TWI700719B - 保護元件及其電路保護裝置 - Google Patents

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Abstract

一種保護元件，包含一基板、熔斷件及加熱件。該基板表面設有第一電極和第二電極。該熔斷件設置於該基板上，兩端電連接於該第一電極和第二電極。該熔斷件包含第一金屬層和第二金屬層，該第二金屬層設置於該第一金屬層表面，該第二金屬層的熔點低於該第一金屬層的熔點。該加熱件設置於該基板上。當過電壓或過溫度發生時，該加熱件發熱以熔融該熔斷件。該第二金屬層的厚度為該熔斷件的厚度的40%~95%。

Description

保護元件及其電路保護裝置
本發明係關於一種應用於電子裝置中的保護元件及包含該保護元件的電路保護裝置，且特別是關於一種具有防止過電壓、過電流或過溫度功能的保護元件及其電路保護裝置。
習知切斷過電流的保護元件，廣泛周知有由鉛、錫、銀、鉍、銅等低熔點金屬體所構成的電流熔絲(fuse)。之後，在防止過電流和過電壓方面，持續發展出保護元件，其包含在一個平面基板上依序積層發熱層及熔斷件（fusible element）。在過電壓時發熱層會發熱，熱從底部向上傳遞，加熱而熔斷該熔斷件，藉此切斷流經的電流，以保護相關的電路或電子裝置。
近年來行動裝置高度普及，舉凡手機、電腦及個人行動助理等資訊產品隨處可見，使得人們對資訊產品之依賴性與日俱增。然而，不時出現有關於手機等可攜式電子產品的電池在充放電的過程中爆炸的新聞。因此，製造商逐步改良前述過電流和過電壓保護元件的設計，提升電池在充放電的過程中的保護措施，以防止電池在充放電的過程中因過電壓或過電流而爆炸。
習知技術提出的保護元件的防護方式是使保護元件中的熔斷件與電池的電路串聯，且使保護元件中的熔斷件與發熱層電連接至開關(switch)與積體電路(IC)元件。如此一來，當IC元件量測到在過電壓時會啟動開關呈導通，使電流通過保護元件中的發熱層，使得發熱層產生熱量以熔斷該熔斷件，進而使電池的電路呈斷路的狀態而達到過電壓保護。本領域技術人員亦可充分瞭解，當過電流發生時，大量的電流流經熔斷件會使得熔斷件發熱而熔斷，進而達到過電流保護。
然而，上述既有保護元件中的熔斷件為了防止後續回焊製程因高溫發生熔融，通常會使用熔點300℃以上的含鉛(Pb)高熔點焊料。然而，按RoHS(危害性物質限制指令)環保指令的規範，含Pb焊料之使用將被限制。因此如何在使用較低熔點的熔斷件的情況下而仍可進行回焊，是保護元件亟需克服的問題。
本發明係提供一種保護元件及包含該保護元件的電路保護裝置，其具有過電壓、過電流及/或過溫度保護的功能。該保護元件的熔斷件包括兩種不同熔點的金屬層，利用高、低熔點複合材料，達成有效熔融熔斷件的效果。
根據本發明的第一方面，提供一種保護元件，其包含一基板、熔斷件及加熱件。該基板表面設有第一電極和第二電極。該熔斷件設置於該基板上，兩端電連接於該第一電極和第二電極。該熔斷件包含第一金屬層和第二金屬層，該第二金屬層設置於該第一金屬層表面，該第二金屬層的熔點低於該第一金屬層的熔點。該加熱件設置於該基板上。當過電壓或過溫度發生時，該加熱件發熱以熔融該熔斷件。該第二金屬層的厚度為該熔斷件的厚度的40%~95%。
一實施例中，該第二金屬層的厚度大於第一金屬層的厚度。
一實施例中，該第一金屬層包含銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)、鎳(Ni)鋅(Zn)或其合金。
一實施例中，該第二金屬層包含錫(Sn)或其合金。
一實施例中，該第一金屬層形成該熔斷件的內層，該第二金屬層形成該熔斷件的外層。
一實施例中，該第二金屬層有兩層，分別形成於該第一金屬層的上、下表面。
一實施例中，該第一金屬層形成該熔斷件的下表面，該第二金屬層形成該熔斷件的上表面。
一實施例中，當第一金屬層的厚度大於等於16µm時，第二金屬層的厚度為該熔斷件的厚度的50%以上。
一實施例中，當第一金屬層的厚度大於等於18µm時，第二金屬層的厚度為該熔斷件的厚度的60%以上。
根據本發明的第二方面，提供一種電路保護裝置，其包括保護元件、偵測器及開關。保護元件包含基板、熔斷件及加熱件，該基板表面設有第一電極和第二電極，該熔斷件設置於該基板上，兩端電連接於該第一電極和第二電極。該熔斷件包含第一金屬層和第二金屬層，該第二金屬層設置於該第一金屬層表面，該第二金屬層的熔點低於該第一金屬層的熔點，該第二金屬層的厚度為該熔斷件的厚度的40%~95%。該加熱件設置於該基板上。該偵測器用於偵測一待保護電路的電壓降或溫度。該開關連接該偵測器以接受其偵測信號。當該偵測器偵測到電壓降或溫度超過預設值時，該開關導通，電流流經該加熱件，使得該加熱件發熱以熔融該熔斷件。
本發明保護元件中之熔斷件為多層之金屬層複合結構，其中第一金屬層較第二金屬層的熔點要高，且第二金屬層的厚度佔熔斷件厚度達一定比例以上。如此一來，在後續回焊時，即使回焊溫度高於第二金屬層的熔點，因第二金屬層有一定厚度，不會任意流動或產生嚴重變形，且第二金屬層熔融會侵蝕(erode)第一金屬層，從而加速熔斷件的熔斷，而提供保護。本發明保護元件的熔斷件包括不同熔點的金屬層，與傳統的含鉛錫片相比，可降低熔斷件電阻值而達到低表面溫度和高電流的特性。
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保護元件10的結構圖。保護元件10具有基板11、加熱件12、加熱電極13、絕緣層14、中間電極15、熔斷件16、焊料17、電極層18、下電極19a和19b及外罩20。外罩20外緣設置於基板11表面，而提供內部空間容納加熱件12及熔斷件16等。該基板11通常為平面絕緣基板。加熱件12配置於基板11上，且其兩端電連接左右兩加熱電極13。熔斷件16兩端電連接電極層18中位於兩側的第一電極18a和第二電極18b，且熔斷件16的中間部分連接設置於絕緣層14表面的中間電極15，其中熔斷件16兩端可通過焊料17連接於第一電極18a和第二電極18b。第一電極18a和第二電極18b可通過位於基板11側面的導通件22連接至左、右之下電極19a和19b。下電極19a和19b可作為表面黏著至一電路板（圖未示）的介面。絕緣層14覆蓋加熱件12和加熱電極13。熔斷件16配置於絕緣層14上方作為電路上的熔絲(fuse)。該熔斷件16包含第一金屬層16a和設置於該第一金屬層16a表面的第二金屬層16b，而為複合式結構。熔斷件16為了防止第二金屬層16b或第一金屬層16a氧化，可在熔斷件16上全面或部分塗布助焊劑21。助焊劑21主要可在最外層之第二金屬層16b的表面形成抗氧化層，能有效地防止第二金屬層16b氧化，進而維持快速熔斷效率。當過電壓或過溫度發生時，加熱件12會發熱且將熱傳遞至熔斷件16，以使熔斷件16熔融而向兩側的第一電極18a、第二電極18b和中間電極15流動而導致熔斷，從而截斷電流達到保護目的。圖2顯示圖1之保護元件10的等效電路圖，本實施例中藉由中間電極15的設置，熔斷件16會包含兩個熔絲(fuse)。當過電壓發生時，該加熱件12發熱以熔融該熔斷件16。該熔斷件包含低熔點金屬，可於異常事件發生時熔斷提供保護。
基板11可為方形結構，其中材質可選用例如氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯、玻璃陶瓷等之絕緣性材料，或者選用用於玻璃環氧基板、酚醛基板等之印刷配線基板之材料亦可。基板11的厚度約為0.1~2mm。電極層18、加熱電極13和中間電極15可包含銀、金、銅、錫、鎳或其他導電金屬，厚度約為0.005~1mm，或特別是0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.3mm、0.5mm。除了使用印刷製作電極外，也可以使用金屬片製作，以適合高電壓應用。
本實施例中，該熔斷件16係由內層與外層構成之複合構造體，可為矩形長條狀或圓條狀，作為內層的第一金屬層16a為高熔點金屬層，在第一金屬層16a上下表面作為外層的第二金屬層16b為低熔點金屬層。亦即，第二金屬層16b相較於第一金屬層16a有較低的熔點。第二金屬層16b可使用電鍍、蒸鍍、貼合、壓延等方式形成在第一金屬層16a之表面。一實施例中，第一金屬層16a包含例如Ag、Cu、Au、Ni、Zn，或以其中之任一者為主成分之金屬或其合金。第二金屬層16b優選地包含以Sn為主成分之金屬或其合金，例如Sn、Sn-Ag、Sn-Sb、Sn-Zn、Sn-Ag-Cu、Pb-Sn-Ag、Sn-Zn-Cu、Sn-Bi-Ag及Sn-Bi-Ag-Cu，特別是或可選用無Pb材料以符合RoHS指令。一實施例中，第二金屬層16b的熔點較第一金屬層16a的熔點低外，第一金屬層16a的熔點高於回焊溫度。如此一來，即使回焊溫度超過第二金屬層16b之熔融溫度，使得作為外層的第二金屬層16b表面可能會略為流動，但第一金屬層16a仍未達到其熔點，因此熔斷件16不至於熔斷，且能維持熔斷件16的既有形狀。加熱件12的材料可包含氧化釕(RuO 2)和銀(Ag)、鈀(Pd)和鉑(Pt)等添加物。作為加熱件12與熔斷件16之間隔離的絕緣層14的材料可選用玻璃(glass)、環氧樹脂(epoxy)、氧化鋁或矽膠(silicone)或釉材料(glaze)等。
一實施例中，熔斷件16的厚度T約15µm至150µm，其中第一金屬層16a的厚度T1約5~30µm，上、下第二金屬層16b 個別的厚度約5~50µm，亦即第二金屬層16b 的總厚度T2約10~100µm。具體而言，第二金屬層16b的厚度T2可能大於或小於第一金屬層16a的厚度T1，且以第二金屬層的厚度佔熔斷件的總厚度(T=T1+T2)的比值在40~95%為佳，例如50%、60%、70%、80%或90%。優選地，第二金屬層16b相對較厚，而第一金屬層16a相對較薄，或者熔斷件16中第二金屬層16b之體積較第一金屬層16a之體積大。當有過電壓或過電流等異常狀況發生時，第二金屬層16b有較厚厚度或較大體積能有效地進行第一金屬層16a之侵蝕，加速熔斷件16在短時間內熔斷。綜言之，第一金屬層16a和第二金屬層16b的厚度和體積的比例都有其適當值，過薄或體積太小的第二金屬層16b無法快速且有效地熔斷該熔斷件16。
圖3、圖4、圖5和圖6顯示熔斷件16的不同實施例結構。如圖3所示，第二金屬層16b有兩層，分別設置於第一金屬層16a的上表面和下表面。如圖4所示，除了熔斷件16對向的二個端面外，第二金屬層16b包覆第一金屬層16a的周圍。如圖5所示，第一金屬層16a包含兩端面之全面都被第二金屬層16b包覆。圖3、圖4和圖5的熔斷件，該第一金屬層16a形成該熔斷件16的內層，該第二金屬層16b形成該熔斷件16的外層。按圖3至圖5，本發明所指的第二金屬層16b的厚度為上下兩層第二金屬層16b的厚度相加。圖6所示的熔斷件16包括一個第一金屬層16a和形成於該第一金屬層16a表面的一個第二金屬層16b，該第一金屬層16a形成該熔斷件16的下表面，該第二金屬層16a形成該熔斷件16的上表面。優選地，第二金屬層16b的厚度大於第一金屬層16a的厚度。
以下表1所示測試例使用如圖3的熔斷件設計，熔斷件的長和寬均為1.85mm，且在第一金屬層16a的上表面和下表面分別設置上、下第二金屬層16b。第一金屬層16a選用銀層，厚度分別為5µm、7µm、9µm、12µm、14µm、16µm、18µm和20µm。第二金屬層16b選用錫層，各別上、下錫層厚度分別為5µm、10µm、20µm和30µm。表1中所示為第二金屬層(錫層)的厚度T2佔熔斷件總厚度T的百分比。因為第二金屬層有上下兩層，厚度T2為單層厚度的2倍。在表1所有的測試中，T2/T的數值範圍大約從32~95%，表1右上角區塊為第二金屬層佔比T2/T較大（錫層較厚）的測試例，左下角區塊則為第二金屬層佔比T2/T較小者。表1中的所有測試例的熔斷件經回焊爐測試，回焊溫度為260 oC。回焊測試後，所有測試例的熔斷件都還能保持原有形狀而不變形，沒有明顯的熔錫現象。
表1
　          錫層           銀層 5 µm 10 µm 20 µm 30 µm
5 µm 66.67% 80% 88.89% 92.31%
7 µm 58.82% 74.07% 85.11% 89.55%
9 µm 52.63% 68.97% 81.63% 86.96%
12 µm 45.45% 62.5% 76.92% 83.33%
14 µm 41.67% 58.82% 74.07% 81.08%
16 µm 38.46% 55.56% 71.43% 78.95%
18 µm 35.71% 52.63% 68.97% 76.92%
20 µm 33.33% 50% 66.67% 75%
表1所示的熔斷件隨後繼續製作成如圖1所示的保護元件，之後再進行過電壓模擬的過電壓測試。過電壓測試係於保護元件的加熱器通以不同大小的電流而產生例如7W、10W和35W等不同功率，從而測試熔斷件是否能有效熔斷形成開路(open circuit)或無法熔斷而仍為閉路(closed circuit)，測試結果如表2所示。形成開路者測試為通過(PASS)，若仍為閉路則是失敗(NG)。從表1和表2的結果來看，通過過電壓測試的T2/T的比值在40~95%。另外，當第一金屬層較厚時，T2/T的比值需要較高。當熔斷件的第一金屬層(銀層)厚度大於等於16µm時，T2/T比值在50%以上才能有效熔斷(PASS)。表2中顯示，當第一金屬層厚度為16µm且T2/T為38.46%時，結果為NG。當第一金屬層(銀層)厚度大於等於18µm時，T2/T比值在60%以上才能有效熔斷(PASS)。當第一金屬層(銀層)厚度為20µm時，T2/T的比值要大於70%才能有效熔斷PASS。換言之，當第一金屬層愈厚，T2/T的比值需要愈大，才能有效使熔斷件熔斷形成開路。
表2
　         錫層           銀層 5 µm 10 µm 20 µm 30 µm
5 µm PASS PASS PASS PASS
7 µm PASS PASS PASS PASS
9 µm PASS PASS PASS PASS
12 µm PASS PASS PASS PASS
14 µm PASS PASS PASS PASS
16 µm NG PASS PASS PASS
18 µm NG NG PASS PASS
20 µm NG NG NG PASS
表3所示實施例使用如圖3的熔斷件設計，熔斷件的長和寬均為1.85mm，其中記載第一金屬層(銀層)厚度、第二金屬層(錫層)厚度、熔斷件電阻及相關過電壓測試中的加熱件施加不同功率下的熔斷時間，施加於加熱件的功率分別為7W、10W和35W。表3顯示，在相同的錫層厚度下，銀層的厚度增加，熔斷時間也會增加。換言之，錫層厚度佔比較高者，其熔斷時間縮短，具有較佳的熔斷效率。表3所列實施例的熔斷件都可以在5秒內熔斷。
表3
銀層厚度 錫層厚度 熔斷件(mΩ) 過電壓測試 加熱件功率/熔斷時間(秒)
9µm 5µm 0.8-1.2 7W 3.71-3.76
10W 1.52-1.77
35W 0.24-0.27
12~13µm 5µm 0.8-0.9 7W 3.86-5.06
10W 1.69-1.81
35W 0.27-0.29
14~15µm 5µm 0.8-0.9 7W 5.58-7.43
10W 2.23-2.26
35W 0.38-0.41
9µm 10µm 0.9-1.1 7W 3.08-4.51
10W 1.16-1.67
35W 0.22-0.26
14~15µm 10µm 0.8 7W 4.17-9.17
10W 1.54-1.84
35W 0.31-0.32
9µm 20µm 0.8-0.9 7W 2.81-3.71
10W 1.31-1.38
35W 0.21-0.22
14~15µm 20µm 0.7 7W 4.36-4.77
10W 1.98-3.07
35W 0.26-0.29
9µm 30µm 0.9 7W 2.68-2.76
10W 1.31-1.32
35W 0.21-0.24
14~15µm 30µm 0.7 7W 4.51-6.65
10W 1.94-2.91
35W 0.26-0.31
本發明之保護元件10的等效電路圖也可以如圖7中虛線方框之電路所示。第一電極18a作為連接一個待保護裝置（例如二次電池或馬達）的一端點A1，第二電極18b則連接到例如充電器或其他類似裝置的一端點B1。中間電極15連接一個加熱電極13，另一個加熱電極13則連接開關62。根據保護元件10的電路設計，熔斷件16形成的電路包含2個串聯的熔絲(fuse)，加熱件12形成一個加熱器（以電阻符號顯示）。一實施例中，該開關62可為例如場效電晶體(field effect transistor；FET)。開關62例如FET的閘極(gate)連接偵測器61，且連接待保護電路的另一端點A2，以及充電器的另一端點B2。該偵測器61可為IC元件，具備可偵測電壓降或溫度的功能。當沒有過電壓或過溫度時，開關62為開路，電流通過熔斷件16，但沒有電流流經加熱件12。若此時有過電流發生，熔斷件16會熔斷而提供過電流保護。當偵測器61偵測到電壓超過一預設值(過電壓)或溫度超過一預設值(過溫度)時，開關62切換為閉路的導通狀態，電流自開關62的源極(source)至汲極(drain)並流經加熱件12。加熱件12發熱而將熔斷件16熔斷，進而提供過電壓或過溫度的保護。綜言之，B1至A1，B2至A2形成2條提供至該待保護電路的電源線，而保護元件10、偵測器61和開關62的組合連接該兩條電源線，形成電路保護裝置60。當偵測器61偵測到待保護電路的電壓降或溫度超過預設值時，啟動加熱件12熔斷該熔斷件16。
前述實施例的保護元件的等效電路包含2個熔絲及1個加熱器。惟，也可以利用其他不同的結構電路設計，製作包含例如2個熔絲和2加熱器，或者1個熔絲和1個加熱器的電路形式，而仍為本發明之創新技術所涵蓋。又一實施例中，熔斷件電連接2個焊墊形成一個導電通路，加熱件連接另外2個焊墊形成另一個導電通路，從而可以獨立控制流過加熱件的電流以熔斷該熔斷件。
本發明的保護元件利用低熔點金屬層(第二金屬層)和高熔點金屬層(第一金屬層)組成複合結構的熔斷件，且其中低熔點金屬層的厚度需佔熔斷件厚度達一定比例以上，從而熔斷件熔融時低熔點金屬層可向高熔點金屬層侵蝕而快速達成熔斷。本發明搭配高熔點金屬層和低熔點金屬層作為熔斷件的主要構件，可採用但不限定為無Pb材料。
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:保護元件
11:基板
12:加熱件
13:加熱電極
14:絕緣層
15:中間電極
16:熔斷件
16a:第一金屬層
16b:第二金屬層
17:焊料
18:電極層
18a:第一電極
18b:第二電極
19a:下電極
19b:下電極
20:外罩
21:助焊劑
22:導通件
60:電路保護裝置
61:偵測器
62:開關
圖1顯示本發明一實施例之保護元件的結構示意圖。 圖2顯示圖1之保護元件的等效電路圖。 圖3至圖6顯示本發明保護元件的熔斷件的多個實施例。 圖7顯示本發明一實施例之電路保護裝置的電路示意圖。
10:保護元件
11:基板
12:加熱件
13:加熱電極
14:絕緣層
15:中間電極
16:熔斷件
16a:第一金屬層
16b:第二金屬層
17:焊料
18:電極層
18a:第一電極
18b:第二電極
19a:下電極
19b:下電極
20:外罩
21:助焊劑
22:導通件

Claims (12)

  1. 一種保護元件，包含：一基板，表面設有第一電極和第二電極；一熔斷件，設置於該基板上，兩端電連接於該第一電極和第二電極，該熔斷件包含第一金屬層和第二金屬層，該第二金屬層設置於該第一金屬層表面，該第二金屬層的熔點低於該第一金屬層的熔點；以及一加熱件，設置於該基板上，當過電壓或過溫度發生時，該加熱件發熱以熔融該熔斷件；其中該第二金屬層的厚度為該熔斷件的厚度的40%~95%；其中當第一金屬層的厚度大於等於16μm時，第二金屬層的厚度為該熔斷件的厚度的50%以上。
  2. 根據請求項1之保護元件，其中該第二金屬層的厚度大於第一金屬層的厚度。
  3. 根據請求項1之保護元件，其中該第一金屬層包含銀、銅、金、鎳、鋅或其合金。
  4. 根據請求項1之保護元件，其中該第二金屬層包含錫或其合金。
  5. 根據請求項1之保護元件，其中該第一金屬層形成該熔斷件的內層，該第二金屬層形成該熔斷件的外層。
  6. 根據請求項1之保護元件，其中該第二金屬層有兩層，分別形成於該第一金屬層的上、下表面。
  7. 根據請求項1之保護元件，其中該第一金屬層形成該熔斷件的下表面，該第二金屬層形成該熔斷件的上表面。
  8. 根據請求項1之保護元件，其中當第一金屬層的厚度大於等於18μm時，第二金屬層的厚度為該熔斷件的厚度的60%以上。
  9. 一種電路保護裝置，包括：一保護元件，包含：一基板，表面設有第一電極和第二電極；一熔斷件，設置於該基板上，兩端電連接於該第一電極和第二電極，該熔斷件包含第一金屬層和第二金屬層，該第二金屬層設置於該第一金屬層表面，該第二金屬層的熔點低於該第一金屬層的熔點，該第二金屬層的厚度為該熔斷件的厚度的40%~95%；及一加熱件，設置於該基板上；一偵測器，偵測一待保護電路的電壓降或溫度；以及一開關，連接該偵測器以接受其偵測信號；其中當第一金屬層的厚度大於等於16μm時，第二金屬層的厚度為該熔斷件的厚度的50%以上；其中當該偵測器偵測到電壓降或溫度超過預設值時，該開關導通，電流流經該加熱件，使得該加熱件發熱以熔融該熔斷件。
  10. 根據請求項9之電路保護裝置，其中該第二金屬層的厚度大於第一金屬層的厚度。
  11. 根據請求項9之電路保護裝置，其中該第一金屬層形成該熔斷件的內層，該第二金屬層形成該熔斷件的外層。
  12. 根據請求項9之電路保護裝置，其中當第一金屬層的厚度大於等於18μm時，第二金屬層的厚度為該熔斷件的厚度的60%以上。
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