TWM498952U

TWM498952U - 過電流保護元件及其保護電路板

Info

Publication number: TWM498952U
Application number: TW103221593U
Authority: TW
Inventors: Tsung-Min Su; Pao-Hsuan Chen; Chao-Wei Fang
Original assignee: Polytronics Technology Corp
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2015-04-11
Also published as: US20160163429A1; US9679683B2; CN205080951U

Description

過電流保護元件及其保護電路板

本創作係關於一種過電流保護元件(over-current protection device)以及應用該過電流保護元件之保護電路板(Protective Circuit Module; PCM)，特別是關於可提升外接電極件(external lead)結合強度之過電流保護元件及其保護電路板。

由於具有正溫度係數(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性之導電複合材料之電阻具有對溫度變化反應敏銳的特性，可作為電流或溫度感測元件之材料，且目前已被廣泛應用於過電流保護元件或電路元件上。由於PTC導電複合材料在正常溫度下之電阻可維持極低值，使電路或電池得以正常運作。但是，當電路或電池發生過電流(over-current)或過高溫(over-temperature)的現象時，PTC導電複合材料中的結晶性高分子會隨著熔解而膨脹，而切斷大部分導電性粒子的導電路徑，使得電阻值會瞬間提高至一高電阻狀態，即發生觸發(trip)現象，從而降低流過的電流值。

參照圖8，美國專利US 6,713,210揭示一具過電流保護之電路板結構。IC元件2係設置於一保護電路模組(Protective Circuit Module；PCM)1上，PTC元件3則以表面黏著方式固設於該PCM 1表面。該PTC元件3係一層疊結構，PTC材料層6係設置於鎳箔(或鍍鎳銅箔)7、7'之間，該鎳箔7、7'作為PTC材料層6之電極箔。鎳片4係固接於該鎳箔7之上表面作為外接電極件之用。鎳箔7'之下表面(即相鄰於PCM 1之表面)另焊接一銅電極5，相對於PTC元件3成一對稱結構。鎳片4一端延伸出PTC元件3，以便連接至如電池等外部裝置。舉例而言，當連接至電池時，鎳片4常須依循電池所在位置加以彎折而承受一定的應力，此時如果鎳片4與PTC元件3之結合力不足，容易造成鎳片4自PTC元件3表面剥離的現象。

另外考量後續點焊(spot welding)時必須承受較大之電壓、電流，所以該PTC元件3無法承受直接點焊。為了解決前述點焊問題，美國專利US7,852,192於PTC元件表面另依序設置絕緣層和電極層，並利用導電盲孔方式作為PTC元件的鎳箔和電極層間的電氣導通，藉此可提供直接點焊的便利。

然而前述該等設計，作為外接電極件之鎳片利用錫膏進行迴焊(reflow)接合時，可能會發生錫膏塗佈不均及/或錫膏厚度不易精準控制的問題，進而產生鎳片結合強度不足的缺點。尤其是PTC元件(芯片)面積愈小時，PTC元件和鎳片之間的結合力因彼此之間的間距難以固定，錫膏無法固定量且無法控制溢錫量(容易產生溢錫)，將降低結合力或造成結合力變化，進而降低生產良率或有良率不穩定的現象。

為了解決過電流保護元件中PTC元件和外接電極件之間結合力不足或不穩定的問題，本創作於外接電極件與PTC元件結合之表面作出凸點設計，藉由增加結合接觸面積及立體結合結構而提高兩者間之結合力。本創作除了應用於過電流保護元件本身之外接電極件之結合外，亦特別適用於保護電路板中之過電流保護元件的外接電極件常需要彎折之情況。

根據本創作之第一方面，揭露一種過電流保護元件，其包括PTC元件及第一外接電極件。PTC元件包含第一和第二導電層以及PTC材料層。第一導電層構成該PTC元件的上表面，該PTC材料層設置於第一和第二導電層之間形成層疊結構。第一外接電極件之下表面以錫膏連結該第一導電層，該第一外接電極件包含複數個凸點於該下表面，該凸點頂端接觸該第一導電層，從而該第一外接電極件和該第一導電層間形成一間距，以供錫膏填充其中而形成導電連接層。

一實施例中，該過電流保護元件可另包含同樣具凸點之第二外接電極件，用以焊接至第二導電層，從而形成軸型(axial-leaded)或插件型(radial-leaded)過電流保護元件。申言之，電流保護元件另包含一第二外接電極件，其上表面以錫膏連結該第二導電層，該第二外接電極件包含複數個凸點於該上表面，該凸點頂端接觸該第二導電層，從而該第二外接電極件和該第二導電層間形成一間距，以供錫膏填充其中而形成另一導電連接層。

一實施例中，該第二導電層形成該PTC元件的下表面，用於焊接於一電路板。

一實施例中，該間距在0.01-0.16mm的範圍。

一實施例中，該第一和第二導電層分別直接接觸該PTC材料層之上下表面，且形成方形或圓形之芯片結構。

一實施例中，該第一或第二外接電極件之凸點的直徑在0.1-0.5mm的範圍。

一實施例中，該複數個凸點成平均分佈於該外接電極件與PTC元件的重疊部分。

一實施例中，過電流保護元件另包含第三導電層、絕緣層及導電盲孔。第三導電層係接觸該PTC材料層之上表面。絕緣層層疊設置於該第一和第三導電層之間。導電盲孔，電氣連接該第一和第三導電層。該錫膏較佳地可填入該導電盲孔中，增加結合力。

一實施例中，凸點頂端包含一開口，供錫膏填入其中。

一實施例中，第一及/或第二外接電極件非凸點位置包含至少一開口，與PTC元件壓何時，錫膏填入其中。

根據本創作之第二方面，揭露一種保護電路板，其包含電路板及過電流保護元件。該過電流保護元件可為前述任一過電流保護元件，其中第二導電層焊接於該電路板表面，且電氣連接至電路板中之電路。

一實施例中，第一及第二導電層可為銅箔、鎳箔或鍍鎳銅箔。

本創作利用凸點的設計增加錫膏的接觸面積且形成立體結合結構，故可有效增加外接電極件與PTC元件之間的結合力，進而提升過電流保護元件或其保護電路板的穩定度，以及提升產品良率。

為讓本創作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顯示本創作一實施例之過電流保護元件10，其包含PTC元件11、導電連接層15和16、第一外接電極件17以及第二外接電極件18。第一外接電極件17、導電連接層15、PTC元件11、導電連接層16以及第二外接電極件18依序堆疊而形成層疊結構，其中PTC元件11包含第一和第二導電層13和14以及PTC材料層12。第一導電層13構成該PTC元件11的上表面，第二導電層14構成該PTC元件11的下表面，且該PTC材料層12設置於該第一導電層13和第二導電層14之間形成層疊結構。第一外接電極件17之下表面可利用錫膏連結該第一導電層13，而該第一外接電極件17包含複數個凸點171於該下表面。凸點171頂端直接接觸該第一導電層13，從而該第一外接電極件17和該第一導電層13間形成一間距，以供迴焊時錫膏填充其中而形成導電連接層15。類似地，該第二外接電極件18之上表面可利用錫膏連結該第二導電層14，第二外接電極件18包含複數個凸點181於該上表面，該凸點181頂端接觸該第二導電層14，從而該第二外接電極件18和該第二導電層14之間形成一間距，以供迴焊時錫膏填充其中而形成導電連接層16。第一外接電極件17之一端和第二外接電極件18之一端朝相反方向延伸，形成軸型(axial-leaded)之過電流保護元件10。PTC元件11除了如圖1所示的簡單三層結構外，亦可視焊接需求而有其他結構變化。

圖2係本創作之過電流保護元件之結構示意圖，過電流保護元件20包含PTC元件21、導電連接層15和16以及第一外接電極件17和第二外接電極件18。相較於圖1所示之過電流保護元件10，其差異在於PTC元件21之細部結構和PTC元件11不同。PTC元件21為由上而下包含第一導電層13、絕緣層22、第三導電層23、PTC材料層12以及第二導電層14之層疊結構，且第一導電層13和第三導電層23間設置有導電盲孔24，作為其間電氣導通的介面。導電盲孔24的製作，可於先以雷射鑽孔製作出盲孔後，於盲孔壁以例如電鍍方式形成導電層而成。一實施例中，盲孔中形成導電層後仍未填滿而留有孔洞，故焊接該第一外接電極件17時，錫膏所形成之導電連接層15也將填入該導電盲孔24中，而得以增加結合接觸面積，具有提升結合力之功效。PTC元件21中之絕緣層22可抵抗後續點焊時之高電流與高電壓，以避免損壞。

圖3顯示第一實施例之保護電路板30之示意圖。保護電路板30包含電路板31、IC元件32以及過電流保護元件33。IC元件32和過電流保護元件33係設置於電路板31表面，且與該電路板31電氣導通，提供元件之相關電路功效。過電流保護元件33之結構類似圖1所示之過電流保護元件10，不過將第二導電層14焊接於電路板31表面，因此沒有第二外接電極件18。類似地，第一外接電極件17包含複數個凸點171於該下表面。凸點171頂端直接接觸該第一導電層13，從而該第一外接電極件17和該第一導電層13間形成一間距，以供迴焊時錫膏填充其中而形成導電連接層15。舉例而言，保護電路板30可應用於行動裝置之電池的過電流保護，而第一外接電極件17為因應電池所在位置可能必須加以彎折而產生應力。藉由凸點171的設計增加錫膏的接觸面積且形成立體結合結構，故可有效增加第一外接電極件17與PTC元件11之間的結合力，防止第一外接電極件17自PTC元件11表面剥離的情況發生。

圖4顯示第二實施例之保護電路板40之示意圖。該保護電路板40包含電路板31、IC元件32以及過電流保護元件43。IC元件32和過電流保護元件43係設置於電路板31表面。過電流保護元件43之結構類似圖2所示之過電流保護元件20，不過將其中的第二導電層14焊接於電路板31表面，因此沒有第二外接電極件18。類似地，第一外接電極件17包含複數個凸點171於該下表面。藉此增加錫膏的接觸面積且形成立體結合結構，故可有效增加第一外接電極件17與PTC元件21之間的結合力，防止第一外接電極件17自PTC元件21表面剥離的情況發生。一實施例中，焊接該第一外接電極件17時，錫膏所形成之導電連接層15將填入該導電盲孔24中，而得以增加結合接觸面積，進一步提升結合力。PTC元件21中之絕緣層22可抵抗後續點焊時之高電流與高電壓，以避免損壞。

圖5顯示第三實施例之保護電路板50之示意圖。保護電路板50包含電路板31、IC元件32以及過電流保護元件53。IC元件32和過電流保護元件53係設置於電路板31表面，並電氣連接該電路板31中之電路而提供相關元件的功能。過電流保護元件53之結構包含PTC元件51及第一外接電極件17。PTC元件51由上而下為包含第一導電層13、絕緣層22、第三導電層23、PTC材料層12、第四導電層26、絕緣層27及第二導電層14之層疊結構。特而言之，該PTC元件51為上下對稱之結構，如此無特殊方向性之設計，可避免上下顛倒的誤用。類似地，第一導電層13和第三導電層23之間，以及第二導電層14和第四導電層26之間都設有導電盲孔54，作為其間的電氣導通。第一外接電極件17迴焊固定於該PTC元件51之第一導電層13，第二導電層14則焊接於電路板31表面。第一外接電極件17的下表面設有凸點171，該凸點171頂端接觸該第一導電層13，從而第一外接電極17和第一導電層13之間形成間距。第一外接電極17迴焊時錫膏均勻填充於該間距中，形成第一導電連接層15。第二導電層14焊接於電路板31時，錫膏形成第二導電連接層16於第二導電層14和電路板31之間。

一實施例中，前述形成導電連接層15、16之間距約在0.01-0.16mm的範圍，例如0.04mm、0.07mm、0.1mm或0.13mm。

一實施例中，前述第一和第二導電層15、16，分別直接接觸該PTC材料層12之上下表面，且形成方形或圓形之芯片結構。

復參圖1，第一外接電極件17中有凸點171和無凸點設計的拉力測試結果如下表1，藉此評估凸點171的設計對於結合力的影響。共取4個樣本．其中過電流保護元件11之長寬約為2.3mm×2.3mm，第一外接電極件17的長度約為7.5mm，寬度約為2.3mm。第一外接電極件17中有凸點171和無凸點設計的拉力測試結果如下表1，藉此評估凸點171對於結合力的影響。拉力試驗結果係逐漸加大施力，並紀錄第一外接電極件17自PTC元件11表面分離時的力量，其單位為公斤重(kgf)。由表1可知，設計有凸點171的第一外接電極件17較無凸點者約可增加30-70%之拉力強度，亦即設計有凸點171的第一外接電極件17約可增加約30-70%之結合力強度。 [表1]<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 樣本 </td><td> 拉力 (有凸點，kgf) </td><td> 拉力 (沒凸點，kgf) </td></tr><tr><td> 1 </td><td> 1.2 </td><td> 0.82 </td></tr><tr><td> 2 </td><td> 1.01 </td><td> 0.6 </td></tr><tr><td> 3 </td><td> 1.32 </td><td> 0.9 </td></tr><tr><td> 4 </td><td> 1.15 </td><td> 0.88 </td></tr></TBODY></TABLE>

圖6顯示本創作之外接電極件17之上視示意圖。若第一外接電極件17與PTC元件11或21的重疊部分在俯視下約為正方形，其可為如圖所示之4點或5點採平均分佈之凸點171。若第一外接電極件17與PTC元件11或21的重疊部分在俯視下約為長方形，其可為如圖所示之6點採平均分佈之凸點171。原則上，第一外接電極件17之凸點171於和PTC元件11或21的重疊部分係採平均分佈，使得其與PTC元件11或21之間構成相等的間距，以供錫膏平均填充其間，形成等厚度之導電連接層15。

圖7顯示另一實施例之凸點171側視圖。除傳統以沖壓方式形成凸點171外，第一外接電極件17亦可另外於凸點171的頂端以例如雷射鑽孔方式形成開口172。如此一來，當壓合第一外接電極件17和PTC元件時，錫膏可填入開口172，或進一歩進入凸點171背向的孔洞中，形成焊錫塊151，進一歩強化第一外接電極件17與PTC元件間的結合力。此外，凸點171中形成開口172需要精確對位，難度較高，或可於非凸點171位置形成開口173，以供錫膏填入，同樣可加強結合力。一實施例中，凸點171的直徑約0.1-0.5mm，例如0.4mm。

以上圖3-5各實施例於外接電極件之凸點設計，可改良保護電路板(PCM)產品之PTC元件(PTC芯片)和外接電極件(例如鎳片)迴焊後結合力不足之問題。尤其是PTC芯片的面積愈小時，傳統設計之PTC芯片和外接電極件之間結合力因彼此之間的間距難以固定，錫膏無法固定量而容易發生溢錫，甚至無法控制溢錫量，使良率不穩定和結合力不穩定的問題無法改善。在外接電極件要進行焊接之一面設計凸點，可藉用凸點的高度來精準控制PTC芯片和外接電極件之間的距離，是以錫膏量得以有固定的空間保存，不會因壓條的擠壓而溢錫，又因凸點增加外接電極件與錫膏之間的接觸面積或稱形成立體接觸，使PTC芯片和外接電極件立體接觸的結合力優於採平面接觸者。綜上，本創作可固定PTC芯片和外接電極件之間的間距，使錫膏有固定的量可以留存在PTC芯片和外接電極件之間，而防止溢錫現象發生，且拉力實驗結果優於無法固定間距之傳統設計，具提升外接電極件結合力之功效。

綜上，本創作除了應用於保護電路板而有效增加外接電極件結合力外，亦可應用於過電流保護元件之外接電極件的結合力提升，即如圖1和圖2所揭示者。

本創作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創作之教示及揭示而作種種不背離本創作精神之替換及修飾。因此，本創作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創作之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

1‧‧‧保護電路模組
2‧‧‧IC元件
3‧‧‧PTC元件
4‧‧‧鎳片
5‧‧‧銅電極
6‧‧‧PTC材料層
7、7'‧‧‧鎳箔
10、20‧‧‧過電流保護元件
11、21、51‧‧‧PTC元件
12‧‧‧PTC材料層
13‧‧‧第一導電層
14‧‧‧第二導電層
15、16‧‧‧導電連接層
17‧‧‧第一外接電極件
18‧‧‧第二外接電極件
22、27‧‧‧絕緣層
23‧‧‧第三導電層
24、54‧‧‧導電盲孔
26‧‧‧第四導電層
30、40、50‧‧‧保護電路板
31‧‧‧電路板
32‧‧‧IC元件
33、43、53‧‧‧過電流保護元件
151‧‧‧焊錫塊
171、181‧‧‧凸點
172、173‧‧‧開口

圖1係本創作一實施例之過電流保護元件之結構示意圖。圖2係本創作另一實施例之過電流保護元件之結構示意圖。圖3係本創作一實施例之保護電路板之結構示意圖。圖4係本創作另一實施例之保護電路板之結構示意圖。圖5係本創作又一實施例之保護電路板之結構示意圖。圖6例示本創作之過電流保護元件之外接電極件之上視示意圖。圖7例示本創作之過電流保護元件之外接電極件之部分側面示意圖。圖8係習知之保護電路板之結構示意圖。

11‧‧‧PTC元件

12‧‧‧PTC材料層

13‧‧‧第一導電層

14‧‧‧第二導電層

15、16‧‧‧導電連接層

17‧‧‧第一外接電極件

30‧‧‧保護電路板

31‧‧‧電路板

32‧‧‧IC元件

33‧‧‧過電流保護元件

171‧‧‧凸點

Claims

一種過電流保護元件，包括：一PTC元件，包含第一和第二導電層以及一PTC材料層，該第一導電層構成該PTC元件的上表面，該PTC材料層設置於該第一和第二導電層之間形成層疊結構；以及一第一外接電極件，其下表面以錫膏連結該第一導電層，該第一外接電極件包含複數個凸點於該下表面，該凸點頂端接觸該第一導電層，從而該第一外接電極件和該第一導電層間形成一間距，以供錫膏填充其中而形成導電連接層。
根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該第二導電層形成該PTC元件的下表面，用於焊接於一電路板。
根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該間距在0.01-0.16mm的範圍。
根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該第一和第二導電層分別直接接觸該PTC材料層之上下表面，且形成方形或圓形之芯片結構。
根據請求項1所述之過電流保護元件，其包含一第二外接電極件，其上表面以錫膏連結該第二導電層，該第二外接電極件包含複數個凸點於該上表面，該凸點頂端接觸該第二導電層，從而該第二外接電極件和該第二導電層間形成一間距，以供錫膏填充其中而形成另一導電連接層。
根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該凸點的直徑在0.1-0.5mm的範圍。
根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該複數個凸點成平均分佈於該第一外接電極件與PTC元件的重疊部分。
根據請求項1所述之過電流保護元件，其另包含：一第三導電層，接觸該PTC材料層之上表面；一絕緣層，層疊設置於該第一和第三導電層之間；以及一導電盲孔，電氣連接該第一和第三導電層。
根據請求項8所述之過電流保護元件，其中該錫膏填入該導電盲孔中。
根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該凸點頂端包含一開口，供錫膏填入其中。
根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該第一外接電極件包含至少一開口，其位於非凸點位置，供錫膏填入其中。
一種保護電路板，包含：一電路板；以及如請求項1-11任一項之過電流保護元件，其中第二導電層焊接於該電路板表面，且電氣連接至電路板中之電路。
根據請求項12所述之保護電路板，其中該第一及第二導電層為銅箔、鎳箔或鍍鎳銅箔。