TWI398894B - Protection element - Google Patents

Description

保護元件

本發明係有關對電子機器等施加過大的電流或電壓時，藉由該熱使得可熔性導體熔解，來遮斷電流之保護元件。

以往，搭載在二次電池裝置等之保護元件，一般所使用者係不僅具有防止過電流功能亦具有防止過電壓功能。此保護元件形成的方式，係在基板上設置發熱元件並隔著絕緣層而將由低熔點金屬片構成之可熔性導體予以積層，並利用過電流將可熔性導體熔斷。並且，產生過電壓時，通電到保護元件內的發熱元件，且利用發熱元件的熱使可熔性導體熔斷。可熔性導體的熔斷係起因於屬於低熔點金屬之可熔性導體，在熔融時對所連接之導體層表面之濕潤性良好而產生。熔融之低熔點金屬被吸引到電極等導體層上，結果，可熔性導體被分開而遮斷電流。

另一方面，伴隨著近年來行動裝置等之電子機器的小型化，此種保護元件亦必須進行小型化‧薄型化，並且必須尋求運作的穩定性與高速化。在此，有一種機構，係將低熔點金屬體之可熔性導體配置在絕緣基板上，同時利用絕緣覆蓋物加以密封，而在可熔性導體塗佈助熔劑予以形成。此助熔劑係設置成可謀求防止可熔性導體表面的氧化，同時在可熔性導體加熱時使可熔性導體迅速且穩定地熔斷。

以此種保護元件而言，有第十三圖、第十四圖所示之構造。此保護元件係於形成在基板1的兩端之一對電極5a間設置有由電阻元件構成之發熱元件2。發熱元件2上係隔著絕緣層3積層有連接在一方電極5a之導體層4。基板1之另一方的兩端亦設置其他一對電極5b，並在此電極5b間利用焊錫膏7連接有由低熔點金屬片所構成之可熔性導體6。在該下層的導體層4，亦利用焊錫膏7連接有可熔性導體6。於基板1上之可熔性導體6，係塗佈有助熔劑8，且安裝覆蓋基板1之絕緣覆蓋物9，而形成保護元件。

由過電流等所引起之低熔點金屬的可熔性導體6之熔斷，係於可熔性導體6熔融時，藉由可熔性導體6對所連接之導體層4與電極5b的表面6的濕潤性，使得熔融之可熔性導體6被吸引到導體層4及電極5b上，且電極5b間之可熔性導體6被分開而遮斷電流。因此，此濕潤性大大影響到電流的遮斷特性。

鑒於可熔性導體熔斷時之凝聚運作與濕潤性，以作為已改善熔斷特性之保護元件而言，有揭示在專利文獻1之構成的保護元件。此保護元件係由下列元件構成，該等元件包含：絕緣基板；一對電極，係與此絕緣基板的表面隔離而形成；可熔性合金，係跨越連接此一對電極間；助熔劑，係貼著在可熔性合金；以及絕緣密封材，係覆蓋助熔劑。然後，於可熔性合金之形成位置，形成對已熔融的可熔性合金之濕潤性比對絕緣基板小的基底層。藉此方式，可熔性合金熔融時，熔融之可熔性合金藉由基底層而彈撥，且迅速熔斷。並且，熔斷時不產生火花，且熔斷之可熔性合金藉由該表面張力變得容易凝聚在電極，而確實地熔斷。

其他，如專利文獻2所揭示，在將低熔點金屬體熔斷時之凝聚作用所引起之電路中斷時間予以縮短之技術方面，提出一種保護元件，係在將電流導通到低熔點金屬體之一對電極間設置二條以上之低熔點金屬體，且將該電極間之各低熔點金屬體區分為獨立的狀態，藉此增加低熔點金屬體之開始熔斷點，以使操作時間縮短並同時使之穩定化。

先前技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2000-285777號公報

專利文獻2：日本特開2004-214032號公報

上述第十三圖所示之構造的保護元件的情況，係於熔斷時如第十四圖、第十五圖所示，可熔性導體6在導體層4上凝聚，而圓圓地隆起並與絕緣覆蓋物9的內面接觸，且熱散失使熔斷時間延長，而阻礙穩定的熔融。尤其是透過保護元件的小型化‧薄型化，使得絕緣覆蓋物9的高度變低而與基板1之間的熔融空間變得狹窄時，熔融金屬變得與絕緣覆蓋物9的內面容易接觸，因而產生一個問題，即保護元件的薄型化與熔斷時間之迅速化、穩定化互相違背。

此外，還有一個問題，係在可熔性導體6，雖塗佈有用以防止氧化之助熔劑8，至於可熔性導體6熔融並濕潤擴散之兩端的電極5b側，係不塗佈助熔劑8，因而表面氧化且濕潤性降低。然後，藉由電極5b表面的氧化，使得熔斷後因可熔性導體6濕潤擴散而無法充分利用電極5b的表面，且熔融之可熔性導體6僅在所連接之導體層4表面的一部分濕潤擴散。雖然最好是熔融之可熔性導體6可濕潤擴散到所連接之導體層4及電極5b的整個表面，然而在以往的構造中，有一個問題，係如第十四圖、第十五圖所示，熔融之可熔性導體不擴散而隆起，並接觸絕緣覆蓋物9的內面而使熱散逸，使得熔斷之運作時間變長。

再者，在使用活性度高的助熔劑時，上述問題對熔斷產生不良影響之現象較少。然而，在使用材料方面，為了減輕環境負荷，故在進行助熔劑之無鹵素化方面便成為一大問題。一般而言無鹵素助熔劑係由於其活性度低，若僅憑塗佈在可熔性導體6之助熔劑8，熔融之可熔性導體6不會濕潤擴散到導體層4及電極5b上，故難以迅速且穩定地將可熔性導體6予以熔斷。

此外，專利文獻1所揭示之保護元件，係形成基底層，該基底層對熔融之可熔性合金之濕潤性比絕緣基板熔斷更小，且由於熔融之可熔性合金藉由基底層彈撥，故熔融之可熔性合金成為隆起更高的形狀。因此，熔融合金因絕緣覆蓋物的薄型化，而與內面接觸之可能性變得更高，使得上述問題點變得更嚴重。

以專利文獻2所揭示之保護元件的情況而言，亦產生一個問題，係同樣由於保護元件的薄型化，熔融金屬容易與絕緣覆蓋物接觸。並且，設置二條以上之低熔點金屬體，並將其予以獨立區分，便產生一個問題，係在保護元件的製造方面，必須有特殊模具而製造成本變高。

本發明係鑒於上述背景技術而研創者，其目的係在提供一種保護元件，其係由於過電流等而須有保護運作時，可使可熔性導體穩定且迅速地熔斷。

本發明係一種保護元件，其包含：可熔性導體，係配置在具絕緣性的基板上且連接在保護對象機器之電力供應路徑並藉著預定的異常電力而熔斷；絕緣覆蓋物，係隔著預定空間覆蓋前述可熔性導體而安裝在前述基板；以及助熔劑，係塗佈在前述可熔性導體表面而位於前述空間內，而當有前述異常電力供應到前述保護對象機器時，前述可熔性導體即熔斷而遮斷該電流路徑。該保護元件中，前述可熔性導體是隔著含有對已熔融的前述可熔性導體之濕潤性佳的金屬成分之導電膏，固定在前述基板上的導體層及電極，至於前述導電膏係在前述導體層上，設置為擴展到比前述可熔性導體的周緣部更外側。

前述導電膏中之金屬成分的融點，係比前述可熔性導體的融點還低。尤其是，前述導電膏乃是將前述可熔性導體固定在前述導體層及前述電極之焊錫膏。並且，前述導電膏係在前述電極上，設置成擴展到比前述可熔性導體的周緣部更外側。前述焊錫膏係在將前述可熔性導體固定在前述電極表面後，助熔劑成分仍殘留之狀態下擴散。

前述導電膏係在前述導體層表面，從前述可熔性導體的周緣部擴散為放射狀。並且，前述導電膏係在前述電極表面，從前述可熔性導體的周緣部擴散為放射狀。

此外，前述導電膏係在前述導體層表面，由前述可熔性導體的周緣部擴展到前述導體層的端緣部。甚且，前述導電膏係在前述電極表面，從前述可熔性導體的周緣部擴展到前述電極的端緣部。

前述絕緣覆蓋物係在其內面中央部，具備用以保持前述助熔劑之突條部。

依據本發明之保護元件，於可熔性導體熔斷時，熔融金屬確實地廣泛濕潤擴散到電極與導體層的表面，而變為可進行穩定且迅速的熔斷運作。而且，由於可熔性導體不接觸絕緣覆蓋物，故熔斷運作不產生遲緩現象，且可進行更穩定而牢固的運作，而有助於進行保護元件的薄型化。

再者，導電膏係可使用固定可熔性導體用的焊錫膏，僅改變以往使用於固定可熔性導體之焊錫膏的形成圖案即可實施，而不增加任何工時與成本。甚且，可抑制設置有焊錫膏之電極與導體層表面之氧化，且可防止對熔融金屬表面的濕潤性之惡化，故藉此方式亦使可熔性導體的熔斷特性穩定。

以下，係根據第一圖至第六圖針對本發明的保護元件之第一實施形態加以說明。此實施形態之保護元件10，係在具絕緣性之基板11的上面兩端設置一對電極12，且在與一對電極12正交之相對緣部，亦設置有其他一對電極21。在一對電極21係連接由電阻元件構成之發熱元件15，且在發熱元件15上，隔著絕緣層16積層了連接一方電極21之導體層17。然後，在導體層17與一對電極12塗佈有焊錫膏20，且隔著焊錫膏20，由低熔點金屬形成的保險絲之可熔性導體13係連接固定在一對電極12間。並且，在基板11安裝有絕緣體的絕緣覆蓋物14，該絕緣覆蓋物14係與可熔性導體13相對。

在此，以基板11之材質而言，可為具絕緣性者，例如，宜使用陶瓷基板、玻璃環氧基板這類用於印刷電路板之絕緣基板。此外，配合適當用途，可使用玻璃基板、樹脂基板、絕緣處理金屬基板等，更理想的是耐熱性佳、熱傳導性佳的陶瓷基板。

以電極12、21及導體層17而言，可使用銅等的金屬箔或是表面鍍覆有Ag-Pt、Au等之導體材料。又，亦可為塗佈Ag膏等之導電膏而燒成之導體層17及電極12、21，或亦可為蒸鍍等之金屬薄膜構造。

作為可熔性導體13之低熔點金屬箔而言，只要可以預定之電力進行熔斷即可，可使用一般熟知作為保險絲材料的種種低熔點金屬。例如，可使用BiSnPb合金、BiPbSn合金、BiPb合金、BiSn合金、SnPb合金、SnAg合金、PbIn合金、ZnAl合金、InSn合金、PbAgSn合金等。

形成發熱元件15之電阻元件，例如，係塗佈一種電阻膏所燒成者，該電阻膏係由氧化釕、碳黑等之導電材料以及玻璃等之無機系黏合劑或熱硬化性樹脂等之有機系黏合劑所形成；再者，亦可採用將氧化釕、碳黑等之薄膜予以印刷並加以燒烤者，或亦可利用鍍覆、蒸鍍、濺鍍來形成，或亦可為將上述電阻元件材料的薄膜進行粘貼、積層等而形成者。

安裝在基板11之絕緣覆蓋物14，係形成為一側面開口之箱形，而對著可熔性導體13形成預定空間18且由基板11所覆蓋。絕緣覆蓋物14的材質，只要具有可耐得住可熔性導體13熔斷時的熱之耐熱性以及作為保護元件10的機械強度之絕緣材料即可。可適用種種材料，例如，玻璃、陶瓷、塑膠、玻璃環氧樹脂這類用於印刷電路板之基板材料等。並且，亦可為使用金屬板在與基板11之相對面形成絕緣樹脂等的絕緣層。若採用如陶瓷之機械強度及絕緣性強的材料，其亦有助於整個保護元件的薄型化，故即為理想。

為了防止該表面的氧化，於可熔性導體13整個表面，設置有助熔劑19。助熔劑19最好為不具有溴等鹵素元素之無鹵素的助熔劑。助熔劑19係在可熔性導體13上利用表面張力予以保持，並收納在空間18內，且如第二圖所示，亦附著在絕緣覆蓋物板14的內面，而藉該表面張力予以保持。

焊錫膏20係含有對熔融之可熔性導體13之濕潤性佳的金屬成分，故最好為無鉛者，例如可使用錫(Sn)銀(Ag)銅(Cu)系之焊錫膏。焊錫膏20係在助熔劑成分中含有Sn等合金的金屬粒子，在此所使用之助熔劑亦最好為無鹵素。焊錫膏20中之金屬粒子的熔融溫度，最好在可熔性導體13之熔融溫度以下，更理想的是儘可能為接近的溫度，例如可利用10℃以內的溫度差來熔融者。如第三圖所示，焊錫膏20之塗佈圖案係在導體層17表面，從積層有可熔性導體13之部分露出，且延伸到導體層17的端緣部而形成。此外，在電極12上，係塗佈在裝載可熔性導體13的部分之幾乎整面。

在此，可熔性導體13係裝載在焊錫膏20以上述預定圖案印刷形成的電極12及導體層17上，且通過迴焊爐而固定。此時，係在可熔性導體13不熔融之溫度下進行處理，故焊錫膏20中之金屬粒子不完全熔融，且在助熔劑成分亦殘留之狀態下固定可熔性導體13。

其次，作為於電子機器使用此實施形態的保護元件10之例子，根據第四圖針對二次電池裝置的過電流‧過電壓保護電路24加以說明。此過電流‧過電壓保護電路24，係保護元件10之一對電極12以串聯方式連接在輸出端子A1與輸入端子B1之間，而保護元件10之一對電極12之一方的端子連接在輸入端子B1，另一方的電極12連接在輸出端子A1。然後，可熔性導體13的中點連接在發熱元件15的一端，而電極21之一方的端子，連接在發熱元件15之另一方的端子。發熱元件15之另一方的端子，連接在電晶體Tr的集極，而電晶體Tr的射極連接在另一方的輸入端子A2與輸出端子B2之間。而且，於電晶體Tr之基極，隔著電阻R連接齊納二極體ZD的陽極，且齊納二極體ZD的陰極連接在輸出端子A1。電阻R係設定在一個值，係於輸出端子A1、A2間施加有設定為異常之預定電壓時，對齊納二極體ZD施加崩潰電壓以上的電壓。

在輸出端子A1、A2間，連接例如鋰離子電池等受保護裝置之二次電池23的電極端子，而於輸入端子B1、B2，連接有連接在二次電池23使用之圖中未顯示的充電器等裝置之電極端子。

其次，針對此實施形態的保護元件10之運作加以說明。於安裝有此實施形態的過電流‧過電壓保護電路24之鋰離子電池等的二次電池裝置中，於其充電時若有異常電壓施加到輸出端子A1、A2，即以設定為異常之預定電壓將崩潰電壓以上之反向電壓施加到齊納二極體ZD，且齊納二極體ZD導通。藉由齊納二極體ZD的導通，使基極電流ib流到電晶體Tr的基極，藉此使電晶體Tr開啟，且集極電流ic流到發熱元件15，而使發熱元件15發熱。此熱傳達到發熱元件15上之低熔點金屬的可熔性導體13，可熔性導體13便熔斷且遮斷輸入端子B1與輸出端子A1間的導通，而防止過電壓施加到輸出端子A1、A2。此外，異常電流朝輸出端子A1流動時，亦設定為可熔性導體13透過該電流產生熱而熔斷。

於保護元件10的保護運作時，首先焊錫膏20的金屬粒子熔融，擴散到電極12及導體層17上。然後，幾乎同時可熔性導體13熔融，而如第五圖所示熔斷。此時，在可熔性導體13熔斷之際，如第六圖所示，於焊錫膏20已熔融而濕潤擴散的電極12上及導體層17上，可熔性導體13亦廣泛地濕潤擴散，且可熔性導體13在絕緣覆蓋物14內的空間18不至高度隆起，故不與絕緣覆蓋物14的內面接觸。

依據此實施形態的保護元件10，可熔性導體13熔斷時，首先焊錫膏20廣泛地濕潤擴散到電極12及導體層17的表面，而可進行穩定且迅速的熔斷運作。並且，可熔性導體13不接觸絕緣覆蓋物14，故不產生熔斷運作的延遲，而可進行穩定且牢固的保護運作，可形成更薄型的保護元件10。並且，焊錫膏20兼用做可熔性導體13之固定用焊料，僅將習知的固定用焊錫膏20的形成圖案予以改變便可實施，而不增加任何工時與成本。並且，設置有焊錫膏20之電極12與導體層17的表面氧化獲得抑制，據此亦可使可熔性導體13的熔斷特性穩定。尤其是，在低電力的發熱運作特性中，可將習知的運作不一致的情況減少到極小，且可提供環境負荷小而高性能的保護元件10。

其次，根據第七圖、第八圖針對本發明之保護元件的第二實施形態加以說明。在此，與上述實施形態相同之構件則賦予相同的符號而省略說明。此實施形態之保護元件10，係將固定有可熔性導體13之焊錫膏20的印刷圖案予以改變者，如第七圖所示，焊錫膏20的印刷線從可熔性導體13之載置位置延伸成放射狀。

於進行保護元件10之保護運作時，首先焊錫膏20的金屬粒子熔融，而如第八圖所示擴散到電極12及導體層17上。然後，幾乎同時可熔性導體13熔融而熔斷。此時可熔性導體13係如第八圖所示，濕潤擴散到焊錫膏20的熔融圖案上。因此，與上述實施形態比較，可熔性導體13之熔融金屬的隆起更低，而可利用在更薄型的保護元件。

其次，根據第九圖、第十圖針對本發明之保護元件的第三實施形態加以明。在此，與上述實施形態相同的構件則賦予相同的符號而省略說明。此實施形態之保護元件10，係進一步將固定有可熔性導體13之焊錫膏20的印刷圖案予以改變，如第九圖所示，係於可熔性導體13之載置位置的電極12及導體層17之表面的大部分印刷或塗佈焊錫膏20。

藉此方式，在進行保護元件10之保護運作時，焊錫膏20之金屬粒子更廣泛地熔融，如第十圖所示廣泛地濕潤擴散。接著，幾乎同時可熔性導體13熔融而熔斷，且廣泛地濕潤擴散到焊錫膏20之熔融圖案上。因此，與上述實施形態比較，可熔性導體13之熔融金屬的隆起更加低，而可利用於更薄型的保護元件。

其次，根據第十一圖、第十二圖針對本發明的保護元件之第四實施形態加以說明。在此，與上述實施形態相同的構件則賦予相同的符號而省略說明。此實施形態之保護元件10，固定可熔性導體13之焊錫膏20的印刷圖案係與上述各實施形態相同，而如第十一圖所示，在絕緣覆蓋物14的內面中央部，形成保持助熔劑19用的突條部22。突條部22係與絕緣覆蓋物14形成為一體。

此實施形態，係將助熔劑19確實地保持在形成於絕緣覆蓋物14的內面之突條部22，在可熔性導體13的中央部不產生位置偏移，穩定地維持在該位置。藉此方式，可維持穩定之熔斷運作。然後，如第十二圖所示，熔斷時可熔性導體13不會高高隆起，故不接觸突條部22，而不至因突條部22造成熔斷運作延遲等不良影響。

再者，本發明之保護元件，不限定於上述實施形態，焊錫膏的材料與圖案可作適當的設定。此外，助熔劑與其他材料當然可選擇適當的材料。

1．．．基板

2．．．發熱元件

3．．．絕緣層

4．．．導體層

5a、5b．．．電極

6．．．可熔性導體

7．．．焊錫膏

8．．．助熔劑

9．．．絕緣覆蓋物

10．．．保護元件

11．．．基板

12．．．電極

13．．．可熔性導體

14．．．絕緣覆蓋物

15．．．發熱元件

16．．．絕緣層

17．．．導體層

18．．．空間

19．．．助熔劑

20．．．焊錫膏

21．．．電極

22．．．突條部

23．．．二次電池

24．．．過電流‧過電壓保護電路

A1、A2．．．輸出端子

B1、B2．．．輸入端子

ZD．．．齊納二極體

Tr．．．電晶體

第一圖係拆除本發明第一實施形態的保護元件之絕緣覆蓋物的狀態之平面圖。

第二圖係安裝有絕緣覆蓋物的狀態之第一圖的A-A截面圖。

第三圖係安裝本發明第一實施形態之保護元件的可熔性導體前的狀態之平面圖。

第四圖係顯示本發明第一實施形態之保護元件的使用例之電路圖。

第五圖係顯示本發明第一實施形態之保護元件作動，而可熔性導體熔斷的狀態之縱截面圖。

第六圖係顯示本發明第一實施形態的保護元件作動，而可熔性導體熔斷的狀態之平面圖。

第七圖係顯示本發明第二實施形態之焊錫膏的塗佈圖案之平面圖。

第八圖係顯示本發明第二實施形態之保護元件作動，而可熔性導體熔斷的狀態之平面圖。

第九圖係顯示本發明第三實施形態之焊錫膏的塗佈圖案之平面圖。

第十圖係顯示本發明第三實施形態的保護元件作動，而可熔性導體熔斷的狀態之平面圖。

第十一圖係本發明第四實施形態的保護元件之縱截面圖。

第十二圖係本發明第四實施形態的保護元件作動，而可熔性導體熔斷的狀態之縱截面圖。

第十三圖係習知的保護元件之縱截面圖。

第十四圖係顯示習知的保護元件作動，而可熔性導體熔斷的狀態之平面圖。

第十五圖係顯示習知的保護元件作動，而可熔性導體熔斷的狀態之縱截面圖。

10．．．保護元件

11．．．基板

12．．．電極

13．．．可熔性導體

14．．．絕緣覆蓋物

15．．．發熱元件

16．．．絕緣層

17．．．導體層

18．．．空間

19．．．助熔劑

20．．．焊錫膏

Claims (9)

1. 一種保護元件，其包含：可熔性導體，係配置在具絕緣性的基板上且連接在保護對象機器之電力供應路徑並藉由預定的異常電力而熔斷；絕緣覆蓋物，係隔著預定空間覆蓋前述可熔性導體而安裝在前述基板；以及助熔劑，係塗佈在前述可熔性導體表面而位於前述空間內，當前述異常電力供應到前述保護對象機器時，前述可熔性導體即熔斷而遮斷該電流路徑，其中，前述可熔性導體係隔著含有對已熔斷的前述可熔性導體之濕潤性佳的金屬成分之導電膏，固定在前述基板上的導體層及電極，又前述導電膏係在前述導體層上，擴展到比前述可熔性導體的周緣部更外側而設置，並在前述導體層表面，從前述可熔性導體的周緣部擴散為放射狀。
2. 如申請專利範圍第1項所述之保護元件，其中前述導電膏中的金屬成分的融點，係比前述可熔性導體的融點還低。
3. 如申請專利範圍第2項所述之保護元件，其中前述導電膏是將前述可熔性導體固定在前述導體層及前述電極之焊錫膏。
4. 如申請專利範圍第2項所述之保護元件，其中前述導電膏係在前述電極上，設置成擴展到比前述可熔性導體的周緣部更外側。
5. 如申請專利範圍第3項所述之保護元件，其中前述焊錫膏係在具有助熔劑的狀態下將前述可熔性導體固定在前述電極表面。
6. 如申請專利範圍第4項所述之保護元件，其中前述導電膏係在前述電極表面，從前述可熔性導體的周緣部擴散為放射狀。
7. 如申請專利範圍第2項所述之保護元件，其中前述導電膏係在前述導體層表面，從前述可熔性導體之周緣部擴散到前述導體層的端緣部。
8. 如申請專利範圍第4項所述之保護元件，其中前述導電膏係在前述電極表面，從前述可熔性導體之周緣部擴散到前述電極的端緣部。
9. 如申請專利範圍第3項所述之保護元件，其中前述絕緣覆蓋物係在其內面中央部具備用以保持前述助熔劑之突條部。