專利名稱:過(guò)電流保護(hù)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種過(guò)電流保護(hù)元件。
背景技術(shù):
由于具有正溫度系數(shù)(Positive Temperature Coefficient ;PTC)特性的導(dǎo)電復(fù)合材料的電阻對(duì)溫度變化具有反應(yīng)敏銳的特性,可作為電流感測(cè)元件的材料,目前已被廣泛應(yīng)用于過(guò)電流保護(hù)元件或電路元件上。由于PTC導(dǎo)電復(fù)合材料在正常溫度下的電阻可維持極低值,使電路或電池得以正常工作。但是,當(dāng)電路或電池發(fā)生過(guò)電流(over-current) 或過(guò)高溫(over-temperature)的現(xiàn)象時(shí),其電阻值會(huì)瞬間提高至一高電阻狀態(tài)(至少 IO2 Ω以上),而將過(guò)量的電流降低,以達(dá)到保護(hù)電池或電路元件的目的。一般而言,PTC導(dǎo)電復(fù)合材料由一種或一種以上具結(jié)晶性的聚合物及導(dǎo)電填料所組成,該導(dǎo)電填料均勻分散于該聚合物之中。該聚合物一般為聚烯烴聚合物,例如聚乙烯, 而導(dǎo)電填料一般為碳黑、金屬粒子(例如鎳、金或銀等)或無(wú)氧陶瓷粉末(例如碳化鈦或碳化鎢等)。該導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電度,由導(dǎo)電填料的種類及含量而定。一般而言,由于碳黑表面呈凹凸?fàn)睿c聚烯烴聚合物的附著性較佳,所以具有較佳的電阻再現(xiàn)性,由于碳黑材料不易氧化,在純氧、高溫或高濕等環(huán)境下均能表現(xiàn)良好的穩(wěn)定性。然而,碳黑所能提供的導(dǎo)電度較金屬填料低,因此采用金屬填料取代碳黑已成為未來(lái)的趨勢(shì),然而金屬填料容易氧化, 在純氧、高溫或高濕等環(huán)境下,容易在表層產(chǎn)生金屬氧化物,導(dǎo)致阻值大幅上升。例如鎳金屬粒子表面會(huì)產(chǎn)生氧化鎳層,銀金屬粒子表面產(chǎn)生氧化銀層,另外,金屬填料比重較大,分散較不均勻,另又以鎳金屬填料為例,由于該材料因?yàn)榫哂腥醮判?,填料粒子間更容易產(chǎn)生凝聚不易分散的問(wèn)題。為有效降低過(guò)電流保護(hù)元件的電阻值,并且避免材料分散不均,故逐漸趨向于金屬粒子材料系統(tǒng)中以添加一非導(dǎo)電的陶瓷粉末或填料,通過(guò)該陶瓷填料與高分子以及金屬粒子于材料混合時(shí)的摩擦力與填充特性,可以大幅改善材料的分散特性,作為導(dǎo)電復(fù)合材料的固體分散劑。但又由于金屬粉末不似碳黑具有凹凸表面,且金屬粉末表面無(wú)明顯的化學(xué)官能基,因此其與聚烯烴等聚合物的附著性較碳黑差,導(dǎo)致其電阻再現(xiàn)性也較難控制。為增加聚烯烴聚合物及金屬粒子之間的附著性,金屬粒子填料的導(dǎo)電復(fù)合材料會(huì)另添加一耦合劑,以加強(qiáng)聚烯烴聚合物與金屬粒子之間的作用力與附著性,大幅度減少?gòu)?fù)合材料內(nèi)的孔隙,并提升電阻再現(xiàn)性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種過(guò)電流保護(hù)元件,通過(guò)加入一具特定粒徑分布的導(dǎo)電鎳金屬填料、非導(dǎo)電氮化金屬填料及至少一具低熔點(diǎn)的結(jié)晶性高分子聚合物,而使該過(guò)電流保護(hù)元件具有優(yōu)異的低電阻值、低溫快速觸發(fā)(trip)、耐電壓特性及電阻再現(xiàn)性。且提供包括特定環(huán)氧樹脂高分子材料的包覆材料層,以增加材料的抗氧化及降低材料的透氣與透水性。
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本發(fā)明一實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件包含二金屬箔片、一 PTC材料層以及一包覆材料層。PTC材料層疊設(shè)于該二金屬箔片之間,且體積電阻值小于Ο.ΙΩ-cm。PTC材料層包含(i)多種結(jié)晶性高分子聚合物,其包含至少一具熔點(diǎn)低于115°C的結(jié)晶性高分子聚合物; ( ) 一導(dǎo)電鎳金屬填料,體積電阻值小于500μ Ω-cm;及(iii) 一非導(dǎo)電氮化金屬填料。 其中導(dǎo)電鎳金屬填料及非導(dǎo)電氮化金屬填料散布于該多種結(jié)晶性高分子聚合物之中。一實(shí)施例中,金屬箔片含瘤狀(nodule)突出的粗糙表面,并與該P(yáng)TC材料層直接物理性接觸。導(dǎo)電鎳金屬填料可為粉末狀,且粒徑大小主要介于0. 01 μ m至30 μ m之間,較佳粒徑大小介于0. Iym至15μπι之間。導(dǎo)電鎳金屬填料的體積電阻值小于500 μ Ω-cm, 且均勻分散于該多種結(jié)晶性高分子聚合物之中。結(jié)晶性高分子聚合物可選自高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚氟乙烯等。為了達(dá)到低溫快速觸發(fā)(trip)的保護(hù)功能,該P(yáng)TC材料層中至少包含一熔點(diǎn)低于115°C的結(jié)晶性高分子聚合物。為了保護(hù)鋰離子電池過(guò)充電的安全,運(yùn)用在鋰離子電池的過(guò)電流保護(hù)元件必須在較低溫就能有觸發(fā)(trip)反應(yīng),因此PTC材料層選用較低熔點(diǎn)的聚烯烴聚合物(例如低密度聚乙烯、聚乙烯蠟、乙烯聚合物)、烯烴單體與壓克力單體的共聚合物(例如乙烯-壓克力酸共聚合物、乙烯-壓克力脂共聚合物)或烯烴單體與乙烯醇單體的共聚合物(例如乙烯-乙烯醇共聚合物)等,并且可以選用一種或多種聚合物材料,但各聚合物中的最低熔點(diǎn)必須低于115°C。該低密度聚乙烯可用傳統(tǒng)Ziegler-Natta催化劑或用Metallocene催化劑聚合而成,亦可經(jīng)由乙烯單體與其它單體(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。本發(fā)明所使用的非導(dǎo)電氮化金屬填料選自有阻燃效果、抗電弧效應(yīng)或具潤(rùn)滑特性的金屬氮化合物,例如氮化鋁、氮化硼或氮化硅等。此非導(dǎo)電陶瓷粉末外型包括破碎狀、多角型、球形或片狀等,其粒徑大小主要介于0. 1 μ m至30 μ m之間,且其添加于材料系統(tǒng)的體積百分比是介于至30%之間。目前市面上具低電阻(約20mΩ )的以金屬鎳(Ni)粒子作為導(dǎo)電填料的PTC導(dǎo)電復(fù)合材料,其可承受的電壓僅6V,主要原因在于金屬鎳粒子具有弱磁性不易分散于復(fù)合材料系統(tǒng)中,分散不佳的金屬粒子,將大幅降低其耐電壓特性,另外,由于鎳金屬粒子的內(nèi)聚力過(guò)強(qiáng),將大幅降低該復(fù)合材料的高分子加工特性。如前述,本發(fā)明加入的非導(dǎo)電氮化金屬填料能有效提升金屬鎳粒子的分散性,并提高材料的耐電壓與加工性。因?qū)щ娞盍象w積電阻值非常低(小于500μ Ω-cm),以致于所混合成的PTC材料可達(dá)到低于0. 5 Ω -cm的體積電阻值。一般而言,PTC材料不易達(dá)到低于0. 1 Ω -cm的體積電阻值,即使當(dāng)PTC材料能達(dá)到低于0. 1 Ω-cm的體積電阻值時(shí),常會(huì)因阻值太低而失去耐電壓的特性,然本發(fā)明的過(guò)電流保護(hù)材料中添加部分非導(dǎo)電氮化金屬填料,使得PTC材料層的體積電阻值可達(dá)到小于0. 1 Ω -cm且能承受小于等于28V的電壓,或較佳地可承受6V至 28V的電壓,或最佳地可承受12V至^V的電壓,以及可承受小于等于50安培的電流。進(jìn)一步言之,當(dāng)PTC材料達(dá)到低于0. 1 Ω-cm的體積電阻值時(shí),常無(wú)法承受高于12V 的電壓,因此本發(fā)明為了提升耐電壓性,PTC材料中添加非導(dǎo)電氮化金屬填料,主要是以含有氮原子的無(wú)機(jī)化合物為主,并控制PTC材料層的厚度大于0. Imm,使得該低阻值PTC材料可以大幅提升所能承受的電壓。此無(wú)機(jī)化合物的非導(dǎo)電氮化金屬填料亦有控制電阻再現(xiàn)性的功能,能將電阻再現(xiàn)性比值(trip jump)Rl/Ri控制在小于等于3。其中Ri是起始阻值,Rl是觸發(fā)一次后回復(fù)至室溫一小時(shí)后所量測(cè)的阻值。因?yàn)镻TC材料層具有相當(dāng)?shù)偷捏w積電阻值,所以可將PTC芯片(即本發(fā)明的過(guò)電流保護(hù)元件所需的PTC材料層)的面積縮小至小于50mm2,且仍然能夠達(dá)到元件低電阻的目的,最終可以從同單位面積的每片PTC材料層生產(chǎn)出更多的PTC芯片,使生產(chǎn)的成本降低。本發(fā)明的過(guò)電流保護(hù)元件,其中該二金屬箔片可與另二金屬電極片借著錫膏 (solder paste)經(jīng)回焊或借著點(diǎn)焊方式接合成一組裝體(assembly),通常是成一軸型 (axial-leaded)、插件型(radial-leaded)、端子型(terminal)、或表面黍占著型(surface mount)的元件。本發(fā)明的過(guò)電流保護(hù)元件,其中該上下金屬箔片可連于電源而形成一導(dǎo)電回路(circuit)(于另一實(shí)施例中,則可通過(guò)該二金屬電極片連于電源而形成一導(dǎo)電回路),PTC材料層在過(guò)電流的狀況下動(dòng)作,而達(dá)到保護(hù)回路的功用。該包覆材料層包覆PTC材料層與二金屬箔片構(gòu)成的芯片。包覆材料層由環(huán)氧樹脂與具氨基化合物(amide)官能基的硬化劑反應(yīng)而成。一實(shí)施例中,該環(huán)氧樹脂可選自雙酚A 或雙酚F環(huán)氧樹脂,硬化劑可選自聚酰胺(polyamide)、雙氰胺(Dicyandiamide)或其它具備amide官能基的化合物。該包覆材料層至少包在芯片外側(cè),與部分的金屬箔片。較佳地, 包覆材料層中的環(huán)氧樹脂可包含非導(dǎo)電填充材料,該非導(dǎo)電填充材料比例介于2 45 %, 并可因而大幅提升材料的硬度、降低透水透氧性與提升耐燃性。
圖1至3為本發(fā)明一實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件的示意圖;以及圖4為有包覆及未包覆材料的過(guò)電流保護(hù)元件的比較圖。其中,附圖標(biāo)記說(shuō)明如下10電流保護(hù)元件IlPTC 材料層12金屬箔片20電流保護(hù)元件22金屬電極片30包覆材料層
具體實(shí)施例方式以下說(shuō)明本發(fā)明過(guò)電流保護(hù)元件的組成成份,包括實(shí)施例一、實(shí)施例二、實(shí)施例三、實(shí)施例四、比較例一、比較例二及相關(guān)制作過(guò)程。本發(fā)明過(guò)電流保護(hù)元件所使用的PTC材料層的成份及重量(單位公克)如表一所示。表一
權(quán)利要求
1.一種過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,包含二金屬箔片;一 PTC材料層,疊設(shè)于該二金屬箔片之間,且體積電阻值小于0. ΙΩ-crn,其包含(i)多種結(jié)晶性高分子聚合物,其包含至少一具熔點(diǎn)低于115°C的結(jié)晶性高分子聚合物;(ii)一導(dǎo)電鎳金屬填料,其粒徑大小介于0. Ιμπι至15μπι之間,體積電阻值小于 500 μ Ω-cm ;及(iii)一非導(dǎo)電氮化金屬填料;其中該導(dǎo)電鎳金屬填料及非導(dǎo)電氮化金屬填料散布于該多種結(jié)晶性高分子聚合物之中;以及一包覆材料層,包覆該二金屬箔片及PTC材料層,且包含與硬化劑反應(yīng)形成的環(huán)氧樹脂,該硬化劑具氨基化合物官能基。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該P(yáng)TC材料層的厚度大于 0. Imm0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該P(yáng)TC材料層的起始電阻值小于 15m Ω。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該具熔點(diǎn)低于115°C的結(jié)晶性高分子聚合物包含聚烯烴聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該聚烯烴聚合物包括低密度聚乙烯或聚乙烯蠟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該具熔點(diǎn)低于115°C的結(jié)晶性高分子聚合物包含烯烴單體與壓克力單體的共聚合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該具熔點(diǎn)低于115°C的結(jié)晶性高分子聚合物包含烯烴單體與乙烯醇單體的共聚合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該非導(dǎo)電氮化金屬填料包括氮化鋁、氮化硼或氮化硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該非導(dǎo)電氮化金屬填料,粒徑大小介于0. 1口111至3(^111之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該非導(dǎo)電氮化金屬填料的體積百分比介于至30%之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,另包含二金屬電極片,該二金屬電極片分別連接該二金屬箔片。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該環(huán)氧樹脂包含雙酚A環(huán)氧樹脂或雙酚F環(huán)氧樹脂。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該包覆材料層中環(huán)氧樹脂的含量為體積百分比40 88%之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該硬化劑使用的官能基至少包括-R-NHC0-R-,其中R為烷基、苯基、聯(lián)苯基或萘基。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該硬化劑包含聚酰胺或雙氰胺。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該包覆材料層中硬化劑的含量為體積百分比介于10 25%之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該包覆材料層另包含一非導(dǎo)電填充材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該非導(dǎo)電填充材料包含黏土、氧化鋁、氧化硅、氧化鈦、氧化鎂、氫氧化鎂、氫氧化鋁、氮化鋁或氮化硼。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的過(guò)電流保護(hù)元件,其特征在于,該包覆材料層中非導(dǎo)電填充材料的含量為體積百分比介于2 45%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一過(guò)電流保護(hù)元件,包含二金屬箔片、一PTC材料層以及一包覆材料層。PTC材料層疊設(shè)于該二金屬箔片之間,且體積電阻值小于0.1Ω-cm。PTC材料層包含(i)多種結(jié)晶性高分子聚合物,其包含至少一具熔點(diǎn)低于115℃的結(jié)晶性高分子聚合物;(ii)一導(dǎo)電鎳金屬填料,體積電阻值小于500μΩ-cm;及(iii)一非導(dǎo)電氮化金屬填料。導(dǎo)電鎳金屬填料及非導(dǎo)電氮化金屬填料散布于該多種結(jié)晶性高分子聚合物之中。該包覆材料層包覆PTC材料層與二金屬箔片構(gòu)成的芯片。包覆材料層由環(huán)氧樹脂與具氨基化合物(amide)官能基的硬化劑反應(yīng)而成。
文檔編號(hào)H01C7/02GK102237164SQ20101015484
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2010年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月26日
發(fā)明者楊金標(biāo), 沙益安, 羅國(guó)彰 申請(qǐng)人:聚鼎科技股份有限公司