过电流保护元件的制作方法

本实用新型涉及一种过电流保护元件，特别是涉及一种有良好的电阻重现性的过电流保护元件。

背景技术：

聚合物基导电复合材料在正常温度下可维持较低的电阻值，具有对温度变化反应敏锐的特性，即当电路中发生过电流或过高温现象时，其电阻会瞬间增加到一高阻值，使电路处于断路状态，以达到保护电路元件的目的。因此可把聚合物基导电复合材料连接到电路中，作为电流传感元件的材料，此类材料已被广泛应用于电子线路保护元器件上。

聚合物基导电复合材料一般由聚合物和导电填料复合而成，导电填料宏观上均匀分布于所述聚合物基材中。聚合物一般为聚烯烃及其共聚物，例如：聚乙烯或乙烯-醋酸乙烯共聚物等，而导电填料一般为碳黑、金属粉或导电陶瓷粉。对于以碳黑作导电填料的聚合物基导电复合材料，由于碳黑特殊的聚集体结构且其表面具有极性基团，使碳黑与聚合物的附着性较好，因此具有良好的电阻稳定性。但是，由于碳黑本身的导电能力有限，无法满足低电阻的要求。以金属粉为导电填料的聚合物基导电复合材料，具有极低的电阻，然而金属填料容易氧化，极易生成金属氧化物，使得材料阻值大幅上升。为了有效降低过电流保护元件的电阻，克服碳黑本身的导电能力有限和金属粉易氧化的弊端，行业内逐渐趋向以金属碳化物、金属氮化物或金属硼化物粉末作为低阻值聚合物基导电复合材料的导电填料，且此类材料已经有了长足的发展。

随着电子产品的性能飞速增长，对过电流保护元件的要求日益提升，特别是对严酷环境下过电流保护元件的长期电阻再现性提出了更高的要求。金属碳化物、金属氮化物或金属硼化物粉末作为低阻值聚合物基导电填料在各种环境条件下性能稳定，但是聚烯烃聚合物基体在长期恶劣环境下却容易受外部环境影响而劣化，特别是环境中氧气、水和阳光会破坏聚合物分子链，导致电阻大幅上升。为减缓聚合物基体的劣化过程，需要将过电流保护元件与外部环境隔离，以进一步提升材料的电阻再现性和耐候性。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种过电流保护元件，通过包含特定粒径分布的金属碳化物的聚合物导电复合材料层，及采用该导电复合材料层被绝缘聚合物包覆层包覆的结构，提高电阻再现性。

本实用新型通过下述方案解决上述技术问题：一种过电流保护元件，至少二个金属电极片，以及夹固于金属电极片之间的聚合物基导电复合材料层，其中，所述的聚合物基导电复合材料层为包含D₅₀粒径不大于9mm金属碳化物的聚合物基导电复合材料层，由绝缘聚合物包覆层贴合在聚合物基导电复合材料层的裸露部位，将聚合物基导电复合材料层与外部环境隔离开来，在25℃时的体积电阻率不大于0.01Ω.cm，承载电流不小于0.25A/mm²，且至少两个金属电极片通过导电部件串接于被保护电路中形成导电通路。

本实用新型不但具有良好的电阻再现性，而且具有低室温电阻率。

在上述方案基础上，所述导电部件是通过点焊、激光焊接、超声波焊接、回流焊、电镀、化学沉积、喷涂、溅射和导电粘合剂之中的一种或它们的组合方式与所述的金属电极片连接。

在上述方案基础上，所述导电部件形状是点状，线状、带状、层片状、柱状、全圆通孔、半圆通孔、弧形通孔、盲孔、其他不规则形状或它们的组合体。

优选导电通孔或者导电盲孔作为导电部件，导电通孔或者导电盲孔可以位于过电流保护元件的两个相对侧面或者内部。

在上述方案基础上，所述绝缘聚合物包覆层包覆元件六面中的一面或者其任意组合面。

所述的聚合物基导电复合材料层中聚合物占体积分数的30%～60%；金属碳化物粉末占体积分数的40%～70%，其金属碳化物粉末的D₅₀粒径不大于9μm，体积电阻率小于80μΩ.cm，其分子式为M_xC_y，其中：M元素为金属元素H_f、V、Cr、Ti、Zr、W、Nb、Mo、Ta之中的一种，且M元素在M_xC_y中的质量含量大于75%；C元素为碳元素；1≤x≤3，1≤y≤3。金属碳化物粉末占所述聚合物基导电复合材料分散于所述聚合物基材中。

所述聚合物为：聚乙烯、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、聚氯乙烯、丁二烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、酚醛树脂、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚氟乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种及其混合物。

所述聚合物基材占所述导电复合材料的体积分数介于30%～60%之间，优选为35%～55%之间，更优为40%～50%之间。

所述金属碳化物粉末选自碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钛、碳化铌、碳化二钼、碳化铪、碳化钨、碳化二钨或二碳化三铬之中的一种及其混合物。

所述金属碳化物粉末的D₅₀粒径为0.01μm～50μm，优选为0.1μm～20μm，更优为0.5μm～9μm。所述金属碳化物粉末的D₅₀粒径是使用激光粒度测试仪测得。

所述金属碳化物粉末的体积电阻率小于200μΩ.cm，更优为小于120μΩ.cm，最优为小于80μΩ.cm。

所述金属碳化物粉末中，金属元素的质量百分含量不小于75%。

所述金属碳化物粉末占所述聚合物基导电复合材料的体积分数的40%～70%，优选为45%～65%，更优为50%～60%，且分散于所述聚合物基材中。

所述聚合物基导电复合材料可含有其他组分，如抗氧剂、辐射交联剂（常称为辐照促进剂、交联剂或交联促进剂，例如三烯丙基异氰脲酸酯）、偶联剂、分散剂、稳定剂、非导电性填料（如氢氧化镁，碳酸钙）、阻燃剂、弧光抑制剂或其他组分。这些组分通常至多占聚合物基导电复合材料总体积的15%，例如10%体积百分比。

所述导电部件基材选自镍、铜、铝、锌、锡、铋、铟、银、金中的一种或它们的复合物。

本实用新型中，所述的聚合物基导电复合材料层中的金属碳化物粉末的体积电阻值非常低，在25℃时过电流保护元件的体积电阻率小于0.01Ω.cm，且加工性能良好。其过电流保护元件在25℃的电阻率小于0.02Ω.cm，因此过电流保护元件产品在25℃的电阻很低，例如1.0mΩ～20 mΩ。

本实用新型中，通过聚合物包覆层将聚合物基导电复合材料层与环境隔绝开来，有效防止环境中氧气和水对聚合物分子链的破坏，本发明中提供特定的聚合物包覆层，可以有效的将聚合物基导电复合材料和外部环境隔离。提高了产品的电阻重现性。

所述过电流保护元件，聚合物包覆层选自环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂中的一种或它们的复合物。

所述过电流保护元件，聚合物包覆层优选环氧树脂，更优选双酚A环氧树脂或双酚F环氧树脂。

所述聚合物包覆层可以包覆于过电流保护元件六面中的一面或者其任意组合面。包覆层的厚度主要介于0.01mm至2mm之间，优选1mm以内，包覆的方式可以是贴合、喷涂、刷涂、点涂、浸润聚合物中的一种或它们的组合。

本实用新型的优越性在于：具有低室温电阻率和良好的电阻再现性。

附图说明

图1，实施例1中没有聚合物包覆层的过电流保护元件结构示意图，其中，图1a是导电通孔位于元件侧面的过电流保护元件的立体结构图；图1b是导电通孔位于元件侧面的过电流保护元件的剖面示意图；

图2导电通孔所在面有聚合物包覆层的过电流保护元件示意图；

图3非导电通孔所在面有聚合物包覆层的过电流保护元件示意图；

图4四面均有聚合物包覆层的过电流保护元件示意图；

图5为实施例2中没有聚合物包覆层的过电流保护元件结构示意图，其中，图5a是导电通孔位于元件内部的过电流保护元件的立体结构图；

图5b是导电通孔位于元件内部的过电流保护元件的剖面示意图；

图6是导电盲孔的孔位于元件内部的过电流保护元件的剖面示意图；

图7靠近导电通孔所在面有聚合物包覆层的过电流保护元件示意图；

图8非靠近导电通孔所在面有聚合物包覆层的过电流保护元件示意图；

图9为图5过电流保护元件四面均有聚合物包覆层的结构示意图；

附图标记如下：

实施例1中：

11、21、22、23——SMD产品一、二、三、四；

1-1——第一电极；

1-2——第二电极；

1-3、1-3’——上、下绝缘层；

1-4——聚合物导电材料层；

1-5、1-5’——上、下金属电极片；

1-6、1-6’——上、下防焊绝缘层；

1-7、1-7’——左、右导电通孔；

2-1、2-2——左、右导电通孔所在面的聚合物包覆层；

2-3、2-4——非导电通孔所在面的前、后聚合物包覆层；

实施例2中：

31、32、41、42、43——SMD产品一、二、三、四、五；

3-1——第一电极；3-2——第二电极；

3-3、3-3’——上、下绝缘层；

3-4——聚合物导电材料层；

3-5、3-5’——上、下金属电极片；

3-6、3-6’——上、下防焊绝缘层；

3-7、3-7’——左、右导电通孔；

3-8——导电盲孔；

4-1、4-2——左、右导电通孔所在面的聚合物包覆层；

4-3、4-4——非导电通孔所在面的前、后聚合物包覆层。

具体实施方式

以下通过具体的优选实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实用新型一种过电流保护元件，由在元件左右上、下表面金属电极和左右导电通孔构成的第一、第二电极1-1、1-2，以及夹固于金属电极片之间的聚合物导电材料层1-4，其中，

所述的聚合物基导电复合材料层为包含D₅₀粒径不大于9mm金属碳化物的聚合物基导电复合材料层，本实施例中，所述聚合物为高密度聚乙烯，其熔融温度为131℃，密度为0.954g/cm³；金属碳化物粉末为WC粉，D₅₀粒径为2.0μm。

过电流保护元件的制备过程如下：将密炼机温度设定在180℃，转速为30转/分钟，先加入聚合物密炼3分钟后，然后加入金属碳化物粉末继续密炼15分钟，得到聚合物基导电复合材料。将熔融混合好的聚合物基导电复合材料通过开炼机压延，得到厚度为0.20-0.25mm的聚合物导电材料层1-4，将材质相同的金属电极片1-5置于聚合物导电材料层1-4上下对称位置，上、下金属电极片1-5、1-5’与聚合物导电材料层1-4紧密结合。通过热压合的方法将聚合物导电材料层1-4和金属电极片紧密结合在一起，在上、下金属电极片1-5、1-5’的外侧有材质相同的上、下绝缘层1-3、1-3’。热压合的温度为180℃，先预热5分钟，然后以5MPa的压力热压3分钟，再以12MPa的压力热压10分钟，然后在冷压机上冷压8分钟，将制备好的芯片通过PCB工艺制备成如图1a和图1b所示的SMD产品一11，设有上、下防焊绝缘层1-6、1-6’和左、右导电通孔1-7、1-7’。图1a是导电通孔位于元件侧面的过电流保护元件的立体结构图和图1b是导电通孔位于元件侧面的过电流保护元件的剖面示意图所示，构成没有聚合物包覆层的过电流保护元件。

如图2导电通孔所在面有聚合物包覆层的过电流保护元件示意图所示，为了进一步改善本发明的过电流保护元件的耐候性，需要将聚合物基导电复合材料和外部环境隔离开来，在图1基础上，在SMD产品一11外部包覆聚合物，包覆方式选了有导电通孔的相对两侧包覆，聚合物包覆层选自双酚F型环氧树脂，将涂覆完成的SMD产品放置100℃的烘箱中25-30min固化成型。如图2所示，左、右导电通孔所在面的聚合物包覆层2-1、2-2贴合在聚合物导电材料层1-4的裸露部位中有导电通孔的面上，构成SMD产品二21。

如图3非导电通孔所在面有聚合物包覆层的过电流保护元件示意图所示，在SMD产品一11外部包覆聚合物，包覆方式选了无导电通孔的相对两侧包覆，聚合物包覆层选自双酚F型环氧树脂，将涂覆完成的SMD产品放置100℃的烘箱中20-30min固化成型，如图3所示，将非导电通孔所在面的前、后聚合物包覆层2-3、2-4贴合在聚合物导电材料层1-4的裸露部位中前后位置，构成SMD产品三22。

如图4四面均有聚合物包覆层的过电流保护元件示意图所示在SMD产品一11的外部包覆聚合物，包覆方式优选侧面环绕包覆，聚合物包覆层选自双酚F型环氧树脂，将涂覆完成的SMD产品放置100℃的烘箱中20-30min固化成型，如图4所示，将左、右导电通孔所在面的聚合物包覆层2-1、2-2和非导电通孔所在面的前、后聚合物包覆层2-3、2-4贴合在聚合物导电材料层1-4四周裸露部位，构成SMD产品四23。

在25℃时的体积电阻率不大于0.01Ω.cm，承载电流不小于0.25A/mm²，且至少两个金属电极片通过导电部件串接于被保护电路中形成导电通路。

本实用新型专利公开的过电流保护元件体积电阻率小于0.01Ω.cm，由其制备的过电流保护元件具有较低的室温电阻率。表一是本实施例所示的过电流保护元件聚合物包覆方式，表二是不同包覆方式过电流保护元件的电气性能比较，其中R_500h表示电路保护元件在85℃，85%RH的环境中放置500小时，然后在25℃的温度环境里放置1小时后所测得的电阻值。通过对元件不同的聚合物包覆方式比较，发现未包覆聚合物的元件在85℃，85%RH的环境中放置500小时，其电阻从毫欧上升到欧姆级别，如果将R_500h/R₀比值作为电阻再现性值，未包覆聚合物的过电流保护元件的电阻再现性值为66.3，与包覆聚合物元件进行试验比较，无论是侧面环绕包覆还是相对侧面包覆聚合物材料，阻值上升幅度远小于未包覆聚合物材料的SMD产品一。有导电通孔的相对两侧包覆聚合物的过电流保护元件的电阻再现性为3.6，无导电通孔的相对两侧包覆聚合物的过电流保护元件的电阻再现性为3.2，而元件外部侧面环绕包覆聚合物材料的过电流保护元件的电阻再现性值为2.8，说明在85℃，85%RH的环境中放置500小时这样严苛的环境下，聚合物包覆层将聚合物基导电复合材料和外部环境隔离开，所述过电流保护元件电阻上升幅度极小，极大的改善了过电流保护元件的耐候性能。

实施例2

本实施例中，导电通孔位于过电流保护元件的内部，以增加可焊性，如图5a是导电通孔3-2位于元件内部的过电流保护元件的立体结构图和图5b是导电通孔位于元件内部的过电流保护元件的剖面示意图所示：

由在元件左右上、下表面金属电极和左右导电通孔构成的第一、第二电极3-1、3-2，以及夹固于上、下金属电极片3-5、3-5’之间的聚合物导电材料层3-4，在上、下金属电极片3-5、3-5’外侧有上、下绝缘层3-3、3-3’，制备方法与实施例1，将制备好的芯片通过PCB工艺制备成如图5a和图5b所示的SMD产品一31，SMD产品一31的上下也设有上、下防焊绝缘层3-6、3-6’。

所述的聚合物基导电复合材料层为包含D₅₀粒径不大于9mm金属碳化物的聚合物基导电复合材料层，本实施例中，所述聚合物为高密度聚乙烯，其熔融温度为131℃，密度为0.954g/cm³；金属碳化物粉末为WC粉，D₅₀粒径为2.0μm。

或者共中的一个导电通孔改为导电盲孔3-8，图6是导电盲孔的孔位于元件内部的过电流保护元件的剖面示意图，将左导电通孔3-7改为了导电盲孔3-8。其构成的SMD产品二32效果和功能与SMD产品一31相同。

可以如图7靠近导电通孔所在面有聚合物包覆层的过电流保护元件示意图所示，在靠近导电通孔所在面，设有左、右导电通孔所在面的聚合物包覆层；4-1、4-2，构成SMD产品三41。

也可以如图8非靠近导电通孔所在面有聚合物包覆层的过电流保护元件示意图所示，在非靠近导电通孔所在面；设有非导电通孔所在面的前、后聚合物包覆层4-3、4-4，构成SMD产品四42。

或者，如图9为图5过电流保护元件四面均有聚合物包覆层的结构示意图所示，在SMD产品一31的四周分别设有左、右导电通孔所在面的聚合物包覆层4-1、4-2和非导电通孔所在面的前、后聚合物包覆层4-3、4-4构成SMD产品五43。