CN103680780A - 表面贴装型过电流保护元件 - Google Patents
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Abstract
一表面贴装型过电流保护元件包括：PTC材料层、第一及第二导电层、第一及第二电极和第一及第二电气导通件。PTC材料层包含结晶性高分子聚合物及导电填料，且其体积电阻率小于0.18Ω-cm。第一和第二导电层分别物理接触该PTC材料层的相对二表面。第一电极包含一对形成于元件上表面及下表面的第一金属箔，且和第二导电层电气隔离。第二电极包含一对形成于元件上表面及下表面的第二金属箔，且和第一导电层电气隔离。第一电气导通件形成于第一端面，且连接第一金属箔及第一导电层。第二电气导通件形成于第二端面，且连接第二金属箔及第二导电层。第一和第二导通件分别占第一和第二端面的面积比例为40%至100%。
Description
技术领域
本发明涉及一种过电流保护元件，特别是涉及一种表面贴装型过电流保护元件。
背景技术
过电流保护元件被用于保护电路，使其免于因过热或流经过量电流而损坏。过电流保护元件通常包含两电极及位于两电极间的电阻材料。此电阻材料具正温度系数(Positive Temperature Coefficient;PTC)特性，亦即在室温时具低电阻值，而当温度上升至一临界温度或电路上有过量电流产生时，其电阻值可立刻跳升数千倍以上，藉此抑制过量电流通过，以达到电路保护的目的。当温度降回室温后或电路上不再有过电流的状况时，过电流保护元件可回复至低电阻状态，而使电路重新正常操作。此种可重复使用的优点，使PTC过电流保护元件取代保险丝，而被更广泛运用在高密度电子电路上。
参照图1A，美国专利号US 6,377,467揭示一种表面贴装型(SMD)过电流保护元件10，其包括电阻元件11、第一电极17、第二电极18、绝缘层15、16、第一电气导通件19及第二电气导通件20。电阻元件11包含第一导电层13、第二导电层14及PTC材料层12。PTC材料层12是叠设于第一导电层13及第二导电层14之间，亦即PTC材料层12与第一及第二导电层13、14沿图示的水平方向共同延伸为层叠状结构。电气导通件19和20是朝约垂直方向延伸。电气导通件19和20可采用激光或机械钻孔等工艺方式，形成导电(镀膜)通孔(plated through hole；PTH)，以连通电阻元件11的导电层13、14与电极17、18。但因受限于PTH与导电层13、14和电极17、18间的接触面积过小，导致接触电阻过大，无法进一步降低元件电阻值。
另外，按导电通孔19、20的设计，因必须避免钻孔时万一位置偏移与导电层13、14形成短路，导电层13、14的缺口必须较大以远离端面。甚至缺口成围绕导电通孔19、20的设计，以避免短路。图1B及图1C是以导电层13的缺口态样例示之。惟如此一来，电阻元件11的有效导电面积将减小，亦将增加元件10的整体电阻值。
发明内容
本发明涉及一种过电流保护元件，特别是涉及一种表面贴装型过电流保护元件。本发明的过电流保护元件可有效降低PTC元件与外电极间的接触电阻，进一步降低过电流保护元件的整体阻值。
根据本发明的一实施方式，一种表面贴装型过电流保护元件，具有上表面、下表面、第一端面及第二端面，第二端面位于该第一端面的相对侧。该过电流保护元件包括：PTC材料层、第一导电层、第二导电层、第一电极、第二电极、第一电气导通件及第二电气导通件。PTC材料层具有第一表面、第二表面，第二表面位于该第一表面相对侧。PTC材料层包含结晶性高分子聚合物及分散其中的金属或导电陶瓷粉末等导电填料，且PTC材料层的体积电阻率小于0.18Ω-cm。第一导电层物理接触PTC材料层的第一表面。第二导电层物理接触PTC材料层的第二表面。第一电极包含一对形成于上表面及下表面的第一金属箔。该第一电极电气连接第一导电层，且和第二导电层电气隔离。第二电极包含一对形成于上表面及下表面的第二金属箔。该第二电极电气连接第二导电层，且和第一导电层电气隔离。第一电气导通件形成于第一端面，且连接该对第一金属箔及第一导电层。第二电气导通件形成于第二端面，且连接该对第二金属箔及第二导电层。其中第一电气导通件占该第一端面的面积比例为40%至100%，且第二电气导通件占该第二端面的面积比例为40%至100%。
在一实施方式中，第一电气导通件及第二电气导通件为分别位于第一及第二端面的导电金属平面。特别是该导电金属平面可分别覆盖整个第一端面及第二端面。易言之，第一金属箔和第一电气导通件构成包覆第一端面的第一端电极，而第二金属箔和第二电气导通件构成包覆第二端面的第二端电极。
在一实施方式中，该第一电气导通件及第二电气导通件各自包含沿垂直方向延伸的至少两个导电通孔，其中该导电通孔的截面可为半圆孔的设计。
本发明增加位于元件端面的电气导通件与电极和PTC元件的导电层间的接触面积，藉此降低接触电阻和元件的电阻值。另外，藉由使用金属或导电陶瓷粉末之导电填料可进一步降低材料电阻。换言之，本发明相较于现有技术可同时降低过电流保护元件的结构电阻及材料电阻，而得以有效降低元件的电阻值。
附图说明
图1A至1C为现有过电流保护元件示意图。
图2为本发明第一实施例的过电流保护元件示意图。
图3为本发明第一实施例的过电流保护元件的第一导电层和PTC材料层的上视图。
图4为本发明第一实施例的过电流保护元件的第二导电层和PTC材料层的底视图。
图5为本发明第二实施例的过电流保护元件示意图。
图6为本发明第二实施例的过电流保护元件的端面的平面示意图。
其中，附图标记说明如下：
10、40、70过电流保护元件
11电阻元件
12PTC材料层
13第一导电层
14第二导电层
15、16绝缘层
17第一电极
18第二电极
19第一电气导通件
20第二电气导通件
21防焊层
41、71PTC材料层
42、72第一导电层
43、73第二导电层
44、74第一绝缘层
45、75第二绝缘层
46、76第一电极
47、77第二电极
48电气导通件
49电气导通件
50PTC元件
78、79导电通孔
51、93第一缺口
52、94第二缺口
53、83第一防焊层
54、84第二防焊层
61、91第一端面
62、92第二端面
65、66端电极
411、711第一表面
412、712第二表面
461、761第一金属箔
471、771第二金属箔
具体实施方式
为让本发明的上述和其他技术内容、特征和优点能更明显易懂，下文特举出相关实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
图2是本发明一实施例的过电流保护元件的立体结构示意图。过电流保护元件40约为长方体结构，具有相对的上表面、下表面及相对的两端面61、62。两端面61、62连接上表面和下表面。过电流保护元件40包括：PTC材料层41、第一导电层42、第二导电层43、第一绝缘层44、第二绝缘层45、第一电极46、第二电极47、电气导通件48及电气导通件49。PTC材料层41具有第一表面411和第二表面412，第二表面412位于该第一表面411相对侧。第一导电层42物理接触该PTC材料层41的第一表面411，第二导电层43则物理接触该PTC材料层41的第二表面412。详言之，导电层42、43和叠设于其间的PTC材料层41构成PTC元件50。第一电极46包含一对形成于上表面及下表面的第一金属箔461。第一电极46电气连接第一导电层42，且和第二导电层43电气隔离。第二电极47包含一对形成于上表面及下表面的第二金属箔471。第二电极47电气连接第二导电层43，且和第一导电层42电气隔离。电气导通件48设于该第一端面61，且连接该对第一金属箔461及第一导电层42。电气导通件49设于第二端面62，且连接该对第二金属箔471及第二导电层43。
第一绝缘层44形成于第一导电层42表面，而第二绝缘层45形成于该第二导电层43表面。其中形成于上表面的第一金属箔461及第二金属箔471形成于第一绝缘层44表面，而形成于下表面的第一金属箔461及第二金属箔471形成于第二绝缘层45表面。
综言之，第一电极46和电气导通件48组成端电极65，且在一实施例中该端电极65包覆第一端面61。第二电极47和电气导通件49组成端电极66，且在一实施例中该端电极66包覆第二端面62。
在一实施例中，第一防焊层53形成于位于上表面的第一金属箔461和第二金属箔471之间的该第一绝缘层44表面。第二防焊层54形成于位于下表面的第一金属箔461和第二金属箔471之间的该第二绝缘层45表面。
图3为第一导电层42与PTC材料层41的上视图，图4则为第二导电层43和PTC材料层41的底视图。同时参考图2及3，第二端面62位于第一端面61的相对侧。第一导电层42延伸至电气导通件48，且与电气导通件49间有第一缺口51。同时参考图2及4，第二导电层43延伸至该第二电气导通件49，且与该电气导通件48间有第二缺口52。
申言之，PTC材料层41的上、下表面411、412分别设置有第一导电层42与第二导电层43，且各自延伸至电气导通件48和49。在一实施例中，导电层42、43可由平面金属薄膜，经如激光切除，化学蚀刻或机械切割方式产生缺口51和52。此外，在本实施例中所示的缺口51和52并不限制为图式所示的约成矩形的形状，其他形状及图案可构成隔离效果者亦可适用于本发明。
前述实施例的电气导通件48和49直接分别形成于第一及第二端面61和62，而非公知的PTH的内凹设计，故可大幅降低电气短路的风险。基此，可将缺口51及/或52的宽度进一步缩小，亦即可有效增加PTC元件50的导电层42和43的有效导电面积。在一实施例中，缺口51或52的宽度大于等于0.1mm，或特别是大于等于0.13mm或0.16mm。
电气导通件48和49可为于端面61和62镀上导电层制作而成的导电金属平面。在一实施例中，是于端面61和62利用全面电镀方式制作，亦即电气导通件48占该第一端面61的面积为100%，第二电气导通件49占该第二端面62的面积亦为100%，如图2所示。然而，电气导通件48或49并不全然必须占满整个端面61或62，亦可仅形成于部分的端面，但电气导通件48占端面61、及/或电气导通件49占端面62的面积比例必须大于等于40%，或特别是大于等于50%、60%、70%、80%或90%。
除前述导电金属平面的方式，本发明另涵盖多个导电通孔作为电气导通件的型态，在此是以2个导电通孔为例说明如下。
参照图5，过电流保护元件70具有相对的上表面、下表面及相对的两端面91和92。端面91、92连接上表面和下表面。过电流保护元件70包括：PTC材料层71、第一导电层72、第二导电层73、第一绝缘层74、第二绝缘层75、第一电极76、第二电极77、第一电气导通件81及第二电气导通件82。PTC材料层71具有第一表面711和第二表面712，第二表面712位于该第一表面711相对侧。第一导电层72物理接触该PTC材料层71的第一表面711，第二导电层73则物理接触该PTC材料层71的第二表面712。第一电极76包含一对形成于上表面及下表面的第一金属箔761。第一电极76电气连接第一导电层72，且和第二导电层73电气隔离。第二电极77包含一对形成于上表面及下表面的第二金属箔771。第二电极77电气连接第二导电层73，且和第一导电层72电气隔离。第一电气导通件81包含位于第一端面91的两个导电通孔78，而第二电气导通件82包含位于第二端面92的两个导电通孔79。导电通孔78连接该对第一金属箔761及第一导电层72；导电通孔79连接该对第二金属箔771及第二导电层73。第一绝缘层74形成于第一导电层72表面，而第二绝缘层75形成于该第二导电层73表面。其中形成于上表面的第一金属箔761及第二金属箔771形成于第一绝缘层74表面，而形成于下表面的第一金属箔761及第二金属箔771形成于第二绝缘层75表面。在一实施例中，第一防焊层83形成于位于上表面的第一金属箔761和第二金属箔771之间的该第一绝缘层74表面。第二防焊层84形成于位于下表面的第一金属箔761和第二金属箔771之间的该第二绝缘层75表面。第一导电层72延伸至第一端面91，且与第二端面92间有缺口93。第二导电层73延伸至该第二端面92，且与第一端面91间有缺口94。在一实施例中，缺口93或94的宽度大于等于0.1mm，或特别是大于等于0.13mm或0.16mm。
图6是图5中的端面91的平面示意图，其中端面91的宽度为A，高度为B，故面积为A×B；导电通孔78直径为D，故单个导电通孔78的(表)面积为3.14×D/2×B。因此，电气导通件81的面积(包含两个导电通孔78)占该端面91的面积比例R为2×(3.14×D/2×B)/(A×B)。该比例R需介于40%～100%，或特别为50%、60%、70%、80%或90%。
特而言之，导电通孔78或79的个数至少为两个，以增加与电极76、77和导电层72、73的接触面积。其中又以增加导电通孔78、79与导电层72、73的接触面积，对于降低接触电阻值的影响更为有效。
除以改变结构方式降低电气导通件与导电层和电极间的接触电阻外，本发明同时于PTC材料层中采用低阻的导电填料，以进一步降低过电流保护元件的整体阻值。
PTC材料层41、71中含有高分子材料及导电填料，而具有PTC特性。其适用的高分子材料包括：结晶性高分子聚合物包含高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚氟乙烯、乙烯-丙烯酸共聚合物、乙烯-丙烯酸酯共聚合物、乙烯-乙烯醇共聚合物或其组合。导电填料可为体积电阻率小于500μΩ-cm的导电填料，其可为金属、金属碳化物或其混合物、合金、固溶体或核壳体。例如：镍、钴、铜、铁、锡、铅、银、金、铂、碳化钨、碳化钒、碳化钛、碳化硼、碳化硅、碳化锗、碳化钽、碳化锆、碳化铬、碳化钼或前述的混合物、合金、硬质合金、固溶体(solid solution)或核壳体(core-shell)。导电填料亦可为其他常见导电金属或导电陶瓷，在此不逐一列举。藉由采用前述导电填料，本发明的PTC材料层41、71的体积电阻率可小于0.18Ω-cm。
以下表1例示电气导通件为公知单孔PTH及全面电镀导电金属平面的过电流保护元件的电阻测试结果，其中导电陶瓷填料采用碳化钨和碳化钛，且个别对照组的成分比例均相同。Ri为元件的起始电阻值，R1为触发一次回复后的之电阻值，R2为触发二次回复后的电阻值，R3为随后于160°C烘烤20分钟之后的电阻值。
表1
| 电气导通件 | 导电填料 | Ri(mΩ) | R1(mΩ) | R2(mΩ) | R3(mΩ) |
| PTH | 碳化钨 | 5.32 | 7.74 | 8.02 | 7.74 |
| 导电金属平面 | 碳化钨 | 4.22 | 6.28 | 6.26 | 6.41 |
| PTH | 碳化钛 | 5.20 | 6.15 | 7.24 | 7.64 |
| 导电金属平面 | 碳化钛 | 4.07 | 5.15 | 5.92 | 6.38 |
由表1可知，不论是采用碳化钨或碳化钛作为导电填料，电气导通件若采用本发明的导电金属平面型式者可有效降低电阻值，其中电阻降低幅度约17～25%。另外，本发明的实施例亦展现优良的电阻再现性。
上述实施例是关于包含一个PTC材料层的情况，在实际应用上，其亦可包含多层并联的PTC材料层。例如美国专利号US 6,377,467所示的两层并联PTC结构，但电气导通件占端面的面积比例必须符合本发明界定的数值范围。
根据本发明的设计，可增加电气导通件与导电层及电极间的接触面积，进而降低其间的接触电阻。再加上低阻导电填料的导入使用，可进一步有效降低过电流保护元件的电阻值。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为所附权利要求所涵盖。
Claims (17)
1.一种表面贴装型过电流保护元件，具有上表面、下表面、第一端面及第二端面，第二端面位于该第一端面的相对侧，该表面贴装型过电流保护元件包括：
一PTC材料层，具有第一表面、第二表面，第二表面位于该第一表面相对侧，PTC材料层包含结晶性高分子聚合物及分散其中的导电填料，该PTC材料层的体积电阻率小于0.18Ω-cm；
一第一导电层，物理接触该PTC材料层的第一表面；
一第二导电层，物理接触该PTC材料层的第二表面；
一第一电极，包含一对形成于上表面及下表面的第一金属箔，该第一电极电气连接第一导电层，且和第二导电层电气隔离；
一第二电极，包含一对形成于上表面及下表面的第二金属箔，该第二电极电气连接第二导电层，且和第一导电层电气隔离；
第一电气导通件，形成于该第一端面，且连接该对第一金属箔及第一导电层；以及
第二电气导通件，形成于该第二端面，且连接该对第二金属箔及第二导电层；
其中该第一电气导通件占该第一端面的面积比例为40%至100%，且第二电气导通件占该第二端面的面积比例为40%至100%。
2.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其还包含：
一第一绝缘层，形成于该第一导电层表面；以及
一第二绝缘层，形成于该第二导电层表面；
其中形成于上表面的第一金属箔及第二金属箔形成于第一绝缘层表面，形成于下表面的第一金属箔及第二金属箔形成于第二绝缘层表面。
3.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其中该第一电气导通件及第二电气导通件是分别位于第一端面及第二端面的导电金属平面。
4.根据权利要求3的表面贴装型过电流保护元件，其中该第一电气导通件及第二电气导通件分别覆盖整个第一端面及第二端面。
5.根据权利要求3的表面贴装型过电流保护元件，其中该第一导电层延伸至该第一电气导通件，且与第二电气导通件间有第一缺口；该第二导电层延伸至该第二电气导通件，且与该第一电气导通件间有第二缺口。
6.根据权利要求5的表面贴装型过电流保护元件，其中该第一缺口或第二缺口的宽度大于等于0.1mm。
7.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其中至少该第一电气导通件及第二电气导通件中之一者包含沿垂直方向延伸的至少两个导电通孔。
8.根据权利要求7的表面贴装型过电流保护元件，其中该第一导电层延伸至该第一端面，且与第二端面间有第一缺口；该第二导电层延伸至该第二端面，且与该第一端面间有第二缺口。
9.根据权利要求7的表面贴装型过电流保护元件，其中该导电通孔的截面为半圆孔。
10.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其中该导电填料包含镍、钴、铜、铁、锡、铅、银、金、铂、碳化钨、碳化钒、碳化钛、碳化硼、碳化硅、碳化锗、碳化钽、碳化锆、碳化铬、碳化钼或前述的混合物、合金、固溶体或核壳体。
11.根据权利要求1的表面贴装型过电流保护元件，其中该结晶性高分子聚合物包含高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚氟乙烯、乙烯-丙烯酸共聚合物、乙烯-丙烯酸酯共聚合物、乙烯-乙烯醇共聚合物或其组合。
12.一种表面贴装型过电流保护元件，具有上表面、下表面、第一端面及第二端面，第二端面位于该第一端面的相对侧，该表面贴装型过电流保护元件包括：
一PTC元件，包含第一导电层、第二导电层及叠设于其间的PTC材料层，PTC材料层包含结晶性高分子聚合物及分散其中的导电填料，该PTC材料层的体积电阻率小于0.18Ω-cm；
一第一绝缘层，位于第一导电层表面；
一第二绝缘层，位于第二导电层表面；
一第一端电极，包含一对形成于上表面及下表面的第一金属箔及连接该对第一金属箔且形成于该第一端面的第一电气导通件，该第一电气导通件连接第一导电层，且和第二导电层电气隔离；以及
一第二端电极，包含一对形成于上表面及下表面的第二金属箔及连接该对第二金属箔且形成于该第二端面的第二电气导通件，该第二电气导通件连接第二导电层，且和第一导电层电气隔离；
其中该第一电气导通件占该第一端面的面积比例为40%至100%，且第二电气导通件占该第二端面的面积比例为40%至100%。
13.根据权利要求12的表面贴装型过电流保护元件，其中该第一端电极包覆第一端面，第二端电极包覆第二端面。
14.根据权利要求12的表面贴装型过电流保护元件，其中该第一导电层延伸至该第一电气导通件，且与第二电气导通件间有第一缺口；该第二导电层延伸至该第二电气导通件，且与该第一电气导通件间有第二缺口。
15.根据权利要求14的表面贴装型过电流保护元件，其中该第一缺口或第二缺口的宽度大于等于0.1mm。
16.根据权利要求12的表面贴装型过电流保护元件，其中至少该第一电气导通件及第二电气导通件中之一者包含沿垂直方向延伸的至少两个导电通孔。
17.根据权利要求12的表面贴装型过电流保护元件，其中该导电填料包含镍、钴、铜、铁、锡、铅、银、金、铂、碳化钨、碳化钒、碳化钛、碳化硼、碳化硅、碳化锗、碳化钽、碳化锆、碳化铬、碳化钼或前述的混合物、合金、固溶体或核壳体。
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