 3:二極體元件 31:二極體結構 311:表面 32:第三電極層 33:第四電極層 4:第一導電引線 41:連接部 42:自由部 5:第二導電引線 51:連接部 52:自由部 6:焊料 7:封裝材 8:第三導電引線 81:連接部 82:自由部

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：［圖1］是現有的PPTC過電流保護結構的立體示意圖；［圖2］是本發明複合式電路保護裝置的第一實施例的剖視示意圖；及［圖3］是本發明複合式電路保護裝置的第二實施例的剖視示意圖。

2:PTC元件

21:PTC層

210:孔洞

211:表面

212:周緣

22:第一電極層

23:第二電極層

3:二極體元件

31:二極體結構

311:表面

32:第三電極層

33:第四電極層

4:第一導電引線

41:連接部

42:自由部

5:第二導電引線

51:連接部

52:自由部

6:焊料

7:封裝材

Claims

一種複合式電路保護裝置，包含：一PTC元件，包括一PTC層，具有兩個相反表面，及第一電極層及第二電極層，分別設置於該PTC層的兩個相反表面；一焊料，包括第一合金材料及第二合金材料，該第二合金材料的熔點低於該第一合金材料，該第一合金材料的熔點及該第二合金材料的熔點各自大於190℃且小於308℃；一二極體元件，藉由該焊料連接於該第二電極層；一第一導電引線，連結於該第一電極層；及一第二導電引線，連結於該二極體元件。
如請求項1所述的複合式電路保護裝置，其中，該第一合金材料的熔點及該第二合金材料的熔點各自介於200-300℃。
如請求項1所述的複合式電路保護裝置，其中，該第一合金材料的熔點不小於280℃。
如請求項3所述的複合式電路保護裝置，其中，該第一合金材料的熔點介於280-300℃。
如請求項1所述的複合式電路保護裝置，其中，該第二合金材料的熔點不大於230℃。
如請求項5所述的複合式電路保護裝置，其中，該第二合金材料的熔點介於210-230℃。
如請求項1所述的複合式電路保護裝置，其中，該PTC元件在該PTC層中形成有一孔洞。
如請求項1所述的複合式電路保護裝置，其中，該PTC元件與該二極體元件是串聯連接。
如請求項1所述的複合式電路保護裝置，其中，該PTC元件與該二極體元件是並聯連接。
如請求項1所述的複合式電路保護裝置，其中，該PTC元件具有的額定電壓介於50%-100%該二極體元件在1 mA下量測的崩壞電壓。
如請求項1所述的複合式電路保護裝置，其中，該複合式電路保護裝置處於一過電壓下而跳脫，該過電壓小於該PTC元件的額定電壓及該二極體元件的崩壞電壓的總和。
如請求項1所述的複合式電路保護裝置，其中，該二極體元件是一瞬間電壓抑制二極體。
如請求項12所述的複合式電路保護裝置，其中，該瞬間電壓抑制二極體包括一具有PN接面的矽晶圓。
如請求項1所述的複合式電路保護裝置，其中，該PTC層包括聚合物基材及分散在該聚合物基材中的導電填料。
如請求項14所述的複合式電路保護裝置，其中，該聚合物基材是由含有非接枝的烯烴系聚合物的聚合物組成物所製得。
如請求項15所述的複合式電路保護裝置，其中，該非接枝的烯烴系聚合物是高密度聚乙烯。
如請求項15所述的複合式電路保護裝置，其中，該聚合物組成物還包括經羧酸酐接枝的烯烴系聚合物。
如請求項14所述的複合式電路保護裝置，其中，該導電填料是選自於碳黑粉末、金屬粉末、導電陶瓷粉末或前述的組合。
如請求項1所述的複合式電路保護裝置，還包含一封裝材，該封裝材包裝該PTC元件、該二極體元件、該焊料、一部分該第一導電引線及一部分該第二導電引線。
如請求項19所述的複合式電路保護裝置，其中，該封裝材是由環氧樹脂所製得。