TWI500063B - 包含電阻及熔線元件之電路保護裝置 - Google Patents

Description

包含電阻及熔線元件之電路保護裝置

本發明大致關係於電路保護裝置。更明確地說，有關於提供在單一裝置中之過電流保護及電流限制的電路保護裝置。

很多電子裝置，例如電池充電器等，於開機以充電電容器或其他理由需要大啟始電流。吾人想要提供熔線元件，以在元件故障時提供過電流保護。當短路時，如果電流超過一預定值，過電流熔線將開路。在很多應用中，特別是電子裝置中，將想要組合在單一裝置中之過電流保護與電阻，以最小化所需之空間。

在一實施例中，整合電路保護裝置包含基板，配置於第一與第二終端間。基板係由電阻性材料構成。第一導電層係配置在該基板的第一表面上並與該第一終端作電接觸。第二導電層係配置在該基板的第二表面上。第一電絕緣層係配置在該第二導電層上並實質覆蓋該第二導電層。該第一電絕緣層包含一孔徑。熔線元件係配置在該第一電絕緣層上並與透過該孔徑與該第二導電層電接觸並與該第二終端電接觸。該熔線元件係電串聯該電阻性材料。該第二電絕緣層係配置在該熔線元件上。

在另一實施例中，電阻性材料係為負溫度係數(NTC)材料。該電路保護裝置可以在25℃的溫度提供於5歐姆至200歐姆的電阻，及在150℃的溫度提供於50毫歐姆至2歐姆的電阻。電路保護裝置可以在25℃的溫度提供第一電阻及在150℃的溫度提供第二電阻，其中該第二電阻係為該第一電阻的1%至10%之間。

在一實施例中，該NTC材料係由金屬氧化物材料選出。

在一實施例中，該第二電絕緣層包含一孔徑。一電連接係由該熔線透過該孔徑提供至該第二終端。一第三電絕緣層可以配置在該基板的相反於該第一絕緣層的部份。

在一實施例中，形成整合電路保護裝置的方法包含提供一由電阻性材料構成之基板。第一導電層被施加至該基板的第一面。第二導電層被施加基板的相反於該第一面的第二面。第一電絕緣層被施加至該第一導電層並實質覆蓋該第一導電層。第一電絕緣層包含一孔徑。一熔線元件被設於該第一電絕緣層上並與該第一導電層透過該孔徑電接觸。第二電絕緣層係配置於該熔線元件上。第一與第二終端係設在該裝置的末端。第一終端與該熔線元件電接觸及第二終端與該第二導電層電接觸。

在一實施例中，該方法包含在該第二導電層上形成第三導電絕緣層。

在一實施例中，該方法包含在第二電絕緣層設有一孔徑，用於在該第一終端與該熔線元件間之電連接。

在另一實施例中，一整合電路保護裝置包含負溫度係數材料，配置鄰近並與該第一終端電接觸。熔線元件係配置於該電阻性材料與第二終端之間。熔線元件係與該電阻性材料電串聯。電絕緣材料係配置在該電阻性材料與第二終端間之熔線元件旁。

在另一實施例中，整合電路保護裝置提供第一與第二終端。電阻性材料係配置鄰近並與該第一終端電接觸。包含第一導電層的第一電極係配置在該電阻性材料鄰近該第一終端的第一面上。包含第二導電層之第二電極係配置在該電阻性材料相反於該第一面的第二面上。熔線元件被配置於電阻性材料與第二終端之間。熔線元件與該電阻性材料電串聯。電絕緣材料係配置在電阻性材料與第二終端間之熔線元件旁。

在另一實施例中，該裝置包含第一引線與第一終端電性相通並由第一終端延伸，及第二引線與第二終端電性相通並由第二終端延伸。第一終端係配置於該裝置的第一端及第二終端係配置在該裝置的相反於第一終端的第二端。

在一實施例中，電路保護裝置具有由第一終端延伸至第二終端的長度。該熔線元件具有該電路保護裝置長度的至少50%的長度。

在一實施例中，該裝置大致為圓柱形狀及熔線元件係大致沿著在該電阻性材料與該第二終端間之裝置之軸配置。

在另一實施例中，一整合電路保護裝置包含配置於第一與第二終端間之大致扁平基板。該基板係由電絕緣材料構成。電阻性材料層係配置於該基板上並與該第一終端電接觸。熔線元件層係配置於在該電阻性材料層與該第二終端間之基板上。該熔線元件層係與在第一與第二終端間之電阻性材料電串聯。

在另一實施例中，整合電路保護裝置包含一熔線元件，配置於第一與第二端蓋間並與它們電接觸。絕緣外殼係配置在該熔線元件旁並延伸於該第一與第二端蓋間。一中央終端係配置在該第一與第二端蓋間之絕緣外殼上。電阻性材料層係配置於該第一端蓋與該中央終端間之絕緣外殼上並與該第一端蓋與該中心終端電接觸。

在另一實施例中，一絕緣層係配置在該電阻性材料層上。該電阻性材料層延伸於該絕緣表面的外表面附近，以提供較第一端蓋與第二端蓋間之長度為長的電阻性材料長度。

在另一實施例中，整合電路保護裝置包含配置於第一與第二終端間之電絕緣基板。熔線元件係配置於該基板上並與第一終端電接觸並與該第二終端電絕緣。電阻性材料係配置於該熔線元件的一部份上並與該第二終端電絕緣。電極係配置於該基板上並與電阻性材料與該第二終端電性相通，但與第一終端電絕緣。電絕緣層係配置於電極、熔線元件及電阻性材料的部份上。

在一實施例中，熔線元件被提供為配置在基板表面上的薄層。電阻性材料係被提供為配置在熔線元件與基板的一部份上之薄層。電極係被提供為薄層配置在該電阻性材料的一部份，使得電阻性材料實質配置於該電極與該熔線元件之間。

其他特性與優點係於此加以描述，並由以下之詳細說明與圖式加以了解。

本案揭示提供一種整合電路保護裝置，以一電阻與熔線元件電串聯於單一裝置中。於此所揭示之該電路保護裝置提供替代方案，以分開串聯連接之熔線與阻與可熔電阻。將熔線與電阻或熱敏電阻整合提供一具有小足跡、低成本及較分開元件有更佳協調性的裝置。在電源與馬達應用中，電阻限制在裝置開機時的啟始衝入電流，及熔線元件在元件故障時提供過電流保護。尤其，使用負溫度係數(NTC)熱敏器時，開始對限對衝入電流提供顯著電阻，但在自加熱後，電阻下降，允許負載的正常操作，而浪費較少電能。負溫度係數材料具有電阻率，其隨著溫度上升而降低。

於此所揭示之電路保護裝置提供在過載故障時的加強效能。現行可熔電阻提供由高溫熔化材料，例如克鉻美(Cromel)作成之電阻元件，這造成於延伸過載電流上的過量溫度上升。這變成有必要將可熔電阻與該電路板與鄰近元件作實體絕緣。藉由使用本案之裝置，例如NTC或低溫係數電阻元件與一標準溶線元件串聯，此整合裝置執行衝入電流限制功能，並在過載或短路電路狀態之過熱前開路。

於此所揭示之裝置可以用於各種應用中，例如充電裝置(包含手機充電器)、消費電子裝置(例如電腦、監視器、電視等等)、電信設備及小型螢光燈。

圖1顯示電路保護裝置10。裝置10包含一基板12及終端14、16在基板的各個端。終端14、16完成在被保護的設備中，裝置10至電路板(或藉由表面安裝)或熔線固持器的連接。基板12係由電阻性材料構成。導電層18被配置在基板12的表面20上。導電層18係較佳不與終端14、16直接接觸。另一導電層22可以配置在基板12的相反面22上。導電層22較佳與第一終端14電接觸但不與第二終端16直接接觸。導電層18、22作為基板12的電極。裝置10的典型整個尺寸範圍由1.6×0.8×0.2mm至32×16×5mm。絕緣及非絕緣層的範圍由5至200微米。

電絕緣層26係被配置於導電層18上並實質覆蓋導電層18。電絕緣層26包含孔徑28，以完成導電路徑或導孔。熔線元件32配置於電絕緣層26上並與導電層18透過孔徑28加以電接觸。熔線元件32可以為薄材料帶並被架構以當到達預定溫度時使電路(因為藉由熔化而)開路。熔線元件32係與基板12的電阻性材料電串聯。第二電絕緣層34係配置於熔線元件32上。孔徑或導孔38係設於絕緣層34中，以在熔線元件32與終端16間提供電連接。第三電絕緣層36係配置於導電層22上。

電阻性材料可以為熱敏材料。尤其，可以為負溫度係數(NTC)材料之電阻性材料。使用NTC材料，電路保護裝置的電阻隨著溫度上升而降低。適當NTC材料包含金屬氧化物的各種組合，例如錳、鎳、鈷及銅。當裝置導通時，NTC材料在室溫可以提供5至200歐姆的電阻值。於操作時，電路保護裝置可以加熱至約150℃的溫度，及電阻值大小可以降低1至2數量級(order)。因此，在一實施例中，於40℃溫度時，電路保護裝置提供於5至200歐姆電阻值及於150℃溫度時，提供於50毫歐姆至2歐姆的電阻值。NTC材料在開始時可以有10歐姆的電阻及於操作狀態有150毫歐姆的電阻。電路保護裝置可以被設計以在正常操作中明確導通幾安培並在範圍典型2至1000倍正常電流的異常電流狀態時，開路以中斷該電路。

用於本發明之適當絕緣材料包含陶瓷、FR-4環氧樹脂、玻璃及三聚氫胺。通常，電極可以由任意導電金屬，例如銀、銅、鋅、鎳、金、及其合金所形成，並可以經由例如網印、旋塗、氣相沈積、濺鍍、電鍍等之傳統沈積方法被沈積在基板上。

圖1的裝置10的製造方法係如圖2至6所示。如由圖2、2A及2B所示，基板12被提供及塗覆在頂導電層18及底導電層22上。導電層18、22較佳覆蓋頂面20及底面24，除了各個表面20、24的週邊37。如圖3、3A及3B所示，電絕緣層26、36被施加至導電層18、22上。開口28係被留在頂絕緣層26上，以提供於導電層18與熔線元件32間之連接。

再者，如圖4、4A及4B所示，熔線元件32係被施加至絕緣層26的表面。熔線元件可以包含延伸部31及端部份33、35。如圖5、5A及5B所示，絕緣層34被施加於熔線元件32上，同時，留下孔徑38於端部份35上。最後，如圖6、6A及6B所示，端蓋或終端14、16被施加至裝置10的末端及孔徑38係被填入以導電材料，以電連接熔線元件32至端蓋16。在一實施例中，層係在印刷及燃燒操作中被施加。可以在單一材料片中完成多數裝置(例如幾百)。個別件係由該片材切開及未終端被施加至個別元件上。

電路保護裝置的個別其他實施例將加以揭示。圖7顯示電路保護裝置50的另一實施例。裝置50包含一基板52及終端54、56在基板52的每一端。基板52係由電阻性材料構成。導電層58係被沈積在基板52的表面60的一部份上。導電層58並未與終端54、56直接接觸。另一導電層62係被沈積在基板52的相反面64上。導電層62係與第一終端54電接觸但並未與第二終端56直接接觸。導電層58、62作為基板52的電極。電絕緣層66係沈積在導電層58上並實質覆蓋導電層58的表面。電絕緣層66包含一孔徑，以完成導電路徑或導孔。電絕緣層65、67可以施加於基板52與終端54、56之間。

熔線元件72被沈積在電絕緣層66上並與導電層58透過孔徑68加以電接觸。熔線元件72可以為一薄材料帶並架構以當到達一預定溫度時(藉由熔化)使該電路開路。熔線元件72與終端56電接觸並被架構與基板52的電阻性材料電串聯。第二電絕緣層74係沈積於終端54、56間之熔線元件32上。裝置可以包含額外絕緣層(未示出)於導電層62上。

圖8顯示電路保護裝置80的另一實施例。裝置80係被架構為徑向引線裝置。該裝置80包含具有圓形剖面之基板基板82與連接至基板82的相反面的引線84、86。基板82係由電阻性材料構成。導電層或金屬部份88係設在基板82的表面上。導電層88並未直接接觸終端84、86。另一導電層90係配置在基板82的相反面上。導電層90係電連接至第一終端84，但未與第二終端86直接接觸。導電層88、90係作為用於基板82的電極。熔線元件92係沈積在導電層88上。熔線元件92係與終端86電接觸並架構以與基板82的電阻性材料電串聯。除了引線84、86的末端，裝置80的整個外表面可以被塗覆以電絕緣層(未示出)。熔線元件92可以如上述由絕緣及非絕緣材料構成，以與電阻裝置串聯地形成一熔線元件。或者，熔線元件90可以為分立熔線組件，例如Littlefuse Pico熔線，或其元件，藉由軟焊、硬焊、或其他適當方法電附接至導電層88。或者，熔線元件90可以如於美國專利6，636，403號案所述之熱靈敏元件，其係實體及電附接至導電層88。

電路保護裝置的另一實施例係如圖9所示。裝置100係被提供大致圓柱架構，具有終端102、104。完成在被保護設備中之電路保護裝置至印刷電路板的連接之終端或端蓋102、104係位在裝置100的各個末端。電阻性材料106係配置鄰近於終端104並與之電接觸。熔線元件108係配置於電阻性材料106與終端104之間。熔線元件108與電阻性材料106電串聯。電阻性材料包含被塗覆有金屬層或電極118、120的端面。電極118係與終端104電性相通，及兩者可以以焊錫或金屬化黏結在一起。電絕緣材料110可以為中空圓柱形狀，以一固定距離於繞著熔線元件108。裝置100可以更包含引線114、116分別與終端102、104電性相通並由終端102、104延伸。焊錫或金屬化118、120可以施加以電及機械連接熔線元件108的末端至終端102與電阻性材料106。

電路保護裝置100具有由終端102延伸至終端104的長度122。熔線元件108較佳具有延伸為電路保護裝置100的長度122的至少50%的長度。在一實施例中，整合電路保護裝置100大致為圓柱形及熔線元件108大致沿著電阻性材料106與終端102之間的整合電路保護裝置100的軸配置。

如圖10所示，電路保護裝置130的另一實施例包含配置於終端134、136間之大致扁平基板132。基板132包含電絕緣材料。電阻性材料層138係配置於基板132上並與終端136電接觸。熔線元件層140係配置在電阻性材料層138與終端134間之基板132上。熔線元件層140係與電阻性材料138電串聯於終端134、136之間。電阻性材料層138可以為任意適用於電阻性元件的材料，例如碳或金屬膜。為了增加材料的電阻率，它們可以包含氧化物或例如玻璃或陶瓷的絕緣材料。或者，電阻性材料層138可以為展現NTC特性的材料，例如，各種組合金屬氧化物，例如錳、鎳、鈷及銅所構成者。

雖然圖10顯示熔線元件140與終端134、136配置在基板132的單側上，其他實施例也可以包含熔線元件在基板132的兩側，及終端配置在基板132的任一側及於其任意部份上，不只是鄰近一緣處。

電路保護裝置150的另一實施例係如圖11所示。電路保護裝置150係特別適用於電信應用。熔線元件158係配置在端蓋154、156之間並與之電接觸。熔線元件158可以由線繞著一絕緣層，例如鍍錫之銅線繞著陶瓷線加以構成。絕緣外殼152係配置於熔線元件158旁並延伸於端蓋154、156之間。絕緣外殼152可以為中空結構。絕緣外殼152包含一導電墊159，配置於接近外殼152的中心並導電終端161、163配置於外殼的末端。端蓋154、156係架構以放置在外殼152的端部份上(與導電終端161、163接觸)並附接於其上。雖然外殼152與端蓋154、156被顯示為正方形剖面，但其他形狀(例如圓形、三角形等等)也可能。中心終端160被配置於絕緣外殼152的一部份在端蓋154、156間之導電墊159上。

電阻性材料層162係配置於端蓋154與中心終端160間之絕緣外殼152上並與之電接觸。電阻性材料層162的形狀與架構可以被控制以在裝置170中提供想要電阻值。電阻性材料可以藉由適當方法，例如印刷加以施加。如於圖11所示，層162延伸於導電墊159(與中心終端160)與終端163(及端蓋154)間之外殼152的外部附件。尤其，在中心終端160與端蓋154間之電阻性材料層162的長度或路徑可能長於絕緣外殼152的長度。絕緣層164可以配置於裝置150的外表面上，包含在電阻性材料層162，但不在導電墊159及終端161、163之上。

圖12顯示在很多態樣類似於圖11的裝置150的裝置170的另一實施例。裝置170包含電阻層172，其係只有施加至鄰近中心終端160之遠端的線171與鄰近端蓋153的線173間之裝置的一端。電阻層172可以藉由例如浸塗外殼152入想要電阻性材料中，以施加一層。電阻層162係配置在絕緣外殼152上，在端蓋154與中心終端160之間並與它們電接觸。雷射修整線174可以用以移除部份的電阻層172，以控制電阻層172的架構與電阻特性。一絕緣層164可以配置於裝置150的外表面，包含電阻性材料層162。

圖13顯示另一實施例之電路保護裝置180。該裝置包含電絕緣基板182，配置於終端184、186之間。一熔線元件188係配置於基板182上並與終端184電接觸並與終端186電絕緣。電極192係配置在基板182上並與終端186電性相通，但與終端184電絕緣。電阻性材料190可以配置於熔線元件188與電極192之間並與它們電接觸。電絕緣層194係配置於電極192、熔線元件188、及電阻性材料190的部份上。

熔線元件188可以設置為配置在基板182表面上之薄層。電阻性材料190可以設置為配置在熔線元件188與基板182一部份上的薄層。電阻性材料190的架構(例如厚度與長度)可以被調整，以控制裝置的電阻特性。電極192可以設置為配置在電阻性材料190一部份上的薄層，使得電阻性材料190係實質配置於電極192與熔線元件188之間。裝置的典型整體尺寸範圍由1.6×0.8×0.2mm至32×16×5mm。絕緣及非絕緣層的厚度可以範圍由5至200微米。

另一實施例之電路保護電路200係如圖14所示。裝置200包含一由電阻性材料作成之管或中空圓柱202。配置於管202的外表面的是外電極204及配置於內表面的是內電極206。電極204、206可以為任意適當導電材料。終端208、210係配置在裝置200的相反端。端插頭212、214將終端208、210連接至管202。端插頭212、214較佳係由絕緣材料作成。熔線元件216係配置於內電極206與終端210之間並與它們電接觸。熔線元件216經由端插頭214加以配置。絕緣塗層218可以配置在元件上，以提供絕緣的外表面。

應了解的是，對於此所描述之較佳實施例的各變化與修改係為熟習於本技藝者所知。這些變化與修改可以在不脫離本發明之精神與範圍並不減損其優點下加以完成。因此，本案想要這些變化與修改均在隨附之申請專利範圍所涵蓋。

10．．．電路保護裝置

12．．．基板

14．．．終端

16．．．終端

18．．．導電層

20．．．面

22．．．導電層

24．．．相反面

26．．．電絕緣層

28．．．孔徑

31．．．延伸部份

32．．．熔線元件

33．．．端部份

34．．．電絕緣層

35．．．端部份

36．．．電絕緣層

38．．．孔徑

50．．．電路保護裝置

52．．．基板

54．．．終端

56．．．終端

58．．．導電層

60．．．面

62．．．導電層

64．．．相反面

65．．．電絕緣層

66．．．電絕緣層

67．．．電絕緣層

68．．．孔徑

72．．．熔線元件

74．．．電絕緣層

80．．．裝置

82．．．基板

84．．．終端

86．．．終端

88．．．導電層

90．．．熔線元件

92．．．熔線元件

100．．．裝置

102．．．終端

104．．．終端

106．．．電阻性材料

108．．．熔線元件

110．．．電絕緣層

114．．．引線

116．．．引線

118．．．電極

120．．．電極

122．．．長度

124．．．長度

130．．．電路保護裝置

132．．．扁平基板

134．．．終端

136．．．終端

138．．．電阻性材料層

140．．．熔線元件

150．．．電路保護裝置

154．．．端蓋

156．．．端蓋

158．．．熔線元件

159．．．導電墊

160．．．中心終端

161．．．導電終端

162．．．電阻材料層

163．．．導電終端

164．．．絕緣層

170．．．裝置

171．．．線

173．．．線

174．．．雷射修整線

180．．．電路保護裝置

182．．．基板

184．．．終端

186．．．終端

188．．．熔線元件

190．．．電阻性材料

192．．．電極

194．．．電絕緣層

200．．．電路保護裝置

202．．．管

204．．．電極

206．．．電極

208．．．終端

210．．．終端

212．．．端插頭

214．．．端插頭

216．．．熔線元件

218．．．絕緣層

圖1為電路保護裝置實施例之剖面圖。

圖2至6為圖1之電路保護裝置的生產之連續階段俯視圖。

圖2A至6A係分別為圖2至6的沿著線2A-2A至6A-6A的剖面圖。

圖2B至6B係分別為圖2至6的沿著線2B-2B至6B-6B的剖面圖。

圖7係為電路保護裝置的另一實施例剖面圖。

圖8為電路保護裝置的另一實施例之透視圖。

圖9為電路保護裝置的另一實施例之剖面圖。

圖10為電路保護裝置的另一實施例之俯視圖。

圖11為電路保護裝置的另一實施例之部份分解立體圖。

圖12為電路保護裝置的另一實施例之部份分解立體圖。

圖13為電路保護裝置的另一實施例之剖面圖。

圖14為電路保護裝置的另一實施例之剖面圖。

10．．．電路保護裝置

12．．．基板

14．．．終端

16．．．終端

18．．．導電層

20．．．面

22．．．導電層

24．．．相反面

26．．．電絕緣層

28．．．孔徑

32．．．熔線元件

34．．．電絕緣層

36．．．電絕緣層

38．．．孔徑

Claims (13)

1. 一種整合電路保護裝置，包含：第一終端；第二終端；基板，配置於該第一與第二終端之間，該基板包含電阻性材料；第一導電層，配置在該基板的第一面並與該第一終端電接觸；第二導電層，配置在該基板的第二面；第一電絕緣層，配置在該第二導電層上並實質覆蓋該第二導電層，該第一電絕緣層包含一孔徑；熔線元件，配置在該第一電絕緣層上並與該第二導電層透過該孔徑電接觸並與該第二終端電接觸，其中該熔線元件與該電阻性材料電串聯；及第二電絕緣層，配置在該熔線元件上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之整合電路保護裝置，其中該電阻性材料為負溫度係數材料。
3. 如申請專利範圍第2項所述之整合電路保護裝置，其中該電路保護裝置在25℃的溫度提供有於5歐姆至200歐姆間之電阻及在150℃的溫度提供有於50毫歐姆至2歐姆間之電阻。
4. 如申請專利範圍第2項所述之整合電路保護裝置，其中該電路保護裝置在25℃的溫度提供有第一電阻及在150℃的溫度提供有第二電阻，其中該第二電阻係於該第 一電阻的1%及10%之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之整合電路保護裝置，其中該電阻性材料係由金屬氧化物材料選出。
6. 如申請專利範圍第1項所述之整合電路保護裝置，其中該第二電絕緣層包含一孔徑，更包含透過該孔徑由該熔線至該第二終端的電連接。
7. 如申請專利範圍第1項所述之整合電路保護裝置，更包含一第三電絕緣層配置在該基板相反於該第一絕緣層的一部份上。
8. 如申請專利範圍第1項所述之整合電路保護裝置，其中該熔線元件包含熱靈敏元件。
9. 如申請專利範圍第1項所述之整合電路保護裝置，更包含第一引線由該第一終端延伸並與之電性相通，及第二引線由該第二終端延伸並與之電性相通。
10. 如申請專利範圍第1項所述之整合電路保護裝置，其中該第一終端係配置於該整合電路保護裝置的第一端及該第二終端係配置於該整合電路保護裝置的相反於該第一終端的第二端。
11. 如申請專利範圍第1項所述之整合電路保護裝置，其中該整合電路保護裝置具有由該第一終端延伸至該第二終端的長度，其中該熔線元件具有該整合電路保護裝置的長度的至少50%延伸的長度。
12. 如申請專利範圍第1項所述之整合電路保護裝置，其中該整合電路保護裝置係大致為圓柱形狀及該熔線元 件大致沿著該整合電路保護裝置的軸配置於該電阻性材料與該第二終端之間。
13. 如申請專利範圍第1項所述之整合電路保護裝置，其中該第一與第二終端係設置為圓柱端蓋。