TWI486988B - 過電流保護元件及其電路板結構 - Google Patents

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Description

過電流保護元件及其電路板結構
本發明係關於一種過電流保護元件(over-current protection device),特別是關於一種耐高壓之表面黏著型(SMD)過電流保護元件,及其電路板結構。
隨著目前可攜式電子儀器的廣泛應用,例如手機、筆記型電腦、手提式攝影機及個人數位助理器(PDA)等,為防止二次電池或電路元件發生過電流(over-current)或是過高溫(over-temperature)現象而造成短路,使用過電流保護元件的重要性也愈來愈顯著。
習知之正溫度係數(Positive Temperature Coefficient,PTC)元件之電阻值對溫度變化的反應相當敏銳,在PTC元件於正常使用狀況時,其電阻可維持極低值,使電路得以正常運作。但是,當發生過電流或過高溫的現象而使溫度上升至一臨界溫度時,其電阻值會瞬間彈跳至一高電阻狀態(例如104Ω以上),而將過量之電流反向抵銷,以達到保護電池或電路元件之目的。因此,該PTC元件已見整合於各式電路元件中,以防止過電流的損害。
傳統SMD低電壓(小於32volts)過電流保護元件因為尺寸小、厚度薄且精密度高,因此需採用較為複雜電路與製程的設計,例如採用PCB製程中的壓合、鑽孔、鍍銅等複雜的工序。然而對於高電壓產品而言(大於60volts),其具有大尺寸、厚度厚等外觀特性,因此較為適合直立式的安裝方式。同時由於需通過高電壓測試與應用,傳統的SMD元件的電路設計過於緊密,導致容易產生 焊錫爬錫與絕緣沿面不足的問題,造成元件耐電壓不足的缺陷。
本發明揭示一種過電流保護元件,可以表面黏著方式固定於電路板,而形成電路板結構。本發明之過電流保護元件之製造工序簡單,而可達到更佳的耐電壓效果,且可減低因爬錫導致的短路機率。
根據本發明之第一方面,揭示一種過電流保護元件,其係用於以表面黏著方式設置於電路板上,且可承受60至600伏特的電壓。該過電流保護元件包含PTC元件、第一電極及第二電極。PTC元件為層疊結構,包含第一導電層、第二導電層及PTC材料層。該第一導電層設於該PTC材料層之第一表面,第二導電層設於該PTC材料層之第二表面,第二表面係位於第一表面之相對側。第一電極設於第一導電層表面。第二電極設於第二導電層表面,且與該第一電極隔離。該第一電極、第二電極及PTC元件共同形成一端平面,該端平面實質垂直於該第一及第二表面,位於該端平面之該第一電極和第二電極作為電氣連接該電路板的介面。
根據本發明之第二方面,揭示一種電路板結構,其包含電路板及過電流保護元件。過電流保護元件可承受60至600伏特的電壓,且以表面黏著方式設置於該電路板的表面,該過電流保護元件包含PTC元件、第一電極及第二電極,該PTC元件包含第一導電層、第二導電層及PTC材料層,第一導電層設於該PTC材料層之第一表面,第二導電層設於該PTC材料層之第二表面,第二表面係位於第一表面之相對側。該第一電極設於第一導電層表面;該第二電極設於第二導電層表面,且與該第一電極隔離。該第一電極、第二電極及PTC元件共同形成一端平面,該端平面實質垂直於該第一及第二表面並面向該電路板,位於該端平面之該第一電極和第二電極電氣連接於該電路板。
本發明係揭露一種採用簡易型的元件設計,可僅使用PCB製程中的防焊、文字、鍍銅、鍍錫與切割製程,使元件可以使用直立式的型態安裝,達成維持產品特性與降低工序與成本的目標。
10‧‧‧PTC元件
11‧‧‧PTC材料層
12‧‧‧第一導電層
13‧‧‧第二導電層
14‧‧‧第一絕緣層
14’‧‧‧第二絕緣層
30‧‧‧過電流保護元件
31‧‧‧第一電極
32‧‧‧第二電極
33、34‧‧‧端平面
50‧‧‧電路板結構
51‧‧‧電路板
52‧‧‧焊錫
311‧‧‧第一電極層
321‧‧‧第二電極層
[圖1至圖4]顯示本發明一實施例之過電流保護元件之製作方式;[圖5]顯示本發明一實施例之電路板結構示意圖;[圖6至8]顯示本發明其他實施例之過電流保護元件之側視圖。
為讓本發明之上述和其他技術內容、特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉出相關實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下:圖1至圖4顯示本發明一實施例之過電流保護元件之製作示意圖。
參照圖1,首先提供一PTC基板10,其包含第一導電層12、第二導電層13及以三明治方式設置於導電層12和13間之PTC材料層11。PTC材料層11可包含結晶性高分子聚合物及散佈於其間的導電填料。結晶性高分子聚合物可包含例如:聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)、polyoxymethylene、poly(ethylene oxide)、poly(ethylene terephthalate)、polyisobutylene、poly(ε-caprolactam)、poly(hexamethylene adipamide)、聚氟乙烯(poly(vinyl fluoride))、poly(vinylidene fluoride)、polychlorotrifluoroethylene、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)、聚氯乙烯(poly(vinyl chloride))、poly(vinylidene chloride)、聚苯乙烯polystyrene、poly(acrylic acid)、poly(vinyl acetate)、polyacrylate、poly(methyl methacrylate)和ionomer,以及由這些聚合物中所含之單體所組成的共聚合物。導 電填料則可為碳黑、石墨、金屬粉末、陶瓷粉末、以及纖維性導電材料等。另外為了增加耐電壓特性可加入阻燃劑(flame retardant),例如:鹵素或磷系阻燃劑化合物、金屬氫氧化合物(如:Al2(OH)3、Mg(OH)2、金屬氧化物(如:ZnO、Sb2O3)、氮化物(如BN)等。導電層12、13可為金屬箔,例如銅箔、鎳箔、或鍍鎳銅箔等。
參照圖2,接著於第一導電層12和第二導電層13的表面約等間隔製作第一絕緣層14和第二絕緣層14’,例如以防焊製程印刷方塊型防焊圖形,定義防焊區域,該第一和第二絕緣層14和14’表面可印製文字作為元件的標示。
參照圖3及圖4,圖4係圖3結構的俯視圖。於導電層12和13未覆蓋第一和第二絕緣層14和14’之區域分別製作第一電極31及第二電極32,此處第一電極31及第二電極32係對應設置。一實施例中,將導電層12和13表面未覆蓋第一和第二絕緣層14和14’的區域鍍錫,或將原本的導電層12、13銅箔鍍銅增厚之後再鍍錫,形成電極31及32。一實施例中,電極31或32的厚度約大於等於第一和第二絕緣層14和14’的厚度。之後,進行元件切粒,亦即於電極31和32約中央處如虛線處進行切割,形成多個過電流保護元件30。參照圖4,一實施例中,第一電極31係環繞該第一絕緣層14。類似地,第二電極32環繞該第二絕緣層14’,且第一和第二絕緣層14和14’表面可印製文字P作為元件的標示。綜言之,上述實施例中,過電流保護元件30的製作係將耐高電壓的PTC板材先以防焊製程印刷方塊型防焊圖形,定義防焊區域與鍍錫區域。之後於防焊區域進行文字印刷,並將露出的電極31和32鍍錫,以進一步增加厚度,而提供元件30較佳的站立性與焊錫性。之後切粒為多個過電流保護元件後進行包裝。
特而言之,過電流保護元件30需可承受60至600伏特的電壓,或較佳可承受90至600伏特的電壓。過電流保護元件30包含PTC元件10、第一電極31、第二電極32及第一和第二絕緣層14和14’。PTC元件10為層疊結構,包含 第一導電層12、第二導電層13及PTC材料層11,該第一導電層12設於該PTC材料層11之第一表面,第二導電層13設於該PTC材料層11之第二表面,第二表面係位於第一表面之相對側。第一電極31設於第一導電層12表面。第二電極32設於第二導電層13表面,且與該第一電極31隔離。
圖5顯示本發明之過電流保護元件之應用示意圖,亦即揭示其相關的電路板結構。一實施例中,過電流保護元件30應用時係以表面黏著方式直立設置於電路板(PCB)51表面。該第一電極31、第二電極32及PTC元件10共同形成一端平面33。端平面33實質垂直於PTC材料層10的第一和第二表面,且面向該電路板51。位於該端平面33之第一電極31和第二電極32以表面黏著方式藉由焊錫52電氣連接電路板51中之相關電路。該端平面33之相對側亦由第一電極31、第二電極32及PTC元件10共同形成另一端平面34。該過電流保護元件30為對稱結構,因此進行表面黏著製程時不需考慮其方向性。一實施例中,PTC元件10及第一和第二電極31、32之總厚度介於1.5mm至2.8mm,或特別為1.8mm、2mm或2.5mm,PTC元件10之長度(亦即圖5所示的元件30高度)介於2mm至8mm,或特別為4mm或6mm。
圖5所示之過電流保護元件30之右側面可為如圖4所示單顆之過電流保護元件。除此之外,本發明之該過電流保護元件的第一電極31及第二電極32可製作成其它形狀,其相應側視圖如圖6至8所示。
圖6中第一電極31位於PTC元件10的一表面,且由第一絕緣層14分隔成二個第一電極層311。類似地,第二電極32位於PTC元件10的另一表面,亦可由第二絕緣層14’分隔成二個第二電極層(圖未示)。第二電極層和第一電極層311係互為對稱。下方之第一電極層311及第二電極層及PTC元件10構成該端平面33,焊接時該端平面33係面向圖5所示之電路板51。
圖7中二個第一電極層311位於PTC元件10表面之對角線處,位 於PTC元件10另一表面之二個第二電極層321亦採對角線設置。下方之第一電極層311及第二電極層321及PTC元件10構成該端平面33,焊接時該端平面33係面向圖5所示之電路板51。本實施例中,於端平面33上的第一電極層311和第二電極層321係設置於對角線處,亦即下方之第一電極層311及第二電極層321因彼此間錯位導致距離較長,而得以提供更佳的耐電壓效果。
圖8所示者如同將圖6所示者90度翻轉,第一電極31位於PTC元件10的一表面,且由第一絕緣層14分隔成二個第一電極層311。類似地,第二電極32位於PTC元件10的另一表面,亦可由第二絕緣層14’分隔成二個第二電極層(圖未示)。第二電極層和第一電極層311係互為對稱。二個第一電極層311及二個第二電極層之下表面及PTC元件10構成該端平面33,焊接時該端平面33係面向電路板51。較佳地,焊接時選擇位於端平面33上位於對角線之第一電極層311及第二電極層進行焊接,因兩者間距離較遠,可提供較佳的耐電壓特性。
一實施例中,該端平面33可覆蓋第一和第二絕緣層14和14’,避免焊接時爬錫的問題而增加耐電壓性,而該端平面34亦可覆蓋第一和第二絕緣層14和14’,即可於焊接時不需考慮其方向性。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上,然而本領域具有通常知識之技術人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此,本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者,而應包括各種不背離本發明之替換及修飾,並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧PTC元件
14‧‧‧第一絕緣層
14’‧‧‧第二絕緣層
30‧‧‧過電流保護元件
31‧‧‧第一電極
32‧‧‧第二電極
33、34‧‧‧端平面
50‧‧‧電路板結構
51‧‧‧電路板
52‧‧‧焊錫

Claims (13)

  1. 一種過電流保護元件,用於以表面黏著方式設置於電路板上,且可承受60至600伏特的電壓,其包含:一PTC元件,其為層疊結構,包含第一導電層、第二導電層及PTC材料層,該第一導電層設於該PTC材料層之第一表面,第二導電層設於該PTC材料層之第二表面,第二表面係位於第一表面之相對側;一第一電極,設於第一導電層表面;以及一第二電極,設於第二導電層表面,且與該第一電極隔離;其中該第一電極、第二電極及PTC元件共同形成一端平面,該端平面實質垂直於該第一及第二表面,位於該端平面之該第一電極和第二電極作為電氣連接該電路板的介面。
  2. 根據請求項1之過電流保護元件,其另包含設於該第一表面之第一絕緣層及設於第二表面之第二絕緣層,該第一電極環繞該第一絕緣層,且該第二電極環繞該第二絕緣層。
  3. 根據請求項1之過電流保護元件,其中該第一電極包含二個第一電極層,該第二電極包含二個第二電極層,該二個第一電極層之一者及二個第二電極層之一者及PTC元件構成該端平面。
  4. 根據請求項3之過電流保護元件,其中該二個第一電極層之另一者及二個第二電極層之另一者及PTC元件構成另一端平面,該另一端平面位於該端平面之相對側。
  5. 根據請求項3之過電流保護元件,其另包含:一第一絕緣層,設於二個第一電極層間之該第一表面上;以及一第二絕緣層,設於二個第二電極層間之該第二表面上。
  6. 根據請求項5之過電流保護元件,其中該第一及第二絕緣層係防焊 層。
  7. 根據請求項1之過電流保護元件,其中該第一電極和第二電極係設置於端平面的對角線處。
  8. 根據請求項1之過電流保護元件,其中該PTC元件及第一和第二電極層之總厚度介於1.5至2.8mm,PTC元件之長度介於2至8mm。
  9. 一種電路板結構,包含:一電路板;以及一過電流保護元件,可承受60至600伏特的電壓,且以表面黏著方式設置於該電路板的表面,該過電流保護元件包含PTC元件、第一電極及第二電極,該PTC元件包含第一導電層、第二導電層及PTC材料層,第一導電層設於該PTC材料層之第一表面,第二導電層設於該PTC材料層之第二表面,第二表面係位於第一表面之相對側;該第一電極設於第一導電層表面;該第二電極設於第二導電層表面,且與該第一電極隔離;其中該第一電極、第二電極及PTC元件共同形成一端平面,該端平面實質垂直於該第一及第二表面並面向該電路板,位於該端平面之該第一電極和第二電極電氣連接於該電路板。
  10. 根據請求項9之電路板結構,其另包含設於該第一表面之第一絕緣層及設於第二表面之第二絕緣層,該第一電極環繞該第一絕緣層,且該第二電極環繞該第二絕緣層。
  11. 根據請求項9之電路板結構,其中該第一電極包含二個第一電極層,該第二電極包含二個第二電極層,該二個第一電極層之一者及二個第二電極層之一者及PTC元件構成該端平面,且該二個第一電極層之另一者及二個第二電極層之另一者及PTC元件構成另一端平面,該另一端平面位於該端平面之相對側。
  12. 根據請求項11之電路板結構,其另包含:一第一絕緣層,設於二個第一電極層間之該第一表面上;以及一第二絕緣層,設於二個第二電極層間之該第二表面上。
  13. 根據請求項9之電路板結構,其中該PTC元件及第一和第二電極層之總厚度介於1.5至2.8mm,PTC元件之長度介於2至8mm。
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