TWI484520B - 保護元件及過電流及過電壓保護模組 - Google Patents

Description

保護元件及過電流及過電壓保護模組

本發明是有關於一種保護元件，且特別是有關於一種具有滅電弧結構的一種過電流及過電壓保護元件。

現今社會對於電子產品之依賴性日益提高，人們身邊總是存在有電子產品，而電子產品內部更是具有電路。並且不論是簡單的電路，亦或是複雜的電路，總是會包括基本的被動元件，例如電阻元件、電容元件、電感元件或是用於保護電路的過電流/過電壓保護元件等。

以過電流/過電壓保護元件為例，過電流/過電壓保護元件主要是用來保護電路中之電路或電器設施，防止其受到瞬間超額的電流或過高的電壓而對精密電子設備造成損壞。當瞬間電流超過預定的電流額值時，過電流/過電壓保護 元件中以合金材料所完成的保險絲將因瞬間過大之電流所產生之熱量而被高溫熔斷，進而形成斷路，使過大之電流不再流入電路中，以保護電路及電器設備免於損壞。

通常過電流/過電壓保護元件在完成後會進行遮斷容量測試(breaking capacity test)，藉以得知此元件的絕緣阻抗是否可達到斷路要求，根據不同種類與需求的電子裝置也有不同的遮斷容量測試。而遮斷容量測試屬於高瓦、高功率之測試，使得過電流/過電壓保護元件的保險絲在測試時瞬間熔斷，並同時產生電弧效應(arcing effect)，因此極易燒毀周圍的電子元件及毀損昂貴系統設備。因此，如何針對上述問題進行改善，實為值得關注的重點之一。

本發明的目的之一就是在提供一種過電流及過電壓保護元件，以解決習用結構在進行遮斷容量測試(breaking capacity test)時所產生的電弧效應造成導電物質飛濺造成的短路問題。

為達上述優點，本發明提出一種保護元件，包括基板、電極層、金屬結構、加熱器、外蓋以及滅電弧結構。電極層配置於基板。電極層包括至少一間隙。金屬結構配置於電極層並位於間隙上方，具有比電極層低的熔點。加熱器配置於基板，加熱器發熱而使金屬結構呈現熔融狀態。外蓋 配置於基板，並覆蓋於金屬結構與部分電極層。滅電弧結構配置於外蓋與該基板之間。

在本發明的一實施例中，上述之滅電弧結構配置於間隙內，並位於基板與金屬結構之間。

在本發明的一實施例中，上述之滅電弧結構包括多個無機粒子。

在本發明的一實施例中，上述之滅電弧結構包括聚矽氧樹脂。

在本發明的一實施例中，上述之滅電弧結構包括多個無機粒子與助焊劑。

為達上述優點，本發明另一方面提出一種過電流及過電壓保護模組，包括電路板以及過電流及過電壓保護元件。過電流及過電壓保護元件配置於電路板，過電流及過電壓保護元件包括基板、電極層、金屬結構、加熱器、外蓋以及保護膜。基板配置於電路板。電極層配置於基板，電極層包括至少一間隙。金屬結構配置於電極層並位於間隙上方。加熱器配置於基板上，加熱器發熱而使金屬結構呈現熔融狀態。外蓋配置於基板，並覆蓋於金屬結構與部分電極層。保護膜覆蓋於保護元件以及部分電路板。

本發明所述之保護元件因採用由多個無機粒子或聚矽氧樹脂所組成的滅電弧結構，在這樣的結構設計下，可有效提高滅電弧效果，並且有效阻隔累積於這些間隙內的 導電物質產生通路。此外，本發明另外藉由於外蓋的內側表面上配置滅電弧結構，同樣能夠有效降低電極間導通路徑的產生，提高電極間的絕緣阻抗。此外，本發明所述之保護元件也可以在基板上配置通孔來做為滅電弧結構，當保護元件進行遮斷容量測試時所產生的碳黑以及金屬粉末等導電物質能夠藉由這些通孔排出，當然，此通孔也可以與配置於間隙內的滅電弧結構同時存在。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

1、1a、1b、1c、1d、1e、1f‧‧‧保護元件

10‧‧‧基板

11‧‧‧電極層

12‧‧‧金屬結構

13、13b、13c、13d、13e、14f‧‧‧滅電弧結構

14‧‧‧外蓋

15‧‧‧加熱器

16‧‧‧絕緣保護層

17‧‧‧通孔

101‧‧‧第一表面

102‧‧‧第二表面

103‧‧‧第一側表面

104‧‧‧第二側表面

111、112‧‧‧間隙

113‧‧‧第一電極層

114‧‧‧第二電極層

115‧‧‧第三電極層

116‧‧‧第四電極層

140‧‧‧內側表面

170‧‧‧開口

1131‧‧‧第一側電極

1132‧‧‧第二側電極

1133‧‧‧中間電極

1141‧‧‧第三側電極

1142‧‧‧第四側電極

2‧‧‧過電流及過電壓保護模組

20‧‧‧電路板

21‧‧‧保護膜

H1、H2‧‧‧高度

W1、W2、W3、W4‧‧‧寬度

L1、L2、L3、L4、L5‧‧‧長度

圖1A繪示為本發明之一實施例所述之保護元件的俯視透視圖。

圖1B繪示為沿圖1A所示之AA’線段的剖面示意圖。

圖1C繪示為圖1A與圖1B所示之滅電弧結構與電極層之間的長度關係示意圖。

圖2繪示為本發明之另一實施例所述之保護元件的俯視示意圖。

圖3繪示為本發明之另一實施例所述之過保護元件的剖面示意圖。

圖4繪示為本發明之另一實施例所述之保護元件的剖面示意圖。

圖5繪示為本發明之另一實施例所述之保護元件的剖面示意圖。

圖6A繪示為本發明之另一實施例所述之保護元件的剖面示意圖。

圖6B與圖6C繪示為圖6A所示之滅電弧結構與電極層之間的長度與寬度關係示意圖。

圖7繪示為本發明之另一實施例所述之保護元件的剖面示意圖。

圖8繪示為本發明之一實施例所述之保護模組的剖面示意圖。

請參照圖1A與圖1B，圖1A為本發明之一實施例所述之保護元件的俯視透視圖，圖1B為沿圖1A所示之AA’線段的剖面示意圖。如圖1A與圖1B所示，本實施例所述之保護元件1例如是具有過電流及過電壓保護功能的保護元件。本實施例所述之保護元件1包括基板10、電極層11、金屬結構12、滅電弧結構13以及外蓋14。電極層11配置於基板10，且電極層11包括間隙111、112，在本實施例中，間隙的數量以二個為例進行說明，但本發明不以此為限，間隙的數量可以因應實際的需求進行改變，例如間隙的數量可為一個或二個以上。金屬結構12配置於電極層11並且位於這些間隙111、112的上方，在本實施例中，金屬結構12例如是可熔合金，具有比電極層11低的熔點，其材質例如錫鉛合金、錫銀鉛合金、 錫銦鉍鉛合金、錫銻合金、錫銀銅合金等低熔點合金，但本發明不以此為限。滅電弧結構13配置於這些間隙111、112內並位於金屬結構12與基板10之間。外蓋14配置於基板10並覆蓋於金屬結構12與部分的電極層11。以下再就本實施例所述之保護元件1的詳細結構作進一步的描述。

承上述，如圖1A與圖1B所示，本實施例所述之 基板10具有相對的第一表面101、第二表面102以及相對的第一側表面103、第二側表面104，其中第一側表面103與第二側表面104分別鄰接於第一表面101與第二表面102之間。電極層11包括第一電極層113、第二電極層114、第三電極層115以及第四電極層116。第一電極層113位於基板10的第一表面101。 第二電極層114位於基板10的第二表面102。第一電極層113包括第一側電極1131、第二側電極1132以及位於第一側電極1131與第二側電極1132之間的中間電極1133。第二電極層114包括第三側電極1141與第四側電極1142。第三側電極1141與第四側電極1142分別對應於第一側電極1131與第二側電極1132，且第三電極層115位於第一側表面103並電性連接於第一側電極1131與第三側電極1141，第四電極層116位於第二側表面104並電性連接於第二側電極1132與第四側電極1142。須注意的是，於本實施例中，第三電極層115和第四電極層116是以分別位於第一側表面103和位於第二側表面104為例進行說明，但本發明不以此為限，於其他實施例中(圖示未顯示)， 第三電極層和第四電極層也可以在基板中以導通孔方式電性連接於第一電極層和第二電極層。電極層11的這些間隙111、112分別位於第一側電極1131與中間電極1133之間以及第二側電極1132與中間電極1133之間，使第一側電極1131、第二側電極1132和中間電極1133電性隔離。具體來說，外蓋14配置於基板10與第一電極層113的第一側電極1131、第二側電極1132以及中間電極1133上，外蓋14主要用以容置金屬結構12及滅電弧結構13。

本實施例所述之滅電弧結構13例如是由多個無機粒子所構成，也就是說，將這些無機粒子填充於電極層11的這些間隙111、112之中，藉由這些無機粒子所構成的滅電弧結構13提升保護元件1的遮斷能力(Interrupting rating)，進而有效提高滅電弧效果，增加電極間的絕緣阻抗，避免短路。在本實施例中，無機粒子的材質包括二氧化矽(SiO₂ ，又稱石英)、氧化鋁(Al₂ O₃ )、二氧化鈦(TiO₂ )、黏土(clay，例如：蒙脫土、高嶺土、滑石)、金屬氧化粉或陶土。值得一提的是，填充於電極層11的這些間隙111、112之中的這些無機粒子的粒徑例如是小於70微米，但本發明不以此為限。在其它的實施例中，這些無機粒子的粒徑例如是小於40微米，較佳地，無機粒子的粒徑例如是小於1微米。

需特別說明的是，藉由多個無機粒子填充於電極層11的這些間隙111、112之中以構成滅電弧結構13僅為本發 明的其中之一實施例。在一實施例中，滅電弧結構13例如是將聚矽氧樹脂(polysiloxanes)填充於電極層11的這些間隙111、112之中。其中，聚矽氧樹脂的材料例如是聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，簡稱PDMS)、聚乙烯矽氧烷(Polyvinylsiloxane，簡稱PVS)等，藉以降低電弧產生的能量，以減少電弧效應產生的導電物質飛濺所造成的電路短路問題。在一實施例中，滅電弧結構13例如是將多個無機粒子與助焊劑同時填充於電極層11的這些間隙111、112之中，使同時可有效地幫助金屬結構熔融及提高滅電弧效果。助焊劑的材料可包括樹脂或松脂(Rosin)等。值得一提的是，當無機粒子與助焊劑同時填充於這些間隙111、112中，且這些無機粒子與助焊劑的添加量總和為A時，這些無機粒子的添加量例如是大於(1/20)A，換言之，這些無機粒子的添加量需大於添加物總量的5%。

請參照圖1C，其為圖1A與圖1B所示之滅電弧結構與電極層之間的長度關係示意圖。如圖1C所示，本實施例所述之滅電弧結構13塗佈與填充於電極層11的這些間隙111、112之中的長度L2例如是大於第一側電極1131的長度L1與第二側電極1132的長度L3，進而有效提高遮斷容量測試後電極間的絕緣阻抗，避免短路，但本發明不以此為限。需特別說明的是，在本圖中，為了更明顯表達出滅電弧結構13的塗佈與填充長度L2大於第一側電極1131的長度L1與第二側電極 1132的長度L3，因此僅繪示出必要之構件，其餘構件則在本圖中省略。

請再繼續參照圖1A與圖1B，本實施例所述之保 護元件1更包括加熱器15以及絕緣保護層16。加熱器15位於第二電極層114的第三側電極1141與第四側電極1142之間，且加熱器15電性連接於第一電極層113的中間電極1133，在本實施例中，加熱器15例如是材質為二氧化釕(RuO₂ )或碳黑等的電阻材料，但本發明不以此為限。此外，加熱器15可與外部的驅動裝置(在本圖中未繪示)進行電性連接，並經由外部的驅動裝置驅動加熱器15發熱，而使金屬結構12呈現熔融狀態。 為保護加熱器15不受後製程及外界濕氣、酸鹼環境影響，可將絕緣保護層16覆蓋於加熱器15並位於第二電極層114的第三側電極1141與第四側電極1142之間，絕緣保護層16的材質可包括玻璃膠或環氧樹脂(epoxy resin)等材料。需特別說明的是，在本實施例中，加熱器15係位於與金屬結構12不同側的位置，但本發明並不以此為限。在其它的實施例中，加熱器15亦可位於與金屬結構12同側的位置上。

請參照圖2，其為本發明之另一實施例所述之保 護元件1a的俯視示意圖。如圖2所示，本實施例所示之保護元件1a與圖1A至圖1C所示之保護元件1類似，不同點在於，本實施例所述之保護元件1a以通孔17來取代如圖1A至圖1C所示之滅電弧結構13。在本實施例中，通孔17的數量例如是四個， 但本發明不以此為限，通孔17的數量可依實際情況需求而有所增減。這些通孔17配置於基板10上且分布於露出電極層11的部分基板10上，即電極層113的間隙111、112中，具體來說，這些通孔17分布於第一側電極1131與中間電極1133之間以及第二側電極1132與中間電極1133之間。此外，這些通孔17分別具有開口170，而這些開口170的直徑不宜過大以降低基板破裂機率，較佳地，例如是小於400微米，但本發明不以此為限。在本實施例中，設置這些通孔17的目的在於，當保護元件1進行遮斷容量測試時所產生的碳黑以及金屬粉末等導電物質能夠藉由這些通孔17排出，以提高電極間的絕緣阻抗。 因此，本實施例所述之外蓋14不需要另外開設孔洞來排出碳黑以及金屬粉末等導電物質。需特別說明的是，在其它實施例中，也可以藉由配置於間隙111、112內的滅電弧結構13(如圖1A至圖1C所示)搭配通孔17的結構來提高滅電弧及提高絕緣阻抗的效果。

請參照圖3，其為本發明之另一實施例所述之保 護元件的剖面示意圖。如圖3所示，本實施例所述之保護元件1b與圖1A至圖1C所示之保護元件1類似，不同點在於，本實施例所述之滅電弧結構13b的高度H1例如是小於第一電極層113的高度H2。在這樣的結構下，仍可有效降低電弧效應發生的機率，並同時可以降低填充於這些間隙111、112中的無機粒子或聚矽氧樹脂的使用量，進而降低製作成本。此外，在另 一實施例中，如圖4所示之保護元件1c，其滅電弧結構13c的寬度W1例如是小於間隙111的寬度W2。需特別說明的是，滅電弧結構的高度與寬度可以依照實際的情況需求進行改變，除了如圖3所示之對滅電弧結構13b的高度進行調整以及如圖4所示之對滅電弧結構13c的寬度進行調整外，亦可同時對滅電弧結構的高度以及寬度進行調整。

請參照圖5，其為本發明之另一實施例所述之保 護元件的剖面示意圖。如圖5所示，本實施例所述之保護元件1d與圖1所示之保護元件1類似，不同點在於，本實施例所述之滅電弧結構13d配置於外蓋14的面向這些間隙111、112的內側表面140上。其中，滅電弧結構13d例如是由感壓膠(pressure sensitive adhesive，簡稱PSA)、矽氧感壓膠(silicone PSA)或聚矽氧樹脂(例如，聚二甲基矽氧烷、聚乙烯矽氧烷)等材料所組成，較佳地是使用附著力在10g/mm² 至50g/mm² 之間的感壓膠或矽氧感壓膠，或使用黏度在800cps至1000cps之間的聚矽氧樹脂進行塗布。在本實施例中，藉由在外蓋14的內側表面140上配置滅電弧結構13d，可有效減少電極間導通路徑的產生，藉以提高電極間的絕緣阻抗值。值得一提的是，由於本實施例所述之保護元件1d的滅電弧結構13d係配置於外蓋14的內側表面140上，因此，較佳地可於間隙111、112填充助焊劑(在本圖中未繪示出)。

需特別說明的是，如圖5所示之滅電弧結構13d例 如是配置於外蓋14的全部內側表面140，但本發明不以此為限，滅電弧結構也可以僅配置於外蓋14的部分內側表面140上，如圖6A所示之保護元件1e，其滅電弧結構13e例如是配置於對應這些間隙111、112的部分內側表面140上。在本實施例中，如圖6B與圖6C所示，滅電弧結構13e的寬度W4例如是大於第一側電極1131至第二側電極1132的寬度W3。滅電弧結構13e的長度L5例如是大於第一側電極1131或第二側電極1132的長度L4。需特別說明的是，為了清楚的表達滅電弧結構13e與第一側電極1131、第二側電極1132之間的長度與寬度的關係，圖6B省略了外蓋14的繪示。

請參照圖7，其為本發明之另一實施例所述之保 護元件的剖面示意圖。如圖7所示，本實施例所述之保護元件1f與圖1所示之保護元件1類似，不同點在於，本實施例所述之滅電弧結構13f同時配置於外蓋14與電極層11的這些間隙111、112之中。具體而言，配置於外蓋14的滅電弧結構13e例如是由感壓膠、矽氧感壓膠或聚矽氧樹脂等材料所組成，而配置於這些間隙111、112之中的滅電弧結構13f例如是由多個無機粒子、多個無機粒子與助焊劑或是聚矽氧樹脂所組成。

請參照圖8，其為本發明之一實施例所述之過電 流及過電壓保護模組的剖面示意圖。如圖8所示，本實施例所示之過電流及過電壓保護模組2包括電路板20、保護膜21以及如圖1所示之具有過電流及過電壓保護功能的保護元件1。保 護元件1配置於電路板20。保護膜21覆蓋於保護元件1以及部分的電路板20上，具體來說，保護膜21完全覆蓋保護元件1並延伸到電路板20上，使過電流及過電壓保護元件1與外界空氣形成絕緣狀態。而保護膜21的厚度例如是介於30微米至210微米之間，可使用例如矽膠(Silicone)、壓克力(Acrylic)、聚氨酯(Urethane)、或環氧樹脂(Epoxy)等材料塗佈後再經過固化成形。在本實施例中，由於保護元件1配置有滅電弧結構13及/或在基板10配置有通孔17(如圖2所示)，在這樣的結構設計下，外蓋14就不需要另外再開設孔洞，因此，保護膜21可以完全覆蓋在保護元件1上，有效防止保護元件1受潮或是污垢進入到元件內部的問題。此外，上述圖3至圖7所述之不同保護元件的實施例皆可應用於如圖8所示之過電流及過電壓保護模組的架構之中。

綜上所陳，本發明所述之保護元件因採用由多個 無機粒子或聚矽氧樹脂所組成的滅電弧結構，在這樣的結構設計下，可有效提高滅電弧效果，並且有效阻隔累積於這些間隙內的導電物質產生通路。此外，本發明另外藉由於外蓋的內側表面上配置滅電弧結構，同樣能夠有效降低電極間導通路徑的產生，提高電極間的絕緣阻抗。此外，本發明所述之保護元件也可以在基板上配置通孔來做為阻隔導電物質所產生的通路，當保護元件進行遮斷容量測試時所產生的碳黑以及金屬粉末等導電物質能夠藉由這些通孔排出，當然，此 通孔也可以與配置於間隙內或外蓋內側表面上的滅電弧結構同時存在。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧保護元件

10‧‧‧基板

11‧‧‧電極層

12‧‧‧金屬結構

13‧‧‧滅電弧結構

14‧‧‧外蓋

15‧‧‧加熱器

16‧‧‧絕緣保護層

101‧‧‧第一表面

102‧‧‧第二表面

103‧‧‧第一側表面

104‧‧‧第二側表面

111、112‧‧‧間隙

113‧‧‧第一電極層

114‧‧‧第二電極層

115‧‧‧第三電極層

116‧‧‧第四電極層

1131‧‧‧第一側電極

1132‧‧‧第二側電極

1133‧‧‧中間電極

1141‧‧‧第三側電極

1142‧‧‧第四側電極

Claims (18)

1. 一種保護元件，包括：一基板；一電極層，配置於該基板，該電極層包括至少一間隙；一金屬結構，配置於該電極層並位於該間隙上方，具有比該電極層低的熔點；一加熱器，配置於該基板，該加熱器發熱而使該金屬結構呈現熔融狀態；一外蓋，配置於該基板，並覆蓋於該金屬結構與部分該電極層；以及一滅電弧結構，配置於該外蓋與該基板之間，且該滅電弧結構的一長度大於該電極層於該間隙相鄰側的一長度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之保護元件，其中該滅電弧結構配置於該間隙內，並位於該基板與該金屬結構之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之保護元件，其中該滅電弧結構包括多個無機粒子。
4. 如申請專利範圍第3項所述之保護元件，其中該些無機粒子的粒徑小於70微米。
5. 如申請專利範圍第2項所述之保護元件，其中該滅電弧結構包括一聚矽氧樹脂。
6. 如申請專利範圍第2項所述之保護元件，其中該滅電弧結構包括多個無機粒子與一助焊劑。
7. 如申請專利範圍第6項所述之保護元件，其中該些無機粒子與該助焊劑的添加量總和為A，且該無機粒子的添加量大於(1/20)A。
8. 如申請專利範圍第1項所述之保護元件，其中該基板具有相對之一第一表面與一第二表面，該電極層包括一第一電極層位於該第一表面，其中該第一電極層包括一第一側電極、一第二側電極以及位於該第一側電極與該第二側電極之間的一中間電極，該加熱器與該中間電極電性連接。
9. 如申請專利範圍第1項所述之保護元件，更包括至少一通孔，配置於該電極層的該間隙且露出該電極層的部分該基板上。
10. 如申請專利範圍第9項所述之保護元件，其中該通孔具有一開口，該開口的直徑小於400微米。
11. 如申請專利範圍第1項所述之保護元件，其中該滅電弧結構配置於該外蓋之一面向該間隙的內側表面上。
12. 如申請專利範圍第11項所述之保護元件，其中該滅電弧結構包括一感壓膠、一矽氧感壓膠或一聚矽氧樹脂。
13. 一種過電流及過電壓保護模組，包括：一電路板；一過電流及過電壓保護元件，配置於該電路板，該過電流及過電壓保護元件包括：一基板，配置於該電路板； 一電極層，配置於該基板，該電極層包括至少一間隙；一金屬結構，配置於該電極層並位於該間隙上方；一加熱器，配置於該基板上，該加熱器發熱而使該金屬結構呈現熔融狀態；一滅電弧結構，配置於該間隙內並位於該金屬結構與該基板之間，且該滅電弧結構的一長度大於該電極層於該間隙相鄰側的一長度；一外蓋，配置於該基板，並覆蓋於該金屬結構與部分該電極層；以及一保護膜，覆蓋於該保護元件以及部分該電路板。
14. 如申請專利範圍第13項所述之過電流及過電壓保護模組，其中該滅電弧結構包括一聚矽氧樹脂。
15. 如申請專利範圍第13項所述之過電流及過電壓保護模組，其中該滅電弧結構包括多個無機粒子與一助焊劑。
16. 如申請專利範圍第13項所述之過電流及過電壓保護模組，更包括至少一通孔，配置於該電極層的該間隙且分布於露出該電極層的部分該基板上。
17. 如申請專利範圍第16項所述之保護元件，其中該通孔具有一開口，該開口的直徑小於400微米。
18. 如申請專利範圍第13項所述之過電流及過電壓保護模組，更包括一滅電弧結構，配置於該外蓋之一面向該間隙的內側表面上，其中該滅電弧結構包括一感壓膠、一矽氧感壓 膠或一聚矽氧樹脂。