TWI676187B - 過電流保護元件 - Google Patents
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Abstract
一種過電流保護元件為包括上下表面及四個側表面的六面體結構。該過電流保護元件包含PTC元件、第一絕緣層、第一電極層及第二電極層。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PTC材料層的第一表面，該第二導電層設於該PTC材料層的第二表面，該第二表面位於該第一表面的相對側。該第一導電層由至少一間隔分隔成第一導電區塊和第二導電區塊。該第一絕緣層設置於該第一導電層表面。第一電極層設置於該第一絕緣層表面，且電氣連接該第一導電區塊。第二電極層設置於該第一絕緣層表面，且電氣連接該第二導電區塊。該間隔包含一主要部分不與該第一電極層和第二電極層的縱向平行。
Description
本發明關於一種熱敏電阻，特別是關於一種過電流保護元件。
正溫度係數元件（Positive Temperature Coefficient；PTC）可被用於保護電路，使其免於因過熱或流經過量電流而損壞。正溫度係數元件通常包含兩電極及位在兩電極間之電阻材料。此電阻材料具正溫度係數特性，亦即在室溫時具低電阻值，而當溫度上升至一臨界溫度或電路上有過量電流產生時，其電阻值可立刻跳升數百或數千倍以上，藉此抑制過量電流通過，以達到電路保護之目的；或應用於過溫度檢測電路，可預先檢測周圍溫度，以指示後端電路啟動過溫度保護動作，如關機或停止供電等動作。當溫度降回室溫後或電路上不再有過電流的狀況時，正溫度係數元件可回復至低電阻狀態，而使電路重新正常操作。此種可重複使用的優點，使正溫度係數元件取代保險絲或其他溫度感測元件，而被更廣泛運用在高密度電子電路上。
未來的電子產品，將朝著具有輕、薄、短、小的趨勢發展，以使得電子產品能更趨於迷你化。例如以手機而言，PTC過電流保護元件係設置於保護電路模組(Protective Circuit Module；PCM)上，其外接電極片將佔據一定的空間，因此小型化之過電流保護元件有其強烈需求。在表面黏著元件(Surface mountable device；SMD)的過電流保護應用上，如何將元件做小至例如0402或0201規格，實為當今技術上的一大挑戰。
習知 PTC SMD 結構通常會採蝕刻金屬層（例如銅層）來隔離形成左右電極，在大尺寸元件設計下，整體上下金屬層面積仍有足夠的結構強度，但隨著元件尺寸做的更小，此種蝕刻隔離設計使得整體上下金屬層面積相對變得不足，使得結構強度變弱，因此於迴焊受熱時容易因PTC材料膨脹造成彎曲變形或破壞，此變形將影響元件關於耐電壓及電阻特性的穩定性。
本發明揭露一種過電流保護元件，提供過電流保護及/或溫度感測功能。本發明的過電流保護元件包含PTC材料層及其表面的第一及第二導電層，並以間隔(isolation)或溝槽(trench)分隔該第一導電層為兩個導電區塊，間隔與下方金屬焊墊沿不同方向延伸，使得兩導電區塊和金屬焊墊交疊建構進而增強結構強度，從而避免PTC材料層快速膨脹時可能造成元件變形損壞。
根據本發明的一實施例，一種過電流保護元件為包括上下表面及四個側表面的六面體結構。該過電流保護元件包含PTC元件、第一絕緣層、第一電極層及第二電極層。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PTC材料層的第一表面，該第二導電層設於該PTC材料層的第二表面，該第二表面位於該第一表面的相對側。該第一導電層由至少一間隔分隔成第一導電區塊和第二導電區塊。該第一絕緣層設置於該第一導電層表面。第一電極層設置於該第一絕緣層表面，且電氣連接該第一導電區塊。第二電極層設置於該第一絕緣層表面，且電氣連接該第二導電區塊。該間隔包含一主要部分不與該第一電極層和第二電極層的縱向平行。
一實施例中，該第一電極層和第二電極層為長條狀，沿第一方向延伸，該間隔的主要部分沿第二方向延伸，該第二方向不與第一方向平行。
一實施例中，該間隔沿該第一導電層的斜線延伸。
一實施例中，該間隔沿該第一導電層的對角線延伸。
一實施例中，該第一導電區塊和第二導電區塊有相同面積。
一實施例中，該間隔連接兩個相鄰側表面。
一實施例中，該間隔為弧形或L形構造。
一實施例中，該第二導電區塊的面積是該第一導電區塊面積的1.2倍以上。
一實施例中，該第一導電區塊電氣連接該第二導電層。
一實施例中，該第一導電層由二間隔交叉分隔成該第一導電區塊和第二導電區塊。
一實施例中，該第一導電區塊面積佔該第一導電層面積的1/5~1/3，且該第二導電區塊面積佔該第一導電層面積的1/5~1/3。
一實施例中，該四個側表面轉角處設置絕緣件。
一實施例中，該第一導電層的2個相對側邊不暴露於相應的該側表面。
一實施例中，該過電流保護元件另包含一設置於該第二導電層表面的第二絕緣層。
一實施例中，該第二導電層由另一間隔分隔成2個導電區塊，該第一導電層的間隔和第二導電層的間隔呈現交叉。
本發明的過電流保護元件將內層金屬層的間隔和金屬焊墊設計出不同的延伸方向，從而增強元件的結構強度。因此，即使因小型化使得元件金屬層面積較小時，仍可提供足夠的強度來抵抗迴焊或PTC材料膨脹時的變形，特別適合於0402或0201的規格應用。
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顯示本發明一實施例的過電流保護元件的立體示意圖，圖2則是將圖1中的過電流保護元件上下翻轉後的示意圖。就外觀而言，過電流保護元件10為六面體結構，包括上下表面及四個側表面。過電流保護元件10包含PTC元件11、第一絕緣層15、第二絕緣層16、第一電極層17及第二電極層18。PTC元件11為包含第一導電層12、第二導電層14及PTC材料層13的層疊結構，該第一導電層12設於該PTC材料層13的第一表面，第二導電層14設於該PTC材料層13的第二表面，其中該第二表面位於第一表面的相對側。第二絕緣層16設置於該第二導電層14的表面。第一絕緣層15設置於該第一導電層12表面，且第一絕緣層15的下表面設置有第一電極層17和第二電極層18。第一電極層17和第二電極層18為長條狀，分別設置於該第一絕緣層15的縱向兩端，作為焊接至電路板的金屬焊墊。一實施例中，第一電極層17和第二電極層18表面可以鍍錫，以增加焊接效果。第一絕緣層15和第二絕緣層16可為預浸玻纖材料（prepreg），第一導電層12和第二導電層14可為銅箔等金屬層。另外，四個側表面的轉角處設有絕緣件22，一實施例中絕緣件22為1/4圓柱型。絕緣件22的材質可為prepreg或樹脂，其較PTC材料層13強韌，也不像第一導電層12和第二導電層14有金屬延展性，因此在切割時可提供保護，大幅降低毛邊的發生。絕緣件22的材質並不限於前述prepreg和樹脂，只要例如絕緣性和硬度等特性達到所需，如其他聚合物材料等，亦為本發明所涵蓋。
PTC材料層13中含有結晶性高分子聚合物及散佈於結晶性高分子聚合物中的導電填料。結晶性高分子聚合物材料可包括例如聚乙烯、聚丙烯、聚氟烯、前述之混合物及共聚合物等。導電填料可為碳黑、金屬粒子、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬氮化物等。例如：導電填料中之金屬粉末可選自鎳、鈷、銅、鐵、錫、鉛、銀、金、鉑或其他金屬及其合金。導電填料中之導電陶瓷粉末可選自金屬碳化物，例如：碳化鈦(TiC)、碳化鵭(WC)、碳化釩(VC)、碳化鋯(ZrC)、碳化鈮(NbC)、碳化鉭(TaC)、碳化鉬(MoC)及碳化鉿(HfC)；或選自金屬硼化物，例如：硼化鈦(TiB
2)、硼化釩(VB
2)、硼化鋯(ZrB
2)、硼化鈮(NbB
2)、硼化鉬(MoB
2)及硼化鉿(HfB
2)；或選自金屬氮化物，例如：氮化鋯(ZrN)。申言之，導電填料可選自前述金屬或導電陶瓷之混合物、合金、硬質合金、固溶體(solid solution)或核殼體(core-shell)。
圖3顯示第二導電層14的平面示意圖，該第二導電層14為矩形或通常為長方形。於本實施例中，四個角落順應絕緣件22的形狀而呈現弧形。圖4顯示第一導電層12的平面示意圖，第一導電層12由一間隔123分隔成第一導電區塊121和第二導電區塊122。間隔123使用斜線或特別是沿第一導電層12的對角線來進行分隔，且優選的該第一導電區塊121和第二導電區塊122具有相同面積。圖5顯示第一絕緣層15的平面示意圖，第一電極層17設置於該第一絕緣層15表面，且通過導電孔19電氣連接該第一導電區塊121。第二電極層18設置於該第一絕緣層15表面，且通過導電孔20電氣連接該第二導電區塊122。為了對應於第一導電區塊121和第二導電區塊123的位置以便於電氣連接，導電孔19和20的位於第一絕緣層15斜向相對的兩個角落。
圖6顯示圖1中沿1-1剖面線的剖面結構示意圖，圖1中1-1剖面線經過導電孔19、元件中心處以及導電孔20。導電孔19穿過第一絕緣層15，連接第一導電區塊121和第一電極層17，形成電氣導通。導電孔20穿過第一絕緣層15，連接第二導電區塊122和第二電極層18，形成電氣導通。由圖6可清楚了解，過電流保護元件10中形成一個導電路徑依序包括第一電極層17、導電孔19、第一導電區塊121、PTC材料層13、第二導電層14、PTC材料層13、第二導電區塊122、導電孔20及第二電極層18。因為電流路徑會經過PTC材料層13兩次，因此會形成串聯2個PTC電阻的電路，如圖7所示。
復參圖4和圖5，間隔123沿第一導電層12的斜線延伸，不與該第一電極層17和第二電極層18的縱向平行。因為導電層或電極層的材料通常為金屬，其強度大於以聚合物為主的PTC材料，如果間隔123與第一電極層17和第二電極層18的縱向平行，對於元件的縱向力矩的抵抗力較差。過電流保護元件10迴焊於電路板或後續過電流或過溫度發生導致PTC材料膨脹時，容易造成元件變形或塌陷。本發明通過間隔123不與該第一電極層17和第二電極層18的縱向平行的設計，有效增加了元件對於縱向力矩的抵抗強度，進而避免元件變形的問題。另外，相較於習知技術，本發明無側邊金屬導通孔設計，不受爬錫時應力影響。
圖8顯示本發明另一實施例的過電流保護元件25的立體分解示意圖。相較於前述實施例，過電流保護元件25的第一導電層12利用間隔123和124交叉分隔成第一導電區塊221、第二導電區塊222、第三導電區塊223和第四導電區塊224等4個導電區塊。本實施例中，間隔123和124沿第一導電層12的兩個對角線交叉，然而斜線交叉也為本發明所涵蓋。導電孔19約位於第一電極層17的中央，電氣連接第一導電區塊221和第一電極層17。導電孔20約位於第二電極層18的中央，電氣連接第二導電區塊222和第二電極層18。此設計中第三導電區塊223和第四導電區塊224並無電流通過，因此按電路設計考量並非必要構件而可去除，但其有增加結構強度的功效。相較於圖4所示的2個第一導電區塊121和第二導電區塊122，本實施例中第一導電區塊221和第二導電區塊222的面積明顯較小或約只有其一半。按電阻公式，較小的電極有效面積可提供較大的電阻，可符合高電阻的需求。在高電阻的應用上，優選的，第一導電區塊221面積佔第一導電層12面積約1/5~1/3，且第二導電區塊222面積佔第一導電層12面積約1/5~1/3。實際應用上，第一導電區塊221和第二導電區塊222並沒有形狀上的限制，也可能為圓型、橢圓形或其他形狀。
圖9顯示本發明另一實施例的過電流保護元件中的第一導電層示意圖。間隔123為弧形，兩端連接元件相鄰的側表面，將第一導電層22分隔成第一導電區塊121和第二導電區塊122。弧形間隔123所包圍的轉角設置導電件21，連接至上方的第二導電層14，使得第一導電區塊121和第二導電層14形成電氣導通。此時電流路徑上PTC材料層13的有效面積相當於第二導電區塊122的面積。圖10顯示本發明又一實施例的過電流保護元件中的第一導電層示意圖。間隔123為L形，兩端連接元件相鄰的側表面，將第一導電層22分隔成第一導電區塊121和第二導電區塊122。弧形間隔123所包圍的轉角設置導電件21，連接至上方的第二導電層14，使得第一導電區塊121和第二導電層14形成電氣導通。圖9和圖10所示的第一導電層12的間隔123都包含彎曲和水平的主要部分不與該第一電極層17和第二電極層18的縱向平行，從而提供元件對於縱向力矩的抵抗強度，避免元件變形。導電件21連接下方的第一導電區塊121和上方的第二導電層14，因此電流直接流經導電件21，不會經過兩者間的PTC材料層13。為了保持電流通路上PTC材料層13有足夠的有效面積，優選的第二導電區塊122的面積為第一導電區塊121面積的1.2倍、1.5倍或2倍以上。進一步言之，電流會流經位於第二導電區塊122和第二導電層14之間的PTC材料層13，形成包含一個PTC電阻的電路，如圖11所示。
圖12顯示本發明之過電流保護元件焊接或表面黏著於電路板的示意圖。過電流保護元件10下表面的第一電極層17和第二電極層18作為焊接至電路板30的焊墊，利用焊料31焊接至電路板30。因為焊料31在過電流保護元件10鄰近第一電極層17和第二電極層18的4個側表面會產生爬錫現象，若第一電極層17和第二電極層18的焊料31都觸及第一導電層12，將造成電氣短路，電流根本不會經過PTC材料層13來提供保護。雖然造成此問題的機率不大，但本發明提出以下的解決方法。參照圖13，類似前例，第一導電層12以間隔123分隔成第一導電區塊121和第二導電區塊122，不過長側邊內縮。圖13中虛線顯示圖4中的2個側邊124和125的位置，而本實施例內縮至實線的位置，內縮區域則由第一絕緣層15填補。這樣一來第一導電層12的縱向側邊不會暴露在過電流保護元件40的兩個相應的側表面，如圖14所示，從而避免前述因爬錫造成短路問題。
以上實施例，因為作為焊墊的第一電極層17和第二電極層18在下方，因此焊接時要考慮方向性的問題。實務上亦可在元件上下表面都作焊墊，以免除焊接時辨識方向的步驟。圖15顯示過電流保護元件60的立體分解圖，過電流保護元件60包括第一導電層32、PTC材料層33、第二導電層34、第一絕緣層35、第二絕緣層36、電極層37、38、39和50以及4個絕緣件41。相較於前述的過電流保護元件10，過電流保護元件60在第二導電層34也作出間隔343，該間隔343和第一導電層32中的間隔323呈現交叉，且在第二絕緣層36的表面也設置電極層39和50。電極層37和38分別通過導電件351和352電氣連接第一導電層32中以間隔323分隔的兩個導電區塊。電極層39和50分別通過導電件361和362電氣連接第二導電層34以間隔343分隔的兩個導電區塊。藉此，電極層37、38或電極層39、50可擇一組作為焊接介面，而沒有焊接方向性的問題。因為間隔323和343交叉的關係，不論是以電極層37、38或電極層39、50作為焊接介面，會形成如圖16所示的電路。
為免除焊接元件方向性的辨識步驟，同樣可將原本圖9和圖10的設計進行修改。以圖9為例進行修改，以下設計可免除焊接方向性的辨識步驟。為求圖式簡潔以利說明，圖17只顯示內部的核心構件，上下絕緣層及電極層則加以省略。第一導電層42和第二導電層44分別位於PTC材料層43的相對表面，第一導電層42的間隔423在左上方，第二導電層44的間隔443在右下方，且左上轉角和右下轉角分別以導電件45和46連接第一導電層42和第二導電層44。第一導電層42的不同導電區塊可電氣連接至下層的2個電極層或焊墊，第二導電層44的不同導電區塊可電氣連接至上層的2個電極層或焊墊。如此一來，不論是第一導電層42或第二導電層44所電氣連接的焊墊都可以作為電流輸出輸入的介面，因此沒有焊接方向性的問題。
本發明以上實施例，將第一導電層的間隔方向不與第一電極層和第二電極層的縱向方向平行，增加元件對於PTC材料膨脹時抵抗變形的強度，且利用上下絕緣層提供結構支撐，以及於元件4個轉角處形成絕緣件減少切割可能產生的毛邊，特別適於元件小型化的應用，例如規格為0402和0201尺寸的產品。此外，本發明可根據需求製作出包含1個或2個以上PTC電阻的電路元件，提供設計上的彈性。
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、25、40、60‧‧‧過電流保護元件
11‧‧‧PTC元件
12、32、42‧‧‧第一導電層
13、33、43‧‧‧PTC材料層
14、34、44‧‧‧第二導電層
15、35‧‧‧第一絕緣層
16、36‧‧‧第二絕緣層
17‧‧‧第一電極層
18‧‧‧第二電極層
19、351、352‧‧‧導電孔
20、361、362‧‧‧導電孔
21、45、46‧‧‧導電件
22、41‧‧‧絕緣件
30‧‧‧電路板
31‧‧‧焊料
37、38、39、50‧‧‧電極層
121、221‧‧‧第一導電區塊
122、222‧‧‧第二導電區塊
123、124、323、343、423、443‧‧‧間隔
124‧‧‧側邊
125‧‧‧側邊
223‧‧‧第三導電區塊
224‧‧‧第四導電區塊
11‧‧‧PTC元件
12、32、42‧‧‧第一導電層
13、33、43‧‧‧PTC材料層
14、34、44‧‧‧第二導電層
15、35‧‧‧第一絕緣層
16、36‧‧‧第二絕緣層
17‧‧‧第一電極層
18‧‧‧第二電極層
19、351、352‧‧‧導電孔
20、361、362‧‧‧導電孔
21、45、46‧‧‧導電件
22、41‧‧‧絕緣件
30‧‧‧電路板
31‧‧‧焊料
37、38、39、50‧‧‧電極層
121、221‧‧‧第一導電區塊
122、222‧‧‧第二導電區塊
123、124、323、343、423、443‧‧‧間隔
124‧‧‧側邊
125‧‧‧側邊
223‧‧‧第三導電區塊
224‧‧‧第四導電區塊
圖1顯示本發明一實施例的過電流保護元件的立體示意圖。
圖2顯示圖1中的過電流保護元件上下翻轉後的立體示意圖。
圖3~5顯示圖1中的過電流保護元件的內部構件示意圖。
圖6顯示圖1中沿1-1剖面線的剖面示意圖。
圖7顯示圖1中的過電流保護元件的電路示意圖。
圖8顯示本發明另一實施例的過電流保護元件的立體分解示意圖。
圖9顯示本發明另一實施例的過電流保護元件中的第一導電層示意圖。
圖10顯示本發明又一實施例的過電流保護元件中的第一導電層示意圖。
圖11顯示本發明另一實施例的過電流保護元件的電路示意圖。
圖12顯示本發明一實施例之過電流保護元件焊接於電路板上的示意圖。
圖13顯示本發明再一實施例的過電流保護元件中的第一導電層示意圖。
圖14顯示本發明另一實施例之過電流保護元件焊接於電路板上的示意圖。
圖15顯示本發明一實施例之過電流保護元件的立體分解示意圖。
圖16顯示圖15所示之過電流保護元件的電路示意圖。
圖17顯示本發明另一實施例之過電流保護元件的內部構件立體分解示意圖。
圖2顯示圖1中的過電流保護元件上下翻轉後的立體示意圖。
圖3~5顯示圖1中的過電流保護元件的內部構件示意圖。
圖6顯示圖1中沿1-1剖面線的剖面示意圖。
圖7顯示圖1中的過電流保護元件的電路示意圖。
圖8顯示本發明另一實施例的過電流保護元件的立體分解示意圖。
圖9顯示本發明另一實施例的過電流保護元件中的第一導電層示意圖。
圖10顯示本發明又一實施例的過電流保護元件中的第一導電層示意圖。
圖11顯示本發明另一實施例的過電流保護元件的電路示意圖。
圖12顯示本發明一實施例之過電流保護元件焊接於電路板上的示意圖。
圖13顯示本發明再一實施例的過電流保護元件中的第一導電層示意圖。
圖14顯示本發明另一實施例之過電流保護元件焊接於電路板上的示意圖。
圖15顯示本發明一實施例之過電流保護元件的立體分解示意圖。
圖16顯示圖15所示之過電流保護元件的電路示意圖。
圖17顯示本發明另一實施例之過電流保護元件的內部構件立體分解示意圖。
Claims (14)
- 一種過電流保護元件，為包括上下表面及四個側表面的六面體結構，該過電流保護元件包含：一PTC元件，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材料層的第一表面，該第二導電層設於該PTC材料層的第二表面，該第二表面位於該第一表面的相對側，該第一導電層由至少一間隔分隔成第一導電區塊和第二導電區塊；一第一絕緣層，設置於該第一導電層表面；一第一電極層，設置於該第一絕緣層表面，且電氣連接該第一導電區塊；以及一第二電極層，設置於該第一絕緣層表面，且電氣連接該第二導電區塊；其中該間隔包含一主要部分不與該第一電極層和第二電極層的縱向平行；其中該四個側表面轉角處設置絕緣件。
- 根據請求項1之過電流保護元件，其中該第一電極層和第二電極層為長條狀，沿第一方向延伸，該主要部分沿第二方向延伸，該第二方向不與第一方向平行。
- 根據請求項1之過電流保護元件，其中該間隔沿該第一導電層的斜線延伸。
- 根據請求項1之過電流保護元件，其中該間隔沿該第一導電層的對角線延伸。
- 根據請求項1之過電流保護元件，其中該第一導電區塊和第二導電區塊有相同面積。
- 根據請求項1之過電流保護元件，其中該間隔連接兩個相鄰側表面。
- 根據請求項6之過電流保護元件，其中該間隔為弧形或L形構造。
- 根據請求項6之過電流保護元件，其中該第二導電區塊的面積是該第一導電區塊面積的1.2倍以上。
- 根據請求項8之過電流保護元件，其中該第一導電區塊電氣連接該第二導電層。
- 根據請求項1之過電流保護元件，其中該第一導電層由二間隔交叉分隔成該第一導電區塊和第二導電區塊。
- 根據請求項10之過電流保護元件，其中該第一導電區塊面積佔該第一導電層面積的1/5~1/3，且該第二導電區塊面積佔該第一導電層面積的1/5~1/3。
- 根據請求項1之過電流保護元件，其中該第一導電層的2個相對側邊不暴露於相應的該側表面。
- 根據請求項1之過電流保護元件，其另包含一設置於該第二導電層表面的第二絕緣層。
- 根據請求項1之過電流保護元件，其中該第二導電層由另一間隔分隔成2個導電區塊，該第一導電層的間隔和第二導電層的間隔呈現交叉。
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