表面贴装型过电流保护元件的制作方法
【专利摘要】一种表面贴装型过电流保护元件包含至少一PTC材料层、第一导电层、第二导电层、第一电极、第二电极及至少一绝缘层。PTC材料层包含结晶性高分子聚合物及分散于该结晶性高分子聚合物中的导电填料。第一及第二导电层分别设于PTC材料层的第一及第二表面。第一及第二电极分别电气连接该第一及第二导电层。绝缘层设置于该第一及第二电极之间，作为电气隔离。在结晶性高分子聚合物对应的熔点温度时，结晶性高分子聚合物与该第一及第二导电层的热膨胀系数相差100倍以上，且至少该第一导电层及第二导电层中之一者的厚度大到足以使得该表面贴装型过电流保护元件的电阻再现性R3/Ri小于1.4，其中Ri为元件的起始电阻值，R3为触发3次后的电阻值。
【专利说明】表面贴装型过电流保护元件
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种表面贴装型(SMD)过电流保护元件，更具体而言，涉及一种具有良好电阻再现性的表面贴装型过电流保护元件。
【背景技术】
[0002]由于PTC导电复合材料在正常温度下的电阻可维持极低值，使与其连接的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102 Ω以上)，而将过量的电流反向抵消。由于具有PTC特性的导电复合材料的电阻具有上述对温度变化反应敏锐的特性，故可作为电流传感元件的材料，且目前已被广泛应用于过电流保护元件或电路元件上，以达到保护的目的。
[0003]以高分子PTC材料为例，通常使用炭黑作为导电填料，而将炭黑分散在结晶性高分子聚合物之间。这种晶体结构使得碳粒子集中分布在晶界中，它们之间排的非常紧密，电流可以经由这些“碳链”流过绝缘的塑料聚合物。在正常室温条件下，这些高分子聚合物中存有相当数量的碳链，因此构成了导电通道。
[0004]当过电流使得元件温度上升直到超过高分子聚合物的相变温度(例如熔点)，一但超过了这个相变温度，高分子聚合物会膨胀，使得那些结晶性结构会被破坏，变成了不规则状态。这样一来导电碳链通道被破坏，故不能再传导电流，使得电阻也随之急剧上升，即所谓的“触发(trip)”现象。
[0005]当温度回复至低于其相变温度时，聚合物会重新结晶，导电碳链也再重新形成。但实务上因高分子聚合物膨胀无法完全回复的关系，使得导电碳链并无法维持原有的导电性，因此电阻无法回复至原来的低阻值。另外，多次触发后有电阻值大幅增加的现象，亦即有电阻回复性或电阻再现性不佳的问题。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种过电流保护元件，通过增加PTC材料层表面导电层的厚度，抑制或避免PTC材料的过度膨胀，从而提供元件较佳的电阻回复性或电阻再现性。
[0007]PTC聚合物材料于触发时，会产生相当大的体积变化率，其热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion ;CTE)会到达 5000ppm/K 以上，因此造成 PTC 兀件在多次触发后电阻值大幅度上升的情形。然而在SMD结构中PTC材料层表面接触的导电层大部分采用例如镍箔、铜箔或镀镍铜箔等金属导电材料，其中铜箔及镀镍铜箔的热膨胀系数约为17ppm/K，镍箔的热膨胀系数为13ppm/K，均远小于PTC聚合物材料的热膨胀系数。此外上述导电层表面通常会在其表面层迭设置绝缘层，该绝缘层可采用含玻璃纤维的环氧树脂，例如预浸玻纤材料FR-4。在低于玻璃化转变温度时，FR-4于Z轴的热膨胀系数约在60ppm/K以上；高于玻璃化转变温度时，其于Z轴的热膨胀系数约在310ppm/K以上。由此可见，PTC聚合物材料与其他导电层及绝缘层材料的热膨胀系数有相当大的差异，本发明即利用该材料间热膨胀系数的差异特性，以改善PTC聚合物材料的体积/电阻值回复性。
[0008]因此，本发明提供一种表面贴装型过电流保护元件，包含:
[0009]至少一 PTC材料层，具有相对的第一表面及第二表面，该PTC材料层包含至少一结晶性高分子聚合物及分散于该结晶性高分子聚合物中的至少一导电填料；
[0010]一第一导电层，设于该第一表面；
[0011]—第二导电层，设于该第二表面；
[0012]一第一电极，电气连接该第一导电层；
[0013]一第二电极，电气连接该第二导电层；以及
[0014]至少一绝缘层，设置于该第一及第二电极之间，以电气隔离该第一电极及第二电极；
[0015]其中该结晶性高分子聚合物对应一熔点温度，在该熔点温度时，该结晶性高分子聚合物的热膨胀系数大于该第一及第二导电层的热膨胀系数达100倍以上，且至少该第一导电层及第二导电层中之一者的厚度大到足以使得该表面贴装型过电流保护元件的电阻再现性R3/Ri小于1.4，Ri为表面粘着型贴装型过电流保护元件的起始电阻值，R3为触发3次后的电阻值。
[0016]在本发明一实施方式中，该第一或第二导电层的厚度介于38至200 μ m之间。
[0017]在本发明另一实施方式中，该PTC材料层厚度与第一和第二导电层厚度的比值在0.3?12.5之间。
[0018]在本发明另一实施方式中，该结晶性高分子聚合物选自:高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯腊、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烃类单体与乙烯醇类单体的共聚物。
[0019]在本发明另一实施方式中，该导电填料选自:炭黑、镍、钴、铜、铁、锡、铅、银、金、钼、碳化钛、碳化钨、碳化钒、碳化锆、碳化铌、碳化钽、碳化钥、碳化铪、硼化钛、硼化钒、硼化锆、硼化铌、硼化钥、硼化铪、氮化锆或前述材料的混合物、合金、固溶体或核壳体。
[0020]在本发明另一实施方式中，该PTC材料层还包含非导电填料，该非导电填料选自:氧化锌、氧化锑、氧化铝、氧化硅、碳酸钙、硫酸镁或硫酸钡、氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化钙或氢氧化钡。
[0021]在本发明另一实施方式中，该第一或第二导电层为铜箔、镍箔或镀镍铜箔。
[0022]在本发明另一实施方式中，该第一或第二导电层为经过电镀、电解、沉积或镀层增厚工艺制作的导电材料或导电复合材料。
[0023]在本发明另一实施方式中，该绝缘层的材料包括含玻璃纤维的环氧树脂。
[0024]在本发明另一实施方式中，该PTC材料层、第一导电层、第二导电层、第一电极及第二电极层迭组成，且第一或第二导电层相较于其邻近的第一电极或第二电极为内层导电线路。
[0025]在本发明另一实施方式中，该表面贴装型过电流保护元件还包含第一导电连接件及第二导电连接件，第一导电连接件包含位于元件一端部的导电通孔、导电盲孔或导电端面，且沿垂直方向延伸以连接该第一电极及第一导电层；该第二导电连接件包含位于元件另一端部的导电通孔、导电盲孔或导电端面，且沿垂直方向延伸以连接该第二电极及第二导电层。[0026]在本发明另一实施方式中，绝缘层有两层分别设于该第一导电层和第二导电层表面。
[0027]在本发明另一实施方式中，该第一电极包含一对设于该第一导电层和第二导电层表面的绝缘层表面的第一电极层，该第二电极包含一对设于该第一导电层和第二导电层表面的绝缘层表面的第二电极层。
[0028]在本发明中通过提升PTC材料层表面的导电层厚度，通过增加热膨胀系数较低的导电层的强度来限制或局限PTC材料层于触发时的膨胀，以进一步提升电阻值再现性。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1至图8是本发明第一实施例至第八实施例的表面贴装型过电流保护元件示意图；
[0030]图9A至9C是本发明一实施例的表面贴装型过电流保护元件的制作流程示意图；以及
[0031]图10是本发明又一实施例的具双层PTC材料层的表面贴装型过电流保护元件示意图。
[0032]其中，附图标记说明如下:
[0033]I?8、90表面贴装型过电流保护元件
[0034]9导电复合材料元件
[0035]10PTC 材料层
[0036]I Ia第一导电层
[0037]Ilb第二导电层
[0038]Ilc第三导电层
[0039]Ild第四导电层
[0040]12导电连接件
[0041]12’导电连接件
[0042]12a、12a’导电连接件
[0043]12b、12b’导电连接件
[0044]13第一电极
[0045]13’ 第二电极
[0046]15绝缘层
[0047]16、16’、21 蚀刻线
[0048]17防焊层
[0049]20导电层
[0050]40 铜箔
[0051]60绝缘层
[0052]7IPTC 元件
[0053]131第一电极层
[0054]131’第二电极层【具体实施方式】
[0055]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:
[0056]图1为本发明第一实施例的表面贴装型过电流保护元件I的示意图，其用于粘着于一基板或电路板(图未不)的表面。第一电极13及与该第一电极13相对应的第二电极13’通常会位于同一平面上。该表面贴装型过电流保护元件I可设计成仅包含一组由第一电极13及第二电极13’所组成的电极组，如此该表面贴装型过电流保护元件I只能有一特定面与基板表面接合。此设计通常应用在需要放在狭窄空间里，以及需要达到单方向绝热或导热的需求。该表面贴装型过电流保护元件I中该第一电极13、导电连接件12、第一导电层lla、PTC材料层10、第二导电层lib、导电连接件12’及第二电极13’形成一导电通路以连接一外部元件(图未示)及一电源(图未示)。绝缘层15位于第一电极13和第二电极13’之间，以电气隔离该第一电极13及该第二电极13’。导电连接件12可为导电通孔或侧面包覆(wrap-around)的导电端面。
[0057]图2为本发明第二实施例的表面贴装型过电流保护元件2的示意图，其设计成在其上、下表面各含有一组由第一电极层131及第二电极层131’组成的电极组，从而该第一电极13与该第二电极13’可分别于该表面贴装型过电流保护元件2之上、下表面形成一组正、负电极。该表面贴装型过电流保护元件2可利用上、下任一表面与基板表面接合。且因为此设计无上、下面的方向性，故在工艺(例如:电阻分选、包装及元件组装至印刷电路板的工艺)上较易处理，而无需顾虑到该表面贴装型过电流保护元件2的方向性。绝缘层15用以电气隔离该第一电极13及该第二电极13’。详言之，第一导电层Ila及第二导电层Ilb分别位于PTC材料层10的上下表面；亦即PTC材料层10迭设于第一导电层Ila及第二导电层Ilb之间。第一电极13包含一对形成兀件2上下表面的第一电极层131,第二电极包含一对形成元件2上下表面的第二电极层131’。该第一电极层131及第二电极层131’位于绝缘层15表面。第一导电连接件12连接该对第一电极层131及第一导电层I Ia,第二导电连接件12’连接该对第二电极层131’及第二导电层lib。综言之，PTC材料层10、第一导电层11a、第二导电层lib、第一电极13及第二电极13’层迭组成。第一导电层Ila相较于其邻近的第一电极13或第二电极13’(即上方的电极层131和131’ )为内层导电线路，第二导电层Ilb相较于其邻近的第一电极13或第二电极13’(即下方的电极层131和131’ )亦为内层导电线路。
[0058]图3为本发明第三实施例的表面贴装型过电流保护元件3的示意图，其中该第一导电连接件12或第二导电连接件12’可利用金属电镀于元件的侧面，而形成侧面包覆的电气导体。通常第一导电连接件12连接于第一导电层Ila及该对第一电极层131,而第二导电连接件12’连接于第二导电层Ilb及该对第二电极层131’。本实施例中，上方的第一电极层131接触第一导电层Ila表面。下方的第二电极层131’接触第二导电层Ilb表面。另，亦可设计将该第一导电连接件12及该第二导电连接件12’以锡膏涂布、电镀再经回焊或热固化的方式连接电极13、13’与该导电层lla、llb。在本实施例中，该第一导电连接件12或该第二导电连接件12’亦可以形成微孔后，再以孔壁电镀形成导电通孔(p I at ing-through-ho I e ；PTH)或金属填孔而形成导电圆柱。
[0059]图4为本发明第四实施例的表面贴装型过电流保护元件4的示意图。第一电极13包含一对第一电极层131，第二电极13’包含一对第二电极层131’。第一导电连接件12连接该对第一电极层131及第一导电层11a，第二导电连接件12’连接该对第二电极层131’及第二导电层lib。第一导电层Ila经由蚀刻方式形成，通过蚀刻线16(或蚀刻区)防止其与第二电极13’和第二导电连接件12’产生短路。另，该第二导电层Ilb亦经由蚀刻方式形成，通过蚀刻线16’ (或蚀刻区)防止其与第一电极13和第一导电连接件12产生短路。
[0060]图5为本发明第五实施例的表面贴装型过电流保护元件5的示意图，类似于图1所示者，本实施例是关于单面电极的SMD过电流保护元件。导电连接件12以导电通孔或导电柱的方式连接第一导电层11a、第三导电层Ilc及第一电极13。该第三导电层Ilc以蚀刻方式形成，其通过蚀刻线16’(或蚀刻区)与第二导电层Ilb形成电气隔离。第二金属箔Ilb藉由导电连接件12’连接第二电极13’。此第三导电层Ilc贴附于该PTC材料层10，并与第二导电层Ilb在同一平面上。一实施例中，第一导电层Ila的表面覆盖薄层的绝缘层15，例如绝缘漆或文字油墨等。
[0061]图6为本发明第六实施例的表面贴装型过电流保护元件6的示意图。第一电极13包含位于元件6上下表面的一对第一电极层131，而第二电极13’包含位于元件6上下表面的一对第二电极层131’。第一导电连接件12以导电孔或导电柱的方式连接第一电极层131、第一导电层Ila和第三导电层11c。第三导电层Ilc通过蚀刻方式形成，以蚀刻线16’(或蚀刻区)与第二导电层Ilb形成电气相互隔离。第二导电连接件12’以导电孔或导电柱的方式连接第二电极层131’、第二导电层Ilb和第四导电层lid。第四导电层Ild通过蚀刻方式形成，且以蚀刻线16 (或蚀刻区)与第一导电层Ila形成电气相互隔离。通常该第四导电层Ild贴附于该PTC材料层10,并与第一导电层Ila在同一平面上。
[0062]图7为本发明第七实施例的表面贴装型过电流保护元件7的示意图。过电流保护元件7包含PTC元件71、第一导电连接件12a、第二导电连接件12a’、第一电极13及第二电极13’。PTC兀件71包含第一导电层11a、第二导电层Ilb及迭设于该第一导电层Ila及第二导电层Ilb间的PTC材料层10。第一电极13包含位于元件7上下表面的一对第一电极层131，而第二电极13’包含位于元件7上下表面的一对第二电极层131’。绝缘层15包覆该PTC元件7。导电连接件12a(例如导电通孔或导电端面)连接该对第一电极层13;导电连接件12b (例如导电柱或导电孔)连接该第一导电层I Ia及上方的第一电极层131。导电连接件12a’(例如导电通孔或导电端面)连接该对第二电极层131’，导电连接件12b’(例如导电柱或导电孔)连接该第二导电层Ilb及下方的第二电极层131’。
[0063]图8为本发明第八实施例的表面贴装型过电流保护元件8的示意图。类似于图2的结构，不同之处在于另外增加连接上方的第一电极层131及第一导电层Ila的导电连接件12b，以及连接下方的第二电极层131’及第二导电层Ilb的导电连接件12b’，从而可增加导热或散热效果。另外，若第一电极层131和第二电极层131’为铜层，可外覆锡层132和132’，以增进焊接效果。位于上、下的第一电极层131和第二电极层131’之间可设置绝缘防焊层17。
[0064]以下将利用一实施例说明本发明的表面贴装型过电流保护元件的制作过程。本领域技术人员亦可将实质相同或相似的方法应用于制作上述实施例的SMD结构或其它结构上略有不同的SMD元件。
[0065]本发明的表面贴装型过电流保护元件的制作过程例示如下:首先将分批式混炼机(Haake-600)进料温度定在160°C，进料时间为2分钟。进料程序为加入定量的结晶性高分子聚合物，搅拌数秒钟再加入导电填料。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0.35mm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160°C。排气之后进行压合，压合时间为3分钟，压合压力控制在lOOkg/cm2，温度为160°C。之后再重复一次压合动作以形成一PTC复合材料层，其中压合时间为3分钟，压合压力控制在150kg/cm2，温度为 160。。。
[0066]参照图9A，下一步骤是将该PTC复合材料层裁切成20 X 20cm2正方形的PTC材料层10，再将两导电层20直接物理性接触于该PTC材料层10的上、下表面，其中是于该PTC材料层10的表面以上、下对称方式覆盖该两导电层20。该二导电层20可利用具有瘤状突出物(图未示)的粗糙表面与该PTC材料层10直接物理性接触。申言之，导电层20的两个表面也可以都是光滑面，但是较常使用的导电层含一光滑面及一粗糙面，并将含瘤状突出的该粗糙面作为内侧面与该PTC材料层10直接物理性接触。之后，于上下对称覆盖的所述两导电层20的外侧依顺序加上压合专用缓冲材如铁弗龙脱模布及不锈钢钢板(图未示)而形成一多层结构并再次进行压合，压合时间为3分钟，操作压力为60kg/cm2，温度为180°C。热压合后再将该多层结构以同样压力在室温下进行冷压合5分钟，压合后将所述两导电层20与该PTC材料层10所形成的片状复合材料取出再经50KGy的、射线照射，形成如图9A所示的导电复合材料元件9。
[0067]在一实施例中，将导电复合材料元件9表层的导电层20进行蚀刻产生蚀刻线21 (参图9B),以形成位于PTC材料层10 —表面的第一导电层Ila及另一表面的第二导电层lib。再将绝缘层15 (例如含玻璃纤维的环氧树脂，FR-4)覆盖在蚀刻过的该导电层Ila及Ilb表面，并于绝缘层15的表面覆盖一层铜箔40，并在温度180°C及60kg/cm2压力下进行30分钟热压合，冷却后得如图9B所示的包含一层PTC材料层10的复合材料。
[0068]参照图9C，接着将该上、下铜箔40进行蚀刻，产生两个第一电极层131及与该第一电极层131相对应的两个第二电极层131’，且以钻孔电镀方式在孔内形成导电通孔(plating through hole ;PTH),即产生第一导电连接件12和第二导电连接件12’。申言之，第一电极13包含该对第一电极层131,第二电极13’包含该对第二电极层131’。第一导电连接件12电气连接于该第一导电层Ila及该第一电极层131，而第二导电连接件12’电气连接于该第二导电层Ub及该第二电极层131’。之后，在第一电极13与该第二电极13’之间涂上绝缘层60 (在此使用紫外线固化涂料)，作为电极13及13’间的绝缘涂料(即防焊层)，而形成一 PTC板材。经紫外线固化后，再将该PTC板材按欲应用的表面粘着元件的尺寸进行切割，即可产生本发明的一表面贴装型过电流保护元件90。
[0069]除了上述包含单层PTC材料层10的实施例外，本发明亦将包含其他层数PTC材料层10制作成的表面贴装型过电流保护元件。
[0070]图10示例包含2层PTC材料层的表面贴装型过电流保护元件的结构，其制作流程如下:先取两片导电复合材料元件9，将第一片导电复合材料元件9表层的导电层I Ia及Ilb进行蚀刻产生蚀刻线，再利用第一绝缘层15 (于本实施例中使用含玻璃纤维的环氧树脂)覆盖在导电层Ila及Ilb表面，以及蚀刻后的另一片导电复合材料元件9之间。之后，于上、下绝缘层15表面各覆盖一层铜箔，并在温度180°C及60kg/cm2压力下进行30分钟热压合，经冷却后得一包含2层PTC材料层10的多层复合材料。该铜箔进行蚀刻后产生两个第一电极层131及与该第一电极层131相对应的两个第二电极层131’。申言之，第一电极13包含该对第一电极层131，第二电极13’包含该对第二电极层131’。接着，再以钻孔电镀方式产生第一导电连接件12和第二导导电连接件12’，其中该第一导电连接件12电气连接于各导电复合材料元件9中的导电层Ila及该对第一电极层131’，而该第二导电连接件12’电气连接于各导电复合材料元件9的导电层Ilb及第二电极层131’。一实施例中，在该第一电极13与第二电极13’之间，涂上第二绝缘层60 (在此使用紫外线固化的涂料)作为电极间的绝缘涂料(即防焊层)。经紫外线固化后，再按所欲应用的表面粘着元件的尺寸进行切割，即可产生包含多个PTC材料层10或多个PTC元件9的表面贴装型过电流保护元件。
[0071]上述实施例中的PTC材料层10包含结晶性高分子聚合物及分散于其间的导电填料。结晶性高分子聚合物可选用具结晶性的聚烯烃类聚合物(例如高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蜡、乙烯聚合物、聚丙烯、聚氯乙烯或聚氟乙烯等)，烯烃类单体与丙烯酸类单体的共聚物(例如乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物)或烯烃类单体与乙烯醇类单体的共聚物(例如乙烯-乙烯醇共聚物)等，并且可以选用一种或多种聚合物材料。
[0072]举例而言，在锂离子电池过充电的安全保护应用方面，为了达到较低温保护的目的，一般PTC过电流保护元件必须在较低温就能有触发反应，因此PTC材料层除了可选用传统上较低熔点的结晶性高分子聚合物，如低密度聚乙烯，然而也可以选用一种或多种结晶性高分子聚合物材料，例如包含至少一熔点低于115°C的结晶性高分子聚合物。上述低密度聚乙烯可使用传统齐格勒-纳塔(Ziegler — Natta)催化剂、茂金属(Metallocene)催化剂或其他催化剂聚合而成，亦可经由乙烯单体与其它单体，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。但有时为了达到较高温保护或其他特殊的目的，该PTC材料层的成分亦可全部或局部使用高熔点的结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]上述结晶性闻分子聚合物亦可含官能基团，如酸基、酸野基、齒基、胺基(amine)、未饱和基、环氧基、醇基、氨基(amide)、金属离子、酯基(ester)、丙烯酸基(acrylate)或碱基(salt)等；亦可在该PTC材料层中加入抗氧化剂、交联剂、阻燃剂、防水剂或抗电弧剂等，以达到强化材料极性、材料电气性质，机械结合力性质或其他性质，如:抗水性、耐高温性、交联性及抗氧化性等。
[0074]导电填料可选用炭黑、金属粉末或导电陶瓷粉末。金属粉末可选自镍、钴、铜、铁、锡、铅、银、金、钼或其他金属及其合金。导电陶瓷粉末可选自金属碳化物，例如:碳化钛(TiC)、碳化钨(WC)、碳化钒(VC)、碳化锆(ZrC)、碳化铌(NbC)、碳化钽(TaC)、碳化钥(MoC)及碳化铪(HfC);或选自金属硼化物，例如:硼化钛(TiB2)、硼化钒(VB2)、硼化锆(ZrB2)、硼化铌(NbB2)、硼化钥(MoB2)及硼化铪(HfB2);或选自金属氮化物，例如:氮化锆(ZrN)。申言之，本发明的导电填料可选自前述金属或导电陶瓷经物理或化学方式形成的混合物、合金、硬质合金、固溶体或核壳体。
[0075]本发明所使用的金属粉末或导电陶瓷粉末的形状可呈现出多种不同样式的颗粒，例如:球体型(spherical)、方体型(cubic)、片状型(flake)、多角型、尖刺型(spiky)、柱状型(rod)、珊瑚型、瘤状型(nodular)、葡萄球状、蕈菇状、及丝线型(filament)等，其纵横比(aspect ratio)介于I至1000,其形状可为高结构(high structure)或是低结构(lowstructure)的粉末。大致而言，高结构的导电填料可以强化PTC材料的电阻再现性，低结构的导电填料可以强化PTC材料的耐电压性。
[0076]另外，为了提升耐电压性，本发明的PTC材料层10可添加非导电填料。非导电填料主要选自具有阻燃效果或抗电弧效应的无机化合物(例如:氧化锌、氧化锑、氧化铝、氧化硅、碳酸钙、硫酸镁或硫酸钡)或含有氢氧基(OH)的化合物(例如:氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化钙或氢氧化钡等)。非导电填料为无机化合物亦具有控制电阻再现性的功能。
[0077]导电层Ila及Ilb可使用金属箔片，例如常用的铜箔、镍箔或镀镍铜箔等。另外，导电层IlaUlb亦可为经过电镀、电解、沉积或镀层增厚工艺制作的导电材料或导电复合材料。
[0078]导电连接件12、12’、12a、12a’基本上是用金属材料制成，可以是一个或多个圆柱状或部分圆柱状、椭圆柱状或部分椭圆柱状、平面状、片状或其他形状与结构。导电连接件
12、12’、12a、12a’ 可形成于导通孔(via)内、盲孔(blind via)内、或包覆(wrap-around)在元件的全部侧面(full-face)或部分侧面上，而形成导电通孔、导电盲孔或导电端面。对于只有单面电极的SMD过电流保护元件而言，其最上层的PTC材料层的导电层可以完全显露在外，或是其表面上仅覆盖了薄层的绝缘材料，例如绝缘漆，文字油墨等。
[0079]绝缘层15可使用环氧树脂与玻璃纤维的复合材料，例如FR-4，其亦可作为结合各PTC材料层10表面的导电层的粘着剂。除了使用环氧树脂外，亦可使用其他粘着用绝缘层，如尼龙(Nylon)、聚醋酸乙烯酯(Polyvinylacetate)、聚酯(Polyester)及聚亚酰胺(Polyimide)等。绝缘层60通常可采用热固化或紫外线固化的丙烯酸树脂。
[0080]除了图1和图5所示的表面贴装型过电流保护元件为单面电极型式，其余均为双面电极或称上下电极形式。就结构内外区分，设于PTC材料层10表面的导电层Ila及Ilb作为内层电极，电极13及13’则作为外层电极。要言之，前述表面贴装型过电流保护元件主要是由PTC材料层、PTC材料层表面的内层导电层、绝缘层及外层电极层迭构成。举例而言，结晶性高分子聚合物于其熔点的热膨胀系数约5000ppm/K,而铜箔的热膨胀系数约17ppm/K，镍箔的热膨胀系数则约13ppm/K。换言之，PTC材料层达到其熔点温度时，与其表面的金属箔的热膨胀系数相差达100倍以上，甚至可达200倍或250倍以上，不过通常会小于800倍或1000倍。此时若PTC材料层表面的导电层具有较佳的机械强度或刚性，理论上可通过其与PTC材料层间的结合力量，抑制或减低PTC材料层的膨胀程度，避免PTC材料层的过度膨胀，从而得到较佳的PTC材料层的体积回复性及电阻回复性或再现性。
[0081]以下利用图2所示的过电流保护元件结构进行相关测试，其中比较例I和实施例1采用相同的材料和结构，不同处在于导电层的厚度。另外，比较例2和实施例2以及比较例3和实施例3为另外2组针对导电层厚度不同的比较组。
[0082]Ri为过电流保护元件的初始电阻值，R1、R2及R3分别为触发I次后回复至室温I小时、再次触发后回复至室温I小时及第3次触发后回复至室温I小时后所测量的电阻值。上述各实施例及比较例的电阻值测试结果及相关的电阻再现性R3/Ri比值如表一所示。其中HDPE和LDPE分别代表高密度聚乙烯及低密度聚乙烯。
[0083]表一
【权利要求】
1.一种表面贴装型过电流保护元件，包含: 至少一 PTC材料层，具有相对的第一表面及第二表面，该PTC材料层包含至少一结晶性高分子聚合物及分散于该结晶性高分子聚合物中的至少一导电填料； 一第一导电层，设于该第一表面; 一第二导电层，设于该第二表面； 一第一电极，电气连接该第一导电层； 一第二电极，电气连接该第二导电层；以及 至少一绝缘层，设置于该第一及第二电极之间，以电气隔离该第一电极及第二电极； 其中该结晶性高分子聚合物对应一熔点温度，在该熔点温度时，该结晶性高分子聚合物的热膨胀系数大于该第一及第二导电层的热膨胀系数达100倍以上，且至少该第一导电层及第二导电层中之一者的厚度大到足以使得该表面贴装型过电流保护元件的电阻再现性R3/Ri小于1.4，Ri为表面贴装型过电流保护元件的起始电阻值，R3为触发3次后的电阻值。
2.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其中该第一或第二导电层的厚度介于38至200 μ m之间。
3.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其中该PTC材料层厚度与第一和第二导电层厚度的比值在0.3~12.5之间。
4.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其中该结晶性高分子聚合物选自:高密度聚乙烯、中密 度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蜡、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烃类单体与乙烯醇类单体的共聚合物。
5.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其中该导电填料选自:炭黑、镍、钴、铜、铁、锡、铅、银、金、钼、碳化钛、碳化钨、碳化钒、碳化锆、碳化铌、碳化钽、碳化钥、碳化铪、硼化钛、硼化钒、硼化锆、硼化铌、硼化钥、硼化铪、氮化锆或前述材料的混合物、合金、固溶体或核壳体。
6.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其中该PTC材料层还包含非导电填料，该非导电填料选自:氧化锌、氧化锑、氧化铝、氧化硅、碳酸钙、硫酸镁或硫酸钡、氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化钙或氢氧化钡。
7.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其中该第一或第二导电层为铜箔、镍箔或镀镍铜箔。
8.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其中该第一或第二导电层为经过电镀、电解、沉积或镀层增厚工艺制作的导电材料或导电复合材料。
9.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其中该绝缘层的材料包括含玻璃纤维的环氧树脂。
10.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其中该PTC材料层、第一导电层、第二导电层、第一电极及第二电极层迭组成，且第一或第二导电层相较于其邻近的第一电极或第二电极为内层导电线路。
11.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其还包含第一导电连接件及第二导电连接件，第一导电连接件包含位于元件一端部的导电通孔、导电盲孔或导电端面，且沿垂直方向延伸以连接该第一电极及第一导电层；该第二导电连接件包含位于元件另一端部的导电通孔、导电盲孔或导电端面，且沿垂直方向延伸以连接该第二电极及第二导电层。
12.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其中绝缘层有两层分别设于该第一导电层和第二导电层表面。
13.根据权利要求12的表面贴装型过电流保护元件，其中该第一电极包含一对设于该第一导电层和第二导电层表面的绝缘层表面的第一电极层，该第二电极包含一对设于该第一导电层和第二导电层表面的绝缘层表`面的第二电极层。
【文档编号】H01C7/02GK103854816SQ201310204088
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年5月28日 优先权日:2012年11月29日
【发明者】王绍裘, 利文峯, 杨恩典, 曾郡腾, 沙益安 申请人:聚鼎科技股份有限公司