专利名称：用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料及其制法的制作方法
一种用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料及其制法，特别是指一种含碳黑的导电高分子复合材料，可用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料以及其制法。
热敏电阻元件，被广泛应用于温度检测、安全控制、温度补偿领域。过去，热敏电阻元件，主要以陶瓷为材料，但陶瓷需较高温度，制造温度多在摄氏九百度以上，需消耗大量的能源，制造过程也比较复杂。而后，高分子基的热敏电阻元件被开发出来，由于高分子基材的热敏电阻元件的制造温度约在摄氏三百度以下，比较容易加工、成型，能源消耗较少，制造过程简单，成本低廉，因此应用领域日渐宽广。
而碳黑填充导电结晶性高分子复合材料，由于具备正温度系数热敏阻抗特性，往常温时为低电阻状态，当流经碳黑填充导电结晶性高分子复合材料的电流过大，造成碳黑填充导电结晶性高分子复合材料的温度达到聚乙烯的熔点附近时，碳黑填充导电结晶性高分子复合材料中的树脂基材体积膨胀，使碳黑填充导电结晶性高分子复合材料中的导电填充材由相互连通状态，撑断变成不连续的状态，造成碳黑填充导电结晶性高分子复合材料阻抗迅速上升，而碳黑填充导电结晶性高分子复合材料所制成的板材，会因而切断电流。因此，可以将碳黑填充导电结晶性高分子复合材料所制成的板材，应用于多层的电路层压结构中，作为电流过载保护，以及温度开关功能的设计。
但是金属薄板和碳黑填充导电结晶性高分子复合材料所制成的板材，经过热压成型后，其界面粘接强度不足。而且，含碳黑的导电高分子复合材料与金属的粘接，是利用导电高分子复合材料中的树脂基材，因受热流动，使得碳黑充填于金属薄板层压材料金属电极表面，以及导电高分子复合材料中的碳黑导电粒子之间。但碳黑无法与金属薄板中的金属电极充分接触，因此金属薄板和含碳黑导电高分子复合材料板材之间的界面电阻，会被提高。又且，当一多层的电路层压结构，制成电流过载保护及温度开关元件时，必须面临各种周期性及非周期性的温度变化，金属薄板的电极，以及含碳黑导电结晶性高分子复合材料板材之间，因热膨胀系数差异，将导致粘接问题。
为了解决金属电极和碳黑导电高分子复合材料板材之间，粘接强度以及界面电阻的问题。美国专利US4689475以及美国专利US4800253利用电镀处理，在金属箔表面产生金属柱状突起的粗糙面，以提高金属电极与含碳黑的导电高分子复合材料间的粘接强度。
但是，由于这些专利所揭示的技术，是以碳黑直接与金属柱状的突起契合粘接，由于碳黑与金属柱状突起的几何形状不同，粘接密度未尽理想。同时，碳黑表面的树脂，在碳黑与金属之间，流动性不佳，只能附着在金属表面，使得阻抗提高，影响其功能。
而且，已知的热敏电阻元件制法是将碳黑导电高分子复合材料与金属箔(可为铜箔，镍箔)粘接，而须牵就金属箔材料，进行连续的整卷电镀加工，制法受限较大。
本发明的主要目的在于提供一种用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料及其制法，使金属电极和碳黑高分子复合材料板材之间可以形成良好的粘接。
本发明的另一目的在于提供一种用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料及其制法，得以降低金属电极和含碳黑的高分子复合材料间界面电阻。
本发明的又一目的在于提供一种用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料制法，可以直接利用较成熟的印刷电路板制造过程，采取片材方式加工，使制造过程更为简化。
为了达到上述目的以及其它功效，本发明提供一种用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料制法，先提供一上方与下方各设有金属层，中间设有绝缘层的金属层压材料。而该上方金属层与该下方金属层之间，设有导电穿孔可导电连通，再将碳黑电镀至该上方金属层表面，使该上方金属层表面因镀有碳黑而形成连续多孔性的结构。再使用碳黑导电高分子复合材料，与具有连续多孔性结构的该上方金属层表面，进行热压粘接，而得到用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料。
由于使用复合电镀，上方金属层的多孔结构表面，已经含有碳黑，在进行热压粘接时，再将碳黑导电高分子复合材料与多孔结构金属层的碳黑可以紧密地结合形成良好的粘接。
又且，因碳黑导电高分子复合材料与多孔结构金属层中的碳黑紧密结合得以有效降低金属电极和含高分子复合材料间界面电阻。
再且，由于所使用的金属层压材料，可用现成的印刷电路板，使热敏电阻元件的制造过程可以直接使用目前成熟的印刷电路板制造过程，采取片材方式加工，比目前使用软质金属箔整卷的连续制造过程，更为简便，从而大幅简化制造过程。
以下仅以实施例，说明本发明的特征，及其他功效如下
图1为本发明实施例的金属层压材料剖面图；图2为本发明实施例金属层压材料，经电镀通孔处理后的剖面图；图3为本发明实施例金属层压材料使用复合电镀处理的流程图；图4为本发明实施例使用的金属薄板层压材料经复合电镀处理后的剖面图；图5为本发明实施例中，金属表面经电镀形成多孔结构的放大示意图6为本发明实施例上图例中金属层压材料，与含碳黑高分子复合材料板材经热压合后的剖面图；图7为本发明实施例制成正温度系数热敏电阻元件的电性量测样品的剖面示意图；图8为本发明实施例的电阻测试方法示意图；图9本发明实施例中碳黑一次聚集体的说明图，碳黑一层聚集体平均粒径为0.1微米至0.5微米；图10本发明实施例中碳黑二次聚集体的说明图；图11本发明实施例中连续多孔性碳黑与金属的复合电镀层的剖面示意图；图式编码的简单说明10金属层压材料。
11金属层压材料的上层金属电极。
12金属层压材料的下层金属电极。
13金属层压材料的中间层由环氧树脂浸渍的玻璃纤维布所形成的复合材料。
20金属层压材料。
24金属层压材料以印刷电路板制造过程，制作的镀通孔。
25金属层压材料的金属电极表面生成的一层连续多孔性碳黑填充导电结晶性高分子复合材料层。
25金属层压材料的金属电极表面生成的一层连续多孔性碳黑及金属的复合电镀层。
26碳黑填充导电结晶性高分子复合材料层。
30经热压后的板状导电性复合材料。
40金属层压材料与碳黑填充导电结晶性高分子复合材料热压合形成的多层的电路层压结构。
请参照图1，为本发明第一实施例金属薄板层压材料10的剖面示意图，在此可用现有的印刷电路板。其中，下方金属层(第一电极)12及上方金属层(第二电极)11为18微米厚的铜箔(亦可用镍箔、铂、铜合金、镍合金与铂合金，或其它导电材料)，中间绝缘层13，可用环氧树脂浸渍的玻璃纤维布所形成的复合材料。取20厘米乘20厘米大小的金属薄板层压材料10，先以印刷电路板制造方法将金属薄板层压材料10，每隔1厘米左右间隔制作0.05厘米直径的电镀通孔24，请参考图2，使金属薄板层压材料20的上方金属层11及下方金属层12形成电导通状态。
将金属薄板层压材料20以图3所示的制作程序，继而对上方金属层11进行复合电镀。其中，每一升电镀液中，加入硼酸四十克、碳黑XC-72六克，及镍三十克(指氨基磺酸镍镀液中镍金属重量)。而电镀温度为摄氏三十五度，电镀电流密度为3A/dm2。
请参考图4，电镀后得到一电镀处理后的金属层压材料20。该电镀会使金属薄板层压材料的上方金属层11表面，形成一层连续多孔性碳黑与金属的金属基复合材料层25(请参考图5)，其主要是电镀的金属，碳黑的一次聚集体与二次聚集体所构成，电镀金属会附着在碳黑的一次聚集体与二次聚集体的表面，而形成多孔性结构。在此实施例中，经过复合电镀处理后，所产生电镀层(金属基复合材料层)的厚度，大约在十七至二十五微米之间。
请参考图6，使用碳黑填充导电结晶性高分子复合材料26与该金属层压材料20进行热压。此碳黑填充导电结晶性高分子复合材料中的高分子复合材料，可为聚乙烯、聚丙烯、聚氟烯或其共聚合物。在本实施例中，是为聚乙烯(PE)PetrotheneLB832(此为美国Equistar公司商品)，和碳黑Raven450(此为美国Columbian公司商品)，以重量比例一比一，再于摄氏二百一十度下，以塑谱仪混练八分钟混合而成。而后将之再与金属层压材料20，以热压成型机，在摄氏一百七十五度下，热压成具有PTC特性厚度为1mm左右的板状导电性复合材料30。
因为所采用的复含电镀处理，会将碳黑电镀至金属层压材料的金属层11表面，使之形成连续多孔性结构层25。由于金属层压材料上方金属层表面11，以及碳黑填充导电，结晶性高分子复合材料层26之中，都有碳黑的成份，在上方金属层表面11的连续多孔性结晶性高分子复合材料26中，都有碳黑成分，在上方金属层表面11的连续多孔性结构层25，以及碳黑填充导电结晶性高分子复合材料26中，碳黑以一次聚集体(请参附图一)为基本单位，相互堆排存在于树脂基材中，在高碳黑含量时，碳黑的一次聚集体，会相互堆排成为二次聚集体(请参附图二)，在复合材料中形成导电连续相。而该连续多孔性结构25是由金属，以及碳黑一次聚集体与二次聚集体所构成。而因使用复合电镀，会使该碳黑二次聚集体表面，附着有金属(请参附图三)。再则，该连续多孔性结构25，会更进一步与该碳黑填充结晶性导电高分子复合材料26，再形成碳黑二次聚集体。而碳黑一次聚集体的大小，随碳黑种类不同而异，平均约在0.1微米到0.5微米之间。
而在微观上，由于上方金属层11表面连续多孔性结构25的凹凸起伏结构，和碳黑填充导电结晶性高分子复合材料26中的碳黑导电连续相之微结构相似，因此，上方金属层表面连续多孔性结构25，和碳黑填充导电结晶性高分子复合材料26中的碳黑导电连续相，形成良好的粘接，再者，碳黑填充导电结晶性高分子复合材料26中，附着在碳黑表面的树脂基材，在热压含过程中受热流动后，会渗入上方金属层11经复合电镀形成的连续多孔性结构25中，因此不会影响碳黑填充导电结晶性高分子复合材料26的碳黑导电通路，而与上方金属层11直接导电接触。而为了能确保聚乙烯导电复合材料，以及上方金属层11有良好粘接强度，复合电镀层(连续多孔性结构25)的厚度，最好往碳黑一次聚集体平均粒径二倍以上，亦即，连续多孔性结构25的厚度在0.2微米以上较佳。
请参考图7，将二片处理得到的板状导电性复合材料30，以碳黑填充导电结晶性高分子复合材料层26相对，以摄氏一百七十五度进行热压合十分钟，使之成为正温度系数热敏电阻元件的电性量测样品40，再裁切成2厘米乘2厘米大小试片。将试片以钴60幅射线照射20Mad辐射剂量。
参考图8，使用微欧姆计进行电阻测试，量测试片常温电阻R1及试片经浸在摄氏二百三十度熔锡中三秒钟，再静置常温环境一小时后的常温电阻R2，以观察受热过程后试片常温电阻变化。由实施例及对照例测试结果比较，证明使用碳黑复合电镀处理的金属薄板层压材料，与碳黑填充导电结晶性高分子复合材料之间，有良好粘接而且界面电阻较低。
有关本发明此第一实施例，及其它实施例，乃至于对照例所使用的电镀配方及电镀条件，请参考表1。而上述实施例至对照例经复合电镀处理后，所产生的复合电镀层厚度请参考表2。由此可知，本发明确有较佳的粘接力，并且界面电阻较低。
同时，由于所使用的金属层压材料，可以现成的单面印刷电路板，或是双面金属箔基板，使热敏电阻元件的制造过程可以直接使用目前成熟的印刷电路板制造过程，采取片材方式加工，比目前使用软贾金属箔整卷的连续制造过程更为简便，从而大幅度简化制造过程。
虽然本发明以上述的实施例作说明，但并不表示本发明的保护范围，以上述的说明为限。对于熟知此项技艺的人士而言，当可作各种修改，例如，改变选择的电镀液材料，如瓦式镍(Watts Nickel)，或添加不同的碳黑粒子，或是改变复合电镀条件如电镀温度，电镀电流及电镀时间，而可达到相同的功效。此等修改，应不脱离本发明的精神，仍属于本发明的保护范围内。本发明的保护范围，仍应以权利要求所述为主。
表1本发明中复合电镀的使用材料与操作条件
注1表1中所示试剂重量，指每1升电镀液中试剂添加量。
注2镍指氨基磺酸镍镀液中镍金属重量表2本发明复合电镀后电镀层厚度与制成多层电路的阻抗值
注1R1为经加上碳黑填充导电分子复合材料热压后的试片未经浸在摄氏230度熔锡之前的常温电阻。注2R2为上述试片浸在摄氏230度熔锡之中3秒钟后再静置常温环境1小时后的常温电阻。
权利要求
1.一种用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料制法，包括下列步骤提供一上方与下方各设有金属层，中间设有绝缘历的金属层压材料；该上方金属层与该下方金属层之间设有导电穿孔连通；使用复合电镀，将碳黑电镀至该上方金属层表面，使该上方金属层表面形成含有碳黑二次聚集体与电镀金属的连续多孔性结构；使用含有碳黑填充导电结晶性高分子复合材料，与该具有连续多孔性结构的上方金属层表面进行热压粘接，制成含有金属层的复合结构材料。
2.如权利要求1所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料制法，其中该导电穿孔系为电镀通孔。
3.如权利要求1所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料制法，其中该碳黑填充导电结晶性高分子复合材料系选自由聚乙烯、聚丙烯、聚氟烯及其共聚合物所组成的组中的至少一种材料者。
4.如权利要求1所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料制法，其中该含有碳黑二次聚集体的连续多孔性结构的厚度为碳黑一次聚集体粒径的二倍以上。
5.如权利要求1所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料制法，其中该含有碳黑二次聚集体的连续多孔性结构的厚度为0.2微米以上。
6.如权利要求1所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料制法，其中该绝缘层，是选自环氧树脂层、聚酰亚胺树脂层、环氧树脂浸渍的玻璃纤维布所形成的层压材料层，与聚酰亚胺浸渍的玻璃纤维布所形成的层压材料层所组成的群组中的至少一种材料者。
7.如权利要求1所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料制法，其中该上方金属层与该下方金属层，是由铜箔、镍箔、铂、铜合金、镍合金与铂合金所组成的组中的至少一种材料者。
8.一种包含金属层的复合材料层压结构，包括一第一金属层；一绝缘层，设于该第一金属层之上；一第二金属层，设于该绝缘层之上，而该第二金属层的一面，设有由碳黑二次聚集体所构成的多孔性结构，且该第二金属层与该第一金属层之间设有一导电通孔，穿过该绝缘层，使第二金属层与该第一金属层为电导通状态；以及一碳黑填充导电结晶性高分子复合材料层设于该具有多孔性结构第二金属层之上。
9.如权利要求8所述的包含金属层的复合材料层压结构，其中该碳黑填充导电结晶性高分子复合材料，系为聚乙烯。
10.如权利要求8所述的包含金属层的复合材料积历结构，其中该碳黑填充导电结晶性高分子复合材料，系选自聚乙烯、聚丙烯、聚氟烯及其共聚合物所组成的组中的至少一种材料者。
11.如权利要求8所述的包含金属层的复合材料层压结构，其中该含有碳黑二次聚集体的连续多孔性结构的厚度为碳黑一次聚集体粒径的二倍以上。
12.如权利要求8所述的包含金属层的复合材料层压结构，其中该含有碳黑二次聚集体的连续多孔性结构的厚度为0.2微米以上。
13.如权利要求8所述的包含金属层的复合材料层压结构，其中该绝缘层，是选自由环氧树脂层、聚酰亚胺树脂层、环氧树脂浸渍的玻璃纤维布所形成的层压材料层，与聚酰亚胺浸渍的玻璃纤维布所形成的层压材料层所组成的组中的至少一种者。
14.如权利要求8所述的包含金属层的复合材料杠层结构，其中该绝缘层系环氧树脂浸渍的玻璃纤维布所形成的层压材料层。
15.如权利要求8所述的包含金属层的复合材料层压结构，其中该第二金属层与该第一金属层系为铜箔。
16.如权利要求8所述的包含金属层的复合材料层压结构，其中该第二金属层系由铜箔、镍箔、铂、铜台金、镍含金与铂含金所组成的组中的至少一种材料者。
17.一种包含金属层的复合材料层压结构制法，其包括下列步骤提供一方设有绝缘补强层的金属层压材料；对该金属层压材料的金属层一面，进行复合电镀，将碳黑电镀至该金属层表面，使该金属层表面，形成含有碳黑的连续多孔性结构；使用碳黑填充结晶性导电高分子复合材料，与该具有连续多孔性结构的金属层表面，进行热压粘接，制成含金属层的复合材料层压结构。
18.如权利要求17所述的包含金属层的复合材料层压结构制法，其中该碳黑填充导电结晶性高分子复合材料系为聚乙烯。
19.如权利要求17所述的包含金属层的复合材料层压结构制法，其中该碳黑填充导电结晶性高分子复合材料系选自由聚乙烯、紧丙烯、聚氟烯及其共聚合物所组成的组中的至少一种者。
20.如权利要求17所述的包含金属层的复合材料杠层结构制法，其中该含有碳黑的连续多孔性结构的厚度为0.2微米以上。
21.如权利要求17所述的包含金属层的复合材料层压结构制法，其中该绝缘补强层系为环氧树脂。
22.如权利要求17所述的包含金属层的复合材料层压结构制法，其中该绝缘补强层系环氧树脂浸渍的玻璃纤维布所形成的层压材料层。
23.如权利要求17所述的包含金属层的复合材料层压结构制法，其中该绝缘补强层是选自由环氧树脂、聚发亚胺树脂、环氧树脂浸渍的玻璃纤维布所形成的层压材料层，与聚发亚胺浸渍的玻璃纤维布所形成的层压材料所组成的组中的至少一种者。
24.如权利要求17所述的包含金属层的复合材料层压结构制法，其中该金属层系为铜箔。
25.如权利要求17所述的包含金属层的复合材料层压结构制法，其中该金属层系为镍箔。
26.如权利要求17所述的包含金属层的复合材料层压结构制法，其中该金属层系由铜箔、镍箔、铂、铜合金、镍台金与铂、铜合金、镍合金与铂合金所组成群组中的至少一种者。
27.如权利要求17所述的包含金属层的复合材料层压结构制法，其中该复合电镀所使用的电镀液中，加入了硼酸、碳黑、以及镍。
28.如权利要求17所述的包含金属层的复合材料层压结构制法，其中该含有碳黑的连续多孔性结构，主要系由表面附着有金属的碳黑二次聚集体所构成。
29.如权利要求17所述的包含金属层的复合材料层压结构制法，其中该连续多孔性结构是由金属与碳黑二次聚集体所构成，更进一步与该碳黑填充结晶性导电高分子复合材料，再形成碳黑二次聚集体。
30.一种用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，包括一绝缘层；一金属层，设于该绝缘层上方；一第一复合材料层，设于该金属层上方；该第一复合材料层为一金属基的复合材料层，包含有表面附着有金属的碳黑二次聚集体；一第二复合材料层，设于该第一复合材料层上方；该第二复合材料层，是由碳黑填充的导电结晶性高分子复合材料所构成。
31.如权利要求30所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，其中该碳黑填充导电结晶性高分子复合材料，系为聚乙烯。
32.如权利要求30所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，其中该碳黑填充导电结晶性高分子复合材料，系选自由聚乙烯、聚丙烯、聚氟烯及其共聚合物所组成的组中的至少之一者。
33.如权利要求30所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，其中该第一复合材料历的厚度为0.2微米以上。
34.如权利要求30所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，其中该第一复合材料层的厚度为碳黑一次聚集体粒径的二倍以上者。
35.如权利要求30所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，其中该绝缘层，是为环氧树脂浸渍的玻璃纤维布所形成的层压材料层。
36.如权利要求30所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，其中该绝缘补强层，是选自由环氧树脂、聚酰亚胺树脂、环氧树脂浸渍的玻璃纤维布所形成的层压材料层，与聚酰亚胺浸渍的玻璃纤维布所形成的层压材料层所组成的组中的至少一种者。
37.如权利要求30所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，其中该金属层，是为铜箔。
38.如权利要求30所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，其中该金属层，是为镍箔。
39.如权利要求30所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，其中该金属层，是由铜箔、镍箔、铂、铜合金。镍合金与铂合金所组成的组中的至少一种材料者。
40.如权利要求30所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，其中该第一复合材料层，是经由复合电镀，将碳黑电镀至金属层上所形成。
41.如权利要求30所述的用在正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，其中该绝缘层与该金属层，是为印刷电路板。
42.如权利要求30所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，其中该绝缘层下方，更设有第二金属层。
43.如权利要求42所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，其中该金属层、绝缘层与第二金属层，为双面金属箔基板。
44.如权利要求43所述的用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料，其中该金属层与第二金属层之间，设有电镀通孔，使金属层与第二金属层可以电导通。
全文摘要
一种用于正温度系数热敏电阻元件的复合结构材料及其制法,其将碳黑电镀至金属薄板层压材料的金属电极表面,使之形成含有碳黑的连续多孔性结构,再将该金属薄板层压材料与碳黑填充导电结晶性高分子复合材料板材予以热压成型,使金属薄板层压材料的金属电极表面与炭黑填充导电结晶性高分子复合材料板之间形成良好粘接。同时,能让碳黑填充导电结晶性高分子复合材料中的碳黑粒子,能够和金属电极表面电镀层充分接触,降低界面电阻。
文档编号H05B3/10GK1379415SQ0110975
公开日2002年11月13日 申请日期2001年4月6日 优先权日2001年4月6日
发明者黄仁豪, 刘德扬, 林建荣 申请人:宝电通科技股份有限公司