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 IO2 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，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，由于碳黑材料不易氧化，在纯氧、高温或高湿等环境下均能表现良好的稳定性。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，然而金属填料容易氧化， 在纯氧、高温或高湿等环境下，容易在表层产生金属氧化物，导致阻值大幅上升。例如镍金属粒子表面会产生氧化镍层，银金属粒子表面产生氧化银层，另外，金属填料比重较大，分散较不均勻，另又以镍金属填料为例，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。且提供包括特定环氧树脂高分子材料的包覆材料层，以增加材料的抗氧化及降低材料的透气与透水性。
4
本发明一实施例的过电流保护元件包含二金属箔片、一 PTC材料层以及一包覆材料层。PTC材料层叠设于该二金属箔片之间，且体积电阻值小于Ο.ΙΩ-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°C的结晶性高分子聚合物； ( ) 一导电镍金属填料，体积电阻值小于500μ 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。一实施例中，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15μπι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。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-压克力脂共聚合物)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体积百分比是介于至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)，以致于所混合成的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^V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。该包覆材料层包覆PTC材料层与二金属箔片构成的芯片。包覆材料层由环氧树脂与具氨基化合物(amide)官能基的硬化剂反应而成。一实施例中，该环氧树脂可选自双酚A 或双酚F环氧树脂，硬化剂可选自聚酰胺(polyamide)、双氰胺(Dicyandiamide)或其它具备amide官能基的化合物。该包覆材料层至少包在芯片外侧，与部分的金属箔片。较佳地， 包覆材料层中的环氧树脂可包含非导电填充材料，该非导电填充材料比例介于2 45 %， 并可因而大幅提升材料的硬度、降低透水透氧性与提升耐燃性。
图1至3为本发明一实施例的过电流保护元件的示意图；以及图4为有包覆及未包覆材料的过电流保护元件的比较图。其中，附图标记说明如下10电流保护元件IlPTC 材料层12金属箔片20电流保护元件22金属电极片30包覆材料层
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；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，其包含至少一具熔点低于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；以及一包覆材料层，包覆该二金属箔片及PTC材料层，且包含与硬化剂反应形成的环氧树脂，该硬化剂具氨基化合物官能基。
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 15m Ω。
4.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于，该具熔点低于115°C的结晶性高分子聚合物包含聚烯烃聚合物。
5.根据权利要求4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或聚乙烯蜡。
6.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烯烃单体与压克力单体的共聚合物。
7.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烯烃单体与乙烯醇单体的共聚合物。
8.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。
9.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，粒径大小介于0. 1口111至3(^111之间。
10.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体积百分比介于至30%之间。
11.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于，另包含二金属电极片，该二金属电极片分别连接该二金属箔片。
12.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于，该环氧树脂包含双酚A环氧树脂或双酚F环氧树脂。
13.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于，该包覆材料层中环氧树脂的含量为体积百分比40 88%之间。
14.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于，该硬化剂使用的官能基至少包括-R-NHC0-R-，其中R为烷基、苯基、联苯基或萘基。
15.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于，该硬化剂包含聚酰胺或双氰胺。
16.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于，该包覆材料层中硬化剂的含量为体积百分比介于10 25%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，该包覆材料层另包含一非导电填充材料。
18.根据权利要求17所述的过电流保护元件，其特征在于，该非导电填充材料包含黏土、氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化镁、氢氧化镁、氢氧化铝、氮化铝或氮化硼。
19.根据权利要求17所述的过电流保护元件，其特征在于，该包覆材料层中非导电填充材料的含量为体积百分比介于2 45%。
全文摘要
本发明涉及一过电流保护元件，包含二金属箔片、一PTC材料层以及一包覆材料层。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。该包覆材料层包覆PTC材料层与二金属箔片构成的芯片。包覆材料层由环氧树脂与具氨基化合物(amide)官能基的硬化剂反应而成。
文档编号H01C7/02GK102237164SQ20101015484
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月26日 优先权日2010年4月26日
发明者杨金标, 沙益安, 罗国彰 申请人:聚鼎科技股份有限公司