电路保护装置制造方法
【专利摘要】本公开涉及电路保护装置，其包括：连接至第一和第二端子的导体；以及弹簧，当充电电路内出现过压或过温情况时，该弹簧对导体施加力以将导体移动离开第一和/或第二端子。一个或更多个产生热的电阻元件熔化与导体的一个或更多个连接点相关联的材料，由此释放导体，使得弹簧移动导体以产生开路。
【专利说明】电路保护装置
【技术领域】
[0001]本发明的实施例涉及电路保护装置的领域。更具体地，本发明涉及在过压(over-voltage)或过温(over-temperature)的情形下产生热的保护装置，所述热熔化(melt)与导体的连接,所述导体然后通过弹簧移动造成开路(open circuit),由此保护电源和相关电路装置(circuitry)。
【背景技术】
[0002]过压和过温保护装置利用热链路(thermal links)，其可在异常情况期间熔化从而形成开路。这些保护装置可设置在例如充电器与多个可再充电的电池单元(batterycells)(例如，Li离子电池)之间。当大于阈值电压的电压被施加至感测及触发电路装置时，电流流过生热构件，从而使多个热链路中的一个熔化。一旦链路熔化，便造成开路，其防止过压情况损坏电池单元。在另一类型的保护装置中，使用热切断(cut-off)功能来保护电源，例如，电池单元。当单元的温度超过特定的阈值水平时，一个或更多个热链路熔化从而造成开路，由此将充电装置与电池单元分离。然而，存在过温情况的单元与热链路之间的热率禹接可能不足以确保适宜(adequate)的响应时间，从而导致热逃逸(runaway)情况。
【发明内容】
[0003]因此，需要提供一种被配置为导致足够快的响应以保护电池单元的保护装置。本发明的示例性实施例针对设置在充电器与一个或更多个待充电的电池单元之间的保护装置。这样的示例性保护装置可包括导电层，其具有设置在基板上的第一端子和第二端子。导体可设置在基板上以电连接第一端子和第二端子，以便在第一端子和第二端子之间产生闭路(closed circuit)。另外，可在导体与第一端子之间以及在导体与第二端子之间设置低熔点材料，以将导体保持在适当的位置(in place)。可在基板上设置电阻元件，所述电阻元件被定位为在异常电路情况期间加热低熔点材料。弹簧可设置在基板上，并且在异常电路情况期间当电阻元件加热低熔点材料时，该弹簧可被偏置(biased)以使导体片(conductor chip)移位并在第一端子和第二端子之间产生开路。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]图1A-1P示出了根据本公开的实施例的保护装置的各层。
[0005]图2示出了根据本公开的实施例的保护装置的示例性盖体的底部平面图。
【具体实施方式】
[0006]现在将在下文中参照附图对本发明进行更加全面的描述，在附图中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于这里阐述的实施例。而是，这些实施例被提供以使本公开将是全面且完整的，并且将把本发明的范围全面传达给本领域的技术人员。在图中，相似的附图标记始终指代相似的要素。
[0007]在下面的说明书和/或权利要求书中，术语“在...上”、“覆盖在...上”、“设置在...上”和“在...之上”可用于下面的说明书和权利要求书中。“在...上”、“覆盖在...上”、“设置在...上”和“在...之上”可用于指示两个或更多个元件彼此直接物理接触。然而，“在...上”、“覆盖在...上”、“设置在...上”和“在...之上”也可意味着两个或更多个元件彼此不直接接触。例如，“在...之上”可意味着一个元件在另一个元件之上但是不彼此接触，并且可在两个元件之间具有另一个元件或另一些元件。此外，术语“和/或”可意味着“和”，它可意味着“或”，它可意味着“排他性的或(exclusive-or) ”，它可意味着“一个”，它可意味着“ 一些，但不是全部”，它可意味着“两者都不”，和/或它可意味着“两者都”，尽管所要求保护的主题的范围在这方面不受限制。
[0008]图1A-1K示出了根据本公开的至少一些示例的电路保护装置100。图1A示出了电路保护装置100的侧视图，电路保护装置100由第一和第二基板112和116限定；其上沉积有层114和118。第一和第二基板112和116被附接(affix)(例如，层压、胶合、焊接、用环氧树脂粘合等)在一起以形成所示的电路保护装置100。此外，电路保护装置100包括导体片120，导体片120设置在层118上，弹簧122设置在导体片120与外周壁(perimeterwall) 124之间。在一些示例中，外周壁124可围绕整个装置。然而，图1A示出了外周壁124仅在三个侧面，以便在图中可见位于外周壁124内侧的层118、导体片120和弹簧122。将在下面描述电路保护装置100的操作以及关于第一和第二基板112和116与相应的层114和118的细节。
[0009]图1B示出了第一基板112，在其中设置有填充的通路(filled via) 126a_126f。图1C示出了第一基板112的下侧112’。如所示的那样，通过用导电材料覆盖填充的通路126a-126f形成端子128a-128c。一般而言，可由任何导电材料形成端子128a_128c。在一些示例中，通过将抗浸析银膏印刷到第一基板112的下侧112’上形成端子128a-128c。第一端子128a和第二端子128b用于将电路保护装置100连接在充电源与待保护装置之间，诸如，例如在充电源与一个或更多个电池单元之间。第三端子128c提供对控制电路(例如，感测电路和晶体管)的电连接，该控制电路可将过压或过温信号提供给电路保护装置100。
[0010]图1D示出了电路保护装置100的层114，其在第一基板112上设置有第一金属化导电路径130和第二金属化导电路径132。第一金属化导电路径130和132分别具有焊垫(pad) 130a和132a。如所示的那样，焊垫132a设置在填充的通路126c和126d之上，其实现了端子128c与第二金属化导电路径132之间的电连接。在下面描述焊垫130a的目的。
[0011]图1E示出了在金属化导电路径130和132上及其之间设置有电阻元件134的电路保护装置100。对于一些实施例，可更改电阻元件134的几何形状来提供对施加到那里的电压的耐受性(robustness)。这些几何形状意在对焊接垫(solder pad) 140a、142a和138a提供热，如下面更加详细所述。
[0012]图1F示出了第二基板116，在其中设置有填充的通路136a_136f和通孔通路(through-hole via) 138。图1G示出了电路保护装置100的层118，其在第二基板116上设置有第一导电焊垫140和第二导电焊垫142。如所示的那样，第一导电焊垫140设置在填充的通路136a和136b之上和上面，而第二导电焊垫142设置在填充的通路136e和136f之上和上面。
[0013]图1H不出了设置在第二基板116上的介电层144,介电层144部分覆盖第一导电焊垫140、第二导电焊垫142和通孔通路138。通过介电层144形成开口，以对第一导电焊垫140上的第一焊接垫140a、第二导电焊垫142上的第二焊接垫142a、以及通孔通路138上及通过通孔通路138的焊接垫138a提供连接部件。介电层144例如可以是具有足够高的电阻率以用作电介质的玻璃或陶瓷材料，以便基本上抑制电流的传导，照这样，用作对于下面和或相邻的组件的焊接掩模。在一些示例中，介电层144可由陶瓷和/或玻璃材料(例如，粉末)以及合适的有机粘接剂形成。该复合物(composit1n)有时称为“生带(greentape) ”。生带可层压至第二基板116并后来在高温烧制，从而导致接合至第二基板116的刚性陶瓷层。另外，介电层144可具有所期望的热导率以允许电阻元件134产生的热从其中通过。
[0014]图1I示出了第二基板116层压到第一基板112上，使得填充的通路126a_126f基本上对准填充的通路136a-136f并提供电连接至填充的通路136a_136f。并且，通孔通路138基本上对准焊垫130a。因此，第一端子128a通过填充的通路126a_126b和136a_136b电连接至第一导电焊垫140和第一焊接垫140a。类似地，第二端子128b通过填充的通路126e-126f和136e_136f电连接至第二导电焊垫142和第二焊接垫142a。
[0015]图1J示出了层压到第二基板116上的外周壁124。如上所述，外周壁124具有在电路保护装置100的所有侧面上的壁。在一些实施例中，外周壁124可由基板材料(诸如，例如如上所述的生带陶瓷材料)形成。外周壁124可然后层压到第二基板116上并在高温烧制以将两者接合在一起。在一些实施例中，可通过将多个层印刷或累积(buildup)到第二基板116上来形成外周壁124。
[0016]图1K示出了弹簧122和导体片120。导体片120设置在焊接垫140a、142a和138a之上。弹簧122设置在导体片120和外周壁124之间。导体片120可由可传导电流的任何材料制成，并经由低熔点焊料附接至电路保护装置100，附接至焊接垫140a、142a和138a。特别地，导体片120可由在其下侧上设置有诸如银、铜等的导体的陶瓷材料制成，以便在焊接垫140a、142a和138a之间形成电连接。弹簧122可例如由镀银的高碳钢、形状记忆合金材料、或类似的导电材料形成，并且当然可具有替代性的配置。替代性地，弹簧122可由对电流的传导具有抵抗性的材料(诸如，例如弹性体(elastomeric)材料)制成。此外,弹簧122可以是圆形的、方形的，或具有其它配置。一般地，如下所述，弹簧122可在异常电路情况期间被偏置，以将导体片120推离焊接垫140a和142a。塑料盖(如图2所示)可设置在电路保护装置100之上并且胶合至外周壁124。
[0017]图1L示出了导体片120的下侧120’，其上设置有导体120a。如上所述，导体120a在连接焊垫140、142与通孔通路138之间形成电连接。
[0018]图1M是包括电阻元件134，低熔点焊接材料140a’、142a’和138a’，以及第一端子128a、第二端子128b和第三端子128c的电路保护装置100的示意图。如果需要更多的焊料来将导体片120与弹簧122保持在适当的位置，那么可更改焊接垫140a、142a和/或138a的几何形状以增大表面面积。
[0019]图1N是设置在第一基板112和第二基板116上的以阴影示出的电路保护装置100的各种层、以及正常导电情形下的相关电流流动的平面图。在正常操作期间，电流从第二端子128b通过导电层流动(如实心箭头所示)至第一端子128a。具体地，电流从第二端子128b通过填充的通路126c、126d、136c和136d流至第二导电焊垫142，从第二导电焊垫142通过设置在导体片120的下侧120’上的导体120a流至第一导电焊垫140，并从导电焊垫140通过填充的通路126a、126b、136a和136c流至第一端子128a。
[0020]如图10所示，当检测到过压或过温情形时，连接至第三端子128c的控制电路(未示出)使电路闭合(close)并经由通孔通路138从导体片120抽取电流。该电流(由虚线箭头所示)从第一金属化导电路径130通过电阻元件134流至第二金属化导电路径132，所述电阻元件134产生热并熔化焊接材料140a’、142a’和138a’。所使用的焊料材料可包括焊料熔化时防止其表面氧化的焊剂(flux)，否则所述氧化可导致弹簧操作期间焊料的拖尾(smearing)或拖曳(dragging)。焊接接头的熔化释放了导体片120,并且弹簧122将导体推离焊接垫140a和142a。这在端子128a和128b之间造成开路。照这样，在异常电路情况期间，在充电源与待保护的装置之间造成开路。
[0021]图1P示出了在上述异常电路情况已发生并且焊接材料140a’、142a’和138a’已因电阻元件134的加热而熔化之后的弹簧122和导体片120。如所示的那样，导体片120已经通过弹簧122被移动离开焊接垫140a和142a。以这种方式，电路保护装置100利用机械部件(例如，弹簧122)来提供电路的确实(positive)断开。相对照地，现有装置依靠导电元件的熔化来产生开路，这如上所述可导致端子之间的不完全断开，可在装置内产生过量的不想要的热和/或可在端子之间产生不想要的漏电流。
[0022]图2示出了参照图1所述的盖体200的示例实施例。盖体200设置在电路保护装置100之上，并且粘附至外周壁124。典型地，盖体200使用环氧树脂被接合至相应的装置，但可使用替代性的粘合剂或接合方法。盖体200包括部分201，所述部分201在盖体200的周围提供额外的表面面积，以允许提高的与环氧树脂的接合强度。此外，部分201可具有粗糙化或纹理化的表面以进一步提高与环氧树脂的接合强度。通孔202a-202d可设置为邻近相应的部分201。这些孔可为渐缩的(tapered)并用于容纳环氧树脂或其它粘合剂，并用作相应基板上的盖体200的“锁定”特征。此外，通孔202a-202d还可设置在盖体200上的各种位置处。作为示例，通过使用部分201与通孔202的组合，与大约1.121bs的典型工业标准相比，盖体200能够承受直至大约5.81bs的拉力。
[0023]尽管已参照某些实施例公开了本发明，但是在不脱离如所附的权利要求所限定的本发明的领域和范围的情况下，对所述实施例的许多修改、变化和改变是可能的。因此，意图在于:本发明不限于所述实施例，而是其具有由下面权利要求的语言及其等同物所限定的全部范围。
【权利要求】
1.一种电路保护装置，包含: 基板； 设置在所述基板上的导电层，所述导电层具有第一端子和第二端子； 设置在所述基板上的导体，所述导体在正常操作情况期间电连接所述第一端子和所述第二端子，从而在所述第一端子与所述第二端子之间产生闭路； 设置在所述导体与所述第一端子之间以及在所述导体与所述第二端子之间的低熔点材料； 设置在所述基板上的电阻元件；以及 设置在所述基板上的弹簧，所述弹簧在异常电路情况期间当所述电阻元件加热所述低熔点材料时被偏置以使所述导体移位，从而在所述第一端子和所述第二端子之间产生开路。
2.如权利要求1的电路保护装置，其中，所述基板包括其中设置有多个填充的通路的第一基板和第二基板。
3.如权利要求2的电路保护装置，其中，所述第一端子设置在所述第一基板的第一侧，并与设置在所述第一基板中的所述多个填充的通路中的至少第一个电连接，并且所述第二端子设置在所述第一基板的所述第一侧，并与设置在所述第一基板中的所述多个填充的通路中的至少第二个电连接。
4.如权利要求3的电路保护装置，其中，所述导电层设置在所述第二基板上。
5.如权利要求4的电路保护装置，其中，所述导电层包含第一导电焊垫和第二导电焊垫，第一导电焊垫设置在所述第二基板上，并与设置在所述第二基板中的所述多个填充的通路中的至少第一个电连接，并且第二导电焊垫设置在所述第二基板上，并与设置在所述第二基板中的所述多个填充的通路中的至少第二个电连接。
6.如权利要求5的电路保护装置，进一步包含设置在所述第二基板上的介电层，所述介电层部分地覆盖所述第一导电焊垫和第二导电焊垫。
7.如权利要求6的电路保护装置，其中，所述导电层进一步包含设置在所述第一基板的第二侧的金属化导电路径。
8.如权利要求7的电路保护装置，进一步包含设置在所述第一基板的所述第一侧的第三端子，第三端子通过设置在所述第一基板中的所述多个填充的通路中的至少一个与所述金属化导电路径电连接。
9.如权利要求8的电路保护装置，其中，所述电阻元件设置在所述第一基板的所述第二侧，并部分覆盖所述金属化导电路径。
10.如权利要求9的电路保护装置，其中，当所述电阻元件加热所述低熔点材料，并且所述弹簧使所述导体移位以离开所述第一导电焊垫和第二导电焊垫中的至少一个、从而在所述第一端子和第二端子之间产生开路时，发生所述开路。
11.如权利要求10的电路保护装置，其中，所述第二基板被层压到所述第一基板上，以使所述第一基板中的所述填充的通路基本上与所述第二基板中的所述填充的通路对准。
12.如权利要求8的电路保护装置，其中，所述导体通过设置在所述第二基板中的通孔通路被电连接至所述金属化导电路径。
13.如权利要求8的电路保护装置，其中，所述异常电路情况包括所述第三端子通过所述电阻元件从所述第一端子和第二端子抽取电流。
14.如权利要求1的电路保护装置，其中，所述异常电路情况包括所述第一端子和第二端子之间的过压情况、所述第一端子和第二端子之间的过流情况、或过温情况中的一个或多个。
15.如权利要求1的电路保护装置，其中，在异常电路情况期间，所述弹簧被偏置以推压所述导体。
16.如权利要求1的电路保护装置，其中，在异常电路情况期间，所述弹簧被偏置以拉拽所述导体。
17.如权利要求1的电路保护装置，其中，所述电阻元件是第一电阻元件，所述装置进一步包含第二电阻元件，第二电阻元件设置在所述第一基板的所述第二侧并部分覆盖所述金属化导电路径。
18.如权利要求1的电路保护装置，进一步包含设置在导电装置之上并附接至所述基板的盖体。
19.如权利要求16的电路保护装置,其中，盖体包括至少一个延伸部,所述至少一个延伸部被配置为增大盖体的用于附接至基板的表面面积。
20.一种电路保护装置，包含: 基板，用于将电路保护装置的一个或更多个组件设置到其上； 设置在所述基板上的用于传导电流的导电层，所述导电层具有用于将所述电路保护装置电连接至电池和对所述电池充电的源的第一端子和第二端子； 设置在所述基板上的导体，用于在正常操作情况期间电连接所述第一端子和所述第二端子，从而在其间产生闭路； 设置在所述导体与所述第一端子之间以及在所述导体与所述第二端子之间的低熔点材料，用于在所述正常操作情况期间将所述导电层保持在适当的位置； 电阻元件，用于在异常电路情况期间加热所述低熔点材料；以及 弹簧，用于在所述异常电路情况期间使所述导体移位，从而在所述第一端子和所述第二端子之间产生开路。
【文档编号】H01H85/046GK104241060SQ201410267365
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2013年6月18日
【发明者】G··T·迪奇, O·斯帕尔顿-斯图尔特, S·J··惠特尼 申请人:保险丝公司