CN103258607A

CN103258607A - 过电流保护元件

Info

Publication number: CN103258607A
Application number: CN2012100374354A
Authority: CN
Inventors: 罗国彰; 张耀德; 梁雅芳; 沙益安; 王绍裘
Original assignee: Polytronics Technology Corp
Current assignee: Polytronics Technology Corp
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2032-02-16
Also published as: CN103258607B

Abstract

一种过电流保护元件包含二金属箔片及一PTC材料层。PTC材料层叠设于该二金属箔片之间，且体积电阻值小于0.4Ω-cm。PTC材料层包含(i)结晶性高分子聚合物；以及(ii)导电陶瓷填料，其散布于该结晶性高分子聚合物之中。该导电陶瓷填料为六方紧密堆积结构，且占该PTC材料层的重量百分比介于70％至95％之间。借由选用该导电填料可以有效增进材料的电阻再现性。

Description

过电流保护元件

技术领域

本发明涉及一种热敏电阻元件，特别涉及一种过电流保护元件。

背景技术

由于具有正温度系数(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性的导电复合材料的电阻对温度变化具有反应敏锐的特性，可作为电流感测元件的材料，目前已被广泛应用于过电流保护元件或电路元件上。由于PTC导电复合材料在正常温度下的电阻可维持极低值，使电路或电池得以正常运作。但是，当电路或电池发生过电流(over-current)或过高温(over-temperature)的现象时，其电阻值会瞬间提高至一高电阻状态(至少10²Ω以上)，而将过量的电流降低，以达到保护电池或电路元件的目的。

一般而言，PTC导电复合材料是由具结晶性的聚合物及导电填料所组成，该导电填料均匀分散于该聚合物之中。该聚合物一般为聚烯烃类聚合物，例如：聚乙烯，而传统的导电填料一般为碳黑、导电陶瓷与金属粉末等。

由于一般导电陶瓷填料以堆叠的方式形成导电通路，当该复合材料中的结晶性高分子聚合物因过电流(over-current)或过高温(over-temperature)受热后冷却，产生高分子再结晶现象，将导致陶瓷填料堆叠的方式改变，使得导电通路减少，造成该导电复合材料的电阻在反复承受过电流(over-current)或反复承受过高温(over-temperature)的触发(trip)反应时，电阻不易回复至初始值，亦即产生电阻再现性比值(trip jump)过高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过电流保护元件，在触发(trip)反应后仍具有较佳的再现性，以延长电池使用的寿命。

本发明提供一种过电流保护元件，借由于结晶性高分子聚合物中加入特定结构的导电陶瓷填料，使该过电流保护元件具有优异的低电阻值及电阻再现性。

为有效降低过电流保护元件经过反复触发(trip)后的电阻值，并且维持该导电复合材料的体积电阻值小于0.4Ω-cm，本发明采用具有特定堆叠结构的导电陶瓷填料。本发明的导电陶瓷填料为六方紧密堆积晶体(Hexagonclose-packed；HCP)结构，此紧密堆叠方式具有较多导电通路，使得导电性较佳，且可以有效增进材料的电阻再现性。

本发明一实施例的过电流保护元件包含二金属箔片及一PTC材料层。PTC材料层叠设于该二金属箔片之间，其体积电阻值小于0.4Ω-cm。PTC材料层包含(i)结晶性高分子聚合物；以及(ii)散布于该结晶性高分子聚合物之中的导电陶瓷填料。导电陶瓷填料为六方紧密堆积结构，且占该PTC材料层的重量百分比介于70％至95％之间。

一实施例中，导电陶瓷填料可为粉末状，且粒径大小主要介于0.01μm至100μm之间，较佳粒径大小介于0.1μm至50μm之间。导电陶瓷填料可为碳化钼、碳化钨或其混合物。

一实施例中，PTC材料层选用具结晶性的聚烯烃类聚合物(包括乙烯聚合物、聚丙烯、或聚氟化合物，例如高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蜡、聚丙烯、聚氯乙烯或聚氟乙烯等)、烯烃类单体与压克力类单体的共聚合物(例如乙烯-压克力酸共聚合物、乙烯-压克力脂共聚合物)或烯烃类单体与乙烯醇类单体的共聚合物(例如乙烯-乙烯醇共聚合物)等，并且可以选用一种或多种聚合物材料。低密度聚乙烯可用传统Ziegler-Natta催化剂或用Metallocene催化剂聚合而成，亦可经由乙烯单体与其它单体(例如：丁烯(butene)、己烯(hexene)、辛烯(octene)、丙烯酸(acrylic acid)或醋酸乙烯酯(vinyl acetate))共聚合而成。

本发明使用六方紧密堆积的导电陶瓷填料，能经300次反复触发后，将电阻再现性比值(trip jump)R300/Ri控制在小于等于25。其中Ri是起始阻值，R300是触发300次后回复至室温一小时后所量测的电阻值。

因为PTC材料层具有相当低的体积电阻值，所以可将PTC晶片(即本发明的过电流保护元件所需的PTC材料层)的面积缩小至小于50mm²，且仍然能够达到元件低电阻的目的，最终可以从同单位面积的每片PTC材料层生产出更多的PTC晶片，使生产的成本降低。

本发明的过电流保护元件，其中该二金属箔片可与另二金属电极片借着锡膏(solder)经回焊或借着点焊方式接合成一组装体(assembly)，通常是成一轴型(axial-leaded)、插件型(radial-leaded)、端子型(terminal)、或表面粘着型(surface mount)的元件。本发明的过电流保护元件，其中该上下金属箔片可连于电源而形成一导电回路(circuit)(于另一实施例中，则可借由该二金属电极片连于电源而形成一导电回路)，PTC材料层在过电流的状况下动作，而达到保护回路的功用。

附图说明

图1为本发明一实施例的过电流保护元件的示意图；以及

图2为本发明另一实施例的过电流保护元件的示意图。

其中，附图标记说明如下：

10 电流保护元件

11 PTC材料层

12 金属箔片

20 电流保护元件

22 金属电极片

具体实施方式

为让本发明的上述和其他技术内容、特征和优点能更明显易懂，下文特举出相关实施例，并配合附图，作详细说明如下：

以下说明本发明过电流保护元件的组成成份，包括实施例一至十四、比较例一至四，以及相关制作过程。

本发明过电流保护元件所使用的PTC材料层的成份及重量(单位：公克)如表一所示。

表一

其中LDPE-1为低密度结晶性聚乙烯(密度：0.924g/cm³，熔点：113℃)；HDPE-1为高密度结晶性聚乙烯(密度：0.943g/cm³，熔点：125℃)；HDPE-2为高密度结晶性聚乙烯(密度：0.961g/cm³，熔点：131℃)。实施例一至十四中，导电陶瓷填料包含碳化钼(Mo₂C)或碳化钨(WC)，并可进一步添加铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或钒(V)等磁性材料。另外，可依需求加入阻燃剂氢氧化镁(Mg(OH)₂)。导电碳化陶瓷填料外型可为破碎状、多角型、球形或片状。比较例一至四中的导电陶瓷填料是选用面心立方(Face-Centered Cubic；FCC)结构的碳化锆(ZrC)或碳化钛(TiC)等。本发明的导电陶瓷填料的作用主要是使得结晶性高分子聚合物与导电陶瓷填料有较佳结合性与堆叠性，以减少复合材料中的结晶性高分子受热后冷却，因再结晶现象而导致材料中的导电陶瓷填料重新排列，进而造成通路减少的问题。实施例中磁性材料的添加可进一步强化前述效应，但仅是本发明的另一选项而非本发明的必要材料成分。导电陶瓷填料占PTC材料层的重量百分比介于70～95％，其亦可为75％、80％、85％、90％或92％。磁性材料占该PTC材料层的重量百分比小于15％，特别是小于10％或8％。

制作过程如下：将批式混炼机(Haake-600)进料温度定在160℃，进料时间为2分钟，进料程序为按表一所示的重量，加入定量的结晶性高分子聚合物，搅拌数秒钟，再加入导电陶瓷粉末、(其粒径大小介于0.1μm至50μm之间)磁性材料、阻燃剂等。混炼机旋转的转速为40rpm。3分钟之后，将其转速提高至70rpm，继续混炼7分钟后下料，而形成一具有PTC特性的导电复合材料。

将上述导电复合材料以上下对称方式置入外层为钢板，中间厚度为0.33mm及0.2mm的模具中，模具上下各置一层铁弗龙脱模布，先预压3分钟，预压操作压力50kg/cm²，温度为180℃。排气之后进行压合，压合时间为3分钟，压合压力控制在100kg/cm²，温度为180℃，之后再重复一次压合动作，压合时间为3分钟，压合压力控制在150kg/cm²，温度为180℃，之后形成一PTC材料层11，如图1所示。一实施例中，该PTC材料层11的厚度为0.3mm(大于0.1mm或较佳地大于0.2mm)。

将该PTC材料层11裁切成20×20cm²的正方形，再利用压合将二金属箔片12直接物理性接触于该PTC材料层11的上下表面，其是于该PTC材料层11表面以上下对称方式依序覆盖金属箔片12。接着，压合专用缓冲材、铁弗龙脱模布及钢板而形成一多层结构。该多层结构再进行压合，压合时间为3分钟，操作压力为70kg/cm²，温度为180℃。之后，以模具冲切形成2.8mm×3.5mm的晶片状过电流保护元件10。

一实施例中，可再将二金属电极片22以锡膏(solder paste)借着回焊方式上下连接于该二金属箔片12上，制成轴状式(axial)的过电流保护元件20，如图2所示。实际应用上亦可视需要制作插件型(radial-leaded)、端子型(terminal)、或表面粘着型(surface mount)的元件。

以下表二显示过电流保护元件的各项测试特性。

PTC材料层11的体积电阻值(ρ)可根据式(1)计算而得：

其中R为PTC材料层11的电阻值(Ω)，A为PTC材料层11的面积(cm²)，L为PTC材料层11的厚度(cm)。将式(1)中的R以表二的实施例一的Ri(Ω)值(0.0064Ω)代入，A以9.8mm²代入，L以0.3mm(＝0.03cm)代入，即可求得ρ＝0.0209Ω-cm。同样可计算得出实施例二的体积电阻值ρ＝0.016Ω-cm以及其他实施例的体积电阻值。综合表二数据，体积电阻值ρ小于0.4Ω-cm，特别是小于0.3Ω-cm、0.1Ω-cm、0.08Ω-cm或0.05Ω-cm。

电阻再现性是于施加6V电压以及50mA电流的条件下进行测试，元件作动的电阻再现性亦显示在表二中。实施例一至十四于300次触发后的电阻比值R300/Ri均小于25，且除实施例三、实施例七、实施例十二～十四外，R300/Ri可进一步小于20；至于100次触发后的电阻比值R100/Ri均小于18，且大部分实施例R100/Ri可小于15，甚至小于12。表二中比较例一至四的电阻比值R300/Ri均大于27，显然本发明选用HCP结构的导电陶瓷填料，此堆叠方式的导电通路配置使得导电性较佳，可以有效增进材料的电阻再现性。

表二

比较例中的碳化钛或碳化锆的堆叠为FCC结构，其相应PTC元件的电阻再现性比值显然不如碳化钼及碳化钨的HCP结构的电阻再现性表现。碳化钼的导电特性约为97mΩ-cm，密度为9.16g/cm³，维氏硬度为1800HV50；碳化钨的导电特性约97mΩ-cm，密度为15.63g/cm³，维氏硬度为2200HV50。碳化钼的导电度较高，密度较低，且硬度较低，故相较于碳化钨具高导电、轻量化及易加工的优点。实施例九及十中同时使用碳化钼及碳化钨作为导电陶瓷填料，虽然其体积电阻值在所有实施例中并非最低，但电阻再现性比值R300/Ri≤15及R100/Ri≤10均显示相当优良的电阻再现性。实际应用上，碳化钼/碳化钨的重量比值可介于0.5～1.5，或介于0.8～1.2。

本发明的过电流保护元件，借由加入一具特定粒径分布的导电陶瓷填料及至少结晶性的高分子聚合物，经由表二的结果可知，本发明的过电流保护元件确可达到具有优异的初始电阻值(除实施例十二及十三外，Ri均小于10mΩ)及电阻再现性的预期目的。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域普通技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的权利要求范围所涵盖。

Claims

1.一种过电流保护元件，其特征在于，包括：

二金属箔片；以及

一PTC材料层，叠设于该二金属箔片之间，且体积电阻值小于0.4Ω-cm，所述PTC材料层包含：结晶性高分子聚合物及散布于该结晶性高分子聚合物之中的导电陶瓷填料，其中该导电陶瓷填料为六方紧密堆积结构，且其于该PTC材料层中的重量百分比介于70％至95％之间。

2.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该过电流保护元件经300次反复触发后，其电阻再现性比值小于等于25。

3.根据权利要求2所述的过电流保护元件，其中该电阻再现性比值是于施加6V电压以及50mA电流的条件下进行测试。

4.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该导电陶瓷填料包含碳化钼、碳化钨或其混合物。

5.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该PTC材料层还包含磁性材料。

6.根据权利要求5所述的过电流保护元件，其中该磁性材料选自铁、钴、镍、钒或其混合物。

7.根据权利要求5所述的过电流保护元件，其中该磁性材料于该PTC材料层的重量百分比小于15％。

8.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该过电流保护元件经100次反复触发后，其电阻再现性比值小于等于18。

9.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该导电陶瓷填料为碳化钼及碳化钨的混合物，且经300次反复触发后，其电阻再现性比值小于等于15。

10.根据权利要求9所述的过电流保护元件，其中经100次反复触发后，其电阻再现性比值小于等于10。

11.根据权利要求9所述的过电流保护元件，其中碳化钼相较于碳化钨的重量比值介于0.5至1.5。

12.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该PTC材料层的厚度大于0.1mm。

13.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该PTC材料层的起始电阻值小于10mΩ。

14.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该结晶性高分子聚合物为聚烯烃类聚合物。

15.根据权利要求14所述的过电流保护元件，其中该聚烯烃类聚合物包括乙烯聚合物、聚丙烯或聚氟化合物。

16.根据权利要求14所述的过电流保护元件，其中该聚烯烃类聚合物包括高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蜡、聚丙烯、聚氯乙烯或聚氟乙烯。

17.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该导电碳化陶瓷填料的粒径大小介于0.1μm至50μm之间。

18.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该PTC材料层的面积小于50mm²。

19.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该PTC材料层中还包含氢氧化镁。

20.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该PTC材料层的体积电阻值小于0.1Ω-cm。