CN103762052A

CN103762052A - 低维持电流pptc过流保护器及其制造方法

Info

Publication number: CN103762052A
Application number: CN201310749761.2A
Authority: CN
Inventors: 徐行涛; 李大军; 朱建娟
Original assignee: SHENZHEN HUIRUI ELECTRONIC MATERIALS Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN HUIRUI ELECTRONIC MATERIALS Co Ltd
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明公开了一种低维持电流PPTC过流保护器，包括两个金属箔片及一叠设于所述两个金属箔片中间的PPTC导电材料层，所述两个金属箔片表面各焊接有一个金属电极；所述PPTC材料层外露部分、金属箔片外表面及金属电极上焊接部分的表面都包覆有绝缘层。所述PPTC导电材料层按重量计，包括40～50%的结晶性聚合物，0.5～10%的界面相容剂，40～55%的导电炭黑和1～10%的耐电压增强剂；所述PPTC导电材料层的体积电阻率小于2.0Ω.cm；PPTC过流保护器的电阻值小于1.0Ω。本发明提供的PPTC过流器件具有优良的电阻稳定性，可以满足电阻较小、维持电流较低的电路的过流保护要求。

Description

低维持电流PPTC过流保护器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种正温度系数（Positive temperature coefficient,PTC）可恢复过流保护器件领域，具体是指一种小尺寸、低阻值、低维持电流、快动作的PPTC过流保护器及其制造方法。

背景技术

高分子PTC过流保护器件（简称PPTC），是指一种利用通过热膨胀而使导电性发生变化的导电性聚合物的电阻正温度特性，来接通与断开电路的元件。其中具有正温度特性的导电材料一般由导电介质填充于结晶性的聚烯烃而制成。PPTC器件在通常状态下电阻基本保持恒定，当电路故障引起较大电流通过PPTC器件时，根据焦耳定律，PPTC自身发热，当PPTC产生的热量大于散发的热量时，PPTC温度升高阻值也随之上升，随着热量的积累，PPTC内部温度升至临界转变温度附近时，这时PPTC电阻突然增大，发生几个数量级的转变，从而限制电路中电流的通过，保护设备免于破坏。而当故障排除后，PPTC器件温度下降，其电阻值重新恢复到低阻值状态。

PPTC器件因其具有良好的自恢复特性，而广泛应用于家电、计算机、通信、消费电子、玩具、汽车微电机等领域。随着科技与市场的不断发展，电子设备的功能不断增强的同时体积越做越小，导致内部元器件密度不断上升，这就要求PPTC过流保护元件不断向小型化与低功耗方向发展，即在相同的工作电流下，PPTC能以更较小的尺寸和较低的电阻值来满足电路保护的要求。目前市售的维持电流250毫安以下的PPTC阻值均在1欧姆以上，原因在于：市售PPTC基本上是使用高密度聚乙烯作为PPTC导电材料的基材，但是高密度聚乙烯的熔点一般高于130℃，致使PPTC的动作温度较高；如果将维持电流250毫安以下的PPTC器件的阻值做到1欧姆以下，则会导致PTC器件动作较慢甚至无法动作。这显然已不能满足当前市场上出现的较低维持电流下更低阻值的应用领域以及PPTC元器件低功耗化的整体发展趋势。因而需要开发一种具有较低动作温度的PPTC过流保护器件，使其能够在低于250毫安的较低维持电流下，具有较小尺寸兼具较低的阻值，并能够快速动作，以适应市场的发展。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种低维持电流的PPTC过流保护器件。

本发明的再一目的在于：提供一种低维持电流的具有小尺寸、低阻值、快动作的PPTC过流保护器件的制造方法。

本发明的技术方案为一种低维持电流PPTC过流保护器，包括两个金属箔片及一叠设于所述两个金属箔片中间的PPTC导电材料层，所述两个金属箔片表面各焊接有一个金属电极，所述PPTC材料层外露部分、金属箔片外表面及金属电极上焊接部分表面都包覆有绝缘层；所述PPTC导电材料层按重量计，包括40～50%的结晶性聚合物，0.5～10%的界面相容剂，40～55%的导电炭黑和1～10%的耐电压增强剂，所述PPTC导电材料层中各材料的组分之和为100%；所述PPTC导电材料层的体积电阻率小于2.0Ω.cm；PPTC过流保护器的电阻值小于1.0Ω。

进一步地，所述结晶性聚合物为结晶性烯烃聚合物，熔点低于115℃。

进一步地，所述界面相容剂为极性基团接枝烯烃聚合物，熔点低于115℃。

进一步地，所述导电炭黑，平均粒径介于20～120nm之间，吸油值介于40cm³/100g～150cm³/100g之间。

进一步地，所述耐电压增强剂，为金属氧化物或金属氢氧化物，选自氧化锌、氧化镁、氧化铝、氢氧化镁、氢氧化铝的一种或几种。

进一步地，所述的结晶性烯烃聚合物选自低密度聚乙烯（LDPE）、线型低密度聚乙烯（LLDPE）、极低密度聚乙烯（VLDPE）、超低密度聚乙烯（ULDPE）及乙烯-α烯烃共聚物（POE）中的一种或几种。

进一步地，所述极性基团接枝烯烃聚合物，为马来酸酐接枝烯烃聚合物，选自马来酸酐接枝低密度聚乙烯、马来酸酐接枝线型低密度聚乙烯、马来酸酐接枝乙烯-α烯烃共聚物中的至少一种。

进一步地，两个金属箔片及叠设于所述两个金属箔片中间的PPTC导电材料层共同构成PPTC芯片，其PPTC芯片的面积小于20mm²。

进一步地，所述金属箔片厚度介于0.15～0.35μm。

进一步地，所述金属箔片选自铜箔、镍箔、镀镍铜箔中的一种。

进一步地，为改善金属箔片与所述有机聚合物间的附着强度，所述金属箔片的其中一面经过粗化处理。

本发明的另一种技术方案为一种低维持电流PPTC过流保护器的制造方法，包括以下步骤：

a.将所述结晶性聚合物、所述界面相容剂、所述导电炭黑和所述耐电压增强剂按照40～50%：0.5～10%：40～55%：1～10%的重量比加入到密炼机中，在所述结晶性聚合物的熔点以上10～60℃下密炼10～20min，得到PPTC导电材料，再经开炼机拉片，热压机模压，得到厚度为0.15～0.20mm的PPTC导电材料层；

b.将上述PPTC导电材料层放入模具，同时两张金属箔片分别放在PPTC材料层的上下表面，经热压机压合，得到PPTC导电材料层与金属箔片的复合体；

c.将所述PPTC材料与金属箔片复合体冲切成PPTC芯片，然后对PPTC芯片退火热处理，条件是在所述结晶性聚合物的熔点以上10～60℃放置60分钟，然后缓慢冷却到室温；

d.热处理后的所述PPTC芯片通过高能电子束或γ射线辐照进行交联，辐照剂量为5到30Mrads。

进一步地，在焊锡炉或回流焊设备中将辐照好的PPTC芯片上下表面焊接两个金属电极，经超声波清洗，所述PPTC材料层外露部分、金属箔片外表面及金属电极上焊接部分表面都包覆有绝缘层，制成PPTC过流保护器。

进一步地，所述绝缘层材料为环氧树脂。

进一步地，在步骤a中，所述密炼机的温度设定高于所述的结晶聚合物的熔点10～60℃。

进一步地，在步骤b中，所述PPTC导电材料层与金属箔片的复合在热压机上进行，所述热压机的温度高于所述的结晶聚合物的熔点10～60℃。

进一步地，在步骤c中，冷却速率低于40℃/min。

进一步地，在步骤d中，所述辐照剂量为5到15Mrads。

本发明的有益效果在于：本发明的低维持电流PPTC过流保护器的PPTC芯片是本发明的PPTC导电材料层经过辐照交联形成的。由该PPTC导电材料层制备的一种低维持电流PPTC过流保护器具有小于20mm²的芯片尺寸、低于1.0Ω的电阻值、低于250毫安的维持电流。本发明提供的PPTC过流器件具有优良的电阻稳定性，可以满足电阻较小、维持电流较低的电路的过流保护要求。

附图说明

图1为本发明的PPTC器件芯片示意图；

图2为本发明的PPTC过流保护器示意图。

附图标记：1-PPTC导电材料层；2-金属箔片；3-PPTC芯片；4-金属电极；5-PPTC器件。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明本发明PPTC过流器件的组成成份及制作过程。

实施例1

本实施例的PPTC导电材料的成份及重量比如下：

47.8wt%的低密度聚乙烯（LDPE，燕山石化LD104，熔指1.7～2.3g/10min，密度0.923～0.927g/cm³，熔点110℃）、2.9wt%的马来酸酐接枝聚乙烯（Grafted-PE，宁波能之光MC509，接枝率1.0wt%，熔指1.2g/10min，熔点105℃）、43.5wt%的导电炭黑（炭黑-1：3030B，粒径55nm，DBP值130cm³/100g，三菱碳素）、2.9wt%的氢氧化镁（Mg(OH)₂，HT-206，粒度2μm，济南泰星化工）、2.9wt%的氧化锌（ZnO，ZHZn-01，粒径40nm，无锡辉泽化工）。

按照质量比称重，依顺序，将LDPE和Grafted-PE加入到设定温度为130℃、转速30r/min的密炼机中，密炼4分钟至熔化，然后加入炭黑密炼8分钟，最后加入氢氧化镁、氧化锌密炼5分钟，得到具有PTC特性的PPTC导电材料。

将上述PPTC导电材料在开炼机拉片，开炼机设定温度为95℃，制成厚度为0.15～0.20mm，长和宽为120mm的PPTC导电材料层1；将PPTC导电材料层1放入模具，同时在PPTC导电材料层1的上下表面放两张厚度为35μm的金属箔片2，将模具放入热压机中，压机温度设定150度，压力设定15MPa，热压10min得到PPTC导电材料层1与金属箔片2的复合体；对PPTC导电材料层1与金属箔片2的复合体退火热处理，热处理条件为90℃/4小时，然后用高能电子束辐照交联，剂量10Mrad。

将辐照后好的PPTC导电材料层1与金属箔复合体板冲切成3.0×4.5mm的PPTC芯片3。

通过焊锡炉设备在PPTC芯片3上下表面焊接一对金属电极4，经超声波清洗，然后在PPTC芯片3和金属电极4焊接部分外侧包覆环氧树脂绝缘层，制成PPTC过流保护器。

测定其在25℃时的电阻（R₀），测试PPTC过流保护器在25℃时的维持电流（I_hold）及2倍维持电流下的动作时间（T_trip）。测试PPTC器件5在16V/5A下电流冲击循环50次后电阻值变化率和16V电压下耐压1小时后的电阻值变化率。PPTC器件5的物理性能测试数据列于表2中。

实施例2

按照和实施例1中所述相同的方法制造PPTC器件5，但将导电炭黑（炭黑-1，3030B）的含量由43.5wt%变为45.8wt%，LDPE（LD104）的含量由47.8wt%变为45.8wt%，Grafted-PE（MC509）的含量由2.9wt%变为2.8wt%，Mg(OH)₂（HT-206）的含量由2.9wt%变为2.8wt%，ZnO（ZHZn-01）的含量由2.9wt%变为2.8wt%。按照和实施例1中所述相同的方式测试PPTC器件5的物理性能，结果列于表2中。

实施例3

按照和实施例1中所述相同的方法制造PPTC过流保护器，但将导电炭黑（炭黑-1，3030B）的含量由43.5wt%变为48.1wt%，LDPE（LD104）的含量由47.8wt%变为44.0wt%，Grafted-PE（MC509）的含量由2.9wt%变为2.8wt%，Mg(OH)₂（HT-206）的含量由2.9wt%变为2.6wt%，ZnO（ZHZn-01）的含量由2.9wt%变为2.6wt%。按照和实施例1中所述相同的方式测试PPTC器件5的物理性能，结果列于表2中。

实施例4

按照和实施例1中所述相同的方法制造PPTC过流保护器，但用48.4wt%的导电炭黑（炭黑-2，Raven410，粒径101nm，DBP值65cm³/100g，Columbian公司）代替实施例1中43.5wt%的导电炭黑（炭黑-1，3030B），将LDPE（LD104）的含量由47.8wt%变为43.8wt%，Grafted-PE（MC509）的含量由2.9wt%变为2.6wt%，Mg(OH)₂（HT-206）的含量由2.9wt%变为2.6wt%，ZnO（ZHZn-01）的含量由2.9wt%变为2.6wt%。按照和实施例1中所述相同的方式测试PPTC过流保护器的物理性能，结果列于表2中。

实施例5

按照和实施例1中所述相同的方法制造PPTC过流保护器，但用52.8wt%的导电炭黑（炭黑-2，Raven410，粒径101nm，DBP值65cm³/100g，Columbian公司）代替实施例1中43.5wt%的导电炭黑（炭黑-1，3030B），将LDPE（LD104）的含量由47.8wt%变为40.0wt%，Grafted-PE（MC509）的含量由2.9wt%变为2.4wt%，Mg(OH)₂（HT-206）的含量由2.9wt%变为2.4wt%，ZnO（ZHZn-01）的含量由2.9wt%变为2.4wt%。按照和实施例1中所述相同的方式测试PPTC过流保护器的物理性能，结果列于表2中。

实施例6

按照和实施例1中所述相同的方法制造PPTC过流保护器，但用46.5wt%的线型低密度聚乙烯（LLDPE，瑞普曼SP1020，熔指2.0g/10min，密度0.909g/cm³，熔点111℃）代替实施例1中47.8wt%的LDPE（LD104），将导电炭黑（炭黑-1，3030B）的含量由43.5wt%变为45.1wt%，Grafted-PE（MC509）的含量由2.9wt%变为2.8wt%，Mg(OH)₂（HT-206）的含量由2.9wt%变为2.8wt%，ZnO（ZHZn-01）的含量由2.9wt%变为2.8wt%。按照和实施例1中所述相同的方式测试PPTC过流保护器的物理性能，结果列于表2中。

实施例7

按照和实施例1中所述相同的方法制造PPTC过流保护器，但用44.6wt%的线型低密度聚乙烯（LLDPE，瑞普曼SP1020，熔指2.0g/10min，密度0.909g/cm³，熔点111℃）代替实施例1中47.8wt%的LDPE（LD104），将导电炭黑（炭黑-1，3030B）的含量由43.5wt%变为47.3wt%，Grafted-PE（MC509）的含量由2.9wt%变为2.7wt%，Mg(OH)₂（HT-206）的含量由2.9wt%变为2.7wt%，ZnO（ZHZn-01）的含量由2.9wt%变为2.7wt%。按照和实施例1中所述相同的方式测试PPTC过流保护器的物理性能，结果列于表2中。

实施例8

按照和实施例1中所述相同的方法制造PPTC过流保护器，但用46.5wt%的极低密度聚乙烯（VLDPE，埃克森美孚4027，熔指,4.0g/10min，密度0.895g/cm³，熔点103℃）代替实施例1中47.8wt%的LDPE（LD104），将导电炭黑（炭黑-1，3030B）的含量由43.5wt%变为45.1wt%，Grafted-PE（MC509）的含量由2.9wt%变为2.8wt%，Mg(OH)₂（HT-206）的含量由2.9wt%变为2.8wt%，ZnO（ZHZn-01）的含量由2.9wt%变为2.8wt%。按照和实施例1中所述相同的方式测试PPTC过流保护器的物理性能，结果列于表2中。

实施例9

按照和实施例1中所述相同的方法制造PPTC过流保护器，但用42.6wt%的极低密度聚乙烯（VLDPE，埃克森美孚4027，熔指,4.0g/10min，密度0.895g/cm³，熔点103℃）代替实施例1中47.8wt%的LDPE（LD104），用49.6wt%的导电炭黑（炭黑-2，Raven410，粒径101nm，DBP值65cm³/100g，Columbian公司）代替实施例1中43.5wt%的导电炭黑（炭黑-1，3030B），并将Grafted-PE（MC509）的含量由2.9wt%变为2.6wt%，Mg(OH)₂（HT-206）的含量由2.9wt%变为2.6wt%，ZnO（ZHZn-01）的含量由2.9wt%变为2.6wt%。按照和实施例1中所述相同的方式测试PPTC过流保护器的物理性能，结果列于表2中。

比较例1

按照和实施例4中所述相同的方法制造PPTC过流保护器，但删除实施例1中PPTC材料配方的马来酸酐接枝聚乙烯组分，将LDPE（LD104）的含量由43.8wt%变为46.4wt%，其他成分及含量与实施例1相同。按照和实施例1中所述相同的方式测试PPTC过流保护器的物理性能，结果列于表2中。

比较例2

按照和实施例4中所述相同的方法制造PPTC过流保护器，但删除实施例1中PPTC材料配方的氢氧化镁和氧化锌组分，同时将LDPE（LD104）的含量由43.8wt%变为46.0wt%，导电炭黑（炭黑-2，Raven410）的含量由48.4wt%变为50.7wt%，Grafted-PE（MC509）的含量由2.6wt%变为3.3wt%。按照和实施例1中所述相同的方式测试PPTC过流保护器的物理性能，结果列于表2中。

比较例3

按照和实施例1中所述相同的方法制造PPTC过流保护器，但将PPTC材料配方的组成和比例调整为：43.4wt%的高密度聚乙烯（HDPE，大林工业EHM6007，熔指0.7g/10min，密度0.964g/cm³，熔点135℃）、2.6wt%的马来酸酐接枝聚乙烯（Grafted-PE，宁波能之光MC509）、48.8wt%的导电炭黑（炭黑-2，Raven410）、2.6wt%的氢氧化镁（Mg(OH)₂，HT-206）、2.6wt%的氧化锌（ZnO，ZHZn-01）。

按照和实施例1中所述相同的方式测试PPTC过流保护器的物理性能，结果列于表2中。

本实施例PPTC过流保护器所使用的PPTC导电组合物的成份及重量，如表一所示。

表1

注：物料组成单位：质量百分比wt%

表2

注：表中试验测试数据为平均值。

通过表1和表2，可以知道，本发明实施例提供的PPTC过流保护器的维持电流在100至250毫安之间，且室温下电阻值均低于1.0欧姆。而比较例3为采用高密度聚乙烯做PPTC材料的基材，因熔点较高，导致PPTC动作所需要累积的焦耳热相比本发明PPTC动作所需要焦耳热高出许多，因而动作较慢，在与本发明相近阻值的情况下，维持电流远大于本实施例的PPTC过流保护器，换句话说，如果要达到本发明的维持电流，比较例3的PPTC电阻值要远高于1欧姆。实施例8和实施例9所使用的聚乙烯基体为超低密度聚乙烯，其熔点低于实施例1～5所用的低密度聚乙烯及实施例6～7所用线型低密度聚乙烯的熔点，因此与实施例1～7相比，电阻值相近的情况下，实施例8和实施例9所制作的PPTC过流保护器动作相对较快，维持电流较低。

从比较例1～2与实施例4的配方及电性能测试数据看，比较例1配方去掉了马来酸酐接枝聚乙烯，比较例2配方去掉了耐压增强剂氢氧化镁和氧化锌，导致在PPTC阻值相近的条件下，比较例1和2的耐压阻值变化率、耐电流阻值变化率均明显高于实施例4。由此可说明，马来酸酐接枝聚乙烯及耐压增强剂具有增强PPTC器件5的电学性能、降低耐压与耐流电阻变化率的作用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种低维持电流PPTC过流保护器，包括两个金属箔片及一叠设于所述两个金属箔片中间的PPTC导电材料层，其特征在于：所述两个金属箔片表面各焊接有一个引出金属电极，所述PPTC材料层外露部分、金属箔外表面及金属电极上焊接部分表面都包覆有绝缘层；所述PPTC导电材料层按重量计，包括40～50%的结晶性聚合物，0.5～10%的界面相容剂，40～55%的导电炭黑和1～10%的耐电压增强剂，所述PPTC导电材料层中各材料的组分之和为100%；所述PPTC导电材料层的体积电阻率小于2.0Ω.cm；PPTC过流保护器的电阻值小于1.0Ω。

2.根据权利要求1所述的低维持电流PPTC过流保护器，其特征在于：所述结晶性聚合物为结晶性烯烃聚合物，熔点低于115℃。

3.根据权利要求1所述的低维持电流PPTC过流保护器，其特征在于：所述界面相容剂为极性基团接枝烯烃聚合物，熔点低于115℃。

4.根据权利要求1所述的低维持电流PPTC过流保护器，其特征在于：所述导电炭黑，平均粒径介于20~120nm之间，吸油值介于40cm³/100g ~ 150cm³/100g之间。

5.根据权利要求1所述的低维持电流PTC过流保护器，其特征在于：所述耐电压增强剂，为金属氧化物或金属氢氧化物，选自氧化锌、氧化镁、氧化铝、氢氧化镁、氢氧化铝的一种或几种。

6.根据权利要求2所述的低维持电流PPTC过流保护器，其特征在于：所述的结晶性烯烃聚合物选自低密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、极低密度聚乙烯、超低密度聚乙烯及乙烯- α烯烃共聚物中的一种或几种。

7.根据权利要求3所述的低维持电流PPTC过流保护器，其特征在于：所述极性基团接枝烯烃聚合物，为马来酸酐接枝烯烃聚合物，选自马来酸酐接枝低密度聚乙烯、马来酸酐接枝线型低密度聚乙烯、马来酸酐接枝乙烯- α烯烃共聚物中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的低维持电流PPTC过流保护器，其特征在于：两个金属箔片及叠设于所述两个金属箔片中间的PPTC导电材料层共同构成PPTC芯片，其PPTC芯片的面积小于20mm²。

9.一种根据权利要求1所述的低维持电流PPTC过流保护器的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.将所述结晶性聚合物、所述界面相容剂、所述导电炭黑和所述耐电压增强剂按照40～50%：0.5～10%：40～55%：1~10%的重量比加入到密炼机中，在所述结晶性聚合物的熔点以上10~60℃下密炼10~20min，得到PPTC导电材料，再经开炼机拉片，热压机模压，得到厚度为0.15~0.20mm的PPTC导电材料层；

c.将所述PPTC材料与金属箔片复合体冲切成PPTC芯片，然后对PPTC芯片退火热处理，条件是在所述结晶性聚合物的熔点以上10～50℃放置60分钟，然后缓慢冷却到室温；

10.根据权利要求9所述的低维持电流PPTC过流保护器的制造方法，其特征在于：在回流焊或焊锡炉设备中将辐照好的PPTC芯片上下表面焊接两个金属电极，经超声波清洗，然后在PPTC芯片上下表面和侧面露出PPTC材料的部分、以及金属电极的焊接部分表面包覆绝缘层，制成PPTC过流保护器。