CN205080951U - 过电流保护元件及其保护电路板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种过电流保护元件及其保护电路板，该过电流保护元件包括PTC元件及第一外接电极件。PTC元件包含第一和第二导电层以及一PTC材料层，该第一导电层构成该PTC元件的上表面，且该PTC材料层设置于该第一和第二导电层之间形成层迭结构。第一外接电极件的下表面以锡膏焊接于该第一导电层，其中该第一外接电极件包含凸点于该下表面，且凸点顶端接触该第一导电层，从而该第一外接电极件和第一导电层之间形成一间距，以供锡膏填充其中而形成导电连接层。本实用新型利用凸点的设计增加锡膏的接触面积且形成立体结合结构，故可有效增加外接电极件与PTC元件之间的结合力。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种过电流保护元件(over-currentprotectiondevice)以及应用该过电流保护元件的保护电路板(ProtectiveCircuitModule；PCM)，特别涉及可提升外接电极件(externallead)结合强度的过电流保护元件及其保护电路板。
背景技术
由于具有正温度系数(PositiveTemperatureCoefficient；PTC)特性的导电复合材料的电阻具有对温度变化反应敏锐的特性，可作为电流或温度感测元件的材料，且目前已被广泛应用于过电流保护元件或电路元件上。由于PTC导电复合材料在正常温度下的电阻可维持极低值，使电路或电池得以正常运作。但是，当电路或电池发生过电流(over-current)或过高温(over-temperature)的现象时，PTC导电复合材料中的结晶性高分子会随着熔解而膨胀，而切断大部分导电性粒子的导电路径，使得电阻值会瞬间提高至一高电阻状态，即发生触发(trip)现象，从而降低流过的电流值。
参照图8，美国专利US6,713,210公开一具过电流保护的电路板结构。IC元件2是设置于一保护电路模块(ProtectiveCircuitModule；PCM)1上，PTC元件3则以表面粘着方式固设于该PCM1表面。该PTC元件3是一层迭结构，PTC材料层6是设置于镍箔(或镀镍铜箔)7、7'之间，该镍箔7、7'作为PTC材料层6的电极箔。镍片4是固接于该镍箔7的上表面作为外接电极件之用。镍箔7'的下表面(即相邻于PCM1的表面)另焊接一铜电极5，相对于PTC元件3成一对称结构。镍片4一端延伸出PTC元件3，以便连接至如电池等外部装置。举例而言，当连接至电池时，镍片4常须依循电池所在位置加以弯折而承受一定的应力，此时如果镍片4与PTC元件3的结合力不足，容易造成镍片4自PTC元件3表面剥离的现象。
另外考量后续点焊(spotwelding)时必须承受较大的电压、电流，所以该PTC元件3无法承受直接点焊。为了解决前述点焊问题，美国专利US7,852,192于PTC元件表面另依序设置绝缘层和电极层，并利用导电盲孔方式作为PTC元件的镍箔和电极层间的电气导通，藉此可提供直接点焊的便利。
然而前述该等设计，作为外接电极件的镍片利用锡膏进行回焊(reflow)接合时，可能会发生锡膏涂布不均及/或锡膏厚度不易精准控制的问题，进而产生镍片结合强度不足的缺点。尤其是PTC元件(芯片)面积愈小时，PTC元件和镍片之间的结合力因彼此之间的间距难以固定，锡膏无法固定量且无法控制溢锡量(容易产生溢锡)，将降低结合力或造成结合力变化，进而降低生产良率或有良率不稳定的现象。
实用新型内容
为了解决过电流保护元件中PTC元件和外接电极件之间结合力不足或不稳定的问题，本实用新型于外接电极件与PTC元件结合的表面作出凸点设计，通过增加结合接触面积及立体结合结构而提高两者间的结合力。本实用新型除了应用于过电流保护元件本身的外接电极件的结合外，亦特别适用于保护电路板中的过电流保护元件的外接电极件常需要弯折的情况。
根据本实用新型的第一方面，公开一种过电流保护元件，其包括PTC元件及第一外接电极件。PTC元件包含第一和第二导电层以及PTC材料层。第一导电层构成该PTC元件的上表面，该PTC材料层设置于第一和第二导电层之间形成层迭结构。第一外接电极件的下表面以锡膏连结该第一导电层，该第一外接电极件包含多个凸点于该下表面，该凸点顶端接触该第一导电层，从而该第一外接电极件和该第一导电层间形成一间距，以供锡膏填充其中而形成导电连接层。
一实施例中，该过电流保护元件可另包含同样具凸点的第二外接电极件，用以焊接至第二导电层，从而形成轴型(axial-leaded)或插件型(radial-leaded)过电流保护元件。申言之，电流保护元件另包含一第二外接电极件，其上表面以锡膏连结该第二导电层，该第二外接电极件包含多个凸点于该上表面，该凸点顶端接触该第二导电层，从而该第二外接电极件和该第二导电层间形成一间距，以供锡膏填充其中而形成另一导电连接层。
一实施例中，该第二导电层形成该PTC元件的下表面，用于焊接于一电路板。
一实施例中，该间距在0.01-0.16mm的范围。
一实施例中，该第一和第二导电层分别直接接触该PTC材料层的上下表面，且形成方形或圆形的芯片结构。
一实施例中，该第一或第二外接电极件的凸点的直径在0.1-0.5mm的范围。
一实施例中，该多个凸点成平均分布于该外接电极件与PTC元件的重叠部分。
一实施例中，过电流保护元件另包含第三导电层、绝缘层及导电盲孔。第三导电层是接触该PTC材料层的上表面。绝缘层层迭设置于该第一和第三导电层之间。导电盲孔，电气连接该第一和第三导电层。该锡膏较佳地可填入该导电盲孔中，增加结合力。
一实施例中，凸点顶端包含一开口，供锡膏填入其中。
一实施例中，第一及/或第二外接电极件非凸点位置包含至少一开口，与PTC元件压何时，锡膏填入其中。
根据本实用新型的第二方面，公开一种保护电路板，其包含电路板及过电流保护元件。该过电流保护元件可为前述任一过电流保护元件，其中第二导电层焊接于该电路板表面，且电气连接至电路板中的电路。
一实施例中，第一及第二导电层可为铜箔、镍箔或镀镍铜箔。
本实用新型利用凸点的设计增加锡膏的接触面积且形成立体结合结构，故可有效增加外接电极件与PTC元件之间的结合力，进而提升过电流保护元件或其保护电路板的稳定度，以及提升产品良率。
附图说明
图1是本实用新型一实施例的过电流保护元件的结构示意图。
图2是本实用新型另一实施例的过电流保护元件的结构示意图。
图3是本实用新型一实施例的保护电路板的结构示意图。
图4是本实用新型另一实施例的保护电路板的结构示意图。
图5是本实用新型又一实施例的保护电路板的结构示意图。
图6例示本实用新型的过电流保护元件的外接电极件的上视示意图。
图7例示本实用新型的过电流保护元件的外接电极件的部分侧面示意图。
图8是现有的保护电路板的结构示意图。
其中，附图标记说明如下：
1保护电路模块
2IC元件
3PTC元件
4镍片
5铜电极
6PTC材料层
7、7'镍箔
10、20过电流保护元件
11、21、51PTC元件
12PTC材料层
13第一导电层
14第二导电层
15、16导电连接层
17第一外接电极件
18第二外接电极件
22、27绝缘层
23第三导电层
24、54导电盲孔
26第四导电层
30、40、50保护电路板
31电路板
32IC元件
33、43、53过电流保护元件
151焊锡块
171、181凸点
172、173开口
具体实施方式
为让本实用新型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，并配合说明书附图，作详细说明如下。
图1显示本实用新型一实施例的过电流保护元件10，其包含PTC元件11、导电连接层15和16、第一外接电极件17以及第二外接电极件18。第一外接电极件17、导电连接层15、PTC元件11、导电连接层16以及第二外接电极件18依序堆迭而形成层迭结构，其中PTC元件11包含第一和第二导电层13和14以及PTC材料层12。第一导电层13构成该PTC元件11的上表面，第二导电层14构成该PTC元件11的下表面，且该PTC材料层12设置于该第一导电层13和第二导电层14之间形成层迭结构。第一外接电极件17的下表面可利用锡膏连结该第一导电层13，而该第一外接电极件17包含多个凸点171于该下表面。凸点171顶端直接接触该第一导电层13，从而该第一外接电极件17和该第一导电层13间形成一间距，以供回焊时锡膏填充其中而形成导电连接层15。类似地，该第二外接电极件18的上表面可利用锡膏连结该第二导电层14，第二外接电极件18包含多个凸点181于该上表面，该凸点181顶端接触该第二导电层14，从而该第二外接电极件18和该第二导电层14之间形成一间距，以供回焊时锡膏填充其中而形成导电连接层16。第一外接电极件17的一端和第二外接电极件18的一端朝相反方向延伸，形成轴型(axial-leaded)的过电流保护元件10。PTC元件11除了如图1所示的简单三层结构外，亦可视焊接需求而有其他结构变化。
图2是本实用新型的过电流保护元件的结构示意图，过电流保护元件20包含PTC元件21、导电连接层15和16以及第一外接电极件17和第二外接电极件18。相较于图1所示的过电流保护元件10，其差异在于PTC元件21的细节结构和PTC元件11不同。PTC元件21为由上而下包含第一导电层13、绝缘层22、第三导电层23、PTC材料层12以及第二导电层14的层迭结构，且第一导电层13和第三导电层23间设置有导电盲孔24，作为其间电气导通的接口。导电盲孔24的制作，可于先以激光钻孔制作出盲孔后，于盲孔壁以例如电镀方式形成导电层而成。一实施例中，盲孔中形成导电层后仍未填满而留有孔洞，故焊接该第一外接电极件17时，锡膏所形成的导电连接层15也将填入该导电盲孔24中，而得以增加结合接触面积，具有提升结合力的技术效果。PTC元件21中的绝缘层22可抵抗后续点焊时的高电流与高电压，以避免损坏。
图3显示第一实施例的保护电路板30的示意图。保护电路板30包含电路板31、IC元件32以及过电流保护元件33。IC元件32和过电流保护元件33是设置于电路板31表面，且与该电路板31电气导通，提供元件的相关电路技术效果。过电流保护元件33的结构类似图1所示的过电流保护元件10，不过将第二导电层14焊接于电路板31表面，因此没有第二外接电极件18。类似地，第一外接电极件17包含多个凸点171于该下表面。凸点171顶端直接接触该第一导电层13，从而该第一外接电极件17和该第一导电层13间形成一间距，以供回焊时锡膏填充其中而形成导电连接层15。举例而言，保护电路板30可应用于移动装置的电池的过电流保护，而第一外接电极件17为因应电池所在位置可能必须加以弯折而产生应力。通过凸点171的设计增加锡膏的接触面积且形成立体结合结构，故可有效增加第一外接电极件17与PTC元件11之间的结合力，防止第一外接电极件17自PTC元件11表面剥离的情况发生。
图4显示第二实施例的保护电路板40的示意图。该保护电路板40包含电路板31、IC元件32以及过电流保护元件43。IC元件32和过电流保护元件43是设置于电路板31表面。过电流保护元件43的结构类似图2所示的过电流保护元件20，不过将其中的第二导电层14焊接于电路板31表面，因此没有第二外接电极件18。类似地，第一外接电极件17包含多个凸点171于该下表面。藉此增加锡膏的接触面积且形成立体结合结构，故可有效增加第一外接电极件17与PTC元件21之间的结合力，防止第一外接电极件17自PTC元件21表面剥离的情况发生。一实施例中，焊接该第一外接电极件17时，锡膏所形成的导电连接层15将填入该导电盲孔24中，而得以增加结合接触面积，进一步提升结合力。PTC元件21中的绝缘层22可抵抗后续点焊时的高电流与高电压，以避免损坏。
图5显示第三实施例的保护电路板50的示意图。保护电路板50包含电路板31、IC元件32以及过电流保护元件53。IC元件32和过电流保护元件53是设置于电路板31表面，并电气连接该电路板31中的电路而提供相关元件的功能。过电流保护元件53的结构包含PTC元件51及第一外接电极件17。PTC元件51由上而下为包含第一导电层13、绝缘层22、第三导电层23、PTC材料层12、第四导电层26、绝缘层27及第二导电层14的层迭结构。特而言之，该PTC元件51为上下对称的结构，如此无特殊方向性的设计，可避免上下颠倒的误用。类似地，第一导电层13和第三导电层23之间，以及第二导电层14和第四导电层26之间都设有导电盲孔54，作为其间的电气导通。第一外接电极件17回焊固定于该PTC元件51的第一导电层13，第二导电层14则焊接于电路板31表面。第一外接电极件17的下表面设有凸点171，该凸点171顶端接触该第一导电层13，从而第一外接电极17和第一导电层13之间形成间距。第一外接电极17回焊时锡膏均匀填充于该间距中，形成第一导电连接层15。第二导电层14焊接于电路板31时，锡膏形成第二导电连接层16于第二导电层14和电路板31之间。
一实施例中，前述形成导电连接层15、16之间距约在0.01-0.16mm的范围，例如0.04mm、0.07mm、0.1mm或0.13mm。
一实施例中，前述第一和第二导电层15、16，分别直接接触该PTC材料层12的上下表面，且形成方形或圆形的芯片结构。
复参图1，第一外接电极件17中有凸点171和无凸点设计的拉力测试结果如下表1，藉此评估凸点171的设计对于结合力的影响。共取4个样本.其中过电流保护元件11的长宽约为2.3mm×2.3mm，第一外接电极件17的长度约为7.5mm，宽度约为2.3mm。第一外接电极件17中有凸点171和无凸点设计的拉力测试结果如下表1，藉此评估凸点171对于结合力的影响。拉力试验结果是逐渐加大施力，并纪录第一外接电极件17自PTC元件11表面分离时的力量，其单位为公斤重(kgf)。由表1可知，设计有凸点171的第一外接电极件17较无凸点者约可增加30-70％的拉力强度，亦即设计有凸点171的第一外接电极件17约可增加约30-70％的结合力强度。
[表1]
图6显示本实用新型的外接电极件17的上视示意图。若第一外接电极件17与PTC元件11或21的重叠部分在俯视下约为正方形，其可为如图所示的4点或5点采平均分布的凸点171。若第一外接电极件17与PTC元件11或21的重叠部分在俯视下约为长方形，其可为如图所示的6点采平均分布的凸点171。原则上，第一外接电极件17的凸点171于和PTC元件11或21的重叠部分是采平均分布，使得其与PTC元件11或21之间构成相等的间距，以供锡膏平均填充其间，形成等厚度的导电连接层15。
图7显示另一实施例的凸点171侧视图。除传统以冲压方式形成凸点171外，第一外接电极件17亦可另外于凸点171的顶端以例如激光钻孔方式形成开口172。如此一来，当压合第一外接电极件17和PTC元件时，锡膏可填入开口172，或进一歩进入凸点171背向的孔洞中，形成焊锡块151，进一歩强化第一外接电极件17与PTC元件间的结合力。此外，凸点171中形成开口172需要精确对位，难度较高，或可于非凸点171位置形成开口173，以供锡膏填入，同样可加强结合力。一实施例中，凸点171的直径约0.1-0.5mm，例如0.4mm。
以上图3-5各实施例于外接电极件的凸点设计，可改良保护电路板(PCM)产品的PTC元件(PTC芯片)和外接电极件(例如镍片)回焊后结合力不足的问题。尤其是PTC芯片的面积愈小时，传统设计的PTC芯片和外接电极件之间结合力因彼此之间的间距难以固定，锡膏无法固定量而容易发生溢锡，甚至无法控制溢锡量，使良率不稳定和结合力不稳定的问题无法改善。在外接电极件要进行焊接的一面设计凸点，可藉用凸点的高度来精准控制PTC芯片和外接电极件之间的距离，是以锡膏量得以有固定的空间保存，不会因压条的挤压而溢锡，又因凸点增加外接电极件与锡膏之间的接触面积或称形成立体接触，使PTC芯片和外接电极件立体接触的结合力优于采平面接触者。综上，本实用新型可固定PTC芯片和外接电极件之间的间距，使锡膏有固定的量可以留存在PTC芯片和外接电极件之间，而防止溢锡现象发生，且拉力实验结果优于无法固定间距的传统设计，具提升外接电极件结合力的技术效果。
综上，本实用新型除了应用于保护电路板而有效增加外接电极件结合力外，亦可应用于过电流保护元件的外接电极件的结合力提升，即如图1和图2所公开者。
本实用新型的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域具有通常知识的技术人士仍可能基于本实用新型的教示及公开而作种种不背离本实用新型精神的替换及修饰。因此，本实用新型的保护范围应不限于实施例所公开者，而应包括各种不背离本实用新型的替换及修饰，并为以下的权利要求所涵盖。
Claims (13)
1.一种过电流保护元件，其特征在于，包括：
一PTC元件，包含第一导电层和第二导电层以及一PTC材料层，该第一导电层构成该PTC元件的上表面，该PTC材料层设置于该第一导电层和第二导电层之间形成层迭结构；以及
一第一外接电极件，其下表面以锡膏连结该第一导电层，该第一外接电极件包含多个凸点于该下表面，该凸点顶端接触该第一导电层，从而该第一外接电极件和该第一导电层间形成一间距，以供锡膏填充其中而形成导电连接层。
2.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该第二导电层形成该PTC元件的下表面，用于焊接于一电路板。
3.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该间距在0.01-0.16mm的范围。
4.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该第一导电层和第二导电层分别直接接触该PTC材料层的上下表面，且形成方形或圆形的芯片结构。
5.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其包含一第二外接电极件，其上表面以锡膏连结该第二导电层，该第二外接电极件包含多个凸点于该上表面，该凸点顶端接触该第二导电层，从而该第二外接电极件和该第二导电层间形成一间距，以供锡膏填充其中而形成另一导电连接层。
6.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该凸点的直径在0.1-0.5mm的范围。
7.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该多个凸点成平均分布于该第一外接电极件与PTC元件的重叠部分。
8.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其另包含：
一第三导电层，接触该PTC材料层的上表面；
一绝缘层，层迭设置于该第一导电层和第三导电层之间；以及
一导电盲孔，电气连接该第一导电层和第三导电层。
9.根据权利要求8所述的过电流保护元件，其中该锡膏填入该导电盲孔中。
10.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该凸点顶端包含一开口，供锡膏填入其中。
11.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该第一外接电极件包含至少一开口，其位于非凸点位置，供锡膏填入其中。
12.一种保护电路板，其特征在于，包含：
一电路板；以及
如权利要求1-11任一项的过电流保护元件，其中第二导电层焊接于该电路板表面，且电气连接至电路板中的电路。
13.根据权利要求12所述的保护电路板，其中该第一导电层及第二导电层为铜箔、镍箔或镀镍铜箔。
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