过电流保护元件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种过电流保护元件，尤其设及一种具低电阻率、良好的电阻再现性 及优异的循环寿命测试（cyclelifetest)结果的过电流保护元件。
【背景技术】
[0002] 由于具有正溫度系数（PositiveTemperatureCoefficient;PTC)特性的导电复 合材料的电阻对溫度变化具有反应敏锐的特性，可作为电流感测元件的材料，目前已被广 泛应用于过电流保护元件或电路元件上。由于PTC导电复合材料在正常溫度下的电阻可维 持极低值，使电路或电池得W正常运作。但是，当电路或电池发生过电流（over-current) 或过高溫（over-temperature)的现象时，其电阻值会瞬间提高至一高电阻状态（至少 1〇2QW上），而将过量的电流降低，W达到保护电池或电路元件的目的。
[0003] 一般而言，PTC导电复合材料由一种或一种W上具结晶性的聚合物及导电填料所 组成，该导电填料均匀分散于该聚合物之中。该聚合物一般为聚締控类聚合物，例如：聚乙 締，而导电填料一般为碳黑。然而，碳黑所能提供的导电度较低，而不符应用上低阻值的需 求。
[0004] 我国专利公布号CN102903469A公开了利用导电陶瓷混合碳黑作为导电填料，使 得使用该等导电填料的过电流保护元件具有优异的体积电阻率及电阻再现性，其电阻再现 性RlOO/化约在3至20之间，其中化为起始电阻值，RlOO为触发100次后的电阻值。随 着过电流保护元件的需求和发展，为避免元件于长期使用时烧毁的潜在风险，对产品的循 环寿命测试的要求更为严格。本发明即针对CN102903469A专利作进一步改良，W期得到 更好的循环寿命等电气特性。
【发明内容】
阳0化]本发明提供一种过电流保护元件，选用碳黑W及金属或陶瓷导电粉末作为导电填 料，并W适当比例均匀散布于结晶性高分子聚合物中，从而使得该过电流保护元件具有低 电阻率、良好的电阻再现性W及可通过严格的循环寿命测试。
[0006] 本发明一实施例的过电流保护元件包含二金属锥片及一PTC材料层。PTC材料层 叠设于该二金属锥片之间，且其体积电阻值在0. 07至0. 45Q-cm的范围。PTC材料层包含 至少一结晶性高分子聚合物、第一导电填料和第二导电填料。第一导电填料为碳黑粉末。第 二导电填料选自至少一种的金属粉末、导电陶瓷粉末或其组合，且该第二导电填料的体积 电阻值小于0. 1Q-cm。第一导电填料和第二导电填料均匀分散于该结晶性高分子聚合物之 中，且第二导电填料除W第一导电填料的重量比值小于4。该过电流保护元件的电阻再现性 1?300/化比值在1. 5~5,其中化为起始电阻值，R300为触发300次后的电阻值。 阳007] -实施例中，该结晶性高分子聚合物占PTC材料层的重量百分比为10 %~30%， 第一导电填料占PTC材料层的重量百分比为15 %~40 %，第二导电填料占PTC材料层的重 量百分比介于30 %~70%。
[0008] 一实施例中，该过电流保护元件的电阻再现性R300/Ri比值在I. 5~3。
[0009] 一实施例中，该过电流保护元件的电阻再现性RlOO/化比值在1~3,RlOO为触发 100次后的电阻值。
[0010] 一实施例中，该过电流保护元件可通过16V/50A的300次循环寿命测试而无烧毁。 该循环寿命测试重复300次施加电压16V和电流50A，每次持续电压电流10秒后停止60 秒。
[0011] 一实施例中，该结晶性高分子聚合物选自：聚締控类聚合物、締控类单体与压克力 类单体的共聚合物、締控类单体与乙締醇类单体的共聚合物及其组合。
[0012] 一实施例中，该结晶性高分子聚合物选自：高密度聚乙締、中密度聚乙締、低密度 聚乙締、聚乙締蜡、乙締聚合物、聚丙締、聚氯乙締、聚氣乙締、乙締-压克力酸共聚合物、乙 締-压克力脂共聚合物、乙締-乙締醇共聚合物及其组合。
[0013] 一实施例中，该金属粉末选自儀、钻、铜、铁、锡、铅、银、金、销及其合金。
[0014] 一实施例中，该导电陶瓷粉末选自：碳化鹤、碳化饥、碳化铁、碳化棚、碳化娃、碳化 错、碳化粗、碳化错、碳化铭、碳化钢、棚化铁、棚化饥、棚化错、棚化妮、棚化钢、棚化给、氮化 错及其组合，例如混合物、固溶体（solidsolution)或核壳体（core-shell)。
[0015] 一实施例中，第二导电填料包含碳化铁，且该过电流保护元件可通过30V/50A的 循环寿命测试而无烧毁。
[0016] 一实施例中，金属或导电陶瓷粉末的粒径大小主要介于0.01ym至IOOym之间， 较佳粒径大小介于0. 1ym至50Jim之间。导电碳黑粉末的粒径大小主要介于15皿至75皿 之间。
[0017] 一实施例中，该PTC材料层的厚度大于0. 1mm，或较佳大于0. 2mm。
[0018] 一实施例中，金属锥片含瘤状（ncxlule)突出的粗糖表面，并与该PTC材料层直接 物理性接触。
[0019] 本发明的过电流保护元件，其中该二金属锥片可与另二金属电极片借着锡 膏（solder)经回焊或借着点焊方式接合成一组装体（assembly),通常是成一轴型 (axia]_-leaded)、插件型（radia；L-leaded)、端子型（terminal)或表面粘着型（surface mount)的元件。本发明的过电流保护元件，其中该上下金属锥片可连于电源而形成一导电 回路（circuit)，PTC材料层在过电流的状况下动作，而达到保护回路的作用。
【附图说明】
[0020] 图1本发明一实施例的过电流保护元件的示意图。 阳OW 附图标记说明：
[0022] 10 过电流保护元件
[0023] 11 PTC材料层
[0024] 12 金属锥片
【具体实施方式】
[0025] 导电复合材料的导电度由导电填料的种类及含量而定。近年来，消费型电子产 品对于可重复使用电池（例如裡电池）或单次用电池（例如碳锋电池），在延长使用寿 命上比例逐年增加。由于碳黑所能提供的导电度较金属或陶瓷填料低，因此本发明加入 导电碳化陶瓷填料，W增加导电度。然而，由于导电碳化陶瓷填料W堆叠的方式形成导 电通路，当该复合材料中的结晶性高分子受热产生再结晶现象，使得材料中陶瓷填料的 导电通路减少，造成该导电复合材料在反复发生过电流（over-current)或反复过高溫 (over-temperature)事件时，其电阻再现性比值（tripjump)过高，因而缩短电池使用的 寿命。
[00%] 由于碳黑表面呈凹凸状，与聚締控类聚合物的附着性较佳，所W具有较佳的电阻 再现性。为有效降低过电流保护元件经过反复触发（trip)后的电阻值，并且维持低的导电 复合材料的体积电阻值，本发明于结晶性高分子聚合物材料中同时添加碳黑粉末及金属或 导电陶瓷粉末，使得过电流保护元件兼具碳黑填料较佳的电阻再现性，W及导电碳化陶瓷 粉末的高导电特性，并使用适当的重量比例，使过电流保护元件可通过严格的循环寿命测 试而不致烧毁。
[0027] W下说明本发明过电流保护元件的组成成份，包括实施例和比较例，W及其相关 制作过程。
[0028] 本发明过电流保护元件所使用的PTC材料层的成份及重量百分比如表一所示。 其中结晶性高分子聚合物选用聚乙締（polyethylene;P巧或特别是高密度结晶性聚乙 締，例如使用台湾塑胶TAISOX皿阳/9001高密度结晶性聚乙締（密度：0. 951g/cm3,烙点： 130°C)。导电填料包含碳黑（carbonblack;CB)粉末，其他则可选用金属及/或导电陶瓷 粉末。金属粉末可使用儀粉，如AEE(AtlanticEquipment!Engineers)NI-102, 3Jim大小的 片状儀粉（nickelflake)，其体积电阻值介于6至15yQ-cm。导电陶瓷粉末则使用碳化鹤 (WC)或碳化铁（TiC) ,WC如A邸(AtlanticEquipmentE；ngineers)WP-301 导电填料，其体积 电阻值约 80JiQ-cm，粒径约 1-5ym。TiC则可使用AEE(AtlanticEquipment!Engineers) TI-301导电填料，其体积电阻值介于180至250yQ-cm,粒径约1-5ym。
[0029] 本发明的实施例中，导电填料除碳黑粉末外，另外混合碳化铁（TiC)、碳化鹤（WC) 或儀（W)粉末，比较例1仅单纯使用碳黑作为导电填料，比较例2-4使用CB搭配TiC、WC 或Ni粉，但相较于实施例使用较高重量比例的TiC、WC或Ni粉，其中CB粉末与TiC、WC或 Ni粉末的重量比例约1 :5。结晶性高分子聚合物于PTC材料层中的重量百分比约10%~ 30%。导电碳黑粉末于PTC材料层中的重量百分比介于15%至40%之间，或可为20%、 25%、30%、35%或45%。金属或导电陶瓷粉末占PTC材料层的重量百分比介于30%~ 70%，或可为35%、40%、45%、50%、55%、60%或65%。本发明实施例中，〔8粉末与11(：、 WC或Ni粉末的重量比例都小于1 :4,也就是说金属或陶瓷导电粉末除W碳黑粉末的重量比 值小于4。其中实施例1~3的仰:TiC、CB:WC、CB:W)比例约1 :3. 9(重量比值约3. 9)， 实施例4~6的CB:TiC、CB:WC、CB:Ni比例约1 :1 (重量比值约1)。比较例1的导电填料 仅包含碳黑粉末，比较例2~4的CB:TiC、CB:WC、CB:Ni的重量比约1:5 (重量比值约5)。 |；0030]表一
[0032] 本发明的过电流保护元件的制作过程如下：将批式混炼机化aake- 600)进料溫 度定在160°C，进料时间为2分钟，进料顺序为按表一所示的重量，加入定量的结晶性高分 子聚合物，揽拌数秒钟，再加入导电粉末（碳黑、碳化铁、碳化鹤或儀粉）。碳化铁、碳化鹤或 儀粉的粒径大小介于0. 1ym至50Jim之间，碳黑粉末的粒径大小介于15皿至75皿之间。 混炼机旋转的转速为40巧m。3分钟之后，将其转速提高至70巧m，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。
[0033] 将上述导电复合材料W上下对称方式置入外层为钢板，中间厚度为0.33m