复合式保护元件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明是有关于一种电子元件，且特别是有关于一种复合式保护元件。
【背景技术】
[0002]三C产品或电子科技产业愈来愈重要，尤其在行动与通信装置的产业。行动装置讲宄的是如何节能，因为行动装置的电源依赖着电池系统，现今的电池技术在行动装置上受到空间限制，所以电池的尺寸也受到相当的限制，在尺寸不变的情况下，需提升电池容量，是现今电池产业的发展方向。电池的安全性更是大家高度重视的议题，尤其是行动装置的屏幕不断的变大，解析度不断的提升，照相功能的复杂度与闪光灯的电力需求等，行动装置的待机时间与使用时间变成所有制造商必须面临的挑战。所以电池容量的提高就变成大家要求的主要课题。但因电池或电池组容量的提高，其安全性就成了更无可回避的议题了。行动电源的实际应用上，电池(或电池组)或应用线路中的电子元件，最令人在意的就是电池过充(或过电压)与电池短路(或大电流的冲击)以及电池或电子元件的过温。如何在有限的空间内设计最少与最小的元件，且达到过电流与过电压以及过温的保护，成为零件制造商追求的目标之一。
[0003]现有的保护元件的等效电路，大多使用两个熔丝元件(或保险丝元件)串联与加热器(发热电阻)来组成，加热器(发热电阻)的一端连接两个熔丝元件彼此相连的端点，保护元件的结构包含基板、基板上的电极、低熔点金属以及加热器(发热电阻)，来设计相关的保护元件。特别需说明的是，缺点一:加热器(发热电阻)都是配置在基板上，在基板上设计加热器，有的设计在基板的上表面，有的设计在基板的下表面。如台湾专利TW 1255481文献所记载，其保护元件的构造是将加热器与低熔点金属(或低熔点构件)设计在基板的同一表面上，就有绝缘的问题需考虑，也就是在加热器与低熔点金属(低熔点构件)之间必须放置一层绝缘层，不然可能会有彼此短路的疑虑(或改变加热器电阻值的疑虑)，设计上要考虑绝缘层的厚度或不同电极的高低设计，来达到想要的特性。若加热器与低熔点金属(低熔点构件)设计在基板不同的表面上，就须考虑到基板导热率的问题，因在基板的上表面有三个子电极与低熔点金属(或低熔点构件)连结，如何将下表面上的加热器，所产生的热快速的传导到上表面其中一个子电极，又需延缓传导至另两个子电极，所以在基板不同区块有不同导热率的选择与加工上增加许多复杂的程序，另加热器的电极从下表面连接到上表面，所损耗的热能需要加热器产生更多的热能才能熔断低熔点金属块或低熔点金属。缺点二:加热器(或发热电阻)都是以单一电阻的设计，或受到基板的的表面积的限制，加热器的电阻值只有一种选择，加热器所产生的热，是由跨接在加热器两端的电压与加热器的阻抗来决定，若客户在应用上电压变动的范围较大，需要更大的电阻范围(或两种电阻值的选择)，来调整加热器所能产生的热能，客户就必须改用其他规格的保护元件，如此会增加零件库存管理的难度与呆滞物料的风险。缺点三:当被保护装置需要通过更大的电流时，保护元件的过电流保护的电流规格也必须提高，其方法之一是增大低熔点金属块的截面积(例如:增加可熔断金属的厚度)，当过电压的事件发生时，加热器(或发热电阻)如何快速且有效的熔断较厚的可熔断金属(或保险丝元件)是有困难的，尤其是负责熔断可熔断金属的加热电极，甚至有可能因熔断较厚的可熔断金属，被熔融的可熔断金属的体积增加，因加热电极(或延伸电极)的面积有限，而无法承受高温，也就是加热电极(或延伸电极)被溶蚀，发生电流无法流经加热器，使得加热元件停止发热，而无法达到熔断低熔点金属块的目的，失去过电压保护的功能。现有的技术都增加了加工与材料选择的复杂度，且无法应用在高(大)电流电池组的保护电路中，或电压变动范围较大的电池组的保护线路中，如此不符合客户(市场)要求零件厚度变薄、制造成本降低以及提高额定工作电流等的重要需求，终将失去市场的竞争力。
[0004]Tff 201140639 Al提出一种保护元件，其等效电路使用两个熔丝元件(或保险丝元件)串联与加热器(发热电阻)来组成，此保护元件是将加热器设计在基板的上表面或下表面，缺点一:加了一些绝缘层或低导热部，或在基板内的材料分成高导热率与低导热部的设计，结构过于复杂，无法快速的将加热器所产生的热传递给基板上表面的电极来熔断金属块(或低熔点构件)，缺点二:是加热器可使用的面积有限，当需通过金属块的电流愈大时所需熔断金属块的热能也就愈大，若要再提高加热器的热能，就必须提高加热器的电阻值，势必增加元件的长度或高度，如此不符合电子元件小型化的趋势，缺点三:因电流规格提高，金属块的厚度增厚时，负责熔断的金属块的电极(第一电极延伸部)，因受第三、第四子电极的限制，面积太小有被熔蚀的风险。
【发明内容】
[0005]针对上述的缺点与未来保护元件应用上的趋势(例如:更高的额定电流、不同电阻值的加热器等需求)，本发明提供一种可实现低外型、高额定电流、可快速动作或保护、具有一个或多个电阻值外接端点的热产生组件的复合式保护元件以及复合式保护元件的制造方法。
[0006]本发明之一种复合式保护元件，包括基板，基板是多层绝缘基板；上电极，配置在基板上，包含第一上电极与第二上电极；热产生组件，配置在基板内，热产生组件的一端电气连接第二上电极；以及至少一可熔导体，配置在上电极上，可熔导体的一端电气连接第一上电极，另一端电气连接第二上电极，形成第一上电极与第二上电极之间的电流路径。复合式保护元件的等效电路，包含等效的保险丝(Fuse)元件与至少一个等效的发热电阻，等效的保险丝(Fuse)元件电气连接第一上电极与第二上电极，通过热的产生而将第一上电极与第二上电极之间的电流路径熔断。详细的说，当过电流事件发生时，流经第一上电极、可熔导体与第二上电极的电流超过额定电流的规格，可熔导体因通过的电流过大而产生热，热使可熔导体被熔断，将第一上电极与第二上电极之间的电流路径熔断，达到过电流保护的功能，另外，当过电压(过充)或过温事件发生时，热产生组件会产生热并传导至第二上电极，第二上电极聚集的热使可熔导体被熔断，将第一上电极与第二上电极之间的电流路径熔断，达到过电压(过充)或过温保护的功能。另外，需特别说明的是；可熔导体与热产生组件也可以正温度系数的热敏电阻(PTC Thermistor)来取代，取代可熔导体的正温度系数热敏电阻(PTC Thermistor)，有两技术特征:其一是通过的电流超出额定电流的规格时，正温度系数热敏电阻的阻值会在极短的时间从低电阻升至高电阻，限制通过本身的电流至极小的数值，其二是外部温度高至正温度系数热敏电阻的动作温度点时，正温度系数热敏电阻的阻值也会在极短的时间从低电阻升至高电阻，限制通过本身的电流至极小的数值。取代热产生组件的正温度系数热敏电阻(PTC Thermistor)，其技术特征在于当有某个范围的电压跨接到正温度系数热敏电阻的两端时，会产生电流(I = V/R，R:是正温度系数热敏电阻的阻值)，正温度系数热敏电阻会被触发而动作并在表面产生近似固定的温度(可依需求调整动作时的温度点)，提供给取代可熔导体的正温度系数热敏电阻的动作所需的热能需求。复合式保护元件的等效电路，包含等效的正温度系数的热敏电阻元件(PTCThermistor)与至少一个等效的发热电阻，等效的正温度系数的热敏电阻元件电气连接第一上电极与第二上电极或第一上电极、集热电极以及第二上电极，通过热的产生使正温度系数的热敏电阻由近似短路的低电阻在极短的时间内升至近似断路的高电阻，而将第一上电极与第二上电极之间的电流路径断开。以正温度系数热敏电阻(PTC Thermistor)取代可熔断导体与热产生组件的技术，也适用于本发明所有的复合式保护元件。
[0007]本发明的复合式保护元件其中针对上电极、可熔导体以及热产生组件可依据不同的需要，可以有一些变形的设计，需特别说明有三:
[0008]—、本发明的复合式保护元件的上电极可以是单层的导电层或多层的导电层，其中第一上电极与第二上电极可以是任何的几何形状与大小，较佳的是第二上电极的面积大于第一上电极的面积，且第二上电极包含外接部、狭窄部以及集热部，可熔导体经由第二上电极的外接部与外部电路电气连接，第二上电极的集热部，其部分集热部与可熔导体重迭且电气连接，第二上电极的集热部聚集热产生组件所产生的热，并熔断可熔导体，被熔断的部分可熔导体吸附在第二上电极的集热部上，第二上电极集热部的形状可以设计成当可熔导体被熔断(液化)时，能导引被熔融(液化)的可熔导体，快速的向外延伸，加快与未被熔融(液化)的可熔导体断开的速度，尤其是当可熔导体的额定电流愈大时，可熔导体的截面积也必须加大，因此可熔导体的厚度或宽度必须加大，所以第二上电极的集热部也必须加大，以便让熔融或液化的部分可熔导体，在集热部上有足够的表面积来吸附。第二上电极的狭窄部是为减少集热部的热传递到外接部或减少受到外部金属温度的影响，避免影响熔断可熔导体的时间。
[0009]二、本发明的复合式保护元件的可熔导体可以是单层的或多层的结构，多层结构可以是分层结构或是包覆式结构，其相邻的各层的材料有不同的熔点温度或液化点温度，又，因额定电流的大小不同，所以可熔导体其组成的材料与截面积也会有不同的设计，当额定电流小于某一特定值时，例如小于等于10A，可以配置可熔导体，可熔导体的宽度与高度(或厚度)在整个长度中都是一样的设计，当额定电流较高时，例如大于10A，可以配置复数个可熔导体，复数个可熔导体可以提升流通于第一上电极与第二上电极之间的电流，而不需改变可熔导体的截面积，若仍只配置可熔导体，可熔导体的截面积需变大，也就是可熔导体的高度(或厚度)会增加，高度(或厚度)增加会使需熔断可熔导体的热能增加或熔断时间增加，当然可熔导体的宽度与高度(或厚度)在整个长度中可以都是一样的设计，但较佳的是本发明针对需要较大额定电流的复合式保护元件提供一种不同高度(厚度)的可熔导体，可熔导体包含薄壁部与厚壁部，薄壁部与厚壁部两者的截面积大致相近或相等，但厚壁部的厚度或高度会比薄壁部厚或高，薄壁部与第二上电极电气连接，厚壁部与第一上电极电气连接，因薄壁部与厚壁部两者的截面积大致相近或相等，所以可通过可熔导体的薄壁部与厚壁部的电流大小是一样的，当过电流事件发生时，可熔导体因通过的异常电流发热而熔断，当过电压(或过充)或过温事件发生时，热产生组件会发热，第二上电极会聚集热产生组件所产生的热，与第二上电极电气连接的可熔导体的薄壁部会较快(或较容易)熔断，本设计的优点是当热产生组件产生热时，第二上电极聚集的热要熔断可熔导体，若可熔导体的薄壁部与厚壁部有相近的截面积时，薄的部分会比厚的部分更快被熔断，通过这样的技术可以让需要较大额定电流的复合式保护元件，当过电压(或过充)或过温时，复合式保护元件所需动作(或保护启动)的速度也可以相当的快速。当然可熔导体也可利用不同的截面积设计，小截面积的部分与第二上电极电气连接，大截面积的部分与第一上电极电气连接，但须确保小截面积的部分可以达到额定电流的需求即可。当然也可采用复数个可熔导体且每个可熔导体包含薄壁部和厚壁部的设计整合运用，达到未来需求更高额定电流的复合式保护元件的目标。
[0010]三、本发明的复合式保护元件的热产生组件配置在基板内，所以可以降低复合式保护元件的高度，实现低外型的要求。另本发明的热产生组件可以提供至少一组或多组(1，2，3…等)不同电阻值的端点，依不同的需求电气连接外部电路，例如一组电阻值端点的热产生组件包含热产生材料与配置在热产生材料两端的两个内电极，内电极电气连接第二上电极，另一内电极电气连接外部电路。两组电阻值端点的热产生组件包含两热产生材料与各自配置在两个热产生材料两端的复数个内电极，两个热产生材料电气串联连接，其中热产生材料的内电极电气连接第二上电极，另一热产生材料的两个内电极可电气连接外部电路。三组电阻值端点的热产生组件包含三热产生材料与各自配置在三个热产生材料两端的复数个内电极，三个热产生材料电气串联连接，其中热产生材料的内电极电气连接第二上电极，另两个热产生材料的内电极可电气连接外部电路。以此类推本发明可以提供复数个不同电阻值的端点，供系统保护电路设计者更有弹性的设计，且因本发明的复合式保护元件的基板是多层的结构，所以多组的热产生材料与内电极都可配置在基板内，本发明的复合式保护元件的高度低于之前技术的加热器配置在基板上的保护元件。
[0011]本发明的复合式保护元件，另包含辅助材料，辅助材料可配置在可熔导体上或配置在可熔导体与第二上电极上，且辅助材料液化点或液相点温度低于可熔断导体的熔点或液化点或液相点温度。
[0012]本发明的复合式保护元件，另包含吸附线与辅助材料，吸附线配置在第二上电极上的一端且延伸跨越可熔导体至第二上电极上相反的另一端，辅助材料配置在吸附线与可熔导体之间，以及吸附线与第二上电极之间，且辅助材料液化点或液相点温度低于可熔断导体的恪点或液化点或液相点温度。
[0013]本发明的复合式保护元件，另包含抑制电弧层，其配置在第一上电极与第二上电极之间，并包覆在第一上电极与第二上电极之间部分的可熔导体表面。抑制电弧层的特征是当可熔导体因热熔融且开始断开时，因刚开始断开时的距离很近时，可能产生电弧而产生高热，造成复合式保护元件的损坏，所以将抑制电弧层包覆可熔材料的中段，当在第一上电极与第二上电极之间部分的可熔导体开始熔断时，在可熔导体中段表面上的抑制电弧层，可以抑制电弧的产生，降低因电弧产生的高热造成复合式保护元件的损坏。
[0014]本发明的另一种复合式保护元件，包括基板，基板是多层绝缘基板；上电极，配置在基板上，包含第一上电极与集热电极以及第二上电极，集热电极配置在第一上电极与第二上电极之间；热产生组件，配置在基板内，非配置在第一层绝缘基板上而是其他层绝缘基板平的表面上，热产生组件的一端电气连接集热电极；以及至少一可熔导体，配置在上电极上，电气连结第一上电极、集热电极以及第二上电极，形成第一上电极与第二上电极之间的电流路径。可熔导体实际上是一体的，在电气特性上可以分成两部分，其一是介于第一上电极与集热电极之间的部分定义为右边可熔导体，其二是介于第二上电极与集热电极之间的部分定义为左边可熔导体。可熔导体可以是单层或多层结构，且相邻的各层熔点温度可以是不同的。复合式保护元件的等效电路，包含两个等效的保险丝(Fuse)元件与至少一个等效的发热电阻，当过电流事件发生时，超过额定的电流流经第一上电极、可熔导体与第二上电极，可熔导体产生热而熔断可熔导体，将第一上电极与第二上电极之间的电流路径熔断，达到过电流保护的功能，当过电压(或过充)或过温事件发生时，集热电极聚集热产生组件产生的热，使配置在集热电极上的部分可熔导体熔断，将第一上电极与第二上电极之间的电流路径熔断，达到过电压(或过充)或过温保护的功能。另外，需特别说明的是；本发明的复合式保护元件中的可熔导体与热产生组件也可以正温度系数的热敏电阻(PTCThermistor)来取代，其相关说明与前述的的内容相似，在此不再赘述。
[0015]本发明的复合式保护元件其中针对上电极、可熔导体以及热产生组件可依据不同的需要，可以有一些变形的设计，需特别说明有三:
[0016]一、本发明的另一种复合式保护元件的上电极可以是单层的导电层或多层的导电层，其中第一上电极、集热电极以及第二上电极可以是任何的几何形状与大小，一般而言集热电极的形状是以与可熔导体重迭的部分为中心，分两个相反方向向外延伸，集热电极的宽度都一样宽，较佳的是集热电极其由中心向外延伸部分的宽度比中心部分的宽度更宽或更大，此设计的好处尤其是当可熔导体的额定电流愈大时，可熔导体的截面积也必须加大，因此可熔导体的厚度或宽度必须加大，当可熔导体熔融(液化)时，熔融的可熔导体更容易由中心向外延伸，吸附在更宽大的集热电极上。当然集热电极也可以向不同个数的方向延伸，形状可以是任意的形状，集热电极形状的设计只要是能使熔融的可熔导体更快的吸附在集热电极上，都属本发明的范围之内。
[0017]二、本发明的另一种复合式保护元件的可熔导体，可熔导体配置于第一上电极、集热电极以及第二上电极上，并电气连结第一上电极、集热电极以及第二上电极，可熔导体实际上是一体的，在电气特性上可以分成两部分，其一是介于第一上电极与集热电极之间的部分定义为右边可熔导体，其二是介于第二上电极与集热电极之间的部分定义为左边可熔导体。可熔导体可以是单层的或多层的结构，多层结构可以是分层结构或是包覆式结构，其相邻的各层的材料有不同的熔点温度或液化点温度，又，因额定电流的大小不同，所以可熔导体其组成的材料与截面积也会有不同的设计，当额定电流小于某一特定值时，例如小于等于10A，可以配置可熔导体，可熔导体的宽度与高度(或厚度)在整个长度中都是一样的设计，当额定电流较高时，例如大于10A，可以配置复数个可熔导体，复数个可熔导体可以提升流通于第一上电极与第二上电极之间的电流，而不需改变可熔导体的截面积，若仍只配置可熔导体，可熔导体的截面积需变大，也就是可熔导体的高度(或厚度)会增加，高度(或厚度)增加会使需熔断可熔导体的热能增加或熔断时间增加，当然可熔导体的宽度与高度(或厚度)在整个长度中也可以都是一样的设计，但较佳的是本发明针对需要较大额定电流的复合式保护元件提供一种不同高度(厚度)的可熔导体，可熔导体包含中间的薄壁部与两端的厚壁部，中间的薄壁部与两端的厚壁部两者的截面积大致相近或相等，但两端的厚壁部的厚度或高度会比中间的薄壁部的更厚或更高，中间的薄壁部与集热电极电气连接，两端的厚壁部分别与第一上电极以及的二上电极电气连接，因中间的薄壁部与两端的厚壁部两者的截面积大致相近或相等，所以可通过可熔导体的中间的薄壁部与两端的厚壁部的电流大小是一样的，当过电流事件发生时，可熔导体因通过的异常电流发热而熔断，当过电压(或过充)或过温事件发生时，热产生组件会发热，集热电极会聚集热产生组件所产生的热，与集热电极电气连接的可熔导体的中间的薄壁部会较快(或较容易)熔断，本设计的优点是当热产生组件产生热时，集热电极聚集的热要熔断可熔导体，若可熔导体的中间的薄壁部与两端的厚壁部有相近的截面积时，薄的部分会比厚的部分更快被熔断，通过这样的技术可以让需要较大额定电流的复合式保护元件，当过电压(或过充)或过温时，复合式保护元件所需动作(或保护启动)的速度也可以相当的快速。当然可熔导体也可利用不同的截面积设计，小截面积的部分与集热电极电气连接，大截面积的部分与第一上电极以及第二上电极电气连接，但须确保小截面积的部分可以达到额定电流的需求即可。当然也可采用复数个可熔导体且每个可熔导体包含薄壁部和厚壁部的设计整合运用，达到未来需求更高额定电流的复合式保护元件的目标。
[0018]三、本发明的另一种复合式保护元件的热产生组件配置在基板内，所以可以降低复合式保护元件的高度，实现低外型的要求。另本发明的热产生组件可以提供至少一组或多组(1，2，3…等)不同电阻值的端点，依不同的需求电气连接外部电路，例如组电阻值端点的热产生组件包含热产生材料与配置在热产生材料两端的两个内电极，一个内电极电气连接集热电极，另一个内电极电气连接外部电路。两组电阻值端点的热产生组件包含两热产生材料与各自配置在两个热产生材料两端的复数个内电极，两个热产生材料电气串联连接，其中热产生材料的内电极电气连接集热电极，另一热产生材料的两个内电极可电气连接外部电路。三组电阻值端点的热产生组件包含三热产生材料与各自配置在三个热产生材料两端的复数个内电极，三个热产生材料电气串联连接，其中一个热产生材料的一个内电极电气连接集热电极，另两个热产生材料的内电极可电气连接外部电路。以此类推本发明可以提供复数个不同电阻值的端点，供系统保护电路设计者更有弹性的设计，且因本发明的复合式保护元件的基板是多层的结构，所以多组的热产生材料与内电极都可配置在基板内，本发明的复合式保护元件的高度低于之前技术的加热器配置在基板上的保护元件。
[0019]本发明的复合式保护元件，另包含辅助材料，辅助材料可配置在可熔导体上或配置在可熔导体与集热电极上，且辅助材料液化点或液相点温度低于可熔断导体的熔点或液化点或液相点温度。
[0020]本发明的复合式保护元件，另包含吸附线与辅助材料，吸附线配置在集热电极上的一端且延伸跨越可熔导体至集热电极上相反的另一端，辅助材料配置在吸附线与可熔导体之间，以及吸附线与集热电极之间，且辅助材料液化点或液相点温度低于可熔断导体的熔点或液化点或液相点温度。
[0021]本发明的复合式保护元件，另包含抑制电弧层，其一配置在第一上电极与集热电极之间，并包覆在第一上电极与集热电极之间部分的可熔导体表面，其二配置在第二上电极与集热电极之间，并包覆在第二上电极与集热电极之间部分的可熔导体表面。抑制电弧层的特征是当可熔导体因热熔融且开始断开时，因刚开始断开的距离很近时，可能产生电弧而产生高热，造成复合式保护元件的损坏，所以将抑制电弧层包覆可熔材料的两端，当在第一上电极与集热电极之间部分的可熔导体开始熔断或在第二上电极与集热电极之间部分的可熔导体开始熔断时或在第一上电极与集热电极之间以及在第二上电极与集热电极之间的部分的可熔导体分别开始熔断时，在可熔导体两端表面上的抑制电弧层，可以抑制电弧的产生，降低因电弧产生的高热造成复合式保护元件的损坏。
[0022]本发明的一种复合式保护元件，包括基板，基板是多层绝缘基板；上电极，包括配置在基板上的第一上电极以及配置在基板内且延伸至基板上的第二上电极；热产生组件，配置在基板内，热产生组件的一端电气连接第二上电极；以及至少一可熔导体，配置在上电极上，可熔导体的一端电气连接第一上电极，另一端电气连接第二上电极，以形成第一上电极与第二上电极之间的电流路