TWM653402U - 保護元件 - Google Patents

Abstract

一種保護元件，包含可熔導體、電極組及加熱件。可熔導體具有核心金屬層及底部低熔點材料覆蓋層。核心金屬層具有第一低熔點金屬層、第二低熔點金屬層及疊設於其間的高熔點金屬層，而底部低熔點材料覆蓋層則設置於核心金屬層的下表面。電極組具有第一電極及第二電極，分別連接於可熔導體的兩端。加熱件設置於底部低熔點材料覆蓋層下方，藉此於過電壓發生時升溫並促使可熔導體熔斷。

Description

保護元件

本創作係關於一種保護元件，更具體而言，關於一種快速熔斷且工作電流範圍廣的保護元件。

習知切斷過電流的保護元件，廣泛周知有由鉛、錫、銻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低熔點金屬層。在過電壓時發熱體會發熱，熱從底部向上傳遞，將承載低熔點金屬體的電極加熱，而熔斷該低熔點金屬體，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。

保護元件的防護方式是使保護元件中的熔絲與電池的電路串聯，且使保護元件中的低熔點金屬層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熔絲，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，大量的電流流經熔絲會使熔絲發熱而熔斷，進而達到過電流保護。

然而，電子產品的微型化為當前趨勢，意味著未來保護元件所應用的電子產品其體積將會越來越小。應理解的是，電子產品的尺寸變小，其內部元件對於溫度、浪湧電流及電壓的變化將會更為敏感，意即高溫、浪湧電流或高壓突波所造成的損害會被放大。高溫、浪湧電流或高壓突波的持續時間將更為顯著地影響電子產品的表現。有鑑於此，保護元件的熔斷速率需有所提升。另外，電子產品的種類繁多，其工作電流也相應地有所不同。如何在相同結構設計下擴增保護元件的工作電流應用範圍，亦是當前重要的課題之一。

綜上，習知的保護元件在熔斷速率及工作電流的應用範圍仍有相當的改善空間。

本創作提供一種保護元件，其具有過電壓、過電流及/或過溫度保護的功能。保護元件的主要部件包含可熔導體、與可熔導體電連接之電極組及位於可熔導體下方的加熱件。可熔導體包含底部低熔點材料層覆蓋於核心金屬層的下方，有助於提升保護元件的熔斷速率。在加快熔斷速率的同時，調整核心金屬層中至少三個層體的厚度，更進一步使得保護元件具有不同的工作電流。也就是說，在結構設計不變的情況下，不僅熔斷速率獲得了提升，工作電流的應用範圍也更廣。

根據本創作之一實施態樣，一種保護元件包含可熔導體、電極組及加熱件。可熔導體具有核心金屬層及底部低熔點材料覆蓋層。核心金屬層具有第一低熔點金屬層、第二低熔點金屬層及高熔點金屬層疊設於第一低熔點金屬 層與第二低熔點金屬層之間。高熔點金屬層的熔點高於第一低熔點金屬層的熔點及第二低熔點金屬層的熔點，且第二低熔點金屬層的厚度與第一低熔點金屬層的厚度不同。底部低熔點材料覆蓋層設置於核心金屬層的下表面。電極組具有第一電極及第二電極，分別連接於可熔導體的兩端。加熱件設置於底部低熔點材料覆蓋層下方，藉此於過電壓發生時升溫並促使可熔導體熔斷。

根據一些實施例，底部低熔點材料覆蓋層的厚度介於0.01mm與1mm之間。

根據一些實施例，第一低熔點金屬層的厚度、高熔點金屬層的厚度及第二低熔點金屬層的厚度比例為x：y：z。x為1至3。y為1至6。z為2至25。此外，x：y：z不包含1：1：25。

根據一些實施例，第二低熔點金屬層的厚度大於第一低熔點金屬層的厚度及高熔點金屬層的厚度。

根據一些實施例，電極組更包含輔助電極，設置於底部低熔點材料覆蓋層的下方，且位於第一電極及第二電極之間。

根據一些實施例，更包含絕緣層，設置於加熱件與輔助電極之間。電極組設置於基板上，而絕緣層覆蓋加熱件並貼附至基板。

根據一些實施例，底部低熔點材料覆蓋層具有薄區，其中薄區介於第一電極與輔助電極之間以及介於第二電極與輔助電極之間，且朝遠離第一電極、第二電極及輔助電極的方向漸薄。

根據一些實施例，以核心金屬層的俯視面積為100%計，底部低熔點材料覆蓋層的俯視面積為30%至90%。

根據一些實施例，以核心金屬層的俯視面積為100%計，底部低熔點材料覆蓋層的俯視面積為60%至90%。

根據一些實施例，底部低熔點材料覆蓋層包含錫銀合金、錫銀銅合金、錫銻合金、錫鉛銀合金、錫鉍銀合金、錫鉛鉍合金或其組合。

根據一些實施例，底部低熔點材料覆蓋層不包含金。

根據本創作之一實施態樣，一種保護元件包含可熔導體、電極組及加熱件。可熔導體具有核心金屬層及底部低熔點材料覆蓋層。核心金屬層由低熔點金屬層及高熔點金屬層所組成。低熔點金屬層覆蓋高熔點金屬層的上表面及下表面，且低熔點金屬層的熔點低於高熔點金屬層的熔點。底部低熔點材料覆蓋層設置於核心金屬層的下表面。電極組具有第一電極及第二電極，分別連接於可熔導體的兩端。加熱件設置於底部低熔點材料覆蓋層下方，藉此於過電壓發生時升溫並促使可熔導體熔斷。

根據一些實施例，底部低熔點材料覆蓋層的厚度介於0.01mm與1mm之間。

根據一些實施例，低熔點金屬層的厚度與高熔點金屬層的厚度比例為x：y。x為1至3。y為1至10。此外，x：y不包含1：10。

根據一些實施例，底部低熔點材料覆蓋層包含錫銀合金、錫銀銅合金、錫銻合金、錫鉛銀合金、錫鉍銀合金、錫鉛鉍合金或其組合。

根據一些實施例，底部低熔點材料覆蓋層不包含金。

根據一些實施例，保護元件更包含基板及絕緣層，而電極組更包含輔助電極。電極組設置於基板上。輔助電極設置於底部低熔點材料覆蓋層的下方，且位於第一電極及第二電極之間。絕緣層設置於加熱件與輔助電極之間，其中絕緣層覆蓋加熱件並貼附至基板。

根據本創作之一實施態樣，一種保護元件包含可熔導體、電極組及加熱件。可熔導體具有核心金屬層及底部低熔點材料覆蓋層。核心金屬層由低 熔點金屬層及高熔點金屬層所組成。高熔點金屬層覆蓋低熔點金屬層的上表面及下表面，且低熔點金屬層的熔點低於高熔點金屬層的熔點。底部低熔點材料覆蓋層設置於核心金屬層的下表面。電極組具有第一電極及第二電極，分別連接於可熔導體的兩端。加熱件設置於底部低熔點材料覆蓋層下方，藉此於過電壓發生時升溫並促使可熔導體熔斷。

根據一些實施例，底部低熔點材料覆蓋層的厚度介於0.01mm與1mm之間。

根據一些實施例，低熔點金屬層的厚度與高熔點金屬層的厚度比例為x：y。x為1至25。y為1至3。此外，x：y不包含25：1。

根據一些實施例，底部低熔點材料覆蓋層包含錫銀合金、錫銀銅合金、錫銻合金、錫鉛銀合金、錫鉍銀合金、錫鉛鉍合金或其組合。

根據一些實施例，底部低熔點材料覆蓋層不包含金。

根據一些實施例，保護元件更包含基板及絕緣層，而電極組更包含輔助電極。電極組設置於基板上。輔助電極設置於底部低熔點材料覆蓋層的下方，且位於第一電極及第二電極之間。絕緣層設置於加熱件與輔助電極之間，其中絕緣層覆蓋加熱件並貼附至基板。

10:保護元件

11:基板

12a:第一電極

12b:第二電極

12c:第三電極

12d:第四電極

12e:輔助電極

13:加熱件

14:絕緣層

15、25:可熔導體

15a、25a:底部低熔點材料覆蓋層

15b:第一低熔點金屬層

15c、25c:高熔點金屬層

15d:第二低熔點金屬層

15e、25d:頂部低熔點材料覆蓋層

16:蓋體

16a:凸柱

25b:低熔點金屬層

P1:第一端點

P2:中間點

P3:第二端點

T:薄區

圖1顯示本創作之第一實施態樣之保護元件的俯視圖；圖2a顯示圖1之保護元件沿AA線段的剖視圖；圖2b顯示圖2a之保護元件的一實施例；圖2c顯示圖2a之保護元件的一實施例；圖3顯示本創作之第二實施態樣之保護元件的剖視圖； 圖4顯示本創作之第三實施態樣之保護元件的剖視圖；圖5顯示本創作之第四實施態樣之保護元件的剖視圖；圖6顯示本創作之第五實施態樣之保護元件的剖視圖；以及圖7顯示本創作之第六實施態樣之保護元件的剖視圖。

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。

請參照圖1，顯示本創作之第一實施態樣之保護元件10的俯視圖。保護元件10的主要部件包含可熔導體15、電極組、加熱件13。可熔導體15由複數層金屬層體及至少一層的低熔點材料層所組成，在過電壓、過電流及/或過溫度的情形發生時可被迅速熔斷，藉此起到電子產品的保護作用。電極組包含第一電極12a、第二電極12b、第三電極12c、第四電極12d及輔助電極12e。第一電極12a、第二電極12b、第三電極12c、第四電極12d印刷於基板11上，而輔助電極12e垂直於第三電極12c拉出，且平行於基板11朝俯視圖中的右方延伸。第一電極12a電性連接電源輸入端，而第二電極12b電性連接電源輸出端。可熔導體15未貼附於基板11跨接第一電極12a及第二電極12b，如此與所欲保護的電子產品(如電池)串聯。當流經電流過大或溫度過高時，可熔導體15會自我發熱而被熔斷，防止電池於充放電過程中爆炸。此外，為進一步提升可熔導體15的熔斷效率，其下方更增設可以將可熔導體15主動熔斷的加熱件13。更具體而言，加熱件13配置於基板11上並連接第三電極12c及第四電極12d。可熔導體15與加熱件13電連接至開關及偵測元件。當偵測元件量測到過電壓時，開關會被切換以使加熱件13呈現電導通狀態。電流流經加熱件13，使得加熱件13產生熱量並熔斷可熔導體15。此外，輔助電極12e直接接觸可熔導體15，有助於傳遞加熱件13所產生的熱量並吸附熔融 態之可熔導體15。輔助電極12e與加熱件13之間更包含絕緣層14。絕緣層14覆蓋加熱件13且分別朝第一電極12a及第二電極12b的方向超出加熱件13，貼附於基板11上。另須說明的是，在圖1中，實線是用於顯示俯視時的裸露部分，而虛線則是用於顯示俯視時的覆蓋部分。由此可知，俯視圖的中央區塊，保護元件10包含由上而下依序堆疊的可熔導體15、輔助電極12e、絕緣層14及加熱件13。

圖2a顯示圖1之保護元件10沿AA線段的剖視圖。保護元件10包含可熔導體15、電極組及加熱件13。可熔導體15包含作為主體部分的核心金屬層，而核心金屬層的上表面及下表面分別覆蓋頂部低熔點材料覆蓋層15e及底部低熔點材料覆蓋層15a。頂部低熔點材料覆蓋層15e包含松香樹脂、表面活性劑、增稠劑及/或溶劑。核心金屬層具有第一低熔點金屬層15b、第二低熔點金屬層15d及高熔點金屬層15c疊設於第一低熔點金屬層15b與第二低熔點金屬層15d之間。更具體而言，核心金屬層具有五層的金屬層體，由下而上分別堆疊第一低熔點金屬層15b、高熔點金屬層15c、第二低熔點金屬層15d、高熔點金屬層15c及第一低熔點金屬層15b。換個方式說，核心金屬層的由外而內大致上可分為外層、中間層及內層。外層為兩層的第一低熔點金屬層15b，中間層為兩層的高熔點金屬層15c，而內層則為單層的第二低熔點金屬層15d。高熔點金屬層15c疊設於第二低熔點金屬層15d的上表面及下表面，而第一低熔點金屬層15b疊設於上方高熔點金屬層15c的上表面及下方高熔點金屬層15c的下表面。高熔點金屬層15c的熔點高於第一低熔點金屬層15b的熔點及第二低熔點金屬層15d的熔點。第一低熔點金屬層15b的熔點可以大致上與第二低熔點金屬層15d的熔點相同或差距不大，兩者差異主要在於厚度上的不同。高熔點金屬層15c選自由錫銀鉛合金、銀、銅、金、鎳或其組合所組成的群組。第一低熔點金屬層15b及第二低熔點金屬層15d選自由錫、錫銀合金、錫鉍合金、錫鉛合金、錫鎘合金或其組合所組成的群組。在 另一實施例中，第一低熔點金屬層15b與第二低熔點金屬層15d在熔點及厚度上皆不相同。

需特別注意到，本創作於核心金屬層的下方額外增設底部低熔點材料覆蓋層15a。更具體而言，底部低熔點材料覆蓋層15a覆蓋核心金屬層的第一低熔點金屬層15b。底部低熔點材料覆蓋層15a包含錫銀合金、錫銀銅合金、錫銻合金、錫鉛銀合金、錫鉍銀合金、錫鉛鉍合金或其組合，但不包含金。底部低熔點材料覆蓋層15a的熔點低於第一低熔點金屬層15b，於高溫時可與第一低熔點金屬層15b形成共晶合金。此共晶合金的熔點會比第一低熔點金屬層15b低，從而加快可熔導體15的熔斷速率。然而，本創作注意到，並非任意尺寸或結構設計的底部低熔點材料覆蓋層15a都有較佳的表現。相反地，在可熔導體15已有五層金屬疊層(即核心金屬層)的情況下，底部低熔點材料覆蓋層15a的厚度、覆蓋面積及結構設計的些微變動皆會顯著地影響保護元件10的表現。在本創作中，可熔導體15的核心金屬層的厚度介於0.01公釐(mm)與0.3mm之間，而底部低熔點材料覆蓋層15a的厚度需設定於0.01mm與1mm之間，較佳為0.1mm至0.3mm。在一實施例中，底部低熔點材料覆蓋層15a的厚度為0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm、0.8mm、0.85mm、0.9mm、0.95mm或1mm。如此，底部低熔點材料覆蓋層15a可有效加快可熔導體15的熔斷速率。保護元件10在6瓦特(W)的施加功率下，熔斷時間由約7秒縮短為3秒；而在35W的施加功率下，熔斷時間由約0.1秒縮短為0.09秒。此外，在前述底部低熔點材料覆蓋層15a的所設定的厚度下，本創作更進一步調整核心金屬層內的各層體厚度，藉此改變可熔導體15的工作電流(即熔斷電流)。更具體而言，第一低熔點金屬層15b的厚度、高熔點金屬層15c的厚度及第二低熔點金屬層15d的厚度比例為x：y：z。x為1至3。y為1至6。z為2至25。舉例來說，第一低熔點金屬層15b的 厚度可為6微米(μm)；高熔點金屬層15c的厚度可為18μm；第二低熔點金屬層15d的厚度可為150μm；而前述的厚度比例即為1：3：25。又或者是，第一低熔點金屬層15b的厚度大於第二低熔點金屬層15d的厚度；第一低熔點金屬層15b的厚度可為18μm；高熔點金屬層15c的厚度可為6μm；第二低熔點金屬層15d的厚度可為12μm；而前述的厚度比例即為3：1：2。無論如何，只要將x、y及z調整於上述比例中，可熔導體15的工作電流的範圍可擴展為78安培(A)至100A。另需注意到，前述x：y：z的比例不包含1：1：25。若第二低熔點金屬層15d過厚，可熔導體15無法順利組裝至基板11上。應理解到，可熔導體15需透過焊接的方式(如回焊)組裝至基板11。在前述過厚的情況下，焊接的高溫會造成過多的第二低熔點金屬層15d熔化，使得共晶的侵蝕現象顯著而熔斷可熔導體15。

至於電極組，由剖視圖可知第一電極12a及第二電極12b分別連接於可熔導體15的兩端，而輔助電極12e位於第一電極及第二電極之間並設置於可熔導體15的下方大約中央處。更具體來說，核心金屬層的下表面覆蓋底部低熔點材料覆蓋層15a，而底部低熔點材料覆蓋層15a直接接觸第一電極12a、第二電極12b及輔助電極12e。第一電極12a電性連接電源輸入端，而第二電極12b電性連接電源輸出端。當流經可熔導體15的電流過大或溫度過高時，可熔導體15會被熔斷。此外，加熱件13設置於底部低熔點材料覆蓋層15a下方，藉此於過電壓發生時主動升溫並促使可熔導體15熔斷。輔助電極12e實質上位於加熱件13的正上方，可傳遞加熱件13所產生的熱量。並且，可熔導體15熔斷時會形成熔融金屬，而輔助電極12e可作為一平台吸附並集中熔融金屬，以防可熔導體15熔斷不完全。此外，尚須注意到，加熱件13與輔助電極12e之間設有絕緣層14。以剖視圖的視角來看，絕緣層14完全覆蓋加熱件13並貼附至基板11，且大致上位於底部低熔點材料覆蓋層15a的中間。底部低熔點材料覆蓋層15a未與絕緣層14接觸，意即底部低熔點材料覆蓋層15a與絕緣層14之間留有空隙。絕緣層14的熱傳導能力較 空氣佳。如此，加熱件13所產生的熱能可較為集中地朝正上方的底部低熔點材料覆蓋層15a進行傳遞，加快熔斷的速率。

請繼續參照圖2b，顯示圖2a的另一實施例。圖2b與圖2a的差異僅在於底部低熔點材料覆蓋層15a的結構。底部低熔點材料覆蓋層15a為厚度不一致的層體，意即在某些區段呈現較薄的薄區T。以剖面的視角觀之，底部低熔點材料覆蓋層15a大致上分為三個端點。最左邊的端點為第一端點P1；正中間的端點為中間點P2，最右邊的端點為第二端點P3。在第一端點P1及中間點P2之間，底部低熔點材料覆蓋層15a具有薄區T；而在第二端點P3及中間點P2之間，底部低熔點材料覆蓋層15a同樣具有薄區T。在薄區T中的底部低熔點材料覆蓋層15a，其厚度會朝遠離電極12a、12b、12e的方向逐漸變薄。換句話說，底部低熔點材料覆蓋層15a具有一個薄區T介於第一電極12a與輔助電極12e之間，且朝遠離第一電極12a及輔助電極12e的方向漸薄。底部低熔點材料覆蓋層15a具有另一個薄區T介於第二電極12b與輔助電極12e之間，亦朝遠離第二電極12b及輔助電極12e的方向漸薄。藉由上述設計，本創作將底部低熔點材料覆蓋層15a集中於各電極12a、12b、12e端，可加快熔斷速率同時有效率地配置底部低熔點材料覆蓋層15a的分布區域，節省材料的使用。另外，透過薄區T的設計，亦可調整底部低熔點材料覆蓋層15a的覆蓋面積。例如，在薄區T中，部分的底部低熔點材料覆蓋層15a可以薄至暴露出第一低熔點金屬層15b。意即，底部低熔點材料覆蓋層15a在薄區T中朝遠離電極12a、12b、12e的方向漸薄，並暴露出第一低熔點金屬層15b，藉此部分的底部低熔點材料覆蓋層15a在薄區T中未覆蓋第一低熔點金屬層15b。在一實施例中，視製程需求，於薄區T中不包含底部低熔點材料覆蓋層15a，意即於薄區T中第一低熔點金屬層15b未覆有底部低熔點材料覆蓋層15a。透過上述方式，本創作進一步調整底部低熔點材料覆蓋層15a的覆蓋面積，如此得以加快可熔導體15的熔斷速率。以俯視觀之(即圖1的視角)，核心金屬層的各層體的俯視 面積大致上均等。更詳細而言，以核心金屬層的俯視面積為100%計，底部低熔點材料覆蓋層15a的俯視面積可調整為30%至90%，意即底部低熔點材料覆蓋層15a具有30%至90%的覆蓋面積，可例如為30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%或90%。在此覆蓋面積下，可熔導體15無須借助加熱件13的幫助即可於兩分鐘內熔斷。在另一實施例中，為提升工作電流，以核心金屬層的俯視面積為100%計，底部低熔點材料覆蓋層的俯視面積為60%至90%。

此外，薄區T的設計亦可有所變化。請參照圖2c，顯示圖2b的另一實施例。圖2c與圖2b的差異僅在於薄區T的位置。在此實施例中，底部低熔點材料覆蓋層15a的薄區T位於輔助電極12e的正上方。薄區T介於第一電極12a與第二電極12b之間，且朝遠離第一電極12a及第二電極12b的方向漸薄。在另一實施例中，薄區T更可設計為靠近第一電極12a及/或第二電極12b。綜上，保護元件10可視需求調整薄區T的位置，在此不多做贊述。

繼續參照圖3，顯示本創作之第二實施態樣之保護元件10的剖視圖。圖3與圖2a的差異僅在於圖3的保護元件10未覆蓋頂部低熔點材料覆蓋層15e。另外，前述圖2a關於核心金屬層的厚度比例、底部低熔點材料覆蓋層15a的覆蓋率、薄區T的配置及其他材料/結構上的設計皆可適用於本創作之第二實施態樣之保護元件10。

接著，為更加清楚地描述本創作，遂進行以下驗證。

如表一所示，組別E1為本創作的實施例E1，而組別C1則為比較例C1。實施例E1是採用圖2a的保護元件10進行驗證，而比較例C1所採用的保護元 件為缺少底部低熔點材料覆蓋層15a的保護元件10。另外，底部低熔點材料層15a的材料為錫銀銅合金。實施例E1的可熔導體15具有厚度為0.26mm的底部低熔點材料覆蓋層15a，而其電阻為1.75mΩ。比較例C1不包含底部低熔點材料覆蓋層15a，並且具有大致上相等的電阻為1.7mΩ。在本試驗中，保護元件連接電源供應器，並透過電源供應器調整施加功率，藉此評估保護元件中的可熔導體的熔斷時間。由表一可知，在6W的功率下，本創作的實施例E1的保護元件10會啟動加熱件13使可熔導體15迅速於3秒時熔斷，而比較例C1則足足多了一倍以上(即6.6秒)。而在35W的功率下，本創作的實施例E1的保護元件10會啟動加熱件13使可熔導體15迅速於0.09秒時熔斷，所花費的時間同樣地少於比較例C1。由以上可知，當第一低熔點金屬層15b下方覆蓋底部低熔點材料覆蓋層15a時，可顯著提升可熔導體15的熔斷速率。

有鑑於上述改良已有初步的成效，後續試驗(下文表二至表四)進一步將本創作的可熔導體15單獨自保護元件10抽離出來，直接施以過電流並觀察其熔斷情形。

在表二中，組別E2及C2分別為實施例E2及比較例C2。實施例E2及比較例C2中，皆是以圖2a中的保護元件10進行驗證，兩者差異在於核心金屬中各層體的厚度比例。具體來說，本試驗的可熔導體15具有厚度為0.26mm的底部低熔點材料覆蓋層15a，並藉由調整核心金屬各層體的厚度進一步擴大工作電 流的範圍。核心金屬層由第一低熔點金屬層15b、第二低熔點金屬層15d及高熔點金屬層15c所組成。第一低熔點金屬層15b及第二低熔點金屬層15d的材料皆為錫，兩者差異僅在於厚度。高熔點金屬層15c的材料為銀。第一低熔點金屬層15b及第二低熔點金屬層15d的熔點皆低於高熔點金屬層15c，可加速高熔點金屬層15c的熔融速率。此外，由實施例E2中的五組厚度可知，當三者的厚度進行調整時，熔斷所需的電流亦有所變化。詳細而言，在實施例E2中，第一低熔點金屬層15b的厚度設定為6μm至18μm；高熔點金屬層15c的厚度設定為6μm至36μm；而第二低熔點金屬層15d的厚度設定為12μm至150μm。核心金屬層在前述範圍中進行疊層，後續皆可順利藉由回焊組裝置基板11上。並且，高熔點金屬層15c可調整為較厚(即18μm至36μm)，並保持一定厚度的低熔點金屬層(即6μm的第一低熔點金屬層15b及150μm的第二低熔點金屬層15d)；如此一來，低熔點金屬層可促使高熔點金屬層15c在低於其熔點的情況下熔融，同時可熔導體15的熔斷電流亦提升為88A至100A。又或者是，高熔點金屬層15c可調整為較薄(即6μm)，同樣保持一定厚度的低熔點金屬層；如此，可熔導體15的熔斷電流調降為78A至82A。惟須注意到，低熔點金屬層的相對厚度不可過大。如比較例C2所示，當第二低熔點金屬層15d的厚度遠高於高熔點金屬層15c及第一低熔點金屬層15b的厚度時，則無法將可熔導體15順利組裝至基板11上。理由已如前述，回焊的高溫會使過多的第二低熔點金屬層15d侵蝕高熔點金屬層15c，造成可熔導體15於組裝時熔斷。

另外，按表一的結果，可將第一低熔點金屬層15b的厚度、高熔點金屬層15c的厚度及第二低熔點金屬層15d的厚度以比例的方式呈現。第一低熔點金屬層15b的厚度定義為x；高熔點金屬層15c定義為y；而第二低熔點金屬層15d定義為z。根據實施例E2，x：y：z為1：3：25、1：4：25、1：6：25、2：1：9及3：1：2。上述比例可應用於不同型號尺寸的保護元件，並具有相同或類似的 技術功效。例如，第一低熔點金屬層15b的厚度可介於5μm與21μm之間；高熔點金屬層15c的厚度可介於5μm與42μm之間；以及第二低熔點金屬層15d的厚度可介於10μm與175μm之間。由以上可知，在底部低熔點材料覆蓋層15a的厚度保持為0.26mm的情況下，調整核心金屬層的厚度比例可使可熔導體15應用於不同工作電流的電子產品。另外，考量誤差的影響及可容許的變動區間，底部低熔點材料覆蓋層15a的厚度於0.01mm與1mm之間大致上亦具有相同或類似的技術功效。

除了前述工作電流範圍的擴增外，本創作亦調整底部低熔點材料覆蓋層15a的覆蓋面積，藉此使得可熔導體15於符合UL(Underwriters Laboratories)安規的時間內(即2分鐘內)進行熔斷。詳見下表三。

在表三中，組別E3至E7及組別C3至C5分別為實施例E3至E7及比較例C3至C5。實施例E3至E7及比較例C3至C5中，皆是以圖2b中的保護元件10進行驗證，兩者差異僅在於底部低熔點材料覆蓋層15a的覆蓋面積。如前述所提，薄區T可使底部低熔點材料覆蓋層15a暴露上方的第一低熔點金屬層15b，意即未完全覆蓋核心金屬層的底部。具體來說，本試驗中，底部低熔點材料覆蓋層15a在薄區T外的厚度為0.26mm，而核心金屬層的厚度為約0.17mm(厚度比例為x：y：z=1：3：25)。而在薄區T中，底部低熔點材料覆蓋層15a的厚度低於0.26mm，並逐漸朝遠離電極12a、12b、12e的方向變薄並暴露第一低熔點金屬層15b。另外， 核心金屬層的長度及寬度皆為3.5mm，故其俯視面積為12.25mm²。如此，以核心金屬層的俯視面積為基準，藉由薄區T調整底部低熔點材料覆蓋層15a的覆蓋面積。前述覆蓋率定義為底部低熔點材料覆蓋層15a的俯視面積除以核心金屬層的俯視面積，並換算為百分比。

在實施例E3至E7中，當底部低熔點材料覆蓋層15a的覆蓋率為39.2%至78.4%時，可熔導體15皆可於2分鐘內熔斷，而熔斷電流介於65A與87A間。換句話說，底部低熔點材料覆蓋層15a可集中於各電極12a、12b、12e端，於加快熔斷速率的同時，亦有效率地配置底部低熔點材料覆蓋層15a的分布區域，節省材料的使用。惟須注意到，覆蓋率過高或過低皆有不利的影響。若覆蓋率為90.2%以上(比較例C3及比較例C4)，底部低熔點材料覆蓋層15a於熔融時的量會過多。過多熔融態的底部低熔點材料覆蓋層15a會占滿第一電極12a、第二電極12b及輔助電極12e的上表面，這會增加吸附在各電極12a、12b、12e上的熔融態的底部低熔點材料彼此間再度連接的機率，使得可熔導體15無法完全熔斷。若覆蓋率為29.7%以下(比較例C5)，會導致底部低熔點材料覆蓋層15a與第一低熔點金屬層15b形成的共晶合金量過少，故可熔導體15無法於2分鐘內熔斷。另須說明的是，上述底部低熔點材料覆蓋層15a的覆蓋率亦可適用於其他尺寸的可熔導體15。例如，可熔導體15的核心金屬層的長度及寬度(長度×寬度)亦可為2.3mm×2.3mm、1.85mm×1.85mm或其他產業所通用的尺寸。另外，考量誤差的影響及可容許的變動區間，實施例E3至E7的覆蓋率可於30%與90%之間的範圍進行調整，且大致上具有相同或類似的技術功效。

在前述的基礎上，底部低熔點材料覆蓋層15a亦可應用於不同層數的核心金屬層。請繼續參照圖4，顯示本創作之第三實施態樣之保護元件10的剖視圖。圖4與圖2a的差異僅在於核心金屬層的層數及厚度比例。在此實施態樣中，保護元件10包含可熔導體25、電極組及加熱件13。可熔導體25具有核心金屬 層及底部低熔點材料覆蓋層25a。核心金屬層由低熔點金屬層25b及高熔點金屬層25c所組成。低熔點金屬層25b覆蓋高熔點金屬層25c的上表面及下表面，且低熔點金屬層25b的熔點低於高熔點金屬層25c的熔點。底部低熔點材料覆蓋層25a設置於核心金屬層的下表面。電極組具有第一電極12a及第二電極12b，分別連接於可熔導體25的兩端。加熱件13設置於底部低熔點材料覆蓋層25a下方，藉此於過電壓發生時升溫並促使可熔導體25熔斷。需特別提及的是，圖4的保護元件10的核心金屬層可由三層獨立的層體所組成(即兩層低熔點金屬層25b及疊設於其間的高熔點金屬層25c)，亦可為一包覆結構(即高熔點金屬層25c部分地或完全地包覆於低熔點金屬層25b之中)。另外，底部低熔點材料覆蓋層25a及頂部低熔點材料覆蓋層25d與前文所述的底部低熔點材料覆蓋層15a及頂部低熔點材料覆蓋層15e相同。同樣地，核心金屬層的各層體厚度需調整於特定的範圍。更具體而言，低熔點金屬層25b的厚度與高熔點金屬層25c的厚度比例為x：y。x為1至3。y為1至10。透過上述厚度比例的調整，可熔導體25可具有不同的工作電流的應用範圍。惟需注意到，前述x：y的比例不包含1：10。當高熔點金屬層25c的厚度比例過高時，會造成可熔導體25無法被熔斷。

另需提及的是，圖4的保護元件10亦包含設置於加熱件13與輔助電極12e之間的絕緣層14。同樣地，以剖視圖的視角來看，絕緣層14完全覆蓋加熱件13並貼附至基板11，且大致上位於底部低熔點材料覆蓋層25a的中間。底部低熔點材料覆蓋層25a未與絕緣層14接觸，意即底部低熔點材料覆蓋層25a與絕緣層14之間留有空隙。絕緣層14的熱傳導能力較空氣佳。如此，加熱件13所產生的熱能可較為集中地朝正上方的底部低熔點材料覆蓋層25a進行傳遞，加快熔斷的速率。

在一實施例中，如同圖2b及圖2c的保護元件10，圖4中的保護元件10也可具有薄區(未繪示)的設計。意即，底部低熔點材料覆蓋層25a可為厚度不 一致的層體。例如，底部低熔點材料覆蓋層25a具有一個薄區介於第一電極12a與輔助電極12e之間，且朝遠離第一電極12a及輔助電極12e的方向漸薄，及/或底部低熔點材料覆蓋層25a具有另一個薄區介於第二電極12b與輔助電極12e之間，亦朝遠離第二電極12b及輔助電極12e的方向漸薄。

在另一實施例中，圖4的核心金屬層的層疊順序可進行調整，意即低熔點金屬層25b與高熔點金屬層25c的位置可以互換。也就是說，圖4的保護元件10的核心金屬層可由三層獨立的層體所組成(即兩層高熔點金屬層25c及疊設於其間的低熔點金屬層25b)，亦可為一包覆結構(即低熔點金屬層25b部分地或完全地包覆於高熔點金屬層25c之中)。在這種情況下，核心金屬層的各層體厚度亦需調整於特定的範圍。更具體而言，低熔點金屬層25b的厚度與高熔點金屬層25c的厚度比例為x：y。x為1至25。y為1至3。透過上述厚度比例的調整，可熔導體25可具有不同的工作電流的應用範圍。惟需注意到，前述x：y的比例不包含25：1。當低熔點金屬層25b的厚度比例過高時，會造成可熔導體25無法順利組裝至基板11上。可熔導體25需透過焊接的方式(如回焊)組裝至基板11，而焊接的高溫會造成過多的低熔點金屬層25b熔化，使得共晶的侵蝕現象顯著而熔斷可熔導體25。

為更加清楚地描述圖4的兩種實施例，本創作針對核心金屬層的厚度進行調整並做以下驗證。同樣地，可熔導體25需於符合UL安規的時間內(即2分鐘內)進行熔斷。

如上表四，組別E8及E9為實施例E8及E9，而組別C6及C7則為比較例C6及C7。具體來說，本試驗的可熔導體25具有厚度為0.26mm的底部低熔點材料覆蓋層15a，並藉由調整核心金屬各層體的厚度進一步擴大工作電流的範圍。須說明的是，實施例E8及比較例C6的保護元件10採用相同的核心金屬層的配置(即兩層低熔點金屬層25b及疊設於其間的高熔點金屬層25c)，兩者差異僅在於各層體的厚度比例；而實施例E9及比較例C7的保護元件10採用相同的核心金屬層的配置(即兩層高熔點金屬層25c及疊設於其間的低熔點金屬層25b)，兩者差異僅在於各層體的厚度比例。低熔點金屬層25b的材料為錫，高熔點金屬層25c的材料為銀。低熔點金屬層25b的熔點低於高熔點金屬層25c，可加速高熔點金屬層25c的熔融速率。

由實施例E8的三組厚度比例可知，當兩者的厚度進行調整時，熔斷所需的電流亦有所變化。詳細而言，低熔點金屬層25b的厚度可設定為6μm至18μm，而高熔點金屬層25c的厚度可設定為6μm至36μm。隨著兩者比例的變動，熔斷電流可於72A與95A間的範圍進行調整。惟須注意到，高熔點金屬層25c的相對厚度不可過大。如比較例C6，當高熔點金屬層25c過厚時，其熔斷所需的時間會過長，可熔導體25無法於UL安規時間內(2分鐘內)熔斷。另外，按表四的結果，可將低熔點金屬層25b的厚度及高熔點金屬層25c的厚度以比例的方式呈現。低熔點金屬層25b的厚度定義為x，而高熔點金屬層25c定義為y。根據實施例E8，x：y為1：6、1：3及3：1。上述比例可應用於不同型號尺寸的保護元件，並具有相同或類似的技術功效。例如，低熔點金屬層25b的厚度可介於5μm與21μm之間，而高熔點金屬層25c的厚度可介於5μm與70μm之間。

至於實施例E9，低熔點金屬層25b的厚度可設定為6μm至120μm，而高熔點金屬層25c的厚度可設定為6μm至18μm。隨著兩者比例的變動，熔斷電流可於67A與76A間的範圍進行調整。惟須注意到，低熔點金屬層25b的相對厚度不可過大。如比較例C7，當低熔點金屬層25b過厚時，會使得共晶現象顯著而無法順利組裝可熔導體25。理由在於，回焊的高溫會使過多的低熔點金屬層25b侵蝕高熔點金屬層25c，造成可熔導體25於組裝時熔斷。另外，根據實施例E9，x：y為20：3、10：1及1：2。上述比例可應用於不同型號尺寸的保護元件，並具有相同或類似的技術功效。例如，低熔點金屬層25b的厚度可介於5μm與140μm之間，而高熔點金屬層25c的厚度可介於5μm與21μm之間。

本創作更可進一步應用於具有不同結構設計的保護元件中，請繼續參照圖5至圖7。

圖5顯示本創作之第四實施態樣之保護元件10的剖視圖。圖5與圖2a的差異僅在於蓋體16。蓋體16具有平面基板及自平面基板向下延伸的周壁。周壁圍繞出容設空間，並將可熔導體15設置於其中。另外，蓋體16進一步包含凸柱16a，且凸柱16a與頂部低熔點材料覆蓋層15e直接接觸。據此，頂部低熔點材料覆蓋層15e可被集中於凸柱16a附近。透過蓋體16的設計，可熔導體15得以與外在環境隔絕並進一步受到保護。

圖6顯示本創作之第五實施態樣之保護元件10的剖視圖。圖6與圖5的差異在於加熱件13及絕緣層14的位置。保護元件10的加熱件13可視需求設置於基板11下方，並覆蓋絕緣層14於其上。基板11具有上表面及相對於上表面的下表面。輔助電極12e設置於基板11的上表面，且與其上方的底部低熔點材料覆蓋層15a直接接觸。加熱件13對應輔助電極12e設置於基板11的下表面。絕緣層14覆蓋加熱件13並貼附至基板11的下表面。如此，基板11上方的層體厚度得以變薄，而蓋體16亦可設計為較薄。

圖7顯示本創作之第六實施態樣之保護元件10的剖視圖。圖7與圖5的差異在於加熱件13及絕緣層14的位置，以及輔助電極12e的數量。保護元件10的加熱件13可視需求設置於蓋體16的平面基板上，並覆蓋絕緣層14於其上。輔助電極12e分別設置於絕緣層14上及基板的上表面，藉此分別貼附可熔導體15的頂部及底部。如此，可視產業的需求，選擇具有頂蓋式加熱件13的保護元件10。

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。

10:保護元件

11:基板

12a:第一電極

12b:第二電極

12e:輔助電極

13:加熱件

14:絕緣層

15:可熔導體

15a:底部低熔點材料覆蓋層

15b:第一低熔點金屬層

15c:高熔點金屬層

15d:第二低熔點金屬層

15e:頂部低熔點材料覆蓋層

Claims (23)

1. 一種保護元件，包含： 一可熔導體，具有一核心金屬層及一底部低熔點材料覆蓋層，其中： 該核心金屬層具有一第一低熔點金屬層、一第二低熔點金屬層及一高熔點金屬層疊設於該第一低熔點金屬層與該第二低熔點金屬層之間，其中該高熔點金屬層的熔點高於該第一低熔點金屬層的熔點及該第二低熔點金屬層的熔點，且該第二低熔點金屬層的厚度與該第一低熔點金屬層的厚度不同；以及 該底部低熔點材料覆蓋層設置於該核心金屬層的下表面； 一電極組，具有一第一電極及一第二電極，分別連接於該可熔導體的兩端；以及 一加熱件，設置於該底部低熔點材料覆蓋層下方，藉此於過電壓發生時升溫並促使該可熔導體熔斷。
2. 根據請求項1之保護元件，其中該底部低熔點材料覆蓋層的厚度介於0.01 mm與1 mm之間。
3. 根據請求項1之保護元件，其中該第一低熔點金屬層的厚度、該高熔點金屬層的厚度及該第二低熔點金屬層的厚度比例為x：y：z，其中： x為1至3； y為1至6；以及 z為2至25，其中x：y：z不包含1：1：25。
4. 根據請求項3之保護元件，其中該第二低熔點金屬層的厚度大於該第一低熔點金屬層的厚度及該高熔點金屬層的厚度。
5. 根據請求項1之保護元件，其中該電極組更包含一輔助電極，設置於該底部低熔點材料覆蓋層的下方，且位於該第一電極及該第二電極之間。
6. 根據請求項5之保護元件，更包含一絕緣層，設置於該加熱件與該輔助電極之間，其中該電極組設置於一基板上，而該絕緣層覆蓋該加熱件並貼附至該基板。
7. 根據請求項5之保護元件，其中該底部低熔點材料覆蓋層具有一薄區，其中該薄區介於該第一電極與該輔助電極之間以及介於該第二電極與該輔助電極之間，且朝遠離該第一電極、該第二電極及該輔助電極的方向漸薄。
8. 根據請求項1或請求項7之保護元件，其中以該核心金屬層的俯視面積為100%計，該底部低熔點材料覆蓋層的俯視面積為30%至90%。
9. 根據請求項8之保護元件，其中以該核心金屬層的俯視面積為100%計，該底部低熔點材料覆蓋層的俯視面積為60%至90%。
10. 根據請求項1之保護元件，其中該底部低熔點材料覆蓋層包含錫銀合金、錫銀銅合金、錫銻合金、錫鉛銀合金、錫鉍銀合金、錫鉛鉍合金或其組合。
11. 根據請求項1之保護元件，其中該底部低熔點材料覆蓋層不包含金。
12. 一種保護元件，包含： 一可熔導體，具有一核心金屬層及一底部低熔點材料覆蓋層，其中： 該核心金屬層由一低熔點金屬層及一高熔點金屬層所組成，其中該低熔點金屬層覆蓋該高熔點金屬層的上表面及下表面，且該低熔點金屬層的熔點低於該高熔點金屬層的熔點；以及 該底部低熔點材料覆蓋層設置於該核心金屬層的下表面； 一電極組，具有一第一電極及一第二電極，分別連接於該可熔導體的兩端；以及 一加熱件，設置於該底部低熔點材料覆蓋層下方，藉此於過電壓發生時升溫並促使該可熔導體熔斷。
13. 根據請求項12之保護元件，其中該底部低熔點材料覆蓋層的厚度介於0.01 mm與1 mm之間。
14. 根據請求項12之保護元件，其中該低熔點金屬層的厚度與該高熔點金屬層的厚度比例為x：y，其中： x為1至3；以及 y為1至10，其中x：y不包含1：10。
15. 根據請求項12之保護元件，其中該底部低熔點材料覆蓋層包含錫銀合金、錫銀銅合金、錫銻合金、錫鉛銀合金、錫鉍銀合金、錫鉛鉍合金或其組合。
16. 根據請求項12之保護元件，其中該底部低熔點材料覆蓋層不包含金。
17. 根據請求項12之保護元件，其中該保護元件更包含一基板及一絕緣層，而該電極組更包含一輔助電極，其中： 該電極組設置於該基板上； 該輔助電極設置於該底部低熔點材料覆蓋層的下方，且位於該第一電極及該第二電極之間；以及 該絕緣層設置於該加熱件與輔助電極之間，其中該絕緣層覆蓋該加熱件並貼附至該基板。
18. 一種保護元件，包含： 一可熔導體，具有一核心金屬層及一底部低熔點材料覆蓋層，其中： 該核心金屬層由一低熔點金屬層及一高熔點金屬層所組成，其中該高熔點金屬層覆蓋該低熔點金屬層的上表面及下表面，且該低熔點金屬層的熔點低於該高熔點金屬層的熔點；以及 該底部低熔點材料覆蓋層設置於該核心金屬層的下表面； 一電極組，具有一第一電極及一第二電極，分別連接於該可熔導體的兩端；以及 一加熱件，設置於該底部低熔點材料覆蓋層下方，藉此於過電壓發生時升溫並促使該可熔導體熔斷。
19. 根據請求項18之保護元件，其中該底部低熔點材料覆蓋層的厚度介於0.01 mm與1 mm之間。
20. 根據請求項18之保護元件，其中該低熔點金屬層的厚度與該高熔點金屬層的厚度比例為x：y，其中： x為1至25；以及 y為1至3，其中x：y不包含25：1。
21. 根據請求項18之保護元件，其中該底部低熔點材料覆蓋層包含錫銀合金、錫銀銅合金、錫銻合金、錫鉛銀合金、錫鉍銀合金、錫鉛鉍合金或其組合。
22. 根據請求項18之保護元件，其中該底部低熔點材料覆蓋層不包含金。
23. 根據請求項18之保護元件，其中該保護元件更包含一基板及一絕緣層，而該電極組更包含一輔助電極，其中： 該電極組設置於該基板上； 該輔助電極設置於該底部低熔點材料覆蓋層的下方，且位於該第一電極及該第二電極之間；以及 該絕緣層設置於該加熱件與輔助電極之間，其中該絕緣層覆蓋該加熱件並貼附至該基板。

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