CN105427974A

CN105427974A - 高分子ptc过电流保护元件

Info

Publication number: CN105427974A
Application number: CN201510987901.9A
Authority: CN
Inventors: 刘玉堂; 李丹; 杨铨铨; 吴国臣
Original assignee: Shanghai Changyuan Wayon Circuit Protection Co Ltd
Current assignee: Shanghai Changyuan Wayon Circuit Protection Co Ltd
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2016-03-23

Abstract

本发明涉及一种高分子PTC过电流保护元件，为表面贴装型结构，至少具有一个电阻正温度系数效应的复合材料片材，该复合材料片材具有第一、第二导电电极；第一、第二导电孔；第一、第二端电极；且位于元件侧面有包封层，使导电孔位于元件内部，并使导电复合材料基层与外界环境隔离。本发明具有以下特点：1.元件侧面包裹有包封层,使元件高分子材料基层与环境隔离，从而提高了产品的环境可靠性；2.起电气连接作用的导电孔位于元件内部，既保证了元件具有良好的焊接性能，又使元件不受侧面包封工艺的影响。3.具有单焊接面和双焊接面两种类型。

Description

高分子PTC过电流保护元件

技术领域

本发明涉及一种高分子PTC过电流保护元件，是一种以导电高分子聚合物复合材料为主要材料且侧面包封的具有优异环境稳定性的表面贴装型电子元器件。

背景技术

聚合物和分散在聚合物中的导电填料组成的导电聚合物以及由此导电性聚合物制备出的具有正温度系数(PTC)特征的过电流保护元件可用于电路过电流保护。通常，高分子PTC过电流保护元件在室温时具有低电阻值，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，已达到保护电路的目的。当温度下降至室温或电路上不再有过电流的状况时，高分子PTC过电流保护元件可回复至低阻状态，从而电路重新正常运作。此种可重复使用的优点，使高分子PTC过电流保护元件广泛应用在电子电路中。

在现有公开的技术中，表面贴装型元件的材料侧面裸露在空气中，导致元件在空气中放置或使用一段时间后，就会出现阻值上升，严重影响其使用性能。

在现有技术中因保护元件细小，对保护元件侧面不需要包封，如果侧面包封，元件受侧面包封工艺的影响，焊接性能降低，增加了生产难度，降低了成品率。

发明内容

本发明目的在于：提供一种高分子PTC过电流保护元件，可有效解决上述PTC过电流保护元件在空气中使用或放置一段时间后，阻值大幅上升影响其使用性能的缺点。

本发明目的通过下述方案实现：一种高分子PTC过电流保护元件，为表面贴装型结构，包含:

1）至少具有一个电阻正温度系数效应的复合材料片材，包括：

(a)具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层，由至少一种聚合物和至少一种分散于所述聚合物中的体积电阻率小于1μΩ.m,粒径为0.1μm～50μm的导电填料组成，且具有相对的第一，第二表面；

(b)第一导电电极，位于导电复合材料基层的第一表面；

(c)第二导电电极，位于导电复合材料基层的第二表面；

2）第一导电孔，与每个复合材料片材中任意一个导电电极电气连接，与对应的另一个导电电极不电气连接；

第二导电孔，与每个复合材料片材中的已经与第一导电孔电气连接的导电电极不电气连接，与每个复合材料片材中与第一导电孔不电气连接的导电电极电气连接；

3）第一端电极，位于整个元件的最外层的一面或两面上，连接第一导电孔，作为焊接面使用，焊接至电路中后使元件与外电路的一极电气相连；

第二端电极，与第一端电极同样位于整个元件的最外层的同一面或两面上，并与第一端电极电气隔断，并连接第二导电孔，作为焊接面使用，焊接至电路中后使元件与外电路另一极电气相连；

4）绝缘层，贴覆于上述非同一复合材料片材上的第一导电电极和第二导电电极之间，以及元件最外层的导电电极和端电极之间，并用于电气隔离；

5）包封层，位于元件侧面，使导电孔位于元件内部，且导电复合材料基层与外界环境隔离。

本发明高分子PTC过电流保护元件为表面贴装型结构，在过电流保护元件侧面增加了包封层，不但提高过电流保护元件的环境可靠性，而且增加了本发明元件的强度，避免其在空气中使用或放置一段时间后，阻值大幅上升影响其使用性能的缺点；另外，起电气连接作用的导电孔位于元件内部，既保证了元件具有良好的焊接性能，又使元件不受侧面包封工艺的影响。

本发明元件包含单焊接面或双焊接面两种类型，其中单焊接面元件的特点有：元件非焊接面最外层金属箔无蚀刻槽，可增加元件的整体的力学强度；双焊接面元件的特点为：因在加工、使用过程中可不区别正反面，具有加工、检测及安装方便的优点，可节约生产及安装成本。

在上述方案基础上，所述的导电复合材料基层,其体积电阻率小于0.001Ω.m。

在上述方案基础上，所述的聚合物占所述导电复合材料基层的体积分数介于20%～75%之间，选自聚乙烯、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、聚氯乙烯、丁二烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、酚醛树脂、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚氟乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种及其混合物。

在上述方案基础上，所述的导电填料选自金属粉末、导电陶瓷粉末中的一种及其混合物。

在上述方案基础上，所述的金属粉末选自：铜、镍、钨、锡、银、金或其合金中的一种及其混合物。

在上述方案基础上，所述的导电陶瓷粉末选自：金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物之中的一种或几种的混合物。

在上述方案基础上，所述的导电孔可以是盲孔或通孔，由通过钻孔成型后在孔表面附着导电金属层，所述导电孔的形状可以是任意规则的或不规则的形状。

在上述方案基础上，所述的导电金属层，是由锌、铜、镍、钴、铁、钨、锡、铅、银、金、铂或其合金中的一种及其混合物组成，通过化学沉积、喷涂、溅射、电镀或是这几种工艺复合使用形成的。

在上述方案基础上，所述的包封层，为环氧树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、硅橡胶、聚氨酯或无机胶中的一种或它们的复合物。

本发明的制备方法为：

由具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层和紧密贴覆于所述具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层两面的第一导电电极和第二导电电极形成一个具有电阻正温度系数效应的复合材料片材；对具有一个电阻正温度系数效应的复合材料片材通过内层图形转移蚀刻技术使复合片材的导电电极蚀刻出绝缘槽，然后将两绝缘层叠放于完成蚀刻的复合片材两表面，并分别覆盖金属箔，进行高温压合，之后将压合后的基板经过后续的外层金属箔镀锡、蚀刻外层图形、印刷阻焊油墨、固化阻焊油墨、钻孔、沉铜、镀铜工艺等步骤及包封工艺，得到具有优异环境稳定性的高分子PTC过流保护元件。

具体的制备方法可以描述如下：

1）具有电阻正温度系数效应的复合材料片材制备：将导电高分子复合材料基层组分高分子聚合物、导电填料在高速混合机内混合，然后将混合物在100～200℃温度下混炼，然后用模压或挤出的方法制成面积为100～5000cm²，厚0.1～3.0mm的复合材料基层；再用热压的方法在热压机上把金属箔片复合于上述材料基层的第一第二两个表面，制成复合片材，然后再将此复合片材用γ射线（Co⁶⁰）或电子束辐照交联，剂量为5～100Mrad。

2）采用印制线路板工艺制成表面贴装型高分子PTC过电流保护元件。在线路板工艺制造过程中，采用包封工艺在过电流保护元件叠层侧面增加包封层，使元件高分子材料基层与空气环境隔离，从而提高了产品的环境可靠性能。

本发明优越性在于：在过电流保护元件侧面增加了包封层，不但提高过电流保护元件的环境可靠性，而且增加了元件的强度；起电气连接作用的导电孔位于元件内部，既保证了元件具有良好的焊接性能，又使元件不受侧面包封工艺的影响。

附图说明

图示说明：

图1：本发明整体立体视图；

图2：实施例1单层片材、双焊接面的剖面示意图；

图3：实施例2单层片材、单焊接面的剖面示意图；

图4：实施例3双层片材、双焊接面的剖面示意图；

图5：实施例4双层片材、单焊接面的剖面示意图；

图6：实施例1的分解结构示意图；

图7：本发明实施例1与比较例高温高湿环境中，电阻随放置时间变化的关系图；

附图中标号说明

1、1a、1a’——第一端电极；

2、2a——第二端电极；

3、3’——第一绝缘层；3a、3a’——第二绝缘层；3b、3b’——第三绝缘层；

4、4’、4a、4a’——第一导电电极；

5、5’——第一导电复合材料基层；5a、5a’——第二导电复合材料基层；

6、6’、6a、6a’——第二导电电极；

7——第一导电孔；

8、8’、8”——第二导电孔；

9——元件外侧包封层；

10、10a、10b、10c——元件内部的用于电气隔离第一导电孔和第二导电孔的绝缘槽；

11、11a——元件外部用于电气隔离第一端电极和第二端电极的绝缘槽；

12——非焊接面金属箔。

具体实施方式

实施例1

如图1本实施例整体立体视图、图2本发明单层片材剖面视图和图6本实施例的分解结构示意图所示，一种高分子PTC过电流保护元件，为表面贴装型结构，包含:

1）一个电阻正温度系数效应的复合材料片材，包括：

(a)具有电阻正温度系数效应的第一导电复合材料基层5，由至少一种聚合物和至少一种分散于所述聚合物中的体积电阻率小于1μΩ.m,粒径为0.1μm～50μm的导电填料组成，所述的导电复合材料基层,其体积电阻率小于0.001Ω.m，且具有相对的第一，第二表面；

(b)第一导电电极4，位于第一导电复合材料基层5的第一表面；

(c)第二导电电极6，位于第一导电复合材料基层5的第二表面；

2）第一导电孔7，与第一导电电极4电气连接，与第二导电电极不电气连接；

第二导电孔8，与第一导电孔7电气连接的第一导电电极4不电气连接，与第一导电孔7不电气连接的第二导电电极6电气连接；

3）第一端电极1，位于整个元件的最外层的一面或两面上，连接第一导电孔7，作为焊接面使用，焊接至电路中后使元件与外电路的一极电气相连；

第二端电极2，与第一端电极1同样位于整个元件的最外层的同一面或两面上，并与第一端电极1电气隔断，并连接第二导电孔8，作为焊接面使用，焊接至电路中后使元件与外电路另一极电气相连；

4）第一、第二绝缘层3、3a，贴覆于上述非同一复合材料片材上的第一导电电极和第二导电电极之间，因本实施例为单层，故位于最外层的导电电极和端电极之间，并用于电气隔离；

5）包封层9，位于元件侧面，使第一、第二导电孔7、8位于元件内部，且导电复合材料基层5与外界环境隔离。

其中，所述的聚合物占所述导电复合材料基层的体积分数介于20%～75%之间，可选自聚乙烯、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、聚氯乙烯、丁二烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、酚醛树脂、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚氟乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种及其混合物。

所述的导电填料选自金属粉末、导电陶瓷粉末中的一种及其混合物。

其中，金属粉末选自：铜、镍、钨、锡、银、金或其合金中的一种及其混合物。

所述的导电陶瓷粉末选自：金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物之中的一种或几种的混合物。

所述的导电孔可以为盲孔或通孔，通过钻孔成型后在孔表面附着导电金属层，本实施例为通孔。

所述的导电金属层是由锌、铜、镍、钴、铁、钨、锡、铅、银、金、铂或其合金中的一种及其混合物组成，通过化学沉积、喷涂、溅射、电镀或是这几种工艺复合使用形成的。

所述的包封层，为环氧树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、硅橡胶、聚氨酯或无机胶中的一种或它们的复合物。

本实施例的制备方法按照下述顺序：

1）高分子PTC复合片材的制备：将高密度聚乙烯、金属硼化物按一定比例在高速混合器中混合10min。然后将混合物组分在180℃温度下于密炼机中混炼均匀，经冷却，粉碎后将其放在压模中，压力5Mpa，温度180℃条件下压制成面积200cm²，厚0.2mm高分子复合材料基层5。将表面粗化后的铜箔经平整后，在压力5Mpa，温度160℃条件下热压到高分子复合材料基层5的上下二面，即得到由第一导电电极4和高分子导电复合材料基层5以及第二导电电极6组成的高分子PTC复合片材。在真空烘箱中80℃热处理48小时后，用γ射线（Co⁶⁰）辐照，剂量为15Mrad。得到导电复合材料基层5的体积电阻率小于0.001Ω.m。

2）元件刻蚀：将上述复合片材通过图形转移蚀刻技术使第一导电电极4蚀刻出第一绝缘槽10和第二导电电极6分别蚀刻出第二绝缘槽10a，然后将第一绝缘层3叠加于第一导电电极4和一金属箔之间，同时将第二绝缘层3a叠加于第二导电电极6和另一金属箔之间，进行高温压合，压合后的基板通过端电极镀锡、外层图形蚀刻，印刷阻焊油墨等步骤，形成第一端电极1、1a和第二端电极2、2a。然后经过后续的钻通孔、沉铜、镀铜，形成第一导电孔7和第二导电孔8。

3）包封：为环氧树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、硅橡胶、聚氨酯或无机胶中的一种或它们的复合物，采用包封工艺，使元件两侧面由如：环氧树脂材料进行包封，从而制备出具有两个焊接面、环境可靠性高的高分子PTC过电流保护元件。

实施例2

如图3本发明单层片材、单焊接面的剖面示意图所示，其他结构与实施例1相同表面贴装型结构高分子PTC过电流保护元件，只是第二导电孔8’为盲孔，与第二导电电极6电气连接。

1）一个电阻正温度系数效应的复合材料片材，包括：

(a)具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层5，由至少一种聚合物和至少一种分散于所述聚合物中的体积电阻率小于1μΩ.m,粒径为0.1μm～50μm的导电填料组成，且具有相对的第一，第二表面；

(b)第一导电电极4’，位于第一导电复合材料基层5’的第一表面；

(c)第二导电电极6’，位于第一导电复合材料基层5’的第二表面；

2）第一导电孔7为通孔，与第一导电电极4’电气连接，与对应的第二导电电极6’不电气连接；

第二导电孔8’为盲孔，与第一导电孔7不电气连接，而与第二导电电极6’电气连接；

3）第一端电极1a’，位于整个元件的最外层的一面，连接第一导电孔7，作为焊接面使用，焊接至电路中后使元件与外电路的一极电气相连；

第二端电极2a’，与第一端电极1a’同样位于整个元件的最外层的同一面上，并与第一端电极1a’电气隔断，并与第二导电孔8’电气连接，作为焊接面使用，焊接至电路中后使元件与外电路另一极电气相连；

4）第一、第二绝缘层3’、3a’，贴覆于元件最外层的导电电极和端电极之间，并用于电气隔离；

5）包封层9，位于元件侧面，使第一、第二导电孔7、8’位于元件内部，且导电复合材料基层5’与外界环境隔离。

本实施例的焊接面为单焊接面，非焊接面最外层金属箔12无蚀刻槽。

高分子PTC复合片材合的制备过程与实施例1一样，之后本发明也可由两层或多层复合片材并联，采用同样的导通方式实现，以达到降低产品内阻的目的。除非焊接面的导电电极无需蚀刻绝缘槽外，其余各层均需蚀刻绝缘槽。

实施例3

如图4本发明双层片材、双焊接面的剖面示意图，一种高分子PTC过电流保护元件，为表面贴装型结构，由两片高分子复合片材并联构成的高分子PTC过电流保护元件，采用同样的导通方式实现，以达到降低产品内阻的目的。侧面同样包裹环氧树脂包封层，从而制备出具有两个焊接面、环境可靠性高的高分子PTC过电流保护元件，包含：

1）具有二个电阻正温度系数效应的复合材料片材，包括：

(a)具有电阻正温度系数效应的第一、第二导电复合材料基层5、5a，每个导电复合材料基层由至少一种聚合物和至少一种分散于所述聚合物中的体积电阻率小于1μΩ.m,粒径为0.1μm～50μm的导电填料组成，且具有相对的第一，第二表面；

(b)第一导电电极4、4a，位于第一、第二导电复合材料基层5、5a的第一表面；

(c)第二导电电极6、6a，位于第一、第二导电复合材料基层5、5a的第二表面；

2）第一导电孔7，与每个复合材料片材中第一导电电极4、4a电气连接，与对应的第二导电电极6、6a不电气连接；

第二导电孔8，与每个复合材料片材中的已经与第一导电孔7电气连接的导电电极不电气连接，与每个复合材料片材中与第一导电孔7不电气连接的第二导电电极6、6a电气连接；

3）第一端电极1、1a，位于整个元件的最外层的两面上，连接第一导电孔7，作为焊接面使用，焊接至电路中后使元件与外电路的一极电气相连；

第二端电极2、2a，与第一端电极同样位于整个元件的最外层的两面上，并与第一端电极1、1a电气隔断，并连接第二导电孔8，作为焊接面使用，焊接至电路中后使元件与外电路另一极电气相连；

4）第一、第二、第三绝缘层3、3a、3b，贴覆于上述非同一复合材料片材上的第一导电电极和第二导电电极之间，以及元件最外层的导电电极和端电极之间，并用于电气隔离；

5）包封层9，位于元件侧面，使第一、第二导电孔7、8位于元件内部，且第一、第二导电复合材料基层5、5a与外界环境隔离。

实施例4

如图5本发明双层片材、单焊接面的剖面示意图所示，与实施例3相似，只是第二导电孔8”为盲孔，如图5中元件内部的用于电气隔离第一导电孔7绝缘槽10a、10b和用于电气隔离第二导电孔8”绝缘槽10c所示。侧面同样包裹环氧树脂材料包封层，从而制备出具有单个焊接面、力学性好、环境可靠性好的高分子PTC过电流保护元件，

一种高分子PTC过电流保护元件，为表面贴装型结构，包含:

1）二个电阻正温度系数效应的复合材料片材，包括：

(a)具有电阻正温度系数效应的第一、第二导电复合材料基层5’、5a’，配方同实施例一，且每个导电复合材料基层具有相对的第一，第二表面；

(b)第一导电电极4’、4a’，位于第一、第二导电复合材料基层5’、5a’的第一表面；

(c)第二导电电极6’、6a’，位于第一、第二导电复合材料基层5’、5a’的第二表面；

2）第一导电孔7，与每个复合材料片材中第一导电电极4’、4a’电气连接，与对应的第二导电电极6’、6a’不电气连接；

第二导电孔8”为盲孔，与每个复合材料片材中的已经与第一导电孔7电气连接的第一导电电极4’、4a’不电气连接，与每个复合材料片材中第二导电电极6’、6a’电气连接；

3）第一端电极1a，位于整个元件的最外层的一面上，连接第一导电孔7，作为焊接面使用，焊接至电路中后使元件与外电路的一极电气相连；

第二端电极2a’，与第一端电极同样位于整个元件的最外层的同一面上，并与第一端电极1a电气隔断，并连接第二导电孔8”，作为焊接面使用，焊接至电路中后使元件与外电路另一极电气相连；

4）第一、第二、三绝缘层3’、3a’、3b’，贴覆于上述非同一复合材料片材上的第一导电电极和第二导电电极之间，以及元件最外层的导电电极和端电极之间，并用于电气隔离；

5）包封层9，位于元件侧面，使第一、第二导电孔7、8”位于元件内部，且导电复合材料基层与外界环境隔离。

比较例

结构及制作方法与实施例1相同，只是没有包封层9。如图7电阻随放置时间变化的关系图所示，本发明实施例1与相对于没有侧面包封的比较例比较数据，在85℃、85%湿度的高温高湿环境中，本发明保护元件至1000小时，电阻变化不大，趋于水平直线，而比较例保护元件至100小时，电阻增加了一倍，至500小时电阻增加了三倍，所示，所制备的过电流保护元件在长期环境放置后，的比较，环境稳定性显著提高。

Claims

1.一种高分子PTC过电流保护元件，为表面贴装型结构，包含:

(b)第一导电电极，位于导电复合材料基层的第一表面；

(c)第二导电电极，位于导电复合材料基层的第二表面；

2.根据权利要求1所述的高分子PTC过电流保护元件，其特征在于，所述的导电复合材料基层,其体积电阻率小于0.001Ω.m。

3.根据权利要求1所述的高分子PTC过电流保护元件，其特征在于，所述的聚合物占所述导电复合材料基层的体积分数介于20%～75%之间，选自聚乙烯、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、聚氯乙烯、丁二烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、酚醛树脂、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚氟乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种及其混合物。

4.根据权利要求1所述的高分子PTC过电流保护元件，其特征在于，所述的导电填料选自金属粉末、导电陶瓷粉末中的一种及其混合物。

5.根据权利要求4所述的高分子PTC过电流保护元件，其特征在于所述的金属粉末选自：铜、镍、钨、锡、银、金或其合金中的一种及其混合物。

6.根据权利要求4所述的高分子PTC过电流保护元件，其特征在于，所述的导电陶瓷粉末选自：金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物之中的一种或几种的混合物。

7.根据权利要求1所述的高分子PTC过电流保护元件，其特征在于，所述的导电孔为盲孔或通孔，通过钻孔成型后在孔表面附着导电金属层。

8.根据权利要求7所述的高分子PTC过电流保护元件，其特征在于，所述的导电金属层，是由锌、铜、镍、钴、铁、钨、锡、铅、银、金、铂或其合金中的一种及其混合物组成，通过化学沉积、喷涂、溅射、电镀或是这几种工艺复合使用形成的。

9.根据权利要求1所述的高分子PTC过电流保护元件，其特征在于，所述的包封层，为环氧树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、硅橡胶、聚氨酯或无机胶中的一种或它们的复合物。

10.根据权利要求1或7所述的高分子PTC过电流保护元件，其特征在于，所述的焊接面为单焊接面，非焊接面最外层金属箔无蚀刻槽；或双焊接面，双面最外层金属箔均有蚀刻槽。