TWI446390B - 電路保護器及其製造方法 - Google Patents

Description

電路保護器及其製造方法

本發明大體而言係關於一種電路保護器，且更特定言之係關於SMD及通孔保險絲以及製造SMD及通孔保險絲的方法。詳言之，本發明可結合所有標準尺寸之表面貼著元件及通孔保險絲(包括(但不限於)1206、0805、0603及0402保險絲)以及所有非標準保險絲尺寸來使用。題目為"Hybrid Chip Fuse Assembly Having Wire Leads And Fabrication Method"之美國申請案第11/091,665號(於2006年9月28作為美國公告第20060214259號而公開)係關於通孔保險絲且以引用之方式併入本文中。

超小型電路保護器可用於尺寸及空間限制在(例如)電子設備之電路板上對於電子電路之較密集包裝及小型化係重要的應用中。

通常藉由以下步驟來製造陶瓷晶片型保險絲：將一元件層沈積於一陶瓷或玻璃基板上、絲網印刷該元件層、將該元件層印刷至一預定厚度及寬度以獲得某一電阻、將一絕緣覆蓋物附著於該元件層上及自成品結構切削或切割個別保險絲。當執行絲網印刷操作時，元件層失去清晰度。絲網印刷操作並非非常精確且所得之元件層的邊緣銳度並非非常好。可將光微影蝕刻用作絲網印刷操作之一替代例，但此過程歸因於額外所需之處理步驟及較長之前置時間而相對昂貴。

需要一種簡單且相對便宜之製造超小型電路保護器的方法。另外，亦需要一種製造超小型電路保護器之方法，其中元件層可經設計為某種幾何形狀且亦具有一優良之邊緣銳度。

圖1說明根據一例示性實施例之電路保護器100的透視圖。應理解，並未按比例繪製諸圖，且已為清晰之目的而放大了各種組件之厚度。

電路保護器100包含：一基板110，其為電絕緣材料；一耦接至基板110之頂表面112的元件層120，其為導電材料；一覆蓋物130，其耦接至元件層120之至少一部分；及導電終止末端140、142，其耦接至基板110之相對末端部分116、117。該等終止末端140、142電耦接至元件層120，以便形成一穿過電路保護器100之電路路徑。另外，一標記150可耦接至覆蓋物130之表面。標記150可包括用於識別保險絲之某些特徵的符號或顏色。此等特徵可包括(但不限於)用於製造保險絲之技術、保險絲之佔據面積、保險絲之電特徵及保險絲之安培額定值。在一替代實施例中，覆蓋物130可耦接至元件層120之至少一部分及基板110之至少一部分。

圖2說明根據一例示性實施例圖1之電路保護器100沿線2-2所截取的側面截面圖。可見，電路保護器100進一步包含耦接至元件層120(例如，在其頂表面上)之電終止墊160、162。終止末端140、142覆蓋基板110之相對末端部 分116、117且電耦接至終止墊160、162。終止末端140、142因此形成用於在一電路(未圖示)中連接電路保護器100之外部電端子。

在某些實施例中，元件層120可包含終止墊160、162及一安置於終止墊160、162之間並電連接該等終止墊160、162的保險絲元件122。終止墊160、162及保險絲元件122可為一由元件層120形成之整體結構。另外，保險絲元件122及終止墊160、162可各自具有一預定厚度。舉例而言，終止墊160、162之厚度可至少為保險絲元件122之厚度。

在其他實施例中，終止墊160、162可由元件層120獨立形成並電耦接至元件層120。

在簡單地描述了根據某些例示性實施例之電路保護器100的結構之後，現將關於圖3及圖4A-圖4J來描述用於製造根據本發明之電路保護器的例示性方法。圖3為描繪製造電路保護器100之例示性方法300的流程圖。圖4A-圖4J說明在各個製造階段(諸如根據關於圖3所描述之例示性方法300)期間之單一例示性電路保護器100。

例示性方法300在步驟301處開始且前進至步驟310，其中提供一具有相對末端部分116、117之基板110。在某些實施例中，所提供之基板110可約略為一個電路保護器之尺寸。圖4A及圖4B中分別說明了形成單一電路保護器100之基礎的基板110之俯視圖及側視圖。基板110可由任何合適之電絕緣材料形成，該電絕緣材料包括(但不限於)陶 瓷、玻璃、聚合物材料(諸如聚醯亞胺)、FR4、氧化鋁、塊滑石、鎂橄欖石或其混合物。在所說明之實施例中，基板經形成為一大體上矩形截面形狀。然而，在替代實施例中，基板110可在不背離本發明之範疇及精神的情況下形成為其他尺寸及形狀。基板110具有一頂表面112、一底表面114、相對末端部分116、117及相對橫向邊緣118、119。在一些實施例中，基板110之頂表面112大體上為平坦的。

接著在步驟320處，藉由如此項技術中已知之合適之構件將一元件層120耦接至基板110之頂表面112。圖4C及圖4D中分別說明基板110與元件層120之俯視圖及側視圖。元件層120可由任何合適之導電材料製成，該導電材料可包括(但不限於)銀、金、鈀銀、銅、鎳或其之任何合金。

在某些實施例中，玻璃粉通常包括於元件層120中且用作一用以將元件層120耦接至基板110之黏接劑。在此等實施例中，可以液體形式將元件層120塗覆至基板110之頂表面112上，此將導致玻璃粉沈澱至元件層120之底部。如上文所描述，終止墊160、162可形成為元件層120之部分。或者，終止墊160、162可由元件層120獨立形成。可不背離本發明之範疇及精神的情況下在步驟320處使用其他已知之用於將元件層120塗覆至基板110的方法，包括(但不限於)厚膜方法、薄膜方法、濺鍍方法及層壓膜方法。

元件層120之所選厚度可視電路保護器100之所要特徵(例如，電阻)而極大地變化，該等所要特徵通常由應用要 求來指示。舉例而言，當將元件層120當做一薄膜來塗覆時，厚度可為約0.2微米。然而，當將元件層120當做一厚膜來塗覆時，厚度可為約12微米至約15微米。

在步驟330處，將元件層120雷射切削至一預定幾何形狀。此預定幾何形狀界定所得之保險絲元件122的時間電流特徵。圖4E及圖4F中分別說明經雷射切削至預定幾何形狀之基板110與元件層120的俯視圖及側視圖。圖4E展示元件層120之幾何形狀大體上為蜿蜒蛇形。終止墊160、162亦可以雷射切削之方式而由元件層120形成。

雷射切削允許將元件層120形成為各種複雜幾何形狀，同時保持精細之邊緣銳度並允許沿該幾何形狀之側壁的明顯之直角或曲線。因此，當雷射切削元件層120時，側壁具有90∘之斷面。因此，當與先前技術之SMD保險絲相比較時，雷射切削允許保險絲元件122擁有更厚之深度及更窄之寬度。當與當前製造過程相比較時，經由雷射切削製造而成之保險絲元件可具有數目減少之針孔。針孔係直徑大約為0.05mm至0.2mm之孔，其係在印刷及燒製過程期間由墨中之氣泡產生。此減少之數目的針孔導致減少無故燒斷(nuisance blow)。另外，雷射切削可因對保險絲元件122較好之局部加熱而提高電路保護器效能，此降低了至基板110中之熱耗散。

以實例之方式說明(且並非作為限制)，可使用雷射切削技術來產生一保險絲元件幾何形狀，其中保險絲元件122之最窄部分的寬度可小至約0.025mm，同時仍保持一精細 之邊緣銳度。另外，圍繞保險絲元件122之最窄部分的最窄蒸發寬度可小至約0.019mm且仍保持一優良之邊緣銳度。熟習此項技術者將瞭解，在不背離本發明之範疇及精神的情況下，亦可使用雷射切削來產生具有更大或更小寬度之保險絲元件幾何形狀，對更大或更小寬度之選擇將通常視電路保護器100之應用要求而定。

在本發明之某些實施例中，使用由IPG Photonics Corporation製造之YLP系列雷射器來執行雷射切削。YLP系列中之一個合適之模型係YLP-0.5/80/20模型。波長、功率、射束品質及光點尺寸為判定雷射切削動態的一些參數。此模型為使用一脈衝操作模式且每脈衝傳遞0.5毫焦耳之鐿纖維電射器。脈衝寬度為約80毫微秒。此等雷射器經由一可撓性包裹有金屬之纖維電纜而將一高功率1060至1070奈米波長電射束(其不在可見光譜內)直接傳遞至工作場地。該雷射器提供低熱使得可雷射切削元件層120而不會在雷射切削過程期間損害基板110。另外，雷射束經準直且通常經聚焦至一為若干微米或更小之光點尺寸。此外，輸出纖維傳遞長度為約3-8米。此雷射器之脈衝重複率介於20kHz至100kHz之間。另外，此雷射器之標稱平均輸出功率為約10W，而最大功率消耗為約160W。

纖維雷射器具有寬動態操作功率範圍且射束焦點及其位置保持恆定(即使當雷射功率被改變亦如此)，從而總是允許一致之處理結果。亦可藉由改變光學組態而達成寬廣範圍之光點尺寸。此等特徵使得使用者能夠選擇一用於切割 各種材料及壁厚度之適當的功率密度。

具有最佳化脈衝之纖維雷射器的高模式品質及小光點尺寸有助於薄材料中之複雜特徵及幾何形狀的雷射切削。此脈衝模式切割產生最少熔渣及HAZ，熔渣及HAZ對於許多顯微切削應用而言非常重要。與纖維雷射器之小光點尺寸相關聯的高功率密度亦轉化為具有優越邊緣品質之較快速切割。

此等纖維雷射器允許蒸發元件層120之不良金屬化且仍保持所需之用於保險絲元件122之最佳效能的優良幾何形狀。當在金上使用此纖維雷射器時，焦點為約15微米。然而，當在銀上使用該雷射器時，焦點為約20至25微米。由於金之反射性不如銀之反射性，所以其更易切割。視元件層之特性而定，纖維雷射器可具有為約10微米之焦點。可藉由限制光發射面積來達成較小之焦點。在替代實施例中，可在不背離本發明之範疇及精神的情況下使用另一類型之纖維雷射器或另一類型之雷射器，只要該雷射器在元件層120上產生優良之解析度而不損害基板110。

在於步驟330中雷射切削元件層120之後，在步驟340中將一覆蓋物130耦接至元件層120之至少一部分。圖4G及圖4H中分別說明基板110、元件層120與覆蓋物130之俯視圖及側視圖。覆蓋物130可由玻璃或陶瓷或其他電絕緣合適材料形成。覆蓋物130遍布基板110之頂表面112之至少一部分、保險絲122及終止墊160、162之至少一部分，且填充其周圍及之間的任何空隙。在一替代實施例中，覆蓋物 130耦接至元件層120之至少一部分及基板110之至少一部分。

在某些實施例中，覆蓋物130可為印刷玻璃或一直接塗覆於基板110之頂表面112及元件層120之表面(包括保險絲元件122及終止墊160、162)上的高溫穩定聚合物材料。在一個實施例中，玻璃不具有金屬且可作為一厚膜來塗覆。乾燥玻璃膜、接著燒製且接著冷卻。或者，覆蓋物130可包含一陶瓷材料層，其被機械按壓於基板110之頂表面112上以遍布下伏之組件(亦即，保險絲元件122及終止墊160、162)，且接著燒製該總成以固化覆蓋物130。在其他實施例中，覆蓋物130可包含電絕緣材料之板，其藉由一結合材料層而結合至位於經組裝組件上方的頂表面112。可將該結合材料塗覆至頂表面112以遍布頂表面112及經組裝之組件(如上文所描述)以及置放於結合材料上之覆蓋物130。覆蓋物130可充當一具有滅弧特徵之鈍化層。

接著，在步驟350處，終止電路保護器100。圖4I及圖4J中分別說明被終止之電路保護器100的俯視圖及側視圖。終止末端140、142可包含在覆蓋物130已耦接至電路保護器子總成之後塗佈於電路保護器子總成之末端部分上的導電材料。可以此項技術中已知之任何合適之方式將終止末端140、142塗佈於電路保護器子總成上。以實例說明(但並非作為限制)，可藉由在燒製之前將子總成之末端部分浸漬於一合適之塗佈浴中來塗覆終止末端140、142。終止末端140、142在基板110之末端部分116、117處接觸終止 墊160、162。終止末端140、142較佳沿基板110之橫向邊緣118、119延伸遠到由工業標準所允許，使得終止墊160、162之橫向邊緣至少部分地封閉於終止末端140、142中。終止末端140、142亦相應地在覆蓋物130之一部分及基板110之底表面114上延伸。在某些實施例中，終止末端140、142可由銀墨製成，該銀墨接著鍍有銀錫。可在不背離本發明之範疇及精神的情況下將其他導電材料用於終止末端140、142。在終止電路保護層100之後，方法300在步驟360處結束。

關於圖5及圖6來描述一種用於製造複數個電路保護器100之替代方法。圖5為描繪製造複數個電路保護器100之另一例示性方法500的流程圖。圖6為耦接至一基板100之元件層120之複數個間隔、大體上平行之行的俯視圖，可由該複數個行形成複數個電路保護器100(諸如根據例示性方法500)。

圖5之例示性方法500在開始步驟501處開始且進行至步驟510，其中將一元件層120之複數個間隔、大體上平行之行耦接至一基板110之頂表面112。圖7說明耦接至基板110之頂表面112之元件層120的該複數個間隔、大體上平行之行。所說明之基板110具有一大體上為矩形之截面。以實例說明，基板110可為約2½"至約3"平方，其可適合用於形成複數個電路保護器100。視電路保護器100之尺寸而定，為約2½"至約3"平方之單一基板可容納大約798個電路保護器。可在不背離本發明之範疇及精神的情況下替代 使用基板110之其他尺寸及形狀。

已在上文描述了用於將元件層120塗覆至基板110之例示性方法。在某些實施例中，可藉由在基板110上形成被區域172間隔開之金屬化線路170而將元件層120耦接至基板110之頂表面112。在塗覆元件層120之後，在步驟520處雷射切削元件層120以使其成形為預定幾何形狀。如先前所描述，雷射切削允許將元件層120形成為各種複雜幾何形狀同時保持邊緣銳度。複雜幾何形狀之側壁可具有90∘斷面。

接著在步驟530處，將覆蓋物130耦接至基板110之頂表面112，其中覆蓋物130覆蓋元件層120之至少一部分。亦即，覆蓋物130遍布基板110之頂表面112的至少一部分、保險絲元件122及每一電路保護器100之終止墊160、162的至少一部分，且填充其周圍及其間的任何空隙。在一替代實施例中，覆蓋物130遍布保險絲元件122之至少一部分。已在上文描述了用於塗覆覆蓋物130之例示性方法。

在步驟540處，單數化基板110以形成複數個個別電路保護器100，其中每一電路保護器100包含一具有相對末端部分116、117之基板110。舉例而言，可藉由沿區域172水平跨越基板110及垂直跨越金屬化線路170進行切割而自基板110來單數化該複數個電路保護器100。根據某些實施例，可經由鑽石切割鋸來執行此切割。在替代實施例中，可在不背離本發明之範疇及精神的情況下使用其他已知方法以用於自基板110單數化該複數個電路保護器100。

在自基板110單數化該複數個電路保護器100之後，在步驟550處終止每一電路保護器100之相對末端部分116、117。已在上文描述了用於終止電路保護器100之例示性方法。在終止電路保護器100之後，例示性方法500在步驟560處結束。

圖7A-圖7C說明根據本發明之某些例示性實施例具有各種幾何形狀之保險絲元件122之例示性電路保護器100的俯視圖。如圖7A中所示，已對例示性電路保護器100之元件層120進行雷射切削，以形成具有自第一終止墊160延伸至第二終止墊162之狹窄直線幾何形狀的保險絲元件122。如圖7B中所示，已對例示性電路保護器100之元件層120進行雷射切削，以形成具有自第一終止墊160延伸至第二終止墊162之狹窄蜿蜒蛇形幾何形狀的保險絲元件122。如圖7C中所示，已對例示性電路保護器100之元件層120進行雷射切削，以形成具有自第一終止墊160延伸至第二終止墊162之相對狹窄之直線幾何形狀的保險絲元件122，其中該相對狹窄之直線幾何形狀進一步包含較大的矩形區。因此，可見電射切削允許將一保險絲元件122形成為各種複雜幾何形狀同時保持優良之邊緣銳度。

儘管已關於特定實施例而描述了本發明，但此等描述並不意謂以一限制意義來加以解釋。對於熟習此項技術者而言，所揭示之實施例以及本發明之替代實施例的各種修改將在參考本發明之描述之後變得顯而易見。熟習此項技術者應瞭解，可不難將該概念及所揭示之特定實施例用作用 於修改或設計其他結構以用於實施本發明之相同目的的基礎。熟習此項技術者亦應認識到，此等等效構造並不背離如在附加之申請專利範圍中陳述之本發明之精神及範疇。因此，預期申請專利範圍將涵蓋在本發明之範疇內的任何此等修改或實施例。

2-2‧‧‧線

100‧‧‧電路保護器

110‧‧‧基板

112‧‧‧頂表面

114‧‧‧底表面

116‧‧‧末端部分

117‧‧‧末端部分

118‧‧‧橫向邊緣

119‧‧‧橫向邊緣

120‧‧‧元件層

122‧‧‧保險絲元件

130‧‧‧覆蓋物

140‧‧‧終止末端

142‧‧‧終止末端

150‧‧‧標記

160‧‧‧電終止墊

162‧‧‧電終止墊

170‧‧‧金屬化線路

172‧‧‧區域

圖1說明根據本發明之某些例示性實施例之電路保護器的透視圖；圖2說明根據本發明之某些例示性實施例圖1之電路保護器沿線2-2所截取的側面截面圖；圖3為描繪製造電路保護器之例示性方法的流程圖；圖4A-圖4J說明根據本發明之某些例示性實施例在各種製造階段期間的電路保護器；圖5為描繪製造複數個電路保護器之另一例示性方法的流程圖；圖6說明耦接至一基板之元件層之複數個間隔、大體上平行之行的俯視圖，可由該複數個行根據本發明之例示性實施例形成複數個電路保護器；圖7A-圖7C說明根據本發明之某些例示性實施例具有為各種幾何形狀之保險絲元件之例示性電路保護器的俯視圖。

2-2‧‧‧線

100‧‧‧電路保護器

110‧‧‧基板

112‧‧‧頂表面

118‧‧‧橫向邊緣

120‧‧‧元件層

122‧‧‧保險絲元件

130‧‧‧覆蓋物

140‧‧‧終止末端

142‧‧‧終止末端

150‧‧‧標記

Claims (31)

1. 一種用於製造一電路保護器之方法，其包含以下步驟：提供一具有相對的第一及第二主表面之電絕緣基板；直接地耦接一導電元件層至該基板之該第一主表面，據此該絕緣基板位於該經耦接導電元件層之下；在直接地耦接該導電元件層之後，雷射切削該直接地耦接之導電元件層之一部分以不損壞該絕緣基板地將該導電元件層從該絕緣基板之該第一主表面蒸發；及留下該導電元件層之一剩餘部分直接耦接至該基板，其中該導電元件層之該剩餘之直接耦接部分經配置為具有一預定幾何形狀之一保險絲元件。
2. 如請求項1之方法，其中直接地耦接一導電元件層包含塗覆一具有厚度約2微米之薄膜導電元件至該第一主表面。
3. 如請求項1之方法，其中直接地耦接一導電元件層包含於該基板之該第一主表面上絲網印刷該導電元件。
4. 如請求項1之方法，其中直接地耦接一導電元件層包含金屬化該基板之該第一主表面之一整體。
5. 如請求項1之方法，其中進行雷射切削該直接經耦接導電元件層之一部分及留下該導電元件層之一剩餘部分以將該保險絲元件配置為具有一直線幾何形狀。
6. 如請求項1之方法，其中雷射切削該直接經耦接導電元件層之一部分包含操作一具有一脈衝操作模式之纖維雷射。
7. 如請求項6之方法，其中雷射切削該直接經耦接導電元件層之一部分包含於該直接經耦接導電元件層形成一側壁，該側壁垂直於該基板之該第一及第二主表面之一者延伸。
8. 如請求項7之方法，其中雷射切削該直接經耦接導電元件層之一部分進一步包含於該側壁中形成一曲線及一直角之至少一者。
9. 如請求項6之方法，其中雷射切削該直接經耦接導電元件層之一部分包含操作一具有視該直接經耦接導電元件層之特性而定之焦點之纖維雷射。
10. 如請求項1之方法，其中進行雷射切削該直接經耦接導電元件層之一部分及留下該導電元件層之一剩餘部分以將該保險絲元件配置為具有至少一終止墊，且該方法進一步包含提供電連接至該終止墊之至少一終止末端。
11. 如請求項1之方法，其中進行雷射切削該直接經耦接導電元件層之一部分及留下該導電元件層之一剩餘部分以將該保險絲元件配置為具有一實質蜿蜒蛇形幾何形狀。
12. 如請求項1之方法，其中進行雷射切削該直接經耦接導電元件層之一部分及留下該導電元件層之一剩餘部分以將該保險絲元件配置為具有一包含一直線及從該直線延伸出之矩形區之幾何形狀。
13. 如請求項1之方法，其進一步包含覆蓋該元件層之至少一部份。
14. 如請求項13之方法，其進一步包含塗覆一標記至該覆蓋 物。
15. 如請求項1之方法，其進一步包含藉由塗覆導電終止末端至該基板之相對末端部分以終止該保險絲元件。
16. 如請求項1之方法，其中提供一電絕緣基板包含提供一陶瓷基板、一玻璃基板、一聚合物基板、一FR4基板、一氧化鋁基板、一塊滑石基板及一鎂橄欖石基板之一者。
17. 如請求項1之方法，其中直接地耦接一導電元件層至該基板之該第一主表面包含塗覆包括銀、金、鈀銀、銅、鎳、銀合金、金合金、鈀銀合金、銅合金及鎳合金之一者之一導電元件層。
18. 一種用於製造複數個電路保護器之方法，其包含以下步驟：提供具有一頂表面之一電絕緣基板；直接地耦接一導電元件層至該基板之該頂表面，其中該導電元件層包括導電材料之複數個彼此間隔且平行之行；雷射切削該導電元件層以蒸發該複數個行之每一者之一部分且不損壞下方之絕緣基板；及留下耦接至該基板之每一行之一剩餘部分，從而配置每一行為具有一預定幾何形狀之一保險絲元件，且每一保險絲元件具有一垂直於該頂表面延伸之側壁。
19. 如請求項18之方法，其進一步包含覆蓋該元件層之至少一部份。
20. 如請求項19之方法，其進一步包含：分開該基板以形成複數個個別電路保護器，每一個別電路保護器具有相對末端部分；及終止每一相對末端部分。
21. 如請求項18之方法，其進一步包含塗覆至少一標記至該等電路保護器。
22. 如請求項18之方法，雷射切削該導電元件層以蒸發該複數個行之每一者之一部分包含操作一具有一脈衝操作模式之纖維雷射。
23. 如請求項18之方法，其中操作該纖維雷射包含操作一具有約10至25微米之焦點之纖維雷射。
24. 如請求項18之方法，其中進行雷射切削該導電元件層及留下每一行之一剩餘部分以使終止墊連接至該經配置保險絲元件。
25. 如請求項18之方法，其中進行雷射切削該導電元件層及留下每一行之一剩餘部分以將該保險絲元件配置為具有一實質蜿蜒蛇形幾何形狀。
26. 如請求項18之方法，其中耦接該導電元件層至該基板之該頂表面包含金屬化該基板之該頂表面。
27. 如請求項26之方法，其中金屬化該頂表面包含在該基板之該頂表面絲網印刷一導電墨。
28. 如請求項27之方法，其中金屬化該頂表面包含絲網印刷一導電墨，該導電墨包括銀、金、鈀銀、銅、鎳、銀合金、金合金、鈀銀合金、銅合金及鎳合金之至少一者。
29. 如請求項18之方法，其中進行雷射切削該導電元件層及留下每一行之一剩餘部分以將該保險絲元件配置為在該側壁中具有一曲線及一直角之至少一者。
30. 一種電路保護器產品，其經由如請求項1之方法所製成。
31. 一種電路保護器產品，其經由如請求項18之方法所製成。