CN1812037A - 具有膨胀焊料的改良熔断器 - Google Patents

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CN1812037A CNA2005101275708A CN200510127570A CN1812037A CN 1812037 A CN1812037 A CN 1812037A CN A2005101275708 A CNA2005101275708 A CN A2005101275708A CN 200510127570 A CN200510127570 A CN 200510127570A CN 1812037 A CN1812037 A CN 1812037A
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Abstract

本发明提供一种具有膨胀焊料的改良熔断器。该熔断器包括绝缘壳体及至少一个固定到壳体上的导电端帽。端帽至少部分地通过焊料固定到壳体上，该焊料在冷却或从液态转换到固态时膨胀。在一个实施例中，焊料包括提供所述膨胀特性的铋。铋还具有相对高的熔化温度并可以单独使用在或与其它具有较高熔化温度的金属如锑结合使用在一些利用外部的无铅焊料的应用中，所述无铅焊料通常具有比含铅焊料高的熔化温度。

Description

具有膨胀焊料的改良熔断器
技术领域
本发明涉及电路保护，尤其涉及熔断器保护。
背景技术
微型熔丝管通常包括主绝缘壳体、固定到壳体上的导电端帽及在端帽之间延伸的熔断元件或保险丝。杯形或开口端帽包括延伸越过壳体端部的套筒部。熔断元件可以通过每一个端帽内的焊料的主体电性及物理固定到端帽上。焊料还可以延伸进入端帽的套筒部与绝缘壳体之间的小的间隙。
过去，为防止端帽在正常搬运的情况下及在短路熔断的情况下从壳体上脱落，将一收缩的套管或封装材料应用在壳体及端帽的周围。封装材料增加了成本及熔断器的复杂性。其它的熔断器在绝缘壳体上设置固持槽，这些固持槽与导电端帽上的锁扣肩部配合。这种结构同样增加了熔断器的复杂性。因此，有必要消除在正常搬运的情况下及在短路断开的情况下防止端帽从壳体上脱落的附加装置或减少这些附加装置的数量。
现在，表面安装电子元件所面临的一个问题是使用或将要使用无铅焊料通过波动焊接或回流焊接将电子元件固定到印刷电路板上。无铅焊料具有比铅基焊料高的熔化温度。许多电子元件，如某些熔断器，包括内部焊接接头。令人担忧的是，无铅焊料需要较高的二次组装操作温度，且这种较高的操作温度将会导致内部焊接接头熔化。
如果内部焊接接头熔化或变成半液态，通过焊接接头保持定位的金属丝或其它装置可能松动或完全脱离连接。相应的元件失效。而且，失效的元件此刻固定在电路板上。于是必须检测、移除并置换失效的元件。因此，需要额外的电子元件，特别是熔断器。当熔断器在与无铅焊料相关的较高加工温度下焊接到印刷电路上时，其不会失效。
发明内容
本发明提供了一种改进的电路保护装置。在一个实施例中，电路保护装置为一种熔断器，例如，一种管形熔断器。该装置改进的一个方面是由于其利用了一种焊料，该焊料在冷却以及从液态转变为固态时膨胀。所述膨胀在其所接触的表面之间形成一种压缩力。在一个实施例中，所述压缩力位于熔断器的传导盖子和绝缘壳体之间。该压缩力有助于将盖子固定到壳体上。
在一个实施例中，焊料主要由元素铋制成。铋的熔融温度为271℃。在该温度下，固体铋的密度为10.0kg/dm而液体铋的密度为9.67kg/dm。由于固体铋密度小于液体铋，因此，对于一个给定的质量，固体铋比液体铋占据更大的空间或体积。本发明利用了该特性。
如上所述，将传导盖子固定到绝缘主体上可产生问题。端盖需要相当牢固地固定到绝缘壳体上。然而，接附过程又不能损坏壳体。另外，端盖需要以这样的方式固定到壳体上，使得位于熔断器内部的熔断元件：(i)之后可电连接到端盖上，或(ii)如果在端盖被固定到壳体上之前所述熔断元件被连接到一个或多个端盖上，则所述熔断元件不会从端盖的其中一个或全部两个上松开。
在一个实施例中，本发明的膨胀焊料被预先电镀或预先放置到绝缘壳体和传导端盖的其中一个或全部两个上。端盖的尺寸可被构造成与绝缘壳体具有干涉配合。绝缘壳体还可包括与放置在盖子上的相应的凸片或棘爪进行卡扣配合的切口或凹口。这就是除了本发明膨胀焊料之外，可以有，但是并非非有不可的附加紧固装置。
盖子放置在绝缘壳体之上。焊料被加热，最终熔融，并且先前已经位于盖子的侧板和壳体之间、或者在侧板和壳体之间流动。在任一种情况下，当焊料冷却并且从液态转换成固态时，焊料膨胀并且增大盖子的定位力或用以将盖子从壳体上拆下的力。
在另一个方面中，装置得到改进，原因是其利用了一种具有相对较高的熔融温度的内部焊料。熔融温度足够高，从而当采用一种无铅外部焊料(无铅焊料通常要求过程温度高于与含铅焊料相关的过程温度)，将装置或熔断器焊接到印刷电路板(“PCB”)上时，内部焊料不会熔融。
本发明的内部焊料可包括添加的金属，比如锑或银，其额外地升高焊料总的熔融温度。另外，本发明并不受限于铋，而是可包括冷却时膨胀的任何合适金属，比如镓。
因此，本发明的一个优点为提供一种改进的电气装置。
本发明的另一个优点为提供一种改进的熔断器
本发明的另一个优点为提供一种用以将电子装置的一个部件紧固到另一个上的方法和装置。
此外，本发明的一个优点为提供一种适于使用外部无铅焊料进行组装的电子部件。
本发明另外的特征和优点将在以下本发明的详细说明部分和附图中进行描述，同时所述另外的特征和优点也将变得显而易见。
附图说明
附图1为具有本发明的膨胀焊料的熔断器的一个实施例的立体图；
附图2为如附图1所示的剖面图，沿着线II-II进行剖切，显示了带有一类熔断元件的熔断器；
附图3为如附图1所示的剖面图，沿着线III-III进行剖切，显示了带有另一类熔断元件的熔断器；
附图4为如附图1所示的剖面图，沿着线IV-IV进行剖切，显示了带有另一类熔断元件的熔断器；
附图5为本发明的一种优选焊料的相图，所述优选焊料包括大约95％的铋和大约5％的锑。
具体实施方式
本发明提供了一种改进的电气装置，比如熔断器。在一个实施例中，熔断器为所谓的“管形熔断器”，为一种小型熔断器，通常以表面方式安装到印刷电路板(“PCB”)上。熔断器的小型以及其接附到PCB上的方法引起了一些制造和操作方面的问题，这使得产生了本发明的装置和方法。熔断器的小尺寸使得将端盖固定到绝缘壳体上以及将熔断元件接附到端盖上具有些许困难。
端盖需要被足够良好地固定到壳体上，从而端盖在运输期间不会变为松动、或在短的电路过载后不会变得从壳体上脱开。此外，以这样的方式固定端盖，从而熔断元件如果在端盖被连接到壳体上之前接附到一个或多个端盖上，所述熔断元件不会变得从一个或多个端盖上移开或脱开。
还有，为了最终组装，熔断器通常被焊接到PCB上，如波动或回流焊接，这要求在本发明的熔断器内的焊接的附件或连接件在对熔断器进行外部焊接到PCB上期间不能熔融或变成液态。这样的要求碰到通常具有较低的熔融温度(在180到186℃范围中)的含铅的外部焊料时并不那么困难。然而，无铅焊料的使用或临界使用引起了对于内部焊接连接件的熔融方面的更多问题，原因是无铅焊料通常具有更高的熔融温度，比如217到221℃。本发明还提供了一种针对含有无铅焊料的组装问题的解决方法。
现参看附图，特别是附图1到4，图中分别示出了熔断器10、50和100的外部，其分别显示在附图2到4中的剖视图中。熔断器10、50和100包括一个绝缘体12。一对端盖14和16固定或接附到绝缘体12上。绝缘体12包括一个顶部18、一个底部20、一个前部22和一个后部24。如附图2到4所见，在将盖子14和16脱下后，主体12的端部是通开的。主体12可由任何合适的绝缘材料制成，比如陶瓷材料、玻璃材料或相对高温的绝缘复合物。
端盖14和16可由任何合适的传导材料制成，比如铜、锡、镍、银、黄铜、金以及所述材料的任意组合。端盖14和16可包括任何合适的一个或多个涂层，比如镍、金、锡银铜的中间或最终涂层。另外，上述金属的合金还可用作端盖14和16的基础和电镀材料。还有，端盖可不含有任何电镀层。
如附图2到4所见，图中示出了熔断器10、50和100的内部。端盖14包括一个端部26a。一个侧板28a，如四边的侧板，从盖子14的端部26a上延伸出。盖子16包括一个端部26b以及一个从端部26b上延伸出的侧板28b。在一个实施例中，盖子14和16为通开的五边结构体，带有一个端部和一个从端部上延伸出的四壁式侧板。在另一个实施例中，端部26a和26b为至少大体上圆形，并且侧板28a和28b为至少大体上圆柱形。端盖、壳体和熔断器另外合适的形状同样处于本
发明的范围内。
在一个实施例中，将端盖14和16进行预先电镀或预制成带有本发明的焊料。在一个实施方式中，将端部26a的内表面电镀或预制成带有一个焊料区域30a。将盖子16的端部26b的内表面电镀或预制成带有一个焊料区域30b。焊料区域30a和30b在开始时可或可不分别延伸到盖子14和16的侧板28a和28b的内表面上。
在一个实施例中，盖子14和16以这样的方式安装在绝缘体12之上，从而在盖子14和16的侧板28(侧板28a和28b的统称)的内表面和绝缘壳体12的顶部18、底部20、前部22和后部24之间存在有如附图2到4所见的小的间隙。二择一地，侧板28的尺寸被构造成使得其内表面与壳体12的外表面形成一个干涉配合。在这样情况下，可将侧板28的内表面电镀或预制成带有焊料区域30(焊料区域30a和30b的统称)，以确保焊料留在盖子14、16与主体12之间。还应理解，在一个实施例中，在与盖子14和16组装之前，可将主体12一个或多个顶部18、底部20、前部22和后部24的端部预先电镀成带有本发明的焊料。
熔断器10、50和100的熔断元件或电线32、34和36可通过各种方法分别电接附到焊料区域30a和30b上、进而接附到盖子14和16上。在一种方法中，在盖子14和16放置在壳体14之上后，通过位于盖子14和16的端部26a和26b的相对中心上的小孔分别装入熔断元件32或36。在另一个实施例中，将熔断元件32或36固定到盖子14和16中的其中一个上，再在焊接过中期间熔接或连接到另一个盖子14或16上。在如附图3中的熔断元件34所示出的又一个实施例中，在将端盖14和16放置在壳体上之前，熔断元件34在壳体12内对角延伸，并且环绕着绝缘壳体12的外部的两个端部出弯曲。接着，压配合或焊接过程使得熔断元件34保持在位。熔断元件34可用作具有快速断开的熔断元件的例子。
附图2到4示出了熔断元件32、34和36具有各种形式和形状。熔断元件32为螺旋缠绕在绝缘或传导基质上的导线。熔断元件34为辫子形或单股电线。熔断元件36具有S形状。任何上述的熔断元件可包括芯传导材料，比如铜，例如，其电镀上锡、金或银。熔断元件还可卷绕或螺旋缠绕、或具有任何其他合适的构造。在一个实施例中，熔断元件的尺寸和大小被构造成能够在一个特定的电流或能域下断开或烧断。
如上所述，端盖14和16可与主体12进行干涉配合，二择一或附加地，主体12可包括凹口或凹处(未示出)，其接收从盖子14和16的侧板28上向内延伸的凸片或棘爪(未示出)。本发明的膨胀焊料所具有的盖子定位性能方面的张力或膨大，特别被考虑要与一个或多个上述的附加机械连接装置结合使用。本发明还特别考虑了不利用那些附加的机械连接装置，并且转而依靠：(i)焊料区域30所提供的、在壳体12和端盖14、16之间的粘接；(ii)本发明的焊料区域30的膨胀特性。当取消附加装置时，降低了熔断器10、50和100的复杂程度。
在一个实施例中，在盖子14和16已经被放置在壳体12之上之后，将熔断器10、50和100加热到焊料区域30的熔融温度、和/或超过焊料区域30的熔融温度。熔融的焊料可通过一个称为芯吸的过程而移动穿过侧板25的内表面和壳体12的外表面之间的间隙。当焊料冷却并且硬化时，其膨胀，而将压缩力施加在侧板28的内表面和壳体12的外表面上。在该方式下，膨胀的焊料以及压缩力增加了本发明的熔断器的盖子定位性能。
在另一个实施例中，侧板28的内表面被预先电镀，并且压配合在壳体壳体12上。熔断器10、50和100再次被加热到或超过焊料区域30的熔融温度。焊料区域30变成液态，使得压配合的一部分力得以释放。当对焊料区域30进行冷却时，焊料膨胀并且使主体12上的盖子14和16返回到压配合状态，并且其中通过熔融和重新硬化过程，盖子14和16现在粘附到主体12上。加热过程可有助于使侧板和壳体之间的焊料层30变得光滑或平坦。
本发明的焊料可包括任何金属，其在熔融温度下的固态密度低于在该熔融温度下的液态密度。例如，铋是本发明一种优选的焊接材料。铋的熔融温度为271℃。在该温度下，固体铋的密度为9.67kg/dm。在该熔融温度下，液体铋的密度为10.0kg/dm。注意确定密度的等式为：d＝m÷v，当铋处于固态或液态时所占据的体积为v＝mxd。焊料的质量不会改变，不管焊料处于液态、固态或多相状态。质量为恒定。因此，在271℃下，固体铋焊料所占据的体积或空间大于液体铋。实质上，当铋从液态转变为固态时，如当铋冷却时，其膨胀。其他具有该特性或特征的金属包括：嫁和锑。
本发明的一种优选焊料包括大约95％的铋和大约5％的锑。现参看附图5，图中示出了铋和锑焊料的相图。如附图5所见，在大概100％铋时，焊料从固体变为液体以及从液体变为固定的温度大概为铋的熔融温度，即大约271℃。随着锑百分比从0上升到10％，发生两个变化。首先，熔融范围的底端从大约271℃增加到大约292℃。第二，焊料熔融或处于多态的温度范围从大约0℃范围增加到大约58℃范围。因此，当为纯铋时，膨胀发生在大概一个温度点上，而例如，当为95％铋和5％锑时，膨胀沿着从大约282℃到大约312℃的温度范围发生。在282℃下，焊料大体上为固体以及完全膨胀。在大概312℃或更高的温度下，焊料大体上为液体，并且占据更小的体积。在中间时，焊料的状态为多相，并且焊料所占据的体积随着温度向着282℃下降而增加。
本发明的焊料给熔断器10、50和100提供了第二个好处。如上所述，并且见附图1到4，在一个实施例中，熔断器表面安装或以其他方式按照到PCB上。在附图2到4所示的构造中，通常通过一个摘嵌器将熔断器放置在具有焊膏的垫片上。接着，将带有熔断器或部件的PCB送进并穿过一个叫作回流炉的炉体。回流炉加热PCB和熔断器到能够使其上安放有熔断器10、50或100的焊膏熔融的温度。当PCB行进穿过炉体时，焊膏发生熔融或回流。之后，PCB和部件冷却，使得焊膏硬化，而将部件或熔断器接附到PCB上。
在另一个实施例中，销针或引线(lead)从端盖14或16上延伸出。销针和引线***穿过PCB上的孔。接着，将板送进并穿过一个叫作波动焊接机的机器，其具有一个或两个软焊料波或槽。从槽出来的焊料从其内插有销针的PCB上的孔向上浸透。在PCB经过一个或多个波后，从波动焊接机出来的焊料形成焊接连接，使部件保持在PCB上。
回流和波动焊接均使PCB经受相对较强的加热。使用回流焊接时，在其经过加热炉时PCB得到持续地加热。而使用波动焊接时，焊料对板和位于板上的部件进行加热。在使PCB经过波之前，波动焊接机还可对PCB进行预加热，以减少软焊料的温度冲击。
以前，用在回流膏中以及用在波动焊接槽中的焊料具有内含的铅。一种非常普通的焊料为63/37锡-铅焊料。铅的存在使得所形成的焊料的熔融温度为大约183℃。近来，由于涉及到含铅焊料的使用及其熔渣的处理(氧化产物)的环境问题，板组装者已经尝试使用无铅焊料。无铅焊料可由纯锡或锡与其他金属的组合物构成，比如银、铜和锑。无铅焊料的熔融温度更高。通常无铅焊料的熔融温度大约在217℃到232℃。
担心之处在于随着外部或板组装焊料的熔融温度的上升，在部件或熔断器组装到PCB上时，内部焊料区域(比如熔断器10、50和100的焊料区域30a和30b)可熔融或变成液态的可能性增大。如在附图2到4所见，此种情况可造成熔断元件32、34或36变松，或从端盖14和16上移开。此外，松软的液态焊料可造成不经意的短路。在任一种情况下，部件均变成故障。再者，组装过程将该故障零件固定到PCB上。必须对故障零件进行检测、拆除和更换。因此，应可理解，内部焊料需要具有更高的熔融温度，以在将部件外部焊接到PCB上期间，能承受对部件所进行的加热。
铋具有相对较高的熔融温度。锑的添加更是增大了熔融温度，见附图5。另外，可使用其他添加剂代替锑或在锑的基础上使用其它添加剂，比如银河其它高熔融温度的金属。另外，可将其它金属(如达到焊料的百分之一)添加到本发明的焊料以及部件中，例如，以增加焊料的可湿性和芯吸性、焊料所形成的焊接连接和氧化残留物的强度。焊料残余物的主要部分主要由熔融温度增加元素构成，比如锑或银。其他金属和百分比的组合是可行的。另外，包括任何可知数量的可膨胀金属的焊料，比如铋或嫁，可提供本发明的部件可膨胀性的好处。如果焊料仅仅用作该目的，铋或其它可膨胀焊料的数量不需要这么大。
应可理解，对描述于此的当前优选实施例进行各种改变和修改对本领域的技术人员将显而易见。这样的改变和修改可在不偏离本发明的精神和范围、以及不减少其预期优点的情况下进行。因此，这样的改变和修改将为权力要求书所涵盖。

Claims (20)

1、一种熔断器，包括
绝缘壳体；
安置在绝缘壳体上的导电端帽；
与导电端帽电连通的熔断元件；及
位于绝缘壳体与端帽之间的焊料，焊料在从液态转换到气态时膨胀，以帮助将导电端帽保持在绝缘壳体上。
2、如权利要求1中所述的熔断器，其特征在于，所述绝缘壳体由一组材料中的至少一种材料制成，所述一组材料由陶瓷材料、玻璃材料及塑胶材料组成。
3、如权利要求1中所述的熔断器，其特征在于，所述熔断元件包括一组特征中的一个特征，所述一组特征由下列特征组成：(1)辫子形的、(2)螺旋缠绕的、(3)单股的、(4)S形的、(5)沿绝缘壳体的对角线的、及(6)由被第二导电材料至少部分覆盖的第一导电材料制成。
4、如权利要求1中所述的熔断器，其特征在于，所述导电端帽包括一组特征中的至少一个特征，所述一组特征由下列特征组成：(1)五边的、(2)末端开口的、(3)镀有至少一层导电涂层、(4)其尺寸的设计使其与壳体干涉配合、(5)其尺寸设计使其与壳体之间微小的间隙配合、(6)在组装之前其内部至少部分地涂有焊料。
5、如权利要求1中所述的熔断器，其特征在于，所述焊料包括一组元素中的至少一种元素，所述一组元素由下列元素组成：铋、锑、银及镓。
6、如权利要求1中所述的熔断器，其特征在于，所述焊料是无铅的。
7、如权利要求1中所述的熔断器，其特征在于，所述焊料包括改善一组焊料特征中的至少一种焊料特征的元素，所述一组焊料特征由下列特征组成：(1)可湿性、(2)接合强度、及(3)抗氧化性。
8、如权利要求1中所述的熔断器，其特征在于，所述焊料包括至少90％的铋。
9、如权利要求8中所述的熔断器，其特征在于，所述焊料还包括锑。
10、如权利要求1中所述的熔断器，其特征在于，所述焊料具有大于217摄氏度的熔化温度。
11、如权利要求1中所述的熔断器，其特征在于，所述熔断器是表面安装熔断器。
12、一种熔断器，包括
绝缘壳体；
安置在绝缘壳体上的导电端帽；
与导电端帽电连通的熔断元件；及
位于绝缘壳体与端帽之间的焊料，所述焊料主要包括铋。
13、如权利要求12中所述的熔断器，其特征在于，在端帽组装到绝缘壳体上之前，所述焊料固定在端帽内部。
14、如权利要求12中所述的熔断器，其特征在于，所述焊料包括锑、银及镓中的至少一种附加元素。
15、如权利要求12中所述的熔断器，其特征在于，所述焊料包括改善一组焊料特征中的至少一种焊料特征的成分，所述一组焊料特征由下列特征组成：(1)可湿性、(2)接合强度、及(3)抗氧化性。
16、如权利要求12中所述的熔断器，其特征在于，所述焊料是第一焊料且其熔化温度大于第二焊料的熔化温度，所述第二焊料用于将熔断器固定在印刷电路板上。
17、一种制造熔断器的方法，包括：
提供绝缘主体及端帽，所述绝缘主体及端帽的尺寸设计使其容纳熔断元件；及
使焊料在主体与端帽之间从液态转换成固态，所述焊料在从液态转换到固态时膨胀，所述膨胀在所述端帽与主体之间提供一个力。
18、如权利要求17中所述的方法，其包括将所述熔断元件与所述端帽以电连通方式接合。
19、如权利要求17中所述的方法，其特征在于，所述力是第一保持力，且所述方法还包括在端帽与主体之间提供第二保持力。
20、如权利要求17中所述的方法，其包括在使所述焊料膨胀之前将所述主体及端帽中的至少一个镀上所述焊料。
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