正温度系数电路保护装置及其制法的制作方法

本发明涉及一种正温度系数(positivetemperaturecoefficient；简称ptc)电路保护装置及其制法，特别是涉及一种表面安装(surface-mounted)的正温度系数电路保护装置及其制法。

背景技术：

正温度系数(ptc)元件具备正温度系数效应而能作为如保险丝(fuse)的电路保护装置。该正温度系数元件包含一个正温度系数聚合物材料单元及形成于该正温度系数聚合物材料单元两相反面的一个第一电极与一个第二电极。该正温度系数聚合物材料单元包括一个含有结晶区与非结晶区的聚合物基质及一个分散于该聚合物基质之非结晶区间的粒状导电填料，该粒状导电填料会形成一个于该第一电极与该第二电极间且用于导电的连续导电通路。该正温度系数效应为当该聚合物基质的温度上升至其熔点时，其于该结晶区内的结晶会开始熔化而产生新的非结晶区之现象。当该新的非结晶区增加至与原始的非结晶区发生融合时，该粒状导电填料的连续导电路径即会变成非连续，而使该正温度系数聚合物材料的阻抗(resistance)会急遽增加，导致该第一电极与该第二电极间产生断电。

参阅图1，现有的表面安装正温度系数电路保护装置1包含一个正温度系数元件14、一个第一绝缘层15、一个第二绝缘层16、一个第一电极17及一个第二电极18。该正温度系数元件14包括一个第一导电件12、一个第二导电件13及一个贴合于该第一导电件12与该第二导电件13间的聚合物材料层11。该聚合物材料层11具备正温度系数效应且包括一个聚合物基质及一个分散于该聚合物基质间的粒状导电填料。

该第一绝缘层15是设置于该第一导电件12上，而该第二绝缘层16是设置于该第二导电件13上。该第一电极17与该第一导电件12电耦合，且设置于该第一绝缘层15上并朝该第二绝缘层16延伸。同样地，该第二电极18与该第二导电件13电耦合，且设置于该第二绝缘层16上并朝该第一绝缘层15延伸。

现有的表面安装正温度系数电路保护装置通常是安装在一个电子装置上。当该电子装置的工作电流(workingcurrent)到达该正温度系数电路保护装置的跳脱电流(tripcurrent)时，该正温度系数电路保护装置会跳脱至其高阻抗状态。直到该正温度系数电路保护装置被重设或回到其低阻抗状态时，该电子装置才能使用。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种正温度系数电路保护装置。

本发明的正温度系数电路保护装置包含两个正温度系数单元、一个绝缘架桥层、一个第一间隙及一个第二间隙。

每一个正温度系数单元包括一个第一绝缘层、一个叠设于该第一绝缘层上的第一导电层、一个叠设于该第一导电层上的正温度系数聚合物层、一个叠设于该正温度系数聚合物层上的第二导电层、一个叠设于该第二导电层上的第二绝缘层、一个与该第一导电层电连接且与该第二导电层绝缘的第一电极、一个与该第二导电层电连接且与该第一导电层绝缘的第二电极。

该绝缘架桥层与所述正温度系数单元的第一绝缘层相连。

该第一间隙与该第二间隙分别形成于所述正温度系数单元间且位于该绝缘架桥层的两相反侧。

本发明的第二目的在于提供一种前述正温度系数电路保护装置的制法。

本发明的正温度系数电路保护装置的制法包含下列步骤：

提供一个正温度系数元件，该正温度系数元件包括一个第一导电单元、一个第二导电单元，及一个夹置于该第一导电单元与该第二导电单元间的正温度系数聚合物材料单元；

设置一个第一绝缘单元于该正温度系数元件的第一导电单元上，并设置一个第二绝缘单元于该正温度系数元件的第二导电单元上；

设置一个下电极元件于该第一绝缘单元相反于该正温度系数元件的一侧上；

设置一个上电极元件于该第二绝缘单元相反于该正温度系数元件的一侧上；

热压该正温度系数元件、该第一绝缘单元、该第二绝缘单元、该下电极元件与该上电极元件，其中，该正温度系数元件、该第二绝缘单元与该上电极元件组成一个层合体；及

于该下电极元件形成一个第一间隙，使该下电极元件分成两个相间隔的下电极单元，且于该层合体形成一个第二间隙，使该层合体分成两个相间隔的层合单元，用于形成两个相连的正温度系数单元，每一个正温度系数单元包括其中一个下电极单元、其中一个层合单元及一部分的该第一绝缘单元。

本发明的功效在于：由于本发明的正温度系数电路保护装置包含两个通过该绝缘架桥层相连的正温度系数单元，因而本发明的正温度系数电路保护装置于其中一个正温度系数单元跳脱后，仍有另一个正温度系数单元可提供所需的正温度系数特性。

附图说明

本发明的其他的特征及功效，将于参照附图的实施方式中清楚地呈现，其中：

图1是一张示意图，说明一个现有的正温度系数电路保护装置；

图2至9分别是一张示意图，说明本发明正温度系数电路保护装置的制法的一个第一实施例之连续步骤；

图10是一张示意图，说明本发明正温度系数电路保护装置的一个第二实施例；及

图11是一张示意图，说明一个正温度系数电路保护装置的比较例。

具体实施方式

在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。

<第一实施例>

参阅图2至9，本发明正温度系数电路保护装置的制法的一个第一实施例，包含下列步骤s1～s8。

在步骤s1中，参阅图2，一个正温度系数元件21包括一个第一导电单元211、一个第二导电单元212，及一个夹置于该第一导电单元211与该第二导电单元212间的正温度系数聚合物材料单元213。在本第一实施例中，该第一导电单元211与该第二导电单元212为镀镍的铜箔。

在本第一实施例中，所述第一与第二导电单元211,212是通过分别在该正温度系数聚合物材料单元213的上表面与下表面上设置第一与第二导电薄膜，及通过如激光修整(lasertrimming)或化学蚀刻等方法使所述第一与第二导电薄膜上分别形成一个凹槽214,215所制得。该正温度系数聚合物材料单元213通过所述凹槽214,215暴露在外且该第一与该第二导电薄膜分别被分成两个相间隔的部分。如图2所示，在本第一实施例中，该第一导电薄膜位于该凹槽214右方的部分为该第一导电单元211，该第二导电薄膜位于该凹槽215左方的部分为该第二导电单元212。

在步骤s2中，参阅图3，一个第一绝缘单元22设置于该正温度系数元件21的该第一导电单元211上，一个第二绝缘单元23设置于该正温度系数元件21的该第二导电单元212上。在本第一实施例中，该第一绝缘单元22及该第二绝缘单元23是由环氧树脂所形成，且该第一绝缘单元22同样形成在该第一导电薄膜位于该凹槽214右方的部分上，该第二绝缘单元23同样形成在该第一导电薄膜位于该凹槽215左方的部分上。

在步骤s3中，参阅图4，一个下电极元件24设置于该第一绝缘单元22相反于该正温度系数元件21的一侧上。

在步骤s4中，参阅图5，一个上电极元件25设置于该第二绝缘单元23相反于该正温度系数元件21的一侧上。

在本第一实施例中，所述下电极元件24与所述上电极元件25为镀镍的铜箔。

在步骤s5中，参阅图6，热压该正温度系数元件21、该第一绝缘单元22、该第二绝缘单元23、该下电极元件24与该上电极元件25后，该正温度系数元件21、该第二绝缘单元23与该上电极元件25组成一个层合体26。

在步骤s6中，参阅图7，于该下电极元件24形成一个第一间隙3，因而该第一绝缘单元22会从该第一间隙3暴露出来且该下电极元件24会分成两个相间隔的下电极单元241，并于该层合体26形成一个第二间隙4，因而该层合体26会分成两个相间隔的层合单元261，用于形成两个相连的正温度系数单元6，每一个正温度系数单元6包括其中一个下电极单元241、其中一个层合单元261及一部分的该第一绝缘单元22。特别说明的是，该第一绝缘单元22包括两个第一绝缘层62(即前述部分的该第一绝缘单元22)及一个与所述第一绝缘层62相连的绝缘架桥层221。如图6与图7所示，于该层合体26形成该第二间隙4的步骤s6中，该第一导电单元211被分成两个相间隔的第一导电层63，该第二导电单元212被分成两个相间隔的第二导电层65，该正温度系数聚合物材料单元213被分成两个相间隔的正温度系数聚合物层64，该第二绝缘单元23被分成两个相间隔的第二绝缘层66，该上电极元件25被分成两个相间隔的上电极单元251。每一个层合单元261包括其中一个第一导电层63、其中一个第二导电层65、其中一个正温度系数聚合物层64、其中一个第二绝缘层66，及其中一个上电极单元251。

在步骤s7中，参阅图8，每一个正温度系数单元6中的该上电极单元251形成彼此相间隔的一个第一上电极部252与一个第二上电极部253，及每一个正温度系数单元6中的该下电极单元241形成彼此相间隔的一个第一下电极部242与一个第二下电极部243。每一个上电极单元251与每一个下电极单元241可借由如蚀刻等一般方法来移除中心部分。该第一上电极部252与该第一下电极部242组成一个第一电极67，该第二上电极部253与该第二下电极部243组成一个第二电极68。

在步骤s8中，每一个正温度系数单元6中的该第一电极67与该第一导电层63电连接且与该第二导电层65绝缘。每一个正温度系数单元6中的该第二电极68与该第二导电层65电连接且与该第一导电层63绝缘。如图9所示，在本第一实施例中，前述电连接是通过于每一个正温度系数单元6的两相反侧形成一个第一导电连接件71与一个第二导电连接件72来达成。所述导电连接件71,72可为涂覆导电金属层(如利用化学镀或电镀所得的铜或金层)的半圆形导电洞。除了半圆形的形状外，所述导电洞的剖面各自也可为四分之一圆、弧形、方形、菱形、长方形、三角形或多边形。

在特定的实施例中，较佳地，该第二间隙4的最小宽度(d)为大于或等于0.1mm。更佳地，该第二间隙4的最小宽度(d)为0.1～0.7mm。

在本第一实施例中，较佳地，该正温度系数聚合物材料单元213包括一个聚合物基质，及一个分散于该聚合物基质间的粒状导电填料。该聚合物基质具有未经接枝的烯烃系聚合物(例如高密度聚乙烯，简称hdpe)。更佳地，该聚合物基质还具有经羧酸酐接枝的烯烃系聚合物。又更佳地，该经羧酸酐接枝的烯烃系聚合物为经羧酸酐接枝的高密度聚乙烯。又更佳地，该经羧酸酐接枝的烯烃系聚合物为经马来酸酐(maleicanhydride)接枝的高密度聚乙烯

在特定的实施例中，较佳地，以该正温度系数聚合物材料单元213的总重为100wt％计，该聚合物基质的含量范围为5～50wt％，该粒状导电填料的含量范围为50～95wt％。

在本第一实施例中，较佳地，该粒状导电填料可由碳黑、金属或导电陶瓷所制得。更佳地，该粒状导电填料是由碳化钛、碳化锆、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钼、碳化钨、氮化钛、氮化锆、氮化钒、氮化铌、氮化钽、氮化铬、二硅化钛、二硅化锆、二硅化铌、二硅化钨、金、银、铜、铝、镍、镍金属化玻璃珠、镍金属化石墨、钛-钽固体溶液、钨-钛-钽-铬固体溶液、钨-钽固体溶液、钨-钛-钽-铌固体溶液、钨-钛-钽固体溶液、钨-钛固体溶液或钽-铌固体溶液所制得。

在本第一实施例中，较佳地，该绝缘架桥层221与所述第一绝缘层62为一体成型。

步骤s6、s7与s8为在步骤s5的热压后进行，在本第一实施例中，步骤s6、s7与s8是依顺进行。然而，需注意的是，步骤s6、s7与s8的顺序不限于前述的顺序，其可依据需求调整。例如，步骤s7可于步骤s6前进行，步骤s8可于步骤s6与s7前进行。

如图9所示，该正温度系数电路保护装置是由该第一实施例的方法所制得。该正温度系数电路保护装置包含两个正温度系数单元6、一个绝缘架桥层221、一个第一间隙3及一个第二间隙4。每一个正温度系数单元6包括一个第一绝缘层62、一个叠设于该第一绝缘层62上的第一导电层63、一个叠设于该第一导电层63上的正温度系数聚合物层64、一个叠设于该正温度系数聚合物层64上的第二导电层65、一个叠设于该第二导电层65上的第二绝缘层66、一个与该第一导电层63电连接且与该第二导电层65绝缘的第一电极67、一个与该第二导电层65电连接且与该第一导电层63绝缘的第二电极68；该绝缘架桥层221与所述正温度系数单元6的第一绝缘层相连62；该第一间隙3与该第二间隙4分别形成于所述正温度系数单元6间且位于该绝缘架桥层221的两相反侧。

在特定的实施例中，处理所述下电极单元241与所述上电极单元251的步骤s7可以被省略。在前述情况下，所述下电极单元241与所述上电极单元251分别作为所述第一电极67与所述第二电极68，该第一导电连接件71的该导电金属层是形成于该半圆形洞的一部分(例如低部分)上，以使该第一电极67(即下电极单元241)与该第一导电层63电连接且与该第二导电层65绝缘，及该第二导电连接件72的该导电金属层是形成于该半圆形洞的一部分(例如上部分)上，以使该第二电极68(即上电极单元251)与该第二导电层65电连接且与该第一导电层63绝缘。

<第二实施例>

参阅图10，本发明第二实施例的正温度系数电路保护装置与第一实施例的正温度系数电路保护装置相似，其差别在于，本第二实施例的正温度系数电路保护装置包含三个正温度系数单元6及两个绝缘架桥层221，每一个绝缘架桥层221连接两个相邻的正温度系数单元6的第一绝缘层62。在所述正温度系数单元6间，所述第一间隙3与所述第二间隙4是分别形成在两个相邻的正温度系数单元6间且分别位于所述绝缘架桥层221的两相反侧。

<实施例1(e1)>

将10.5g高密度聚乙烯(作为未经接枝的烯烃系聚合物；购自台湾塑料；型号hdpe9002)、10.5g经马来酸酐接枝的高密度聚乙烯(作为经羧酸酐接枝的烯烃系聚合物；购自杜邦；型号mb100d)及29g碳黑粒子(作为粒状导电填料；购自columbianchemicalsco.；型号raven430ub)于混合机(brabender)中进行混合押出(混合时间10min；混合温度200℃；搅拌速度50rpm；施加压力5kg)后，形成多个正温度系数聚合物材料胚粒。

参阅图2，于一个第一镀镍铜箔(第一导电薄膜)与一个第二镀镍铜箔(第二导电薄膜)间夹置所述正温度系数聚合物材料胚粒，以形成一个堆栈。热压该堆栈，以形成一个正温度系数元件21。其中，热压温度为200℃，热压时间为4min；热压压力为80kg/cm²。

利用钴-60γ射线(总剂量为15mrad)照射该正温度系数元件21。

通过化学蚀刻方法使该第一镀镍铜箔与该第二镀镍铜箔各自形成一个凹槽214,215，因而该正温度系数聚合物材料单元213会通过所述凹槽214,215暴露在外且该第一导电薄膜与该第二导电薄膜各自会被分成两个相间隔的部分。该第一导电薄膜的其中一部分作为第一导电单元211，相似地，该第二导电薄膜的其中一部分作为第二导电单元212。

参阅图3，分别于该正温度系数元件21的该第一导电单元211与该第二导电单元212上设置一个第一绝缘层22与该第二绝缘层23(由环氧树脂所制得)。

参阅图4，将一个下电极元件24(厚度为0.35mm的镀镍铜箔)设置于该第一绝缘单元22相反于该正温度系数元件21的一侧上，参阅图5，将一个上电极元件25(厚度为0.35mm的镀镍铜箔)设置于该第二绝缘单元23相反于该正温度系数元件21的一侧上。参阅图6，热压该正温度系数元件21、该第一绝缘单元22、该第二绝缘单元23、该下电极元件24与该上电极元件25。该正温度系数元件21、该第二绝缘单元23与该上电极元件25组成一个层合体26。

参阅图7，于该下电极元件24形成一个第一间隙3，因而该第一绝缘单元22会从该第一间隙3暴露出来且该下电极元件24会分成两个相间隔的下电极单元241，并于该层合体26形成一个第二间隙4，因而该层合体26会分成两个相间隔的层合单元261，用于形成两个相连的正温度系数单元6。每一个正温度系数单元6包括其中一个下电极单元241、其中一个层合单元261及一部分的该第一绝缘单元22。该第一间隙3与该第二间隙4的最小宽度(d)皆为0.1mm。

参阅图8，在每一个正温度系数单元6中，该下电极单元241的中心部分被移除，以形成彼此相间隔的一个第一下电极部242与一个第二下电极部243，且该上电极单元251的中心部分被移除，以形成彼此相间隔的一个第一上电极部252与一个第二上电极部253。该第一上电极部252与该第一下电极部242组成一个第一电极67，该第二上电极部253与该第二下电极部243组成一个第二电极68。参阅图9，两个涂覆金属层(作为该第一与第二导电连接件71,72)的半圆形导电洞形成于该正温度系数单元6的两相反侧。因此，通过该第一导电连接件71，该第一电极67会与该第一导电层63电连接，且该第一电极67会与该第二导电层65绝缘；通过该第二导电连接件72，该第二电极68会与该第二导电层65电连接，且该第二电极68会与该第一导电层63绝缘。经前述步骤后，获得一个包含两个彼此相连之正温度系数单元6的正温度系数电路保护装置。实施例1之每一个正温度系数单元6的阻抗整理于表1中。

<实施例2～3(e2与e3)>

实施例2～3(e2与e3)于制备正温度系数电路保护装置的制程与条件皆与实施例1相似，其差异在于，实施例2的第一间隙3与第二间隙4最小宽度皆为0.35mm；实施例3的第一间隙3与第二间隙4最小宽度皆为0.7mm。实施例2～3之每一个正温度系数单元6的阻抗同样整理于表1中。

<比较例(ce)>

参阅图11，比较例之正温度系数电路保护装置仅具有一个正温度系数单元9。比较例之正温度系数电路保护装置的大小与该实施例1之其中一个正温度系数单元6的大小相同。比较例之正温度系数电路保护装置的制备方法如下所示。

将5.25g高密度聚乙烯(作为未经接枝的烯烃系聚合物；购自台湾塑料；型号hdpe9002)、5.25g经马来酸酐接枝的高密度聚乙烯(作为经羧酸酐接枝的烯烃系聚合物；购自杜邦；型号mb100d)及14.5g碳黑粒子(作为粒状导电填料；购自columbianchemicalsco.；型号raven430ub)于混合机中进行混合押出(混合时间10min；混合温度200℃；搅拌速度50rpm；施加压力5kg)后，形成多个正温度系数聚合物材料胚粒。

于一个第一镀镍铜箔(第一导电薄膜)与一个第二镀镍铜箔(第二导电薄膜)间夹置所述正温度系数聚合物材料胚粒，以形成一个堆栈。热压该堆栈，以形成一个正温度系数元件91。其中，热压温度为200℃，热压时间为4min；热压压力为80kg/cm²。

利用钴-60γ射线(总剂量为15mrad)照射该正温度系数元件91。

通过化学蚀刻方法使该第一镀镍铜箔与该第二镀镍铜箔各自形成一个凹槽914,915，因而该正温度系数聚合物材料单元913会通过所述凹槽914,915暴露在外且该第一导电薄膜与该第二导电薄膜各自会被分成两个相间隔的部分。该第一导电薄膜的其中一部分作为第一导电单元911，相似地，该第二导电薄膜的其中一部分作为第二导电单元912。

分别于该正温度系数元件91的该第一导电单元911与该第二导电单元912是上设置一个第一绝缘层92与该第二绝缘层93(由环氧树脂所制得)。

将一个下电极元件94(厚度为0.35mm的镀镍铜箔)设置于该第一绝缘单元92相反于该正温度系数元件91的一侧上，将一个上电极元件95(厚度为0.35mm的镀镍铜箔)设置于该第二绝缘单元93相反于该正温度系数元件91的一侧上。热压该正温度系数元件91、该第一绝缘单元92、该第二绝缘单元93、该下电极元件94与该上电极元件95以形成正温度系数单元9。

该下电极元件94的中心部分被移除，以形成彼此相间隔的一个第一下电极部941与一个第二下电极部942，且该上电极元件95的中心部分被移除，以形成彼此相间隔的一个第一上电极部951与一个第二上电极部952。该第一上电极部951与该第一下电极部941组成一个第一电极，该第二上电极部952与该第二下电极部942组成一个第二电极。两个涂覆金属层(作为该第一与第二导电连接件97,98)的半圆形导电洞形成于该正温度系数单元9的两相反侧。因此，通过该第一导电连接件97，该第一电极会与该第一导电单元911电连接，且该第一电极会与该第二导电单元912绝缘，通过该第二导电连接件98，该第二电极会与该第二导电单元912电连接，且该第二电极会与该第一导电单元911绝缘。比较例之正温度系数单元9的阻抗整理于表1中。

表1

<表现测试>

取十个实施例1～3与比较例的正温度系数电路保护装置的测试样品分别进行跳脱测试，用于决定每一个测试样品之正温度系数单元的表面温度及测试正温度系数单元是否能持续15分钟不跳脱。

该跳脱测试是于16v的固定直流电压与0.75a的电流下进行。测试结果整理于表2中。

表2

在本测试中，在各个实施例1～3之正温度系数电路保护装置中，当其中一个正温度系数单元发生跳脱后，量测另一个正温度系数单元的表面温度及电流。比较例的表面温度同样也进行量测。本实验是于16v的固定直流电压与1.5a的电流下进行。实施例1～3与比较例之正温度系数电路保护装置所得结果如下表3所示。其中，表3中的数据为分别取十个测试样品所得结果的平均值。

表3

由表1与表2可知，实施例1～3与比较例之正温度系数电路保护装置的正温度系数单元具有相似的阻抗特性，且于0.75a的电流下可持续15分钟不跳脱。由表3可知，实施例1～3之正温度系数电路保护装置当其中一个正温度系数单元6跳脱时，另一个正温度系数单元6仍可维持正常功能，且具有低表面温度(约36～39℃)。相反地，由于比较例只有一个正温度系数单元9，因此在正温度系数单元9跳脱后，直至该正温度系数电路保护装置被重设前皆不能使用。

综上所述，由于本发明的正温度系数电路保护装置包含两个通过该绝缘架桥层相连的正温度系数单元，因而本发明的正温度系数电路保护装置于其中一个正温度系数单元跳脱后，仍有另一个正温度系数单元可提供所需的正温度系数特性，所以确实能达成本发明的目的。

惟以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明权利要求范围及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明涵盖的范围内。