保护元件及过电流及过电压保护模块的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种保护元件及过电流及过电压保护模块，包括基板、电极层、金属结构、加热器、外盖以及灭电弧结构。电极层配置于基板。电极层包括至少一间隙。金属结构配置于电极层并位于间隙上方，具有比电极层低的熔点。加热器配置于基板，加热器发热而使金属结构呈现熔融状态。外盖配置于基板，并覆盖于金属结构与部分电极层。灭电弧结构配置于外盖与基板之间。
【专利说明】保护元件及过电流及过电压保护模块
【技术领域】
[0001]本发明是有关于一种保护元件，且特别是有关于一种具有灭电弧结构的一种过电流及过电压保护元件。
【背景技术】
[0002]现今社会对于电子产品的依赖性日益提高，人们身边总是存在有电子产品，而电子产品内部更是具有电路。并且不论是简单的电路，亦或是复杂的电路，总是会包括基本的被动元件，例如电阻元件、电容元件、电感元件或是用于保护电路的过电流/过电压保护元件等。
[0003]以过电流/过电压保护元件为例，过电流/过电压保护元件主要是用来保护电路中的电路或电器设施，防止其受到瞬间超额的电流或过高的电压而对精密电子设备造成损坏。当瞬间电流超过预定的电流额值时，过电流/过电压保护元件中以合金材料所完成的保险丝将因瞬间过大的电流所产生的热量而被高温熔断，进而形成断路，使过大的电流不再流入电路中，以保护电路及电器设备免于损坏。
[0004]通常过电流/过电压保护元件在完成后会进行遮断容量测试(breaking capacitytest)，藉以得知此元件的绝缘阻抗是否可达到断路要求，根据不同种类与需求的电子装置也有不同的遮断容量测试。而遮断容量测试属于高瓦、高功率的测试，使得过电流/过电压保护元件的保险丝在测试时瞬间熔断，并同时产生电弧效应(arcing effect)，因此极易烧毁周围的电子元件及毁损昂贵系统设备。因此，如何针对上述问题进行改善，实为值得关注的重点之一。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一就是在提供一种过电流及过电压保护元件，以解决现有结构在进行遮断容量测试(breaking capacity test)时所产生的电弧效应造成导电物质飞派造成的短路问题。
[0006]为达上述优点，本发明提出一种保护元件，包括基板、电极层、金属结构、加热器、外盖以及灭电弧结构。电极层配置于基板。电极层包括至少一间隙。金属结构配置于电极层并位于间隙上方，具有比电极层低的熔点。加热器配置于基板，加热器发热而使金属结构呈现熔融状态。外盖配置于基板，并覆盖于金属结构与部分电极层。灭电弧结构配置于外盖与该基板之间。
[0007]在本发明的一实施例中，上述的灭电弧结构配置于间隙内，并位于基板与金属结构之间。
[0008]在本发明的一实施例中，上述的灭电弧结构包括多个无机粒子。
[0009]在本发明的一实施例中，上述的灭电弧结构包括聚硅氧树脂。
[0010]在本发明的一实施例中，上述的灭电弧结构包括多个无机粒子与助焊剂。
[0011]为达上述优点，本发明另一方面提出一种过电流及过电压保护模块，包括电路板以及过电流及过电压保护元件。过电流及过电压保护元件配置于电路板，过电流及过电压保护元件包括基板、电极层、金属结构、加热器、外盖以及保护膜。基板配置于电路板。电极层配置于基板，电极层包括至少一间隙。金属结构配置于电极层并位于间隙上方。加热器配置于基板上，加热器发热而使金属结构呈现熔融状态。外盖配置于基板，并覆盖于金属结构与部分电极层。保护膜覆盖于保护元件以及部分电路板。
[0012]本发明所述的保护元件因采用由多个无机粒子或聚硅氧树脂所组成的灭电弧结构，在这样的结构设计下，可有效提高灭电弧效果，并且有效阻隔累积于这些间隙内的导电物质产生通路。此外，本发明另外通过于外盖的内侧表面上配置灭电弧结构，同样能够有效降低电极间导通路径的产生，提高电极间的绝缘阻抗。此外，本发明所述的保护元件也可以在基板上配置通孔来做为灭电弧结构，当保护元件进行遮断容量测试时所产生的碳黑以及金属粉末等导电物质能够通过这些通孔排出，当然，此通孔也可以与配置于间隙内的灭电弧结构同时存在。
[0013]为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1A绘示为本发明的一实施例所述的保护元件的俯视透视图。
[0015]图1B绘示为沿图1A所示的AA’线段的剖面示意图。
[0016]图1C绘示为图1A与图1B所示的灭电弧结构与电极层之间的长度关系示意图。
[0017]图2绘示为本发明的另一实施例所述的保护元件的俯视示意图。
[0018]图3绘示为本发明的另一实施例所述的过保护元件的剖面示意图。
[0019]图4绘示为本发明的另一实施例所述的保护元件的剖面示意图。
[0020]图5绘示为本发明的另一实施例所述的保护元件的剖面示意图。
[0021]图6A绘示为本发明的另一实施例所述的保护元件的剖面示意图。
[0022]图6B与图6C绘示为图6A所示的灭电弧结构与电极层之间的长度与宽度关系示意图。
[0023]图7绘示为本发明的另一实施例所述的保护元件的剖面示意图。
[0024]图8绘示为本发明的一实施例所述的保护模块的剖面示意图。
[0025]其中，附图标记说明如下:
[0026]l、la、lb、lc、ld、le、lf:保护元件
[0027]10:基板
[0028]11:电极层
[0029]12:金属结构
[0030]13、13b、13c、13d、13e、14f:灭电弧结构
[0031]14:外盖
[0032]15:加热器
[0033]16:绝缘保护层
[0034]17:通孔
[0035]101:第一表面
[0036]102:第二表面
[0037]103:第一侧表面
[0038]104:第二侧表面
[0039]111、112:间隙
[0040]113:第一电极层
[0041]114:第二电极层
[0042]115:第三电极层
[0043]116:第四电极层
[0044]140:内侧表面
[0045]170:开口
[0046]1131:第一侧电极
[0047]1132:第二侧电极
[0048]1133:中间电极
[0049]1141:第三侧电极
[0050]1142:第四侧电极
[0051]2:过电流及过电压保护模块
[0052]20:电路板
[0053]21:保护膜
[0054]H1、H2:高度
[0055]W1、W2、W3、W4:宽度
[0056]L1、L2、L3、L4、L5:长度
【具体实施方式】
[0057]请参照图1A与图1B，图1A为本发明的一实施例所述的保护元件的俯视透视图，图1B为沿图1A所示的AA’线段的剖面示意图。如图1A与图1B所示，本实施例所述的保护元件I例如是具有过电流及过电压保护功能的保护元件。本实施例所述的保护元件I包括基板10、电极层11、金属结构12、灭电弧结构13以及外盖14。电极层11配置于基板10,且电极层11包括间隙111、112，在本实施例中，间隙的数量以二个为例进行说明，但本发明不以此为限，间隙的数量可以因应实际的需求进行改变，例如间隙的数量可为一个或二个以上。金属结构12配置于电极层11并且位于这些间隙111、112的上方，在本实施例中，金属结构12例如是可熔合金，具有比电极层11低的熔点，其材质例如锡铅合金、锡银铅合金、锡铟铋铅合金、锡锑合金、锡银铜合金等低熔点合金，但本发明不以此为限。灭电弧结构13配置于这些间隙111、112内并位于金属结构12与基板10之间。外盖14配置于基板10并覆盖于金属结构12与部分的电极层11。以下再就本实施例所述的保护元件I的详细结构作进一步的描述。
[0058]承上述，如图1A与图1B所示，本实施例所述的基板10具有相对的第一表面101、第二表面102以及相对的第一侧表面103、第二侧表面104,其中第一侧表面103与第二侧表面104分别邻接于第一表面101与第二表面102之间。电极层11包括第一电极层113、第二电极层114、第三电极层115以及第四电极层116。第一电极层113位于基板10的第一表面101。第二电极层114位于基板10的第二表面102。第一电极层113包括第一侧电极1131、第二侧电极1132以及位于第一侧电极1131与第二侧电极1132之间的中间电极1133。第二电极层114包括第三侧电极1141与第四侧电极1142。第三侧电极1141与第四侧电极1142分别对应于第一侧电极1131与第二侧电极1132,且第三电极层115位于第一侧表面103并电性连接于第一侧电极1131与第三侧电极1141,第四电极层116位于第二侧表面104并电性连接于第二侧电极1132与第四侧电极1142。须注意的是，于本实施例中，第三电极层115和第四电极层116是以分别位于第一侧表面103和位于第二侧表面104为例进行说明，但本发明不以此为限，于其他实施例中(图示未显示)，第三电极层和第四电极层也可以在基板中以导通孔方式电性连接于第一电极层和第二电极层。电极层11的这些间隙111、112分别位于第一侧电极1131与中间电极1133之间以及第二侧电极1132与中间电极1133之间，使第一侧电极1131、第二侧电极1132和中间电极1133电性隔离。具体来说，外盖14配置于基板10与第一电极层113的第一侧电极1131、第二侧电极1132以及中间电极1133上，外盖14主要用以容置金属结构12及灭电弧结构13。
[0059]本实施例所述的灭电弧结构13例如是由多个无机粒子所构成，也就是说，将这些无机粒子填充于电极层11的这些间隙111、112之中，通过这些无机粒子所构成的灭电弧结构13提升保护元件I的遮断能力(Interrupting rating),进而有效提高灭电弧效果,增加电极间的绝缘阻抗，避免短路。在本实施例中，无机粒子的材质包括二氧化硅(S12，又称石英)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(T12)、黏土(clay，例如:蒙脱土、高岭土、滑石)、金属氧化粉或陶土。值得一提的是，填充于电极层11的这些间隙111、112之中的这些无机粒子的粒径例如是小于70微米，但本发明不以此为限。在其它的实施例中，这些无机粒子的粒径例如是小于40微米，较佳地，无机粒子的粒径例如是小于I微米。
[0060]需特别说明的是，通过多个无机粒子填充于电极层11的这些间隙111、112之中以构成灭电弧结构13仅为本发明的其中的一实施例。在一实施例中，灭电弧结构13例如是将聚娃氧树脂(polysiloxanes)填充于电极层11的这些间隙111、112之中。其中，聚娃氧树脂的材料例如是聚二甲基娃氧烧(polydimethylsiloxane,简称PDMS)、聚乙烯娃氧烧(Polyvinylsi1xane,简称PVS)等,藉以降低电弧产生的能量，以减少电弧效应产生的导电物质飞溅所造成的电路短路问题。在一实施例中，灭电弧结构13例如是将多个无机粒子与助焊剂同时填充于电极层11的这些间隙111、112之中，使同时可有效地帮助金属结构熔融及提高灭电弧效果。助焊剂的材料可包括树脂或松脂(Rosin)等。值得一提的是，当无机粒子与助焊剂同时填充于这些间隙111、112中，且这些无机粒子与助焊剂的添加量总和为A时，这些无机粒子的添加量例如是大于1/20A，换言之，这些无机粒子的添加量需大于添加物总量的5%。
[0061]请参照图1C，其为图1A与图1B所示的灭电弧结构与电极层之间的长度关系示意图。如图1C所示，本实施例所述的灭电弧结构13涂布与填充于电极层11的这些间隙111、112之中的长度L2例如是大于第一侧电极1131的长度LI与第二侧电极1132的长度L3，进而有效提高遮断容量测试后电极间的绝缘阻抗，避免短路，但本发明不以此为限。需特别说明的是，在本图中，为了更明显表达出灭电弧结构13的涂布与填充长度L2大于第一侧电极1131的长度LI与第二侧电极1132的长度L3，因此仅绘示出必要的构件，其余构件则在本图中省略。
[0062]请再继续参照图1A与图1B，本实施例所述的保护元件I还包括加热器15以及绝缘保护层16。加热器15位于第二电极层114的第三侧电极1141与第四侧电极1142之间，且加热器15电性连接于第一电极层113的中间电极1133，在本实施例中，加热器15例如是材质为二氧化钌(RuO2)或碳黑等的电阻材料，但本发明不以此为限。此外，加热器15可与外部的驱动装置(在本图中未绘示)进行电性连接，并经由外部的驱动装置驱动加热器15发热，而使金属结构12呈现熔融状态。为保护加热器15不受后工艺及外界湿气、酸碱环境影响，可将绝缘保护层16覆盖于加热器15并位于第二电极层114的第三侧电极1141与第四侧电极1142之间，绝缘保护层16的材质可包括玻璃胶或环氧树脂(epoxy resin)等材料。需特别说明的是，在本实施例中，加热器15位于与金属结构12不同侧的位置，但本发明并不以此为限。在其它的实施例中，加热器15亦可位于与金属结构12同侧的位置上。
[0063]请参照图2，其为本发明的另一实施例所述的保护元件Ia的俯视示意图。如图2所示，本实施例所示的保护元件Ia与图1A至图1C所示的保护元件I类似,不同点在于,本实施例所述的保护元件Ia以通孔17来取代如图1A至图1C所示的灭电弧结构13。在本实施例中，通孔17的数量例如是四个，但本发明不以此为限，通孔17的数量可依实际情况需求而有所增减。这些通孔17配置于基板10上且分布于露出电极层11的部分基板10上，S卩电极层113的间隙111、112中，具体来说，这些通孔17分布于第一侧电极1131与中间电极1133之间以及第二侧电极1132与中间电极1133之间。此外，这些通孔17分别具有开口 170，而这些开口 170的直径不宜过大以降低基板破裂机率，较佳地，例如是小于400微米，但本发明不以此为限。在本实施例中，设置这些通孔17的目的在于，当保护元件I进行遮断容量测试时所产生的碳黑以及金属粉末等导电物质能够通过这些通孔17排出，以提高电极间的绝缘阻抗。因此，本实施例所述的外盖14不需要另外开设孔洞来排出碳黑以及金属粉末等导电物质。需特别说明的是，在其它实施例中，也可以通过配置于间隙111、112内的灭电弧结构13 (如图1A至图1C所示)搭配通孔17的结构来提高灭电弧及提高绝缘阻抗的效果。
[0064]请参照图3，其为本发明的另一实施例所述的保护元件的剖面示意图。如图3所示，本实施例所述的保护元件Ib与图1A至图1C所示的保护元件I类似,不同点在于,本实施例所述的灭电弧结构13b的高度Hl例如是小于第一电极层113的高度H2。在这样的结构下，仍可有效降低电弧效应发生的机率，并同时可以降低填充于这些间隙111、112中的无机粒子或聚硅氧树脂的使用量，进而降低制作成本。此外，在另一实施例中，如图4所示的保护元件lc，其灭电弧结构13c的宽度Wl例如是小于间隙111的宽度W2。需特别说明的是，灭电弧结构的高度与宽度可以依照实际的情况需求进行改变，除了如图3所示的对灭电弧结构13b的高度进行调整以及如图4所示的对灭电弧结构13c的宽度进行调整外，亦可同时对灭电弧结构的高度以及宽度进行调整。
[0065]请参照图5，其为本发明的另一实施例所述的保护元件的剖面示意图。如图5所示，本实施例所述的保护元件Id与图1所示的保护元件I类似，不同点在于，本实施例所述的灭电弧结构13d配置于外盖14的面向这些间隙111、112的内侧表面140上。其中，灭电弧结构13d例如是由感压胶(pressure sensitive adhesive,简称PSA)、娃氧感压胶(silicone PSA)或聚硅氧树脂(例如，聚二甲基硅氧烷、聚乙烯硅氧烷)等材料所组成，较佳地是使用附着力在10g/mm2至50g/mm2之间的感压胶或娃氧感压胶,或使用粘度在800cps至lOOOcps之间的聚硅氧树脂进行涂布。在本实施例中，通过在外盖14的内侧表面140上配置灭电弧结构13d，可有效减少电极间导通路径的产生，藉以提高电极间的绝缘阻抗值。值得一提的是，由于本实施例所述的保护元件Id的灭电弧结构13d配置于外盖14的内侧表面140上，因此，较佳地可于间隙111、112填充助焊剂(在本图中未绘示出)。
[0066]需特别说明的是，如图5所示的灭电弧结构13d例如是配置于外盖14的全部内侧表面140，但本发明不以此为限，灭电弧结构也可以仅配置于外盖14的部分内侧表面140上,如图6A所示的保护元件Ie,其灭电弧结构13e例如是配置于对应这些间隙111、112的部分内侧表面140上。在本实施例中，如图6B与图6C所示，灭电弧结构13e的宽度W4例如是大于第一侧电极1131至第二侧电极1132的宽度W3。灭电弧结构13e的长度L5例如是大于第一侧电极1131或第二侧电极1132的长度L4。需特别说明的是，为了清楚的表达灭电弧结构13e与第一侧电极1131、第二侧电极1132之间的长度与宽度的关系，图6B省略了外盖14的绘示。
[0067]请参照图7，其为本发明的另一实施例所述的保护元件的剖面示意图。如图7所示，本实施例所述的保护元件If与图1所示的保护元件I类似，不同点在于，本实施例所述的灭电弧结构13f同时配置于外盖14与电极层11的这些间隙111、112之中。具体而言，配置于外盖14的灭电弧结构13e例如是由感压胶、硅氧感压胶或聚硅氧树脂等材料所组成，而配置于这些间隙111、112之中的灭电弧结构13f例如是由多个无机粒子、多个无机粒子与助焊剂或是聚硅氧树脂所组成。
[0068]请参照图8，其为本发明的一实施例所述的过电流及过电压保护模块的剖面示意图。如图8所示，本实施例所示的过电流及过电压保护模块2包括电路板20、保护膜21以及如图1所示的具有过电流及过电压保护功能的保护元件I。保护元件I配置于电路板20。保护膜21覆盖于保护元件I以及部分的电路板20上，具体来说，保护膜21完全覆盖保护元件I并延伸到电路板20上,使过电流及过电压保护元件I与外界空气形成绝缘状态。而保护膜21的厚度例如是介于30微米至210微米之间，可使用例如娃胶(Silicone)、压克力(Acrylic)、聚氨酯(Urethane)、或环氧树脂(Epoxy)等材料涂布后再经过固化成形。在本实施例中，由于保护元件I配置有灭电弧结构13及/或在基板10配置有通孔17(如图2所示)，在这样的结构设计下，外盖14就不需要另外再开设孔洞，因此，保护膜21可以完全覆盖在保护元件I上，有效防止保护元件I受潮或是污垢进入到元件内部的问题。此外，上述图3至图7所述的不同保护元件的实施例皆可应用于如图8所示的过电流及过电压保护模块的架构之中。
[0069]综上所陈，本发明所述的保护元件因采用由多个无机粒子或聚硅氧树脂所组成的灭电弧结构，在这样的结构设计下，可有效提高灭电弧效果，并且有效阻隔累积于这些间隙内的导电物质产生通路。此外，本发明另外通过于外盖的内侧表面上配置灭电弧结构，同样能够有效降低电极间导通路径的产生，提高电极间的绝缘阻抗。此外，本发明所述的保护元件也可以在基板上配置通孔来做为阻隔导电物质所产生的通路，当保护元件进行遮断容量测试时所产生的碳黑以及金属粉末等导电物质能够通过这些通孔排出，当然，此通孔也可以与配置于间隙内或外盖内侧表面上的灭电弧结构同时存在。
[0070]虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当所后附的权利要求所界定者为准。
【权利要求】
1.一种保护元件，包括: 一基板； 一电极层，配置于该基板，该电极层包括至少一间隙； 一金属结构，配置于该电极层并位于该间隙上方，具有比该电极层低的熔点； 一加热器，配置于该基板，该加热器发热而使该金属结构呈现熔融状态； 一外盖，配置于该基板，并覆盖于该金属结构与部分该电极层；以及 一灭电弧结构，配置于该外盖与该基板之间。
2.如权利要求1所述的保护元件，其中该灭电弧结构配置于该间隙内，并位于该基板与该金属结构之间。
3.如权利要求2所述的保护元件，其中该灭电弧结构包括多个无机粒子。
4.如权利要求3所述的保护元件，其中该多个无机粒子的粒径小于70微米。
5.如权利要求2所述的保护元件，其中该灭电弧结构包括一聚硅氧树脂。
6.如权利要求2所述的保护元件，其中该灭电弧结构包括多个无机粒子与一助焊剂。
7.如权利要求6所述的保护元件，其中该多个无机粒子与该助焊剂的添加量总和为A，且该无机粒子的添加量大于1/20A。
8.如权利要求1所述的保护元件，其中该灭电弧结构的一长度大于该电极层于该间隙相邻侧的一长度。
9.如权利要求1所述的保护元件，其中该基板具有相对的一第一表面与一第二表面，该电极层包括一第一电极层位于该第一表面，其中该第一电极层包括一第一侧电极、一第二侧电极以及位于该第一侧电极与该第二侧电极之间的一中间电极，该加热器与该中间电极电性连接。
10.如权利要求1所述的保护元件，还包括至少一通孔，配置于该电极层的该间隙且露出该电极层的部分该基板上。
11.如权利要求1所述的保护元件，其中该灭电弧结构配置于该外盖的一面向该间隙的内侧表面上。
12.如权利要求11所述的保护元件，其中该灭电弧结构包括一感压胶、一硅氧感压胶或一聚硅氧树脂。
13.—种过电流及过电压保护模块，包括: 一电路板； 一过电流及过电压保护元件，配置于该电路板，该过电流及过电压保护元件包括: 一基板，配置于该电路板； 一电极层，配置于该基板，该电极层包括至少一间隙； 一金属结构，配置于该电极层并位于该间隙上方； 一加热器，配置于该基板上，该加热器发热而使该金属结构呈现熔融状态；以及 一外盖，配置于该基板，并覆盖于该金属结构与部分该电极层；以及 一保护膜，覆盖于该保护元件以及部分该电路板。
14.如权利要求13所述的过电流及过电压保护模块，其中该过电流及过电压保护元件还包括一灭电弧结构，配置于该间隙内并位于该金属结构与该基板之间。
15.如权利要求14所述的过电流及过电压保护模块，其中该灭电弧结构包括一聚硅氧树脂。
16.如权利要求14所述的过电流及过电压保护模块，其中该灭电弧结构包括多个无机粒子与一助焊剂。
17.如权利要求13所述的过电流及过电压保护模块，还包括至少一通孔，配置于该电极层的该间隙且分布于露出该电极层的部分该基板上。
18.如权利要求13所述的过电流及过电压保护模块，还包括一灭电弧结构，配置于该外盖的一面向该间隙的内侧表面上，其中该灭电弧结构包括一感压胶、一娃氧感压胶或一聚硅氧树脂。
【文档编号】H01H85/38GK104299868SQ201310300693
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年7月17日 优先权日:2013年7月17日
【发明者】王钟雄, 林鸿铭, 锺瀚扬, 许惠雯, 苏柏维, 陈鸿铭 申请人:乾坤科技股份有限公司