表面貼裝型過電流保護(hù)元件的制作方法
【專利摘要】一種表面貼裝型過電流保護(hù)元件包含至少一PTC材料層、第一導(dǎo)電層、第二導(dǎo)電層、第一電極、第二電極及至少一絕緣層。PTC材料層包含結(jié)晶性高分子聚合物及分散于該結(jié)晶性高分子聚合物中的導(dǎo)電填料。第一及第二導(dǎo)電層分別設(shè)于PTC材料層的第一及第二表面。第一及第二電極分別電氣連接該第一及第二導(dǎo)電層。絕緣層設(shè)置于該第一及第二電極之間，作為電氣隔離。在結(jié)晶性高分子聚合物對(duì)應(yīng)的熔點(diǎn)溫度時(shí)，結(jié)晶性高分子聚合物與該第一及第二導(dǎo)電層的熱膨脹系數(shù)相差100倍以上，且至少該第一導(dǎo)電層及第二導(dǎo)電層中之一者的厚度大到足以使得該表面貼裝型過電流保護(hù)元件的電阻再現(xiàn)性R3/Ri小于1.4，其中Ri為元件的起始電阻值，R3為觸發(fā)3次后的電阻值。
【專利說明】表面貼裝型過電流保護(hù)元件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種表面貼裝型(SMD)過電流保護(hù)元件，更具體而言，涉及一種具有良好電阻再現(xiàn)性的表面貼裝型過電流保護(hù)元件。
【背景技術(shù)】
[0002]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，使與其連接的電路或電池得以正常運(yùn)作。但是，當(dāng)電路或電池發(fā)生過電流(over-current)或過高溫(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102 Ω以上)，而將過量的電流反向抵消。由于具有PTC特性的導(dǎo)電復(fù)合材料的電阻具有上述對(duì)溫度變化反應(yīng)敏銳的特性，故可作為電流傳感元件的材料，且目前已被廣泛應(yīng)用于過電流保護(hù)元件或電路元件上，以達(dá)到保護(hù)的目的。
[0003]以高分子PTC材料為例，通常使用炭黑作為導(dǎo)電填料，而將炭黑分散在結(jié)晶性高分子聚合物之間。這種晶體結(jié)構(gòu)使得碳粒子集中分布在晶界中，它們之間排的非常緊密，電流可以經(jīng)由這些“碳鏈”流過絕緣的塑料聚合物。在正常室溫條件下，這些高分子聚合物中存有相當(dāng)數(shù)量的碳鏈，因此構(gòu)成了導(dǎo)電通道。
[0004]當(dāng)過電流使得元件溫度上升直到超過高分子聚合物的相變溫度(例如熔點(diǎn))，一但超過了這個(gè)相變溫度，高分子聚合物會(huì)膨脹，使得那些結(jié)晶性結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，變成了不規(guī)則狀態(tài)。這樣一來導(dǎo)電碳鏈通道被破壞，故不能再傳導(dǎo)電流，使得電阻也隨之急劇上升，即所謂的“觸發(fā)(trip)”現(xiàn)象。
[0005]當(dāng)溫度回復(fù)至低于其相變溫度時(shí)，聚合物會(huì)重新結(jié)晶，導(dǎo)電碳鏈也再重新形成。但實(shí)務(wù)上因高分子聚合物膨脹無法完全回復(fù)的關(guān)系，使得導(dǎo)電碳鏈并無法維持原有的導(dǎo)電性，因此電阻無法回復(fù)至原來的低阻值。另外，多次觸發(fā)后有電阻值大幅增加的現(xiàn)象，亦即有電阻回復(fù)性或電阻再現(xiàn)性不佳的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種過電流保護(hù)元件，通過增加PTC材料層表面導(dǎo)電層的厚度，抑制或避免PTC材料的過度膨脹，從而提供元件較佳的電阻回復(fù)性或電阻再現(xiàn)性。
[0007]PTC聚合物材料于觸發(fā)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的體積變化率，其熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion ;CTE)會(huì)到達(dá) 5000ppm/K 以上，因此造成 PTC 兀件在多次觸發(fā)后電阻值大幅度上升的情形。然而在SMD結(jié)構(gòu)中PTC材料層表面接觸的導(dǎo)電層大部分采用例如鎳箔、銅箔或鍍鎳銅箔等金屬導(dǎo)電材料，其中銅箔及鍍鎳銅箔的熱膨脹系數(shù)約為17ppm/K，鎳箔的熱膨脹系數(shù)為13ppm/K，均遠(yuǎn)小于PTC聚合物材料的熱膨脹系數(shù)。此外上述導(dǎo)電層表面通常會(huì)在其表面層迭設(shè)置絕緣層，該絕緣層可采用含玻璃纖維的環(huán)氧樹脂，例如預(yù)浸玻纖材料FR-4。在低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，F(xiàn)R-4于Z軸的熱膨脹系數(shù)約在60ppm/K以上；高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，其于Z軸的熱膨脹系數(shù)約在310ppm/K以上。由此可見，PTC聚合物材料與其他導(dǎo)電層及絕緣層材料的熱膨脹系數(shù)有相當(dāng)大的差異，本發(fā)明即利用該材料間熱膨脹系數(shù)的差異特性，以改善PTC聚合物材料的體積/電阻值回復(fù)性。
[0008]因此，本發(fā)明提供一種表面貼裝型過電流保護(hù)元件，包含:
[0009]至少一 PTC材料層，具有相對(duì)的第一表面及第二表面，該P(yáng)TC材料層包含至少一結(jié)晶性高分子聚合物及分散于該結(jié)晶性高分子聚合物中的至少一導(dǎo)電填料；
[0010]一第一導(dǎo)電層，設(shè)于該第一表面；
[0011]—第二導(dǎo)電層，設(shè)于該第二表面；
[0012]一第一電極，電氣連接該第一導(dǎo)電層；
[0013]一第二電極，電氣連接該第二導(dǎo)電層；以及
[0014]至少一絕緣層，設(shè)置于該第一及第二電極之間，以電氣隔離該第一電極及第二電極；
[0015]其中該結(jié)晶性高分子聚合物對(duì)應(yīng)一熔點(diǎn)溫度，在該熔點(diǎn)溫度時(shí)，該結(jié)晶性高分子聚合物的熱膨脹系數(shù)大于該第一及第二導(dǎo)電層的熱膨脹系數(shù)達(dá)100倍以上，且至少該第一導(dǎo)電層及第二導(dǎo)電層中之一者的厚度大到足以使得該表面貼裝型過電流保護(hù)元件的電阻再現(xiàn)性R3/Ri小于1.4，Ri為表面粘著型貼裝型過電流保護(hù)元件的起始電阻值，R3為觸發(fā)3次后的電阻值。
[0016]在本發(fā)明一實(shí)施方式中，該第一或第二導(dǎo)電層的厚度介于38至200 μ m之間。
[0017]在本發(fā)明另一實(shí)施方式中，該P(yáng)TC材料層厚度與第一和第二導(dǎo)電層厚度的比值在0.3?12.5之間。
[0018]在本發(fā)明另一實(shí)施方式中，該結(jié)晶性高分子聚合物選自:高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯臘、乙烯聚合物、聚丙烯、聚氯乙烯、聚氟乙烯等、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物或烯烴類單體與乙烯醇類單體的共聚物。
[0019]在本發(fā)明另一實(shí)施方式中，該導(dǎo)電填料選自:炭黑、鎳、鈷、銅、鐵、錫、鉛、銀、金、鉬、碳化鈦、碳化鎢、碳化釩、碳化鋯、碳化鈮、碳化鉭、碳化鑰、碳化鉿、硼化鈦、硼化釩、硼化鋯、硼化鈮、硼化鑰、硼化鉿、氮化鋯或前述材料的混合物、合金、固溶體或核殼體。
[0020]在本發(fā)明另一實(shí)施方式中，該P(yáng)TC材料層還包含非導(dǎo)電填料，該非導(dǎo)電填料選自:氧化鋅、氧化銻、氧化鋁、氧化硅、碳酸鈣、硫酸鎂或硫酸鋇、氫氧化鎂、氫氧化鋁、氫氧化鈣或氫氧化鋇。
[0021]在本發(fā)明另一實(shí)施方式中，該第一或第二導(dǎo)電層為銅箔、鎳箔或鍍鎳銅箔。
[0022]在本發(fā)明另一實(shí)施方式中，該第一或第二導(dǎo)電層為經(jīng)過電鍍、電解、沉積或鍍層增厚工藝制作的導(dǎo)電材料或?qū)щ姀?fù)合材料。
[0023]在本發(fā)明另一實(shí)施方式中，該絕緣層的材料包括含玻璃纖維的環(huán)氧樹脂。
[0024]在本發(fā)明另一實(shí)施方式中，該P(yáng)TC材料層、第一導(dǎo)電層、第二導(dǎo)電層、第一電極及第二電極層迭組成，且第一或第二導(dǎo)電層相較于其鄰近的第一電極或第二電極為內(nèi)層導(dǎo)電線路。
[0025]在本發(fā)明另一實(shí)施方式中，該表面貼裝型過電流保護(hù)元件還包含第一導(dǎo)電連接件及第二導(dǎo)電連接件，第一導(dǎo)電連接件包含位于元件一端部的導(dǎo)電通孔、導(dǎo)電盲孔或?qū)щ姸嗣妫已卮怪狈较蜓由煲赃B接該第一電極及第一導(dǎo)電層；該第二導(dǎo)電連接件包含位于元件另一端部的導(dǎo)電通孔、導(dǎo)電盲孔或?qū)щ姸嗣妫已卮怪狈较蜓由煲赃B接該第二電極及第二導(dǎo)電層。[0026]在本發(fā)明另一實(shí)施方式中，絕緣層有兩層分別設(shè)于該第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層表面。
[0027]在本發(fā)明另一實(shí)施方式中，該第一電極包含一對(duì)設(shè)于該第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層表面的絕緣層表面的第一電極層，該第二電極包含一對(duì)設(shè)于該第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層表面的絕緣層表面的第二電極層。
[0028]在本發(fā)明中通過提升PTC材料層表面的導(dǎo)電層厚度，通過增加熱膨脹系數(shù)較低的導(dǎo)電層的強(qiáng)度來限制或局限PTC材料層于觸發(fā)時(shí)的膨脹，以進(jìn)一步提升電阻值再現(xiàn)性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1至圖8是本發(fā)明第一實(shí)施例至第八實(shí)施例的表面貼裝型過電流保護(hù)元件示意圖；
[0030]圖9A至9C是本發(fā)明一實(shí)施例的表面貼裝型過電流保護(hù)元件的制作流程示意圖；以及
[0031]圖10是本發(fā)明又一實(shí)施例的具雙層PTC材料層的表面貼裝型過電流保護(hù)元件示意圖。
[0032]其中，附圖標(biāo)記說明如下:
[0033]I?8、90表面貼裝型過電流保護(hù)元件
[0034]9導(dǎo)電復(fù)合材料元件
[0035]10PTC 材料層
[0036]I Ia第一導(dǎo)電層
[0037]Ilb第二導(dǎo)電層
[0038]Ilc第三導(dǎo)電層
[0039]Ild第四導(dǎo)電層
[0040]12導(dǎo)電連接件
[0041]12’導(dǎo)電連接件
[0042]12a、12a’導(dǎo)電連接件
[0043]12b、12b’導(dǎo)電連接件
[0044]13第一電極
[0045]13’ 第二電極
[0046]15絕緣層
[0047]16、16’、21 蝕刻線
[0048]17防焊層
[0049]20導(dǎo)電層
[0050]40 銅箔
[0051]60絕緣層
[0052]7IPTC 元件
[0053]131第一電極層
[0054]131’第二電極層【具體實(shí)施方式】
[0055]為讓本發(fā)明的上述和其他技術(shù)內(nèi)容、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉出相關(guān)實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下:
[0056]圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的表面貼裝型過電流保護(hù)元件I的示意圖，其用于粘著于一基板或電路板(圖未不)的表面。第一電極13及與該第一電極13相對(duì)應(yīng)的第二電極13’通常會(huì)位于同一平面上。該表面貼裝型過電流保護(hù)元件I可設(shè)計(jì)成僅包含一組由第一電極13及第二電極13’所組成的電極組，如此該表面貼裝型過電流保護(hù)元件I只能有一特定面與基板表面接合。此設(shè)計(jì)通常應(yīng)用在需要放在狹窄空間里，以及需要達(dá)到單方向絕熱或?qū)岬男枨?。該表面貼裝型過電流保護(hù)元件I中該第一電極13、導(dǎo)電連接件12、第一導(dǎo)電層lla、PTC材料層10、第二導(dǎo)電層lib、導(dǎo)電連接件12’及第二電極13’形成一導(dǎo)電通路以連接一外部元件(圖未示)及一電源(圖未示)。絕緣層15位于第一電極13和第二電極13’之間，以電氣隔離該第一電極13及該第二電極13’。導(dǎo)電連接件12可為導(dǎo)電通孔或側(cè)面包覆(wrap-around)的導(dǎo)電端面。
[0057]圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的表面貼裝型過電流保護(hù)元件2的示意圖，其設(shè)計(jì)成在其上、下表面各含有一組由第一電極層131及第二電極層131’組成的電極組，從而該第一電極13與該第二電極13’可分別于該表面貼裝型過電流保護(hù)元件2之上、下表面形成一組正、負(fù)電極。該表面貼裝型過電流保護(hù)元件2可利用上、下任一表面與基板表面接合。且因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)無上、下面的方向性，故在工藝(例如:電阻分選、包裝及元件組裝至印刷電路板的工藝)上較易處理，而無需顧慮到該表面貼裝型過電流保護(hù)元件2的方向性。絕緣層15用以電氣隔離該第一電極13及該第二電極13’。詳言之，第一導(dǎo)電層Ila及第二導(dǎo)電層Ilb分別位于PTC材料層10的上下表面；亦即PTC材料層10迭設(shè)于第一導(dǎo)電層Ila及第二導(dǎo)電層Ilb之間。第一電極13包含一對(duì)形成兀件2上下表面的第一電極層131,第二電極包含一對(duì)形成元件2上下表面的第二電極層131’。該第一電極層131及第二電極層131’位于絕緣層15表面。第一導(dǎo)電連接件12連接該對(duì)第一電極層131及第一導(dǎo)電層I Ia,第二導(dǎo)電連接件12’連接該對(duì)第二電極層131’及第二導(dǎo)電層lib。綜言之，PTC材料層10、第一導(dǎo)電層11a、第二導(dǎo)電層lib、第一電極13及第二電極13’層迭組成。第一導(dǎo)電層Ila相較于其鄰近的第一電極13或第二電極13’(即上方的電極層131和131’ )為內(nèi)層導(dǎo)電線路，第二導(dǎo)電層Ilb相較于其鄰近的第一電極13或第二電極13’(即下方的電極層131和131’ )亦為內(nèi)層導(dǎo)電線路。
[0058]圖3為本發(fā)明第三實(shí)施例的表面貼裝型過電流保護(hù)元件3的示意圖，其中該第一導(dǎo)電連接件12或第二導(dǎo)電連接件12’可利用金屬電鍍于元件的側(cè)面，而形成側(cè)面包覆的電氣導(dǎo)體。通常第一導(dǎo)電連接件12連接于第一導(dǎo)電層Ila及該對(duì)第一電極層131,而第二導(dǎo)電連接件12’連接于第二導(dǎo)電層Ilb及該對(duì)第二電極層131’。本實(shí)施例中，上方的第一電極層131接觸第一導(dǎo)電層Ila表面。下方的第二電極層131’接觸第二導(dǎo)電層Ilb表面。另，亦可設(shè)計(jì)將該第一導(dǎo)電連接件12及該第二導(dǎo)電連接件12’以錫膏涂布、電鍍?cè)俳?jīng)回焊或熱固化的方式連接電極13、13’與該導(dǎo)電層lla、llb。在本實(shí)施例中，該第一導(dǎo)電連接件12或該第二導(dǎo)電連接件12’亦可以形成微孔后，再以孔壁電鍍形成導(dǎo)電通孔(p I at ing-through-ho I e ；PTH)或金屬填孔而形成導(dǎo)電圓柱。
[0059]圖4為本發(fā)明第四實(shí)施例的表面貼裝型過電流保護(hù)元件4的示意圖。第一電極13包含一對(duì)第一電極層131，第二電極13’包含一對(duì)第二電極層131’。第一導(dǎo)電連接件12連接該對(duì)第一電極層131及第一導(dǎo)電層11a，第二導(dǎo)電連接件12’連接該對(duì)第二電極層131’及第二導(dǎo)電層lib。第一導(dǎo)電層Ila經(jīng)由蝕刻方式形成，通過蝕刻線16(或蝕刻區(qū))防止其與第二電極13’和第二導(dǎo)電連接件12’產(chǎn)生短路。另，該第二導(dǎo)電層Ilb亦經(jīng)由蝕刻方式形成，通過蝕刻線16’ (或蝕刻區(qū))防止其與第一電極13和第一導(dǎo)電連接件12產(chǎn)生短路。
[0060]圖5為本發(fā)明第五實(shí)施例的表面貼裝型過電流保護(hù)元件5的示意圖，類似于圖1所示者，本實(shí)施例是關(guān)于單面電極的SMD過電流保護(hù)元件。導(dǎo)電連接件12以導(dǎo)電通孔或?qū)щ娭姆绞竭B接第一導(dǎo)電層11a、第三導(dǎo)電層Ilc及第一電極13。該第三導(dǎo)電層Ilc以蝕刻方式形成，其通過蝕刻線16’(或蝕刻區(qū))與第二導(dǎo)電層Ilb形成電氣隔離。第二金屬箔Ilb藉由導(dǎo)電連接件12’連接第二電極13’。此第三導(dǎo)電層Ilc貼附于該P(yáng)TC材料層10，并與第二導(dǎo)電層Ilb在同一平面上。一實(shí)施例中，第一導(dǎo)電層Ila的表面覆蓋薄層的絕緣層15，例如絕緣漆或文字油墨等。
[0061]圖6為本發(fā)明第六實(shí)施例的表面貼裝型過電流保護(hù)元件6的示意圖。第一電極13包含位于元件6上下表面的一對(duì)第一電極層131，而第二電極13’包含位于元件6上下表面的一對(duì)第二電極層131’。第一導(dǎo)電連接件12以導(dǎo)電孔或?qū)щ娭姆绞竭B接第一電極層131、第一導(dǎo)電層Ila和第三導(dǎo)電層11c。第三導(dǎo)電層Ilc通過蝕刻方式形成，以蝕刻線16’(或蝕刻區(qū))與第二導(dǎo)電層Ilb形成電氣相互隔離。第二導(dǎo)電連接件12’以導(dǎo)電孔或?qū)щ娭姆绞竭B接第二電極層131’、第二導(dǎo)電層Ilb和第四導(dǎo)電層lid。第四導(dǎo)電層Ild通過蝕刻方式形成，且以蝕刻線16 (或蝕刻區(qū))與第一導(dǎo)電層Ila形成電氣相互隔離。通常該第四導(dǎo)電層Ild貼附于該P(yáng)TC材料層10,并與第一導(dǎo)電層Ila在同一平面上。
[0062]圖7為本發(fā)明第七實(shí)施例的表面貼裝型過電流保護(hù)元件7的示意圖。過電流保護(hù)元件7包含PTC元件71、第一導(dǎo)電連接件12a、第二導(dǎo)電連接件12a’、第一電極13及第二電極13’。PTC兀件71包含第一導(dǎo)電層11a、第二導(dǎo)電層Ilb及迭設(shè)于該第一導(dǎo)電層Ila及第二導(dǎo)電層Ilb間的PTC材料層10。第一電極13包含位于元件7上下表面的一對(duì)第一電極層131，而第二電極13’包含位于元件7上下表面的一對(duì)第二電極層131’。絕緣層15包覆該P(yáng)TC元件7。導(dǎo)電連接件12a(例如導(dǎo)電通孔或?qū)щ姸嗣?連接該對(duì)第一電極層13;導(dǎo)電連接件12b (例如導(dǎo)電柱或?qū)щ娍?連接該第一導(dǎo)電層I Ia及上方的第一電極層131。導(dǎo)電連接件12a’(例如導(dǎo)電通孔或?qū)щ姸嗣?連接該對(duì)第二電極層131’，導(dǎo)電連接件12b’(例如導(dǎo)電柱或?qū)щ娍?連接該第二導(dǎo)電層Ilb及下方的第二電極層131’。
[0063]圖8為本發(fā)明第八實(shí)施例的表面貼裝型過電流保護(hù)元件8的示意圖。類似于圖2的結(jié)構(gòu)，不同之處在于另外增加連接上方的第一電極層131及第一導(dǎo)電層Ila的導(dǎo)電連接件12b，以及連接下方的第二電極層131’及第二導(dǎo)電層Ilb的導(dǎo)電連接件12b’，從而可增加導(dǎo)熱或散熱效果。另外，若第一電極層131和第二電極層131’為銅層，可外覆錫層132和132’，以增進(jìn)焊接效果。位于上、下的第一電極層131和第二電極層131’之間可設(shè)置絕緣防焊層17。
[0064]以下將利用一實(shí)施例說明本發(fā)明的表面貼裝型過電流保護(hù)元件的制作過程。本領(lǐng)域技術(shù)人員亦可將實(shí)質(zhì)相同或相似的方法應(yīng)用于制作上述實(shí)施例的SMD結(jié)構(gòu)或其它結(jié)構(gòu)上略有不同的SMD元件。
[0065]本發(fā)明的表面貼裝型過電流保護(hù)元件的制作過程例示如下:首先將分批式混煉機(jī)(Haake-600)進(jìn)料溫度定在160°C，進(jìn)料時(shí)間為2分鐘。進(jìn)料程序?yàn)榧尤攵康慕Y(jié)晶性高分子聚合物，攪拌數(shù)秒鐘再加入導(dǎo)電填料?；鞜挋C(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為40rpm。3分鐘之后，將其轉(zhuǎn)速提高至70rpm，繼續(xù)混煉7分鐘后下料，而形成一具有PTC特性的導(dǎo)電復(fù)合材料。將上述導(dǎo)電復(fù)合材料以上下對(duì)稱方式置入外層為鋼板，中間厚度為0.35mm的模具中，模具上下各置一層鐵弗龍脫模布，先預(yù)壓3分鐘，預(yù)壓操作壓力50kg/cm2，溫度為160°C。排氣之后進(jìn)行壓合，壓合時(shí)間為3分鐘，壓合壓力控制在lOOkg/cm2，溫度為160°C。之后再重復(fù)一次壓合動(dòng)作以形成一PTC復(fù)合材料層，其中壓合時(shí)間為3分鐘，壓合壓力控制在150kg/cm2，溫度為 160。。。
[0066]參照?qǐng)D9A，下一步驟是將該P(yáng)TC復(fù)合材料層裁切成20 X 20cm2正方形的PTC材料層10，再將兩導(dǎo)電層20直接物理性接觸于該P(yáng)TC材料層10的上、下表面，其中是于該P(yáng)TC材料層10的表面以上、下對(duì)稱方式覆蓋該兩導(dǎo)電層20。該二導(dǎo)電層20可利用具有瘤狀突出物(圖未示)的粗糙表面與該P(yáng)TC材料層10直接物理性接觸。申言之，導(dǎo)電層20的兩個(gè)表面也可以都是光滑面，但是較常使用的導(dǎo)電層含一光滑面及一粗糙面，并將含瘤狀突出的該粗糙面作為內(nèi)側(cè)面與該P(yáng)TC材料層10直接物理性接觸。之后，于上下對(duì)稱覆蓋的所述兩導(dǎo)電層20的外側(cè)依順序加上壓合專用緩沖材如鐵弗龍脫模布及不銹鋼鋼板(圖未示)而形成一多層結(jié)構(gòu)并再次進(jìn)行壓合，壓合時(shí)間為3分鐘，操作壓力為60kg/cm2，溫度為180°C。熱壓合后再將該多層結(jié)構(gòu)以同樣壓力在室溫下進(jìn)行冷壓合5分鐘，壓合后將所述兩導(dǎo)電層20與該P(yáng)TC材料層10所形成的片狀復(fù)合材料取出再經(jīng)50KGy的、射線照射，形成如圖9A所示的導(dǎo)電復(fù)合材料元件9。
[0067]在一實(shí)施例中，將導(dǎo)電復(fù)合材料元件9表層的導(dǎo)電層20進(jìn)行蝕刻產(chǎn)生蝕刻線21 (參圖9B),以形成位于PTC材料層10 —表面的第一導(dǎo)電層Ila及另一表面的第二導(dǎo)電層lib。再將絕緣層15 (例如含玻璃纖維的環(huán)氧樹脂，F(xiàn)R-4)覆蓋在蝕刻過的該導(dǎo)電層Ila及Ilb表面，并于絕緣層15的表面覆蓋一層銅箔40，并在溫度180°C及60kg/cm2壓力下進(jìn)行30分鐘熱壓合，冷卻后得如圖9B所示的包含一層PTC材料層10的復(fù)合材料。
[0068]參照?qǐng)D9C，接著將該上、下銅箔40進(jìn)行蝕刻，產(chǎn)生兩個(gè)第一電極層131及與該第一電極層131相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)第二電極層131’，且以鉆孔電鍍方式在孔內(nèi)形成導(dǎo)電通孔(plating through hole ;PTH),即產(chǎn)生第一導(dǎo)電連接件12和第二導(dǎo)電連接件12’。申言之，第一電極13包含該對(duì)第一電極層131,第二電極13’包含該對(duì)第二電極層131’。第一導(dǎo)電連接件12電氣連接于該第一導(dǎo)電層Ila及該第一電極層131，而第二導(dǎo)電連接件12’電氣連接于該第二導(dǎo)電層Ub及該第二電極層131’。之后，在第一電極13與該第二電極13’之間涂上絕緣層60 (在此使用紫外線固化涂料)，作為電極13及13’間的絕緣涂料(即防焊層)，而形成一 PTC板材。經(jīng)紫外線固化后，再將該P(yáng)TC板材按欲應(yīng)用的表面粘著元件的尺寸進(jìn)行切割，即可產(chǎn)生本發(fā)明的一表面貼裝型過電流保護(hù)元件90。
[0069]除了上述包含單層PTC材料層10的實(shí)施例外，本發(fā)明亦將包含其他層數(shù)PTC材料層10制作成的表面貼裝型過電流保護(hù)元件。
[0070]圖10示例包含2層PTC材料層的表面貼裝型過電流保護(hù)元件的結(jié)構(gòu)，其制作流程如下:先取兩片導(dǎo)電復(fù)合材料元件9，將第一片導(dǎo)電復(fù)合材料元件9表層的導(dǎo)電層I Ia及Ilb進(jìn)行蝕刻產(chǎn)生蝕刻線，再利用第一絕緣層15 (于本實(shí)施例中使用含玻璃纖維的環(huán)氧樹脂)覆蓋在導(dǎo)電層Ila及Ilb表面，以及蝕刻后的另一片導(dǎo)電復(fù)合材料元件9之間。之后，于上、下絕緣層15表面各覆蓋一層銅箔，并在溫度180°C及60kg/cm2壓力下進(jìn)行30分鐘熱壓合，經(jīng)冷卻后得一包含2層PTC材料層10的多層復(fù)合材料。該銅箔進(jìn)行蝕刻后產(chǎn)生兩個(gè)第一電極層131及與該第一電極層131相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)第二電極層131’。申言之，第一電極13包含該對(duì)第一電極層131，第二電極13’包含該對(duì)第二電極層131’。接著，再以鉆孔電鍍方式產(chǎn)生第一導(dǎo)電連接件12和第二導(dǎo)導(dǎo)電連接件12’，其中該第一導(dǎo)電連接件12電氣連接于各導(dǎo)電復(fù)合材料元件9中的導(dǎo)電層Ila及該對(duì)第一電極層131’，而該第二導(dǎo)電連接件12’電氣連接于各導(dǎo)電復(fù)合材料元件9的導(dǎo)電層Ilb及第二電極層131’。一實(shí)施例中，在該第一電極13與第二電極13’之間，涂上第二絕緣層60 (在此使用紫外線固化的涂料)作為電極間的絕緣涂料(即防焊層)。經(jīng)紫外線固化后，再按所欲應(yīng)用的表面粘著元件的尺寸進(jìn)行切割，即可產(chǎn)生包含多個(gè)PTC材料層10或多個(gè)PTC元件9的表面貼裝型過電流保護(hù)元件。
[0071]上述實(shí)施例中的PTC材料層10包含結(jié)晶性高分子聚合物及分散于其間的導(dǎo)電填料。結(jié)晶性高分子聚合物可選用具結(jié)晶性的聚烯烴類聚合物(例如高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蠟、乙烯聚合物、聚丙烯、聚氯乙烯或聚氟乙烯等)，烯烴類單體與丙烯酸類單體的共聚物(例如乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物)或烯烴類單體與乙烯醇類單體的共聚物(例如乙烯-乙烯醇共聚物)等，并且可以選用一種或多種聚合物材料。
[0072]舉例而言，在鋰離子電池過充電的安全保護(hù)應(yīng)用方面，為了達(dá)到較低溫保護(hù)的目的，一般PTC過電流保護(hù)元件必須在較低溫就能有觸發(fā)反應(yīng)，因此PTC材料層除了可選用傳統(tǒng)上較低熔點(diǎn)的結(jié)晶性高分子聚合物，如低密度聚乙烯，然而也可以選用一種或多種結(jié)晶性高分子聚合物材料，例如包含至少一熔點(diǎn)低于115°C的結(jié)晶性高分子聚合物。上述低密度聚乙烯可使用傳統(tǒng)齊格勒-納塔(Ziegler — Natta)催化劑、茂金屬(Metallocene)催化劑或其他催化劑聚合而成，亦可經(jīng)由乙烯單體與其它單體，如:丁烯(butane)、己烯(hexane)、辛烯(octene)、丙烯酸(acrylic acid)或醋酸乙烯酯(vinyl acetate)等共聚合而成。但有時(shí)為了達(dá)到較高溫保護(hù)或其他特殊的目的，該P(yáng)TC材料層的成分亦可全部或局部使用高熔點(diǎn)的結(jié)晶性高分子聚合物材料，如:聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride ；PVDF)、聚氟乙烯(polyvinyl fluoride ;PVF)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene ；PTFE)、聚氯化三氟化乙烯(polychlorotrifluoro-ethylene ；PCTFE)等。
[0073]上述結(jié)晶性聞分子聚合物亦可含官能基團(tuán)，如酸基、酸野基、齒基、胺基(amine)、未飽和基、環(huán)氧基、醇基、氨基(amide)、金屬離子、酯基(ester)、丙烯酸基(acrylate)或堿基(salt)等；亦可在該P(yáng)TC材料層中加入抗氧化劑、交聯(lián)劑、阻燃劑、防水劑或抗電弧劑等，以達(dá)到強(qiáng)化材料極性、材料電氣性質(zhì)，機(jī)械結(jié)合力性質(zhì)或其他性質(zhì)，如:抗水性、耐高溫性、交聯(lián)性及抗氧化性等。
[0074]導(dǎo)電填料可選用炭黑、金屬粉末或?qū)щ娞沾煞勰?。金屬粉末可選自鎳、鈷、銅、鐵、錫、鉛、銀、金、鉬或其他金屬及其合金。導(dǎo)電陶瓷粉末可選自金屬碳化物，例如:碳化鈦(TiC)、碳化鎢(WC)、碳化釩(VC)、碳化鋯(ZrC)、碳化鈮(NbC)、碳化鉭(TaC)、碳化鑰(MoC)及碳化鉿(HfC);或選自金屬硼化物，例如:硼化鈦(TiB2)、硼化釩(VB2)、硼化鋯(ZrB2)、硼化鈮(NbB2)、硼化鑰(MoB2)及硼化鉿(HfB2);或選自金屬氮化物，例如:氮化鋯(ZrN)。申言之，本發(fā)明的導(dǎo)電填料可選自前述金屬或?qū)щ娞沾山?jīng)物理或化學(xué)方式形成的混合物、合金、硬質(zhì)合金、固溶體或核殼體。
[0075]本發(fā)明所使用的金屬粉末或?qū)щ娞沾煞勰┑男螤羁沙尸F(xiàn)出多種不同樣式的顆粒，例如:球體型(spherical)、方體型(cubic)、片狀型(flake)、多角型、尖刺型(spiky)、柱狀型(rod)、珊瑚型、瘤狀型(nodular)、葡萄球狀、蕈菇狀、及絲線型(filament)等，其縱橫比(aspect ratio)介于I至1000,其形狀可為高結(jié)構(gòu)(high structure)或是低結(jié)構(gòu)(lowstructure)的粉末。大致而言，高結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電填料可以強(qiáng)化PTC材料的電阻再現(xiàn)性，低結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電填料可以強(qiáng)化PTC材料的耐電壓性。
[0076]另外，為了提升耐電壓性，本發(fā)明的PTC材料層10可添加非導(dǎo)電填料。非導(dǎo)電填料主要選自具有阻燃效果或抗電弧效應(yīng)的無機(jī)化合物(例如:氧化鋅、氧化銻、氧化鋁、氧化硅、碳酸鈣、硫酸鎂或硫酸鋇)或含有氫氧基(OH)的化合物(例如:氫氧化鎂、氫氧化鋁、氫氧化鈣或氫氧化鋇等)。非導(dǎo)電填料為無機(jī)化合物亦具有控制電阻再現(xiàn)性的功能。
[0077]導(dǎo)電層Ila及Ilb可使用金屬箔片，例如常用的銅箔、鎳箔或鍍鎳銅箔等。另外，導(dǎo)電層IlaUlb亦可為經(jīng)過電鍍、電解、沉積或鍍層增厚工藝制作的導(dǎo)電材料或?qū)щ姀?fù)合材料。
[0078]導(dǎo)電連接件12、12’、12a、12a’基本上是用金屬材料制成，可以是一個(gè)或多個(gè)圓柱狀或部分圓柱狀、橢圓柱狀或部分橢圓柱狀、平面狀、片狀或其他形狀與結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電連接件
12、12’、12a、12a’ 可形成于導(dǎo)通孔(via)內(nèi)、盲孔(blind via)內(nèi)、或包覆(wrap-around)在元件的全部側(cè)面(full-face)或部分側(cè)面上，而形成導(dǎo)電通孔、導(dǎo)電盲孔或?qū)щ姸嗣?。?duì)于只有單面電極的SMD過電流保護(hù)元件而言，其最上層的PTC材料層的導(dǎo)電層可以完全顯露在外，或是其表面上僅覆蓋了薄層的絕緣材料，例如絕緣漆，文字油墨等。
[0079]絕緣層15可使用環(huán)氧樹脂與玻璃纖維的復(fù)合材料，例如FR-4，其亦可作為結(jié)合各PTC材料層10表面的導(dǎo)電層的粘著劑。除了使用環(huán)氧樹脂外，亦可使用其他粘著用絕緣層，如尼龍(Nylon)、聚醋酸乙烯酯(Polyvinylacetate)、聚酯(Polyester)及聚亞酰胺(Polyimide)等。絕緣層60通常可采用熱固化或紫外線固化的丙烯酸樹脂。
[0080]除了圖1和圖5所示的表面貼裝型過電流保護(hù)元件為單面電極型式，其余均為雙面電極或稱上下電極形式。就結(jié)構(gòu)內(nèi)外區(qū)分，設(shè)于PTC材料層10表面的導(dǎo)電層Ila及Ilb作為內(nèi)層電極，電極13及13’則作為外層電極。要言之，前述表面貼裝型過電流保護(hù)元件主要是由PTC材料層、PTC材料層表面的內(nèi)層導(dǎo)電層、絕緣層及外層電極層迭構(gòu)成。舉例而言，結(jié)晶性高分子聚合物于其熔點(diǎn)的熱膨脹系數(shù)約5000ppm/K,而銅箔的熱膨脹系數(shù)約17ppm/K，鎳箔的熱膨脹系數(shù)則約13ppm/K。換言之，PTC材料層達(dá)到其熔點(diǎn)溫度時(shí)，與其表面的金屬箔的熱膨脹系數(shù)相差達(dá)100倍以上，甚至可達(dá)200倍或250倍以上，不過通常會(huì)小于800倍或1000倍。此時(shí)若PTC材料層表面的導(dǎo)電層具有較佳的機(jī)械強(qiáng)度或剛性，理論上可通過其與PTC材料層間的結(jié)合力量，抑制或減低PTC材料層的膨脹程度，避免PTC材料層的過度膨脹，從而得到較佳的PTC材料層的體積回復(fù)性及電阻回復(fù)性或再現(xiàn)性。
[0081]以下利用圖2所示的過電流保護(hù)元件結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，其中比較例I和實(shí)施例1采用相同的材料和結(jié)構(gòu)，不同處在于導(dǎo)電層的厚度。另外，比較例2和實(shí)施例2以及比較例3和實(shí)施例3為另外2組針對(duì)導(dǎo)電層厚度不同的比較組。
[0082]Ri為過電流保護(hù)元件的初始電阻值，R1、R2及R3分別為觸發(fā)I次后回復(fù)至室溫I小時(shí)、再次觸發(fā)后回復(fù)至室溫I小時(shí)及第3次觸發(fā)后回復(fù)至室溫I小時(shí)后所測(cè)量的電阻值。上述各實(shí)施例及比較例的電阻值測(cè)試結(jié)果及相關(guān)的電阻再現(xiàn)性R3/Ri比值如表一所示。其中HDPE和LDPE分別代表高密度聚乙烯及低密度聚乙烯。
[0083]表一
【權(quán)利要求】
1.一種表面貼裝型過電流保護(hù)元件，包含: 至少一 PTC材料層，具有相對(duì)的第一表面及第二表面，該P(yáng)TC材料層包含至少一結(jié)晶性高分子聚合物及分散于該結(jié)晶性高分子聚合物中的至少一導(dǎo)電填料； 一第一導(dǎo)電層，設(shè)于該第一表面; 一第二導(dǎo)電層，設(shè)于該第二表面； 一第一電極，電氣連接該第一導(dǎo)電層； 一第二電極，電氣連接該第二導(dǎo)電層；以及 至少一絕緣層，設(shè)置于該第一及第二電極之間，以電氣隔離該第一電極及第二電極； 其中該結(jié)晶性高分子聚合物對(duì)應(yīng)一熔點(diǎn)溫度，在該熔點(diǎn)溫度時(shí)，該結(jié)晶性高分子聚合物的熱膨脹系數(shù)大于該第一及第二導(dǎo)電層的熱膨脹系數(shù)達(dá)100倍以上，且至少該第一導(dǎo)電層及第二導(dǎo)電層中之一者的厚度大到足以使得該表面貼裝型過電流保護(hù)元件的電阻再現(xiàn)性R3/Ri小于1.4，Ri為表面貼裝型過電流保護(hù)元件的起始電阻值，R3為觸發(fā)3次后的電阻值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的表面貼裝型過電流保護(hù)元件，其中該第一或第二導(dǎo)電層的厚度介于38至200 μ m之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的表面貼裝型過電流保護(hù)元件，其中該P(yáng)TC材料層厚度與第一和第二導(dǎo)電層厚度的比值在0.3~12.5之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的表面貼裝型過電流保護(hù)元件，其中該結(jié)晶性高分子聚合物選自:高密度聚乙烯、中密 度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蠟、乙烯聚合物、聚丙烯、聚氯乙烯、聚氟乙烯等、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物或烯烴類單體與乙烯醇類單體的共聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的表面貼裝型過電流保護(hù)元件，其中該導(dǎo)電填料選自:炭黑、鎳、鈷、銅、鐵、錫、鉛、銀、金、鉬、碳化鈦、碳化鎢、碳化釩、碳化鋯、碳化鈮、碳化鉭、碳化鑰、碳化鉿、硼化鈦、硼化釩、硼化鋯、硼化鈮、硼化鑰、硼化鉿、氮化鋯或前述材料的混合物、合金、固溶體或核殼體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的表面貼裝型過電流保護(hù)元件，其中該P(yáng)TC材料層還包含非導(dǎo)電填料，該非導(dǎo)電填料選自:氧化鋅、氧化銻、氧化鋁、氧化硅、碳酸鈣、硫酸鎂或硫酸鋇、氫氧化鎂、氫氧化鋁、氫氧化鈣或氫氧化鋇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的表面貼裝型過電流保護(hù)元件，其中該第一或第二導(dǎo)電層為銅箔、鎳箔或鍍鎳銅箔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的表面貼裝型過電流保護(hù)元件，其中該第一或第二導(dǎo)電層為經(jīng)過電鍍、電解、沉積或鍍層增厚工藝制作的導(dǎo)電材料或?qū)щ姀?fù)合材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的表面貼裝型過電流保護(hù)元件，其中該絕緣層的材料包括含玻璃纖維的環(huán)氧樹脂。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的表面貼裝型過電流保護(hù)元件，其中該P(yáng)TC材料層、第一導(dǎo)電層、第二導(dǎo)電層、第一電極及第二電極層迭組成，且第一或第二導(dǎo)電層相較于其鄰近的第一電極或第二電極為內(nèi)層導(dǎo)電線路。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的表面貼裝型過電流保護(hù)元件，其還包含第一導(dǎo)電連接件及第二導(dǎo)電連接件，第一導(dǎo)電連接件包含位于元件一端部的導(dǎo)電通孔、導(dǎo)電盲孔或?qū)щ姸嗣?，且沿垂直方向延伸以連接該第一電極及第一導(dǎo)電層；該第二導(dǎo)電連接件包含位于元件另一端部的導(dǎo)電通孔、導(dǎo)電盲孔或?qū)щ姸嗣妫已卮怪狈较蜓由煲赃B接該第二電極及第二導(dǎo)電層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的表面貼裝型過電流保護(hù)元件，其中絕緣層有兩層分別設(shè)于該第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的表面貼裝型過電流保護(hù)元件，其中該第一電極包含一對(duì)設(shè)于該第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層表面的絕緣層表面的第一電極層，該第二電極包含一對(duì)設(shè)于該第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層表面的絕緣層表`面的第二電極層。
【文檔編號(hào)】H01C7/02GK103854816SQ201310204088
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2013年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月29日
【發(fā)明者】王紹裘, 利文峯, 楊恩典, 曾郡騰, 沙益安 申請(qǐng)人:聚鼎科技股份有限公司