專利名稱：耐高壓過電流保護元件和其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐高電壓過電流保護元件和其制造方法，特別涉及一種具有正溫度系數(shù)(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性的耐高壓過電流保護元件和其制造方法。
背景技術(shù)：
常規(guī)的PTC元件的電阻值對溫度變化的反應(yīng)相當(dāng)敏銳。當(dāng)PTC元件在正常使用狀況時，其電阻可維持最低值而使電路得以正常運作。但是當(dāng)發(fā)生過電流或過高溫的現(xiàn)象而使溫度上升到一臨界溫度時，其電阻值瞬間彈跳到一高電阻狀態(tài)(例如104ohm以上)而將過量的電流反向抵銷，以達到保護電池或電路元件的目的。由于PTC元件可有效地保護電子產(chǎn)品，因此已可見所述PTC元件集成于各種電路元件中，以防止過電流的損害。
美國專利US 5,227,946和US 5,195,013揭露PTC元件，其中所包含的聚合物(polymer)經(jīng)過放射線照射(radiation)以增強其物理和電氣性質(zhì)。借此，可提高所述PTC元件的耐高電壓特性。
然而，利用經(jīng)放射線照射的聚合物常伴隨裂化(degradation)，將原來的高分子裂解成小分子而失去原有的物理和電氣特性。另外，如果利用鈷60(Co60)γ射線進行照射，那么因其能量較低必須花費相當(dāng)多時間進行，而減低產(chǎn)量(throughput)。如果利用電子束(E-beam)進行照射，那么往往會產(chǎn)生高熱而導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，且其制程不易控制而影響產(chǎn)量質(zhì)量，而且其制造成本相對較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種耐高電壓過電流保護元件和其制造方法，其中利用化學(xué)交聯(lián)(chemical cross-linking)的方式使得PTC聚合物產(chǎn)生鏈接。借此，不僅可提高過電流保護元件耐高電壓的特性，也可避免利用放射線照射交聯(lián)易造成裂化和產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力等缺點。
為達到上述目的，本發(fā)明揭示一種耐高壓過電流保護元件，其包含一化學(xué)交聯(lián)PTC襯底和兩個電極箔。所述化學(xué)交聯(lián)PTC襯底利用至少一片狀高分子襯底經(jīng)堆疊排列后形成一層狀堆疊聚合物層，再經(jīng)熱壓合步驟使所述至少一片狀高分子襯底發(fā)生化學(xué)交聯(lián)而形成。所述兩個電極箔可連接一電源，使電流流經(jīng)所述化學(xué)交聯(lián)PTC襯底。
首先進行一部分化學(xué)交聯(lián)程序以形成所述片狀高分子襯底，其包含兩個步驟(1)混料和(2)壓板。關(guān)于混料，首先將一第一聚合物、一第二聚合物、導(dǎo)電碳黑、其它填料(例如氫氧化鎂、Talc等)，送入一分批混煉機中進行混煉，并通過控制混煉的制程條件溫度、轉(zhuǎn)速和時間(例如將混煉的操作溫度控制在所述聚合物軟化點以上)，以限制所述第一聚合物和所述第二聚合物的反應(yīng)速率，使其形成一高分子混合物，其為一具有第一交聯(lián)程度的共聚合物且具有結(jié)晶性熱塑型塑料的特性。
所述第一聚合物可選自以下之一尿素甲醛樹脂(urea formaldehyde)、密胺樹脂(melamine resin)、雙馬來酰亞胺三嗪樹脂(bismaleimide triazine)、硅酮塑料(silicone plastics)、乙烯和甲基丙烯酸縮水甘油酯的隨機共聚合物(random copolymer of ethylene and glycidyl methacrylate)、和含環(huán)氧基(epoxide)接枝(grafted)或共聚合(copolymerized)的高分子聚合物。其中所述第一聚合物所具有的功能基X選自以下之一氨基、醛基、醇基、環(huán)氧基和鹵基。
所述第二聚合物可選自以下之一乙烯丙烯酸共聚合物(ethylene acrylicacid copolymer)、丙烯酸接枝聚乙烯(acrylic acid grafted polyethylene)、順丁烯二酸酐接枝或共聚合聚乙烯(maleic anhydride grafted polyethylene ormaleic anhydride copolymerized polyethylene)、順丁烯二酸酐接枝或共聚合聚丙烯(maleic anhydride grafted polypropylene or maleic anhydridecopolymerized polypropylene)、酚醛樹脂(phenolic resin)、不飽和聚酯樹脂(unsaturated polyester resin)和聚硫樹酯(polysulfide resin)。其中，所述第二聚合物所具有的功能基Y選自以下之一酸基、酸酐基和酚基。
混料之后進行壓板步驟，將所述高分子混合物在較高的操作溫度下熱壓成一具有薄片形狀的具有第二交聯(lián)程度的片狀高分子襯底。所述熱壓合步驟的操作溫度介于120℃到250℃之間，操作時間介于0.5小時到24小時之間，其操作溫度和時間與所述第一聚合物和所述第二聚合物的成份和反應(yīng)溫度有關(guān)。其中，因形成片狀高分子襯底時的溫度較高，因此第二交聯(lián)程度將大于第一交聯(lián)程度。所述片狀高分子襯底的厚度可因需求而改變，其可介于0.1mm到4mm之間。每一片狀高分子襯底經(jīng)適當(dāng)?shù)闹瞥虠l件處理后可呈現(xiàn)相近的電阻率(resistivity)，也可經(jīng)由不同配方制出不同電阻的片狀高分子襯底，且使得所述片狀高分子襯底中僅具有部分化學(xué)交聯(lián)程度(即第二交聯(lián)程度)。
所述部分化學(xué)交聯(lián)程序完成之后，將至少一片狀高分子襯底堆疊排列進行熱壓合，之后再結(jié)合上、下電極箔，進行另一次的熱壓合步驟以形成一化學(xué)交聯(lián)的PTC襯底。這兩段熱壓合步驟也可改為一段進行，也就是將復(fù)數(shù)個片狀高分子襯底堆疊排列并結(jié)合上、下電極箔一次壓合完成。在本發(fā)明中，所述化學(xué)交聯(lián)的PTC襯底的總厚度小于10mm，而片狀高分子襯底的數(shù)目介于2到10之間。
另外，為使所述化學(xué)交聯(lián)PTC襯底具有更好的耐高壓特性，可在混煉聚合物時加入化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)控制劑和改性劑，例如(1)引發(fā)劑(initiator)包括陰離子(anionic)引發(fā)劑(例如piperidine、phenol和2-ethyl-4-methyl-imidazole)、陽離子(cationic)引發(fā)劑(例如borontrifluoride、BF3-amine complex、PF5和trifluoromethanesulfonic acid等)；(2)催化劑(catalyst)包括銨鹽(ammonium salt)(例如ethyl triphenylammonium bromide)、磷鹽(phosphonium salt)(例如triethyl methylphosphonium acetate)、金屬烷氧化物(metal alkoxides)(例如aluminumisopropoxide)、潛伏性(latent)催化劑(例如crystalline amine或core-shellpolymer with amine core、high dissociation temperature peroxide和azocompound等)；(3)分散劑(dispersion agent)包括polyethylene wax、stearic acid、zinc stearate、low molecular weight acrylate copolyme等；(4)偶合劑(coupling agent)包括aminosilane、epoxysilane、mercaptosilane等；(5)阻燃劑(flame retardant)包括鹵素或磷系阻燃劑化合物、金屬氫氧化合物(例如Al2(OH)3、Mg(OH)2)、金屬氧化物(例如ZnO、Sb2O3等)；(6)增塑劑(plasticizer)包括dibasic ester(例如dimethyl succinate、dibutyl phthalate、dimethyl glutarate和dimethyl adipate等)；(7)有機(organic)或無機(inorganic)填料(filler)包括高分子氟化物粉末、talc、kaolin、SiO2等；(8)抗氧化劑(antioxidant)如pentaerythrityl-tetrakis[3-(3，5-di-tertbutyl-4-hydroxy-phenyl)-propionate]等。
為進一步強化所述化學(xué)交聯(lián)的PTC襯底的化學(xué)交聯(lián)程度，可在熱壓合步驟之后。將所述化學(xué)交聯(lián)的PTC襯底進行一熱處理步驟，通常經(jīng)過1到48小時的熱處理，其中所述熱處理的最高溫度不超過270℃，所述熱處理步驟的溫度根據(jù)功能基X與功能基Y反應(yīng)溫度而定，通常高于熱壓合的操作溫度。
隨后，所述化學(xué)交聯(lián)的PTC襯底可用常規(guī)的模具沖切方式(punch)或利用鉆石刀以鋸切(saw cutting)的方式切成較小的面積后，即形成一化學(xué)交聯(lián)PTC芯片。以鋸切方式可避免因沖切制程在PTC襯底周圍所造成的應(yīng)力集中區(qū)域(即毛邊)，進而避免耐高壓特性的退化。
最后，再將金屬終端以回焊方式連接于上、下電極箔，即形成一耐高壓過電流保護元件。
上述包含化學(xué)交聯(lián)的PTC襯底的耐高壓過電流保護元件均具有耐高電壓的特性。如果將耐高壓過電流保護元件的電極箔連接一電源，其中每2mm厚度的所述化學(xué)交聯(lián)PTC襯底所量得的電壓差最高可達600伏特，即每2mm厚度的化學(xué)交聯(lián)PTC襯底最高可承受約600伏特的電壓，而越厚的化學(xué)交聯(lián)PTC襯底可耐越高的電壓。
與常規(guī)放射線照射(radiation)制造的耐高壓過電流保護元件制造方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)因采用熱壓合方式來達到化學(xué)交聯(lián)的效果，所以不會產(chǎn)生因放射線照射造成高分子鍵斷裂老化的現(xiàn)象，反而因化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)使PTC襯底成為更加強韌；(2)材料以熱壓合產(chǎn)生的化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)所需的時間遠少于常規(guī)的耐高電壓材料必須經(jīng)過高劑量放射線(＞50Mrad)照射所需的時間，因此可以大幅度提高生產(chǎn)速度；(3)放射線照射常常因受到其它物件遮蔽以致于產(chǎn)生照射不均勻的問題，本發(fā)明可以完全消除這個問題；(4)電子束(E-beam)放射線照射產(chǎn)生區(qū)域性的高熱，造成材料損毀，因此照射時材料溫度的控制范圍很窄(＜85℃)，但本發(fā)明所用的材料的制程條件不受這一溫度限制，材料質(zhì)量受溫度的影響所產(chǎn)生的變化也可大幅度的減少；(5)本發(fā)明因材料交聯(lián)均勻度比放射線照射更好，在高電壓下元件中的電流密度也較均勻，以致于耐高電壓的電氣特性也較佳。


圖1、2和3顯示本發(fā)明的耐高壓過電流保護元件及其制造方法。
具體實施例方式
以下將通過圖式說明本發(fā)明的過電流保護元件和其制造方法的一實施例。
圖1為片狀高分子襯底10，其經(jīng)一部分化學(xué)交聯(lián)程序(包含混料和壓板兩個步驟)而制成。首先將一第一聚合物(包含8％甲基丙烯酸縮水甘油酯(glycidyl methylacrylate，簡稱GMA)與聚乙烯的共聚合物)3.85克、一第二聚合物(包含0.9％順丁烯二酸酐接枝的聚乙烯(maleic anhydride graftedpolyethylene))1.65克、碳黑RU430 15.4克、氫氧化鎂11.55克、Talc 6.60克和HDPE 15.95克加入一分批混煉機中進行混煉，并通過控制混煉的制程條件溫度160℃，轉(zhuǎn)速60rpm和時間9分鐘，使其形成一具有第一交聯(lián)程度且具有結(jié)晶性熱塑型塑料的特性的高分子混合物?；旌现螅瑢⑺龈叻肿踊旌衔镌?50℃、1200psi、0.1小時的操作條件下熱壓成一1.2厘米厚度的具有第二交聯(lián)程度的片狀高分子襯底10。即先混煉所述第一聚合物、所述第二聚合物、化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)控制劑和改性劑，并通過控制其制程條件(例如溫度、轉(zhuǎn)速、時間)，以限制所述第一聚合物和所述第二聚合物的反應(yīng)速率，以形成部分反應(yīng)(具有第一交聯(lián)程度)的高分子混合物，再經(jīng)熱壓制程壓出具有第二交聯(lián)程度的片狀高分子襯底10。
之后，將三個片狀高分子襯底10堆疊排列成為一層狀堆疊聚合物層30(參圖2)，同時結(jié)合1盎司的鎳箔作為上、下電極箔20，在150℃、1000psi、0.1小時的條件下進行另一次的熱壓合將其熱壓成一化學(xué)交聯(lián)的PTC襯底15(參圖3)。其中所述上、下電極箔20與所述層狀堆疊聚合物層30緊密并直接物理性接觸，并產(chǎn)生功能基X與功能基Y的原處(in situ)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)。在本實施例中，所述化學(xué)交聯(lián)的PTC襯底40與上、下電極箔20的總厚度為3.6mm。隨后，所述化學(xué)交聯(lián)的PTC襯底40利用鉆石刀以鋸切(saw cutting)的方式切成長12.4厘米、寬7.9厘米的PTC芯片后，可再將金屬終端以回焊方式連接于上、下電極箔20，即形成一耐高壓過電流保護元件1。
為進一步強化所述化學(xué)交聯(lián)PTC襯底40的化學(xué)交聯(lián)程度，可在150℃下將所述化學(xué)交聯(lián)PTC襯底40進行一10小時的熱處理步驟，所述熱處理后的化學(xué)交聯(lián)PTC襯底40可通過在電壓600伏特及電流3安培的條件下，通電1秒之后斷電60秒之耐高電壓測試。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容和技術(shù)特點已揭示如上，然而所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可基于本發(fā)明的教示和揭示而進行種種不背離本發(fā)明精神的替換和修飾。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)不限于實施例所揭示的內(nèi)容，而應(yīng)包括不背離本發(fā)明的各種替換和修飾，并為以下權(quán)利要求書所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種耐高壓過電流保護元件的制造方法，其特征在于包含下列步驟提供至少一高分子混合物，其將一具有功能基X的第一聚合物、一具有功能基Y的第二聚合物和一導(dǎo)電粉粒加熱到所述聚合物軟化點以上并進行混煉，其中所述高分子混合物具有正溫度系數(shù)(PTC)特性且具有結(jié)晶性熱塑型塑料的特性；將所述高分子混合物經(jīng)過壓合制程制造成復(fù)數(shù)個片狀高分子襯底；將所述復(fù)數(shù)個片狀高分子襯底堆疊排列成為一層狀堆疊聚合物層；將兩個電極箔連接于所述層狀堆疊聚合物層的上、下表面；和熱壓合所述兩個電極箔和其間的所述層狀堆疊聚合物層，使所述兩個電極箔與所述層狀堆疊聚合物層緊密并直接物理性接觸，并產(chǎn)生功能基X與功能基Y的原處(in situ)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，以形成一化學(xué)交聯(lián)PTC襯底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高壓過電流保護元件的制造方法，其特征在于所述第一聚合物所具有的功能基X選自以下之一氨基、醛基、醇基、環(huán)氧基和鹵基。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高壓過電流保護元件的制造方法，其特征在于所述第二聚合物所具有的功能基Y選自以下之一酸基、酸酐基和酚基。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高壓過電流保護元件的制造方法，其特征在于所述第一聚合物選自含環(huán)氧基接枝或共聚合的高分子聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高壓過電流保護元件的制造方法，其特征在于所述第二聚合物選自順丁烯二酸酐接枝或共聚合聚乙烯、順丁烯二酸酐接枝或共聚合聚丙烯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高壓過電流保護元件的制造方法，其特征在于所述高分子混合物具有一第一交聯(lián)程度，所述片狀高分子襯底具有一第二交聯(lián)程度，其中所述第二交聯(lián)程度大于所述第一交聯(lián)程度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高壓過電流保護元件的制造方法，其特征在于將所述高分子混合物經(jīng)過壓合制程壓成所述片狀高分子襯底步驟的操作溫度介于120℃到250℃之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高壓過電流保護元件的制造方法，其特征在于將所述高分子混合物經(jīng)過壓合制程壓成所述片狀高分子襯底步驟的操作時間介于0.5小時到24小時之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高壓過電流保護元件的制造方法，其特征在于所述片狀高分子襯底的厚度介于0.1mm到4mm之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高壓過電流保護元件的制造方法，其特征在于所述片狀高分子襯底的數(shù)目介于2到10之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高壓過電流保護元件的制造方法，其特征在于另外包含一加強所述化學(xué)交聯(lián)PTC襯底的交聯(lián)程度的熱處理步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的耐高壓過電流保護元件的制造方法，其特征在于所述熱處理步驟的操作時間介于1到48小時，操作溫度最高不超過270℃。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高壓過電流保護元件的制造方法，其特征在于另外包含一將所述化學(xué)交聯(lián)PTC襯底鋸切成復(fù)數(shù)個化學(xué)交聯(lián)PTC芯片的鋸切步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的耐高壓過電流保護元件的制造方法，其特征在于所述鋸切步驟利用模具沖切或鉆石刀鋸切。
15.一種耐高壓過電流保護元件，其特征在于包含一化學(xué)交聯(lián)PTC襯底，其由復(fù)數(shù)個片狀高分子襯底所形成；和兩個電極箔，其可連接一電源，使電流流經(jīng)所述化學(xué)交聯(lián)PTC襯底，且所述化學(xué)交聯(lián)PTC襯底中每2毫米厚度的電壓差小于600伏特。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的耐高壓過電流保護元件，其特征在于所述復(fù)數(shù)個片狀高分子襯底由一具有功能基X的第一聚合物、一具有功能基Y的第二聚合物和導(dǎo)電碳黑經(jīng)一部分化學(xué)交聯(lián)程序處理而成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的耐高壓過電流保護元件，其特征在于所述第一聚合物所具有的功能基X選自以下之一氨基、醛基、醇基、環(huán)氧基和鹵基。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的耐高壓過電流保護元件，其特征在于所述第一聚合物選自含環(huán)氧基接枝或共聚合的高分子聚合物。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的耐高壓過電流保護元件，其特征在于所述第二聚合物所具有的功能基Y選自以下之一酸基、酸酐基和酚基。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的耐高壓過電流保護元件，其特征在于所述第二聚合物選自順丁烯二酸酐接枝或共聚合聚乙烯、順丁烯二酸酐接枝或共聚合聚丙烯。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的耐高壓過電流保護元件，其特征在于所述片狀高分子襯底的厚度介于0.1mm到4mm之間。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的耐高壓過電流保護元件，其特征在于所述片狀高分子襯底的數(shù)目介于2到10之間。
全文摘要
本發(fā)明的過電流保護元件包含一化學(xué)交聯(lián)正溫度系數(shù)(PTC)襯底和兩個電極箔。過電流保護元件的制造方法包含a、提供具有PTC特性的高分子混合物，其含有具有功能基X的第一聚合物、具有功能基Y的第二聚合物和導(dǎo)電粉粒，加熱到聚合物軟化點以上并進行混煉使其具有結(jié)晶性熱塑型塑料的特性；b、將高分子混合物壓成片狀高分子襯底；c、將片狀高分子襯底堆疊排列成為一層狀堆疊聚合物層；d、將兩個電極箔連接于所述層狀堆疊聚合物層的上、下表面；e、熱壓合上、下兩個電極箔與其間的層狀堆疊聚合物層，產(chǎn)生功能基X與功能基Y的原處化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，以形成一化學(xué)交聯(lián)PTC襯底。本發(fā)明的化學(xué)交聯(lián)PTC襯底可耐約600伏特的高電壓。
文檔編號H01C17/00GK1909121SQ20051008911
公開日2007年2月7日 申請日期2005年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月2日
發(fā)明者蔡東成, 朱復(fù)華, 王紹裘 申請人:聚鼎科技股份有限公司