CN109727832A - 保护元件及其电路保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种保护元件及其电路保护装置。保护元件包括基板、熔断件及加热件。基板表面设有第一电极和第二电极。该熔断件包含第一金属层和第二金属层，该第二金属层设置于该第一金属层表面，且该第二金属层的熔点高于该第一金属层的熔点。该熔断件通过焊料连接于该第一电极和第二电极，该焊料的熔点低于该第一金属层的熔点。当过电压或过温度发生时，该加热件发热以熔融该熔断件。

Description

保护元件及其电路保护装置

技术领域

本发明涉及一种应用于电子装置中的保护元件及包含该保护元件的电路保护装置，且特别是涉及一种具有防止过电压、过电流或过温度功能的保护元件及其电路保护装置。

背景技术

公知切断过电流的保护元件，广泛周知有由铅、锡、银、铋、铜等低熔点金属体所构成的电流熔丝(fuse)。之后，在防止过电流和过电压方面，持续发展出保护元件，其包含在一个平面基板上依序积层发热层及熔断件(fusible element)。在过电压时发热层会发热，热从底部向上传递，加热而熔断该熔断件，借此切断流经的电流，以保护相关的电路或电子装置。

近年来行动装置高度普及，凡是手机、电脑及个人行动助理等信息产品随处可见，使得人们对信息产品的依赖性与日俱增。然而，不时出现有关于手机等可携式电子产品的电池在充放电的过程中***的新闻。因此，制造商逐步改良前述过电流和过电压保护元件的设计，提升电池在充放电的过程中的保护措施，以防止电池在充放电的过程中因过电压或过电流而***。

公知技术提出的保护元件的防护方式是使保护元件中的熔断件与电池的电路串联，且使保护元件中的熔断件与发热层电连接至开关(switch)与集成电路(IC)元件。如此一来，当IC元件量测到在过电压时会启动开关呈导通，使电流通过保护元件中的发热层，使得发热层产生热量以熔断该熔断件，进而使电池的电路呈断路的状态而达到过电压保护。本领域技术人员亦可充分了解，当过电流发生时，大量的电流流经熔断件会使得熔断件发热而熔断，进而达到过电流保护。

然而，上述既有保护元件中的熔断件为了防止后续回焊工艺因高温发生熔融，通常会使用熔点300℃以上的含铅(Pb)高熔点焊料。然而，按RoHS(危害性物质限制指令)环保指令的规范，含Pb焊料的使用将被限制。因此如何在使用较低熔点的熔断件的情况下而仍可进行回焊，是保护元件亟需克服的问题。

发明内容

本发明提供一种保护元件及包含该保护元件的电路保护装置，其具有过电压、过电流及/或过温度保护的功能。该保护元件的熔断件有两种不同熔点的内外金属层，可以抵抗后续回焊工艺因高温所导致内层金属层熔融的问题。

根据本发明的第一方面，提供一种保护元件，其包含基板、熔断件及加热件。基板表面设有第一电极和第二电极。该熔断件包含第一金属层和第二金属层，该第二金属层设置于该第一金属层表面，且该第二金属层的熔点高于该第一金属层的熔点。该熔断件通过焊料连接于该第一电极和第二电极，该焊料的熔点低于该第一金属层的熔点。当过电压或过温度发生时，该加热件发热以熔融该熔断件。

一实施例中，该第二金属层的熔点高于后续回焊工艺的温度。

一实施例中，该保护元件进行回焊时，该第二金属层限制第一金属层的流动。

一实施例中，该第一金属层包含锡(Sn)或其合金。

一实施例中，该第二金属层包含银(Ag)、铜(Cu)、金(Au)、镍(Ni)或其合金。

一实施例中，该第一金属层的厚度为0.02～0.3mm，第二金属层的厚度为0.002～0.01mm。

一实施例中，该第一金属层厚度为第二金属层厚度的为10倍至150倍。

一实施例中，该第一金属层的体积大于该第二金属层的体积。

一实施例中，其中该保护元件的等效电路中包括含有2个熔丝的熔断件、以及含有1个加热器的加热件。

根据本发明的第二方面，提供一种电路保护装置，其包含前述的保护元件，并搭配一侦测器及一开关。侦测器用来侦测一待保护电路的电压降或温度。开关连接该侦测器以接受其侦测信号。当该侦测器侦测到电压降或温度超过预设值时，该开关导通，电流流经该加热件，使得该加热件发热以熔融该熔断件。

本发明保护元件中的熔断件为内外层的金属层复合结构，外层的金属层较内层的金属层的熔点要高，或者进一步高于后续回焊工艺的温度。如此一来，在后续回焊时，即使回焊温度大于内层金属层的熔点，因内层金属层会被外层金属层覆盖或包覆而有所限制，不会任意流动或产生严重变形，因此可以将较低熔点的内层金属层应用于熔断件，而可以抵抗后续高温回焊工艺。

附图说明

图1显示本发明一实施例的保护元件的剖面结构示意图。

图2显示图1的保护元件的等效电路图。

图3至图5显示本发明保护元件的熔断件的多个实施例的结构示意图。

图6显示本发明一实施例的电路保护装置的电路示意图。

其中，附图标记说明如下：

10：保护元件；

11：基板；

12：加热件；

13：加热电极；

14：绝缘层；

15：中间电极；

16：熔断件；

16a：第一金属层；

16b：第二金属层；

17：焊料；

18：电极层；

18a：第一电极；

18b：第二电极；

19a：下电极；

19b：下电极；

20：外罩；

21：助焊剂；

22：导通件；

60：电路保护装置；

61：侦测器；

62：开关。

具体实施方式

为让本发明的上述和其他技术内容、特征和优点能更明显易懂，下文特举出相关实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

图1显示本发明一实施例保护元件10的剖面结构示意图。保护元件10具有基板11、加热件12、加热电极13、绝缘层14、中间电极15、熔断件16、焊料17、电极层18、下电极19a和19b及外罩20。外罩20外缘设置于基板11表面，而提供内部空间容纳加热件12及熔断件16等。该基板11通常为平面绝缘基板。加热件12配置于基板11上，且其两端电连接左右两加热电极13。熔断件16两端电连接电极层18中位于两侧的第一电极18a和第二电极18b，且熔断件16的中间部分连接设置于绝缘层14表面的中间电极15，其中熔断件16两端可通过焊料17连接于第一电极18a和第二电极18b。第一电极18a和第二电极18b可通过位于基板11侧面的导通件22连接至左、右的下电极19a和19b。下电极19a和19b可作为表面粘着至一电路板(图未示)的介面。绝缘层14覆盖加热件12和加热电极13。熔断件16配置于绝缘层14上方作为电路上的熔丝(fuse)。该熔断件16包含第一金属层16a和设置于该第一金属层16a表面的第二金属层16b，而为复合式结构。熔断件16为了防止第二金属层16b或第一金属层16a氧化，可在熔断件16上全面或部分涂布助焊剂21。助焊剂21主要可在最外层的第二金属层16b的表面形成抗氧化层，能有效地防止第二金属层16b氧化，进而维持快速熔断效率。当过电压或过温度发生时，加热件12会发热且将热传递至熔断件16，以使熔断件16熔融而向两侧的第一电极18a、第二电极18b和中间电极15流动而导致熔断，从而截断电流达到保护目的。图2显示图1的保护元件10的等效电路图，本实施例中通过中间电极15的设置，熔断件16会包含两个熔丝。如前述，当过电压或过温度发生时，该加热件12发热以熔融该熔断件(熔丝)16。

基板11可为方形结构，其中材质可选用例如氧化铝、氮化铝、氧化锆、玻璃陶瓷等绝缘性材料，或者选用用于玻璃环氧基板、酚醛基板等印刷配线基板的材料亦可。基板11的厚度约为0.1～2mm。电极层18、加热电极13和中间电极15可包含银、金、铜、锡、镍或其他导电金属，厚度约为0.005～1mm，或特别是0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.3mm、0.5mm。除了使用印刷制作电极外，也可以使用金属片制作，以适合高电压应用。

该熔断件16是由内层与外层构成的复合构造体，可为矩形长条状或圆条状，作为内层的第一金属层16a为低熔点金属层，在第一金属层16a的外层的第二金属层16b为高熔点金属层，也就是，第二金属层16b相较于第一金属层16a有较高的熔点。第二金属层16b可使用电镀、蒸镀、贴合、压延等方式形成在第一金属层16a的表面。第一金属层16a优选包含以Sn为主成分的金属或其合金，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，其中更优选地可选用无Pb材料以符合RoHS指令，但本发明并不限于使用无Pb材料。第二金属层包含例如Ag、Cu、Au、Ni、Zn，或以它们中的任一者为主成分的金属或其合金。一实施例中，第二金属层16b的熔点较第一金属层16a的熔点高外，第二金属层16b的熔点也高于回焊温度。如此一来，作为外层的第二金属层16b会限制迭设或包覆于其中的第一金属层16a的流动，因此即使回焊温度超过第一金属层16a的熔融温度，熔断件16亦不至于熔断。第二金属层16b的表面进一步可以形成抗氧化层，该抗氧化层包含例如Sn，如此一来，在第二金属层16b为例如Cu层的情形下，可防止Cu层氧化，从而防止熔断所需时间因Cu层氧化而增加。若第二金属层16b使用Ag层有较不易氧化的优点，但价格偏高。加热件12的材料可包含氧化钌(RuO₂)和银(Ag)、钯(Pd)和铂(Pt)等添加物。作为加热件12与熔断件16之间隔离的绝缘层14的材料可选用玻璃(glass)、环氧树脂(epoxy)、氧化铝或硅胶(silicone)或釉材料(glaze)等。

一实施例中，熔断件16的厚度约0.05mm至0.4mm，其中第一金属层16a的厚度约0.02～0.3mm，第二金属层16b(单层)约0.002～0.01mm。具体而言，第一金属层16a的厚度大于第二金属层16b(单层)的厚度，例如为10倍至150倍，或20倍、50倍、100倍。然而，若厚度比超过150倍，即第一金属层16a相对很厚，第二金属层16b相对很薄，过薄的第二金属层16b在回焊时会有被熔融的第一金属层16a浸蚀的风险，而无法维持其形状。优选地，熔断件16中第一金属层16a的体积较第二金属层16b的体积大。当有过电压或过电流等异常状况发生时，第一金属层16a有较大体积能有效地进行第二金属层16b的浸蚀，加速熔断件16在短时间内熔断。综言之，第一金属层16a和第二金属层16b的厚度和体积的比例都有其适当值，数值太大或太小都不适宜。过薄或体积太小的第二金属层16b可能在回焊时有被熔融的第一金属层16a浸蚀的风险，太厚或体积太大的第二金属层16b则可能延迟熔断件16的熔断时间。

图3、图4和图5显示熔断件16的不同实施例结构。如图3所示，在第一金属层16a的上表面和下表面设置第二金属层16b。如图4所示，除了熔断件16对向的两个端面外，第二金属层16b包覆第一金属层16a的周围。如图5所示，第一金属层16a包含两端面的全面都被第二金属层16b包覆。包覆性愈佳的结构，抵抗熔融变形的能力愈强。在保护元件10进行后续回焊工艺时，温度即使已超过较低熔点的第一金属层16a的熔点，但因为第一金属层16a被第二金属层16b所夹设或包覆限制，第二金属层16b会限制第一金属层16a的流动，故整个熔断件16并不会熔融流动而成为断路。

表1显示本发明保护元件的实施例E1和E2以及比较例C1和C2的表面温度和熔断电流的测试结果。表面温度是将热电偶放置于熔断件16表面进行测量。第一金属层16a选用Sn或Pb95.5-Sn2-Ag2.5，其熔点分别为232℃和308℃。实施例E1和实施例E2于第一金属层16a上下表面设置第二金属层16b，如图3所示的结构。第二金属层16b选用Ag层。实施例E1和实施例E2的熔断件16的总厚度为0.09mm，比较例C1和比较例C2的熔断件16只有第一金属层16a，没有第二金属层16b，其厚度较薄为0.08mm。也就是，所有实施例和比较例中第一金属层16a的厚度为0.08mm，比较例C1和C2另外包含厚度各为0.005mm的上下第二金属层16b。就第一金属层16a为同样材质的实施例E1和比较例C1而言，因为有披覆第二金属层16b的实施例E1的电阻较低，在通电20A和30A的测试中，实施例E1熔断件16的表面温度相较于比较例C1可降低约20～40℃，而其熔断电流则较比较例C1高约2A至4A。类似地，就实施例E2和比较例C2而言，有披覆第二金属层16b的实施例E2有较低的电阻值，在通电20A和30A的测试中，实施例E2熔断件16的表面温度相较于比较例C2可降低约15～30℃，而其熔断电流则较比较例C2高约2A～3A。

表1

上述实施例E1和比较例C1中用来焊接熔断件16于电极层18的焊料17选用Sn-Cu0.7，其熔点227℃低于其第一金属层16a的熔点232℃。实施例E2和比较例C2则选用Pb-Sn2-Ag2.5，其熔点268℃低于其第一金属层16a的熔点308℃。另外，焊料17可视熔点需求选择Sn-Ag3-Cu0.7(熔点217℃)、Sn-Ag0.3-Cu0.7(熔点217℃)或Sn-Bi-Ag(熔点262℃)等。特别是，焊料17的熔点低于内层的第一金属层16a的熔点。较低熔点的焊料17有较多的市售产品可供选择，且可使用较低的回焊温度来将熔断件16进行焊接。后续将保护元件10焊接于电路板时，即使工艺温度可能较焊料17的熔点高，但设置于熔断件16和基板之间的11焊料17并没有受到机械外力，因此焊料17并不致于有流动或严重变形的情形。

综言之，熔断件16由内层的第一金属层16a和外层的第二金属层16b构成，因此相较于由较低熔点单一金属层构成的公知熔断件，能有较高的熔断电流和较低的表面温度。又，结合熔断件16和电极层18的焊料17的熔点相较于第一金属层16a的熔点低，较低熔点的焊料17有较多的市售产品可供选择，且可使用较低温的回焊工艺。

本发明的保护元件10的等效电路图也可以如图6中虚线方框的电路所示。第一电极18a作为连接一个待保护装置(例如二次电池或马达)的一端点A1，第二电极18b则连接到例如充电器或其他类似装置的一端点B1。中间电极15连接一个加热电极13，另一个加热电极13则连接开关62。根据保护元件10的电路设计，熔断件16形成的电路包含2个串联的熔丝(fuse)，加热件12形成一个加热器(以电阻符号显示)。一实施例中，该开关62可为例如场效晶体管(field effect transistor；FET)。开关62例如FET的栅极(gate)连接侦测器61，且连接待保护电路的另一端点A2，以及充电器的另一端点B2。该侦测器61可为IC元件，具备可侦测电压降或温度的功能。当没有过电压或过温度时，开关62为断路，电流通过熔断件16，但没有电流流经加热件12。若此时有过电流发生，熔断件16会熔断而提供过电流保护。当侦测器61侦测到电压超过一预设值(过电压)或温度超过一预设值(过温度)时，开关62切换为导通状态，电流自开关62的源极(source)至漏极(drain)并流经加热件12。加热件12发热而将熔断件16熔断，进而提供过电压或过温度的保护。综言之，B1至A1，B2至A2形成2条提供至该待保护电路的电源线，而保护元件10、侦测器61和开关62的组合连接该两条电源线，形成电路保护装置60。当侦测器61侦测到待保护电路的电压降或温度超过预设值时，启动加热件12熔断该熔断件16。

前述实施例的保护元件的等效电路包含2个熔丝及1个加热器。然而，也可以利用其他不同的结构电路设计，制作包含例如2个熔丝和2加热器，或者1个熔丝和1个加热器的电路形式，而仍为本发明的创新技术所涵盖。又一实施例中，熔断件电连接2个焊垫形成一个导电通路，加热件连接另外2个焊垫形成另一个导电通路，从而可以独立控制流过加热件的电流以熔断该熔断件。

本发明的保护元件利用低熔点金属层(第一金属层)和高熔点金属层(第二金属层)组成复合结构的熔断件，可以使用低熔点金属作为熔断件的主体，而仍足以在后续高温工艺中防止熔断件被熔融的问题。另外，本发明的熔断件设计因为有较佳的散热效率，可以降低保护元件表面的温度20-40％，且可提高熔断件的熔断电流。本发明可使用低熔点金属层作为熔断件的主要构件，故可采用无Pb材料。虽然本发明并不排除有Pb材料作为熔断件，但优选的选择无Pb材料，以符合现今的环保规范。

本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教导及公开而作种种不背离本发明构思的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所公开的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为权利要求书所涵盖。

Claims (14)

1.一种保护元件，包含：

一基板，表面设有第一电极和第二电极；

一熔断件，该熔断件包含第一金属层和第二金属层，该第二金属层设置于该第一金属层表面，该第二金属层的熔点高于该第一金属层的熔点；

一加热件，当过电压或过温度发生时，该加热件发热以熔融该熔断件；

其中该熔断件通过焊料连接于该第一电极和该第二电极，该焊料的熔点低于该第一金属层的熔点。

2.根据权利要求1所述的保护元件，其中该第二金属层的熔点高于后续回焊工艺的温度。

3.根据权利要求2所述的保护元件，其中回焊时该第二金属层限制该第一金属层的流动。

4.根据权利要求1所述的保护元件，其中该第一金属层包含锡或其合金。

5.根据权利要求1所述的保护元件，其中该第二金属层包含银、铜、金、镍或其合金。

6.根据权利要求1所述的保护元件，其中该第一金属层的厚度为0.02～0.3mm，第二金属层的厚度为0.002～0.01mm。

7.根据权利要求1所述的保护元件，其中该第一金属层厚度为第二金属层厚度的10倍至150倍。

8.根据权利要求1所述的保护元件，其中该第一金属层的体积大于该第二金属层的体积。

9.根据权利要求1所述的保护元件，其中该保护元件的等效电路中包括含有2个熔丝的熔断件、以及含有1个加热器的加热件。

10.一种电路保护装置，包含：

一保护元件，包含：

一基板，表面设有第一电极和第二电极；

一熔断件，该熔断件包含第一金属层和第二金属层，该第二金属层设置于该第一金属层表面，该第二金属层的熔点高于该第一金属层的熔点；及

一加热件；

一侦测器，侦测一待保护电路的电压降或温度；以及

一开关，连接该侦测器以接受其侦测信号；

其中该熔断件通过焊料连接于该第一电极和第二电极，该焊料的熔点低于该第一金属层的熔点；

其中当该侦测器侦测到电压降或温度超过预设值时，该开关导通，电流流经该加热件，使得该加热件发热以熔融该熔断件。

11.根据权利要求10所述的电路保护装置，其中该第二金属层的熔点高于后续回焊工艺的温度。

12.根据权利要求10所述的电路保护装置，其中该第一金属层包含锡或其合金。

13.根据权利要求10所述的电路保护装置，其中该第二金属层包含银、铜、金、镍或其合金。

14.根据权利要求10所述的电路保护装置，其中回焊时该第二金属层限制该第一金属层的流动。