专利名称：过电流保护元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种过电流保护元件。
背景技术：
由于具有正温度系数(Positive Temperature Coefficient ；PTC)特性的导电复 合材料的电阻对温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温度下的电阻可维 持极低值，使电路或电池得以正常工作。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)，而将过量的电流降低，以达到保护电池或电路元件的目的。一般而言，PTC导电复合材料由一种或一种以上具结晶性的聚合物及导电填料所 组成，该导电填料均勻分散于该聚合物之中。该聚合物一般为聚烯烃聚合物，例如聚乙烯， 而导电填料一般为碳黑、金属粒子(例如镍、金或银等)或无氧陶瓷粉末(例如碳化钛或碳 化钨等)。该导电复合材料的导电度是由导电填料的种类及含量而定。一般而言，由于碳黑 表面呈凹凸状，与聚烯烃聚合物的附着性较佳，所以具有较佳的电阻再现性。然而，碳黑所 能提供的导电度较金属填料低，因此采用金属填料取代碳黑已成为未来的趋势，然而金属 填料比重较大，分散较不均勻。另，以镍金属填料为例，由于该材料因为具有弱磁性，填料粒 子间更容易产生凝聚不易分散的问题。为有效降低过电流保护元件的电阻值，并且避免材 料分散不均，故逐渐趋向于金属粒子材料系统中以添加一非导电的陶瓷粉末或填料，通过 该陶瓷填料与高分子以及金属粒子于材料混合时的摩擦力与填充特性，可以大幅改善材料 的分散特性，作为导电复合材料的固体分散剂。但又由于金属粉末不似碳黑具有凹凸表面， 且金属粉末表面无明显的化学官能基，因此其与聚烯烃等聚合物的附着性较碳黑差，导致 其电阻再现性也较难控制。为增加聚烯烃聚合物及金属粒子之间的附着性，金属粒子填料 的导电复合材料会另添加一耦合剂，以加强聚烯烃聚合物与金属粒子之间的作用力与附着 性，大幅度减少复合材料内的孔隙，并提升电阻再现性。
发明内容
本发明提供一种过电流保护元件，通过加入一具特定粒径分布的导电镍金属填 料、非导电氮化金属填料及至少一具低熔点的结晶性高分子聚合物，而使该过电流保护元 件具有优异的低电阻值、低温快速触发(trip)、耐电压特性及电阻再现性。本发明一实施例的过电流保护元件包含二金属箔片及一 PTC材料层。PTC材料层 叠设于该二金属箔片之间，且体积电阻值小于0.1 Ω-cm。PTC材料层包含(i)多种结晶性 高分子聚合物，其包含至少一熔点低于115°C的结晶性高分子聚合物；(ii) 一导电镍金属 填料，体积电阻值小于500 μ Ω-cm;及(iii) 一非导电氮化金属填料。其中导电镍金属填 料及非导电氮化金属填料散布于该多种结晶性高分子聚合物之中。
—实施例中，金属箔片含瘤状(nodule)突出的粗糙表面，并与该PTC材料层直接 物理性接触。导电镍金属填料可为粉末状，且粒径大小主要介于0. 01 μ m至30 μ m之间，较 佳粒径大小介于0. Iym至15 μ m之间。导电镍金属填料的体积电阻值小于500 μ Ω-cm，且 均勻分散于该多种结晶性高分子聚合物之中。该多种结晶性高分子聚合物可选自高密度 聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚氟乙烯等。为了达到低温快速触发(trip)的 保护功能，该PTC材料层中至少包含一种熔点低于115°C的结晶性高分子聚合物。为了保护锂离子电池过充电的安全，运用在锂离子电池的过电流保护元件必须在 较低温就能有触发(trip)反应，因此PTC材料层选用较低熔点的聚烯烃聚合物(例如低 密度聚乙烯、聚乙烯蜡、乙烯聚合物)、烯烃单体与压克力单体的共聚合物(例如乙烯-压 克力酸共聚合物、乙烯-压克力酯共聚合物)或烯烃单体与乙烯醇单体的共聚合物(例如 乙烯-乙烯醇共聚合物)等，并且可以选用一种或多种聚合物材料，但各聚合物中的最低熔 点必须低于115°C。该低密度聚乙烯可用传统Ziegler-Natta催化剂或用Metallocene催 化剂聚合而成，亦可经由乙烯单体与其它单体(例如丁烯(butene)、己烯(hexene)、辛烯 (octene)、丙烯酸(acrylic acid)或醋酸乙烯酯(vinyl acetate))共聚合而成。本发明所使用的非导电氮化金属填料选自有阻燃效果、抗电弧效应或具润滑特性 的金属氮化合物，例如氮化铝、氮化硼或氮化硅等。此非导电陶瓷粉末外型包括破碎状、多 角型、球形或片状等，其粒径大小主要介于0. 1 μ m至30 μ m之间，且其添加于材料系统的重 量比是介于至30%之间。目前市面上具低电阻(约20mΩ )的以金属镍(Ni)粒子作为导电填料的PTC导电 复合材料，其可承受的电压仅6V，主要原因在于金属镍粒子具有弱磁性不易分散于复合材 料系统中，分散不佳的金属粒子，将大幅降低其耐电压特性，另外，由于镍金属粒子的内聚 力过强，将大幅降低该复合材料的高分子加工特性。如前述，本发明加入的非导电氮化金属 填料能有效提升金属镍粒子的分散性，并提高材料的耐电压与加工性。因导电填料体积电阻值非常低(小于500μ Ω-cm)，以至于所混合成的PTC材料可 达到低于0. 5 Ω -cm的体积电阻值。一般而言，PTC材料不易达到低于0. 1 Ω -cm的体积电 阻值，即使当PTC材料能达到低于0. 1 Ω-cm的体积电阻值时，常会因阻值太低而失去耐电 压的特性，然本发明的过电流保护材料中添加部分非导电氮化金属填料，使得PTC材料层 的体积电阻值可达到小于0. 1 Ω -cm且能承受小于等于28V的电压，或较佳地可承受6V至 28V的电压，或最佳地可承受12V至28V的电压，以及可承受小于等于50安培的电流。进一步言之，当PTC材料达到低于0. 1 Ω-cm的体积电阻值时，常无法承受高于12V 的电压，因此本发明为了提升耐电压性，PTC材料中添加非导电氮化金属填料，主要是以含 有氮原子的无机化合物为主，并控制PTC材料层的厚度大于0. Imm,使得该低阻值PTC材料 可以大幅提升所能承受的电压。此无机化合物的非导电氮化金属填料亦有控制电阻再现性 的功能，能将电阻再现性比值(trip jump)Rl/Ri控制在小于等于3。其中Ri是起始阻值， Rl是触发一次后回复至室温一小时后所量测的阻值。因为PTC材料层具有相当低的体积电阻值，所以可将PTC芯片(即本发明的过电 流保护元件所需的PTC材料层)的面积缩小至小于50mm2，且仍然能够达到元件低电阻的目 的，最终可以从同单位面积的每片PTC材料层生产出更多的PTC芯片，使生产的成本降低。本发明的过电流保护元件，其中该二金属箔片可与另二金属电极片借着锡膏(solder paste)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 (axial-leaded)、插件型(radial-leaded)、端子型(terminal)、或表面黍占着型(surface mount)的元件。本发明的过电流保护元件，其中该上下金属箔片可连于电源而形成一导 电回路(circuit)(于另一实施例中，则可通过该二金属电极片连于电源而形成一导电回 路)，PTC材料层在过电流的状况下动作，而达到保护回路的功用。
图1为本发明一实施例的过电流保护元件的示意图；以及图2为本发明另一实施例的过电流保护元件的示意图。其中，附图标记说明如下10 电流保护元件11 PTC 材料层12金属箔片20 电流保护元件22金属电极片
具体实施例方式以下说明本发明过电流保护元件的组成成份，包括实施例一、实施例二、实施例 三、实施例四、比较例一、比较例二及相关制作过程。本发明过电流保护元件所使用的PTC材料层的成份及重量(单位公克)如表一 所示。表一
权利要求
1.一种过电流保护元件，其特征在于包含 二金属箔片；以及一 PTC材料层，叠设于该二金属箔片之间，且体积电阻值小于0. ΙΩ-crn，其包含(i)多种结晶性高分子聚合物，其包含至少一种熔点低于115°C的结晶性高分子聚合物；(ii)一导电镍金属填料，其粒径大小介于0. Ιμπι至15μπι之间，体积电阻值小于 500 μ Ω-cm ；及(iii)一非导电氮化金属填料；其中该导电镍金属填料及非导电氮化金属填料散布于该多种结晶性高分子聚合物之中。
2.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于该PTC材料层的厚度大于 0. Imm0
3.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于该PTC材料层的起始电阻值小 于 IOm Ω。
4.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于该PTC材料层可承受小于等于 28V的电压。
5.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于该PTC材料层可承受小于等于 50安培的电流。
6.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于在过电流保护触发状态下，其 表面温度低于100°C。
7.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于电阻再现性比值小于等于3。
8.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于该熔点低于115°C的结晶性高 分子聚合物由聚烯烃聚合物所组成。
9.根据权利要求8所述的过电流保护元件，其特征在于该聚烯烃聚合物包括低密度聚 乙烯、聚乙烯蜡或乙烯聚合物。
10.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于该具熔点低于115°c的结晶性 高分子聚合物为烯烃单体与压克力单体的共聚合物。
11.根据权利要求10所述的过电流保护元件，其特征在于该压克力单体包括压克力酸 或压克力酯。
12.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于该具熔点低于115°C的结晶性 高分子聚合物包含由烯烃单体与乙烯醇单体的共聚合物。
13.根据权利要求12所述的过电流保护元件，其特征在于该烯烃单体与乙烯醇单体的 共聚合物包含乙烯-乙烯醇共聚合物。
14.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于该非导电氮化金属填料包括 氮化铝、氮化硼或氮化硅。
15.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于该非导电氮化金属填料外型 包含破碎状、多角型、球形或片状。
16.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于该非导电氮化金属填料的粒 径大小介于0. 1“111至3(^111之间。
17.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于该非导电氮化金属填料的重 量百分比介于至30%之间。
18.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于该二金属箔片含瘤状突出的 粗糙表面与该PTC材料层直接物理性接触。
19.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于还包含二金属电极片，该二金 属电极片分别连接该二金属箔片。
20.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于该PTC材料层的面积小于 50mm2。
21.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于该PTC材料层于80°C产生触发。
全文摘要
本发明涉及一过电流保护元件包含二金属箔片及一PTC材料层。PTC材料层叠设于该二金属箔片之间，且体积电阻值小于0.1Ω-cm。PTC材料层包含(i)多种结晶性高分子聚合物，其包含至少一具熔点低于115℃的结晶性高分子聚合物；(ii)一导电镍金属填料，体积电阻值小于500μΩ-cm；及(iii)一非导电氮化金属填料。导电镍金属填料及非导电氮化金属填料散布于该多种结晶性高分子聚合物之中。
文档编号H01C7/02GK102122555SQ20101000209
公开日2011年7月13日 申请日期2010年1月11日 优先权日2010年1月11日
发明者朱复华, 沙益安, 罗国彰 申请人:聚鼎科技股份有限公司