CN106448970A - 一种可提高维持电流的高稳定性ptc热敏组件 - Google Patents

一种可提高维持电流的高稳定性ptc热敏组件 Download PDF

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Abstract

本发明专利涉及一种可提高维持电流的高稳定性PTC热敏元件，其正温度效应的组件结构是由多层含上电极箔、下电极箔及一叠夹在上下电极箔间的具有电阻正温度系数效应的材料层所形成的PTC芯材堆叠并联而成的内置芯材、包覆内置芯材的绝缘材料框、覆在绝缘材料框和PTC电极箔两表面的绝缘半固化树脂材料，以及覆盖在半固化树脂材料最外表面端电极箔，并且最外表面端电极箔通过盲孔与内置芯材表面的端电极箔连接；导电金属引脚连接在最外表面端的电极箔。本发明通过堆叠并联PTC芯材降低PTC热敏元件的电阻来提高可维持电流，利用绝缘材料框隔绝空气和湿气，限制PTC芯材膨胀从而提高其稳定性。

Description

一种可提高维持电流的高稳定性PTC热敏组件
技术领域
本发明涉及一种可提高维持电流的高稳定性PTC热敏元件，其通过堆叠并联增加正温度系数效应芯材的有效面积，从而降低PTC组件的电阻提高维持电流；同时绝缘材料包覆正温度系数效应芯材，一方面利用绝缘材料隔绝空气和湿气，另一方面限制正温度系数效应的材料层膨胀从而提高其稳定性。因而可以满足各种极端环境的应用后维持低电阻，增长了PTC的使用寿命。
背景技术
具有电阻正温度系数的导电复合材料在正常温度下可维持极低的电阻值，且具有对温度变化反应敏锐的特性，即当电路中发生过电流或过高温现象时，其电阻会瞬间增加到一高阻值，使电路处于断路状态，以达到保护电路元件的目的。因此可把具有电阻正温度系数的导电复合材料连接到电路中，作为电流传感元件的材料。此类材料已被广泛应用于电子线路保护元器件上。
图1所示的现有电阻正温度效应的芯材常用结构，由具有正温度系数效应的芯片11的上、下表面的电极箔12上而组成。图2显示的是现有的过流保护的PTC热敏组件，其是将两金属引脚13一端分别焊接在具有正温度系数效应的芯片11的上、下表面的电极箔12上而组成。金属引脚用来连接需保护的电气产品。图2所示的结构PTC热敏组件具有导热快，保护反应迅速及时的特点。
随着智能手机的普及，手机电芯容量也越来越大，手机APP软件应用对放电电流多样性，快充的流行都对过流保护PTC热敏元件要求也越来越高，期望其降低初始电阻，提高可维持电流，同时能够适应各种脉冲电流，即在脉冲电流下PTC仍具有较高的稳定性，不发生误动作。同时，随着手机内置处理的高端化，内置硬件发热也远高于功能手机，因而PTC在手机端经历复杂的温度冲击下发生升阻而产生误动作保护。故智能手机电池应用急需高稳定性的PTC热敏组件，提高客户的体验感。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高稳定性PTC的热敏组件，其具有有效增大PTC芯材的面积，降低初始电阻低的特性，提高PTC的可维持电流，同时在多次温度冲击或电流冲击下，仍能够保持低电阻特性，满足电池的正常充放电需要。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是高稳定性PTC热敏组件，其特征在于：包含：
（1）具有电阻正温度效应的芯材，芯材由上电极箔、下电极箔及紧密夹固在上下电极箔间的具有电阻正温度效应的材料层；其中：电阻正温度效应复合材料层包含至少一种结晶性高分子材料和至少一种分散于该结晶性高分子材料的导电填料，导电填料的体积电阻率低于200μΩ.cm，热导率大于10W/(m.K)，粒径大小介于0.1μm至30μm，且D50不大于20μm；电极箔基材为金属或金属合金，其体积电阻率低于10μΩ.cm，热导率不低于100W/(m.K)；
（2）将两张具有电阻正温度效应的芯材通过图形转移蚀刻技术使第一个复合片芯材的第二导电电极和第二个复合片芯材的第一导电电极蚀刻出绝缘槽，然后将绝缘层叠放于完成蚀刻的两复合片材之间，并与两片材的蚀刻面贴合，进行高温压合。压合后的基板经过后续的钻孔、沉铜、镀铜,并对压合后的最外层导电电极做外层蚀刻，蚀刻出绝缘槽，即为堆叠的并联结构的内置芯材；
（3）绝缘材料框：其框内尺寸与厚度同PTC芯材尺寸相近，在框厚、框内长、宽均较PTC芯材对应尺寸均不大于2mm；
（4）绝缘半固化树脂材料：具有固化粘结性能，固化后能与绝缘树脂框和电极箔粘结；
（5）电极箔：基材为金属或金属合金，其体积电阻率低于10μΩ.cm，热导率不低于100W/(m.K)；
（6）盲孔：孔内采用导电金属填满，连接最外表面端电极箔通过盲孔与PTC芯材表面的电极箔，导电金属体积电阻率低于10μΩ.cm，热导率不低于100W/(m.K)；
在上述方案的基础上的PTC热敏组件，其特征在于：所述的PTC热敏组件总厚度介于0.2~5.0mm 之间。
在上述方案的基础上的PTC热敏组件，其特征在于：所述的具有电阻正温度效应的芯片的面积介于2~500mm2之间。
在上述方案的基础上的PTC热敏组件，其特征在于：所述的绝缘树脂框的厚度介于0.15~4.8mm，绝缘树脂框外圈面积介于2.1~600 mm2之间，绝缘树脂框内圈面积介于2~500mm2之间。
在上述方案的基础上的PTC热敏组件，其特征在于：所述的半固化绝缘材料的厚度介于10~1000um，面积至少可以全覆盖绝缘树脂框内圈面积。
在上述方案的基础上的PTC热敏组件，其特征在于：所述的电极箔的基材为金、银、铜、锌、镍及其合金，且可在金属电极箔表面镀有其他金属层，其金属层可以为镍、锡、锌、钨、银、金、铂及它们的合金，镀层的厚度在1.0um~100um;，较优选择1.0~50.0um；最优选择1.0~25.0um；
在上述方案的基础上的PTC热敏组件，其特征在于：所述的盲孔导电孔的数量至少为1个，盲孔的总面积≥0.002mm2；
本发明的高稳定性的PTC热敏元件中PTC芯材面积具有较低的初始电阻，且在具有较大维持电流的同时具有高稳定特性。在恶劣环境老化测试中仍具有较低的电阻，可满足智能手机终端的复杂应用条件而不会发生误保护现象。此外，本发明的高稳定PTC热敏元件不仅可以通过点焊加工，还可以通过回流焊加工，加工方式更多元化。
附图说明
图1为现有的常规的PTC热敏组件的结构示意图。
图2为现有的常规的PTC热敏元件的结构示意图。
图3为高稳定性PTC热敏组件结构示意图。
图4为高稳定性PTC热敏组件内部结构示意图。
图5为高稳定性可点焊加工的PTC热敏元件的结构示意图。
图6为本发明的堆叠的并联结构的内置芯材
图7 为本发明的可提高维持电流的高稳定性PTC热敏组件的结构示意图
1－具有电阻正温度效应的材料层
2－电极箔
3－金属引脚
4—绝缘框
5—绝缘树脂层
6—盲孔
7—电极蚀刻区
8—导电端
9—堆叠的并联结构内置芯材绝缘层。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下通过具体的实施例对本发明作进一步的详细说明。
对比例
制备PTC热敏元件的导电复合材料PTC的组成为：
（a）聚合物体积分数为42%，熔融温度为135℃和密度为0.952g/cm3的高密度聚乙烯；
（b）导电填料为导电炭黑，体积分数为58%，其粒径小于44μm，热导率为129W/(m.K)，体积电阻率800~1300μΩ.cm；
（c）电极箔基材为纯镍，热导率为88W/(m.K)，电阻率为6.84μΩ·cm；
（d）引脚为纯镍导电金属引脚，镍的热导率为88W/(m.K)，电阻率为6.84μΩ·cm；
将转矩流变仪温度设定在180℃，转速为30转/分钟，先加入聚合物和氧化镁密炼1分钟后，加入导电填料，然后继续密炼20分钟，得到导电复合材料，将熔融混合好的导电复合材料通过开炼机薄通拉片，得到厚度为0.20～0.25mm的导电复合材料1。
PTC热敏元件的制备过程如下：
请参阅图1（本发明的具有电阻正温度效应复合材料芯片的示意图），将导电复合材料11置于上下对称的两纯镍金属箔片21，22之间，纯镍金属箔片21，22具有至少一粗糙表面，且所述粗糙表面与导电复合材料1直接接触。再通过热压合的方法将导电复合材料1和金属箔片21，22紧密结合在一起，热压合的温度为180℃，先预热5分钟，然后以5MPa的压力微压3分钟，再以12MPa的压力热压10分钟，然后在冷压机上冷压8分钟，以模具将其冲切成3.0×4.0mm的单个元片，为所述的具有电阻正温度效应复合材料芯片，即PTC芯片0。最后通过回流焊的方法将两个纯镍金属引脚31，32连接在两个纯镍金属箔片21，22表面，形成PTC热敏元件。
实施例一
制备导电复合材料及PTC热敏元件的步骤与对比例相同，但导电填料由石墨替换为碳化钛固熔体，其粒径小于10μm，体积电阻率42μΩ.cm，热导率为18W/(m.K)。
实施例二
制备导电复合材料及PTC热敏元件的步骤与实施例2相同，但在实施例一的基础上将纯镍电极箔更换为纯铜电极箔、电阻率1.7μΩ.cm，热导率为380 W/(m.K)；
实施例三
制备导电复合材料及PTC热敏元件的步骤与实施例3相同，但在实施例二的基础上将正温度系数芯片尺寸冲切成2.4*3.6mm单个元片；
实施例四
制备导电复合材料及PTC热敏元件的步骤与实施例3相同，但在实施例三的基础上将冲切成2.4*3.6mm单个元片植入FR-4框内，通过半固化绝缘树脂材料将铜箔复合在FR-4框的两面，通过PCB加工加工盲孔沉铜，连接最外表面端电极箔通过盲孔与PTC芯材表面的电极箔，实现通路结构，以此作为PTC组件，两面焊接纯镍金属引脚131，132连接在两个纯镍金属箔片121，122表面，形成PTC热敏元件。
实施例五
制备导电复合材料及PTC热敏元件的步骤与对比例相同，但将导电复合材料芯片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，叠层工艺采用本发明特殊设计，将过电流保护元件最外层的其中一个导电电极蚀刻，剩余电极留作连接盲孔，此时即为堆叠的并联结构内置芯材。将并联结构内置芯材植入FR-4框内，通过半固化绝缘树脂材料将铜箔复合在FR-4框的两面，通过PCB加工加工盲孔沉铜，连接最外表面端电极箔通过盲孔与PTC芯材表面的电极箔，实现通路结构，以此作为PTC组件，两面焊接纯镍金属引脚131，132连接在两个纯镍金属箔片121，122表面，形成PTC热敏元件。即为所述的可提高维持电流的高稳定性PTC组件。
表1为由本发明的导电复合材料制备的PTC元件在85℃/85% RH的条件下放置500hr和85℃/-40℃，1hr循环冲击100cycle后在25℃的温度环境里放置1小时后的电阻测试数据，以及环境放置后再Trip 1次后在25℃的温度环境里放置1小时后的电阻测试数据。
表1中的R表示通过回流焊在PTC元件的两个金属箔片12，12’表面上焊上两个金属引脚13，13’之前PTC元件的电阻；
R0表示所述PTC热敏元件的成品电阻；
Ihold表示所述的PTC热敏组件可维持的最大电流；
Trip表示所述的PTC热敏组件发生Trip的最小电流；
R(85℃/85%RH)表示所述PTC元件在85℃/85% RH条件下放置500小时后，然后在25℃的温度环境里放置1小时后所测得的电阻值；
R(85℃/85%RH)+Trip表示所述PTC元件在85℃/85% RH条件下放置500小时后在6V/50A条件下Trip一次，然后在25℃的温度环境里放置1小时后所测得的电阻值；
R(85℃/-40℃，1hr)表示所述PTC元件在85℃，1hr/-40℃，1hr循环100次，然后在25℃的温度环境里放置1小时后所测得的电阻值；
R(85℃/-40℃，1hr)+ Trip表示所述PTC元件在85℃，1hr/-40℃，1hr循环100次后在6V/50A条件下Trip一次，然后在25℃的温度环境里放置1小时后所测得的电阻值。
本发明的内容和特点已揭示如上，然而前面叙述的本发明仅仅简要地或只涉及本发明的特定部分，本发明的特征可能比在此公开的内容涉及的更多。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应该包括在不同部分中所体现的所有内容的组合，以及各种不背离本发明的替换和修饰，并为本发明的权利要求书所涵盖。

Claims (15)

1.一种可提高维持电流的高稳定性PTC热敏组件，其特征在于：包含：
1）电阻正温度系数效应芯材堆叠并联而成的内置片材：
(a) 电阻正温度系数效应芯材：由上电极箔、下电极箔及紧密夹固在上下电极箔间的具有电阻正温度效应的材料层；其中：电阻正温度效应复合材料层包含至少一种结晶性高分子材料和至少一种分散于该结晶性高分子材料的导电填料；
(b) 堆叠的并联结构的内置芯材：第一导电端，与每个电阻正温度系数效应芯材中的其中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；第二导电端，与电阻正温度系数效应芯材中的已经与第一导电端电气连接的导电电极不电气连接，与电阻正温度系数效应芯材中不与第一导电端电气连接的导电电极电气连接；另有绝缘层，贴覆于上所述不同电阻正温度系数效应芯材上的第一导电电极和第二导电电极，并用于电气隔离；
2）绝缘材料框：其框内尺寸与厚度同内置芯材尺寸相近，在框厚、框内长、宽均较PTC芯材对应尺寸均不大于2mm；
3）绝缘半固化树脂材料：具有固化粘结性能，固化后能与绝缘树脂框和电极箔粘结；
4）电极箔：基材为金属或金属合金；
5）盲孔：孔内采用导电金属填满，连接最外表面端电极箔通过盲孔与PTC芯材表面的电极箔。
2.根据权利要求1所述的正温度效应复合材料层，其特征在于：所述的结晶高分子材料为聚乙烯、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。
3.根据权利要求1所述的正温度效应复合材料层，其特征在于：所述导电填料选碳纳米管、金属粉末、导电陶瓷粉末中的一种及其混合物。
4.根据权利要求1所述的堆叠的并联结构的内置芯材，其特征在于，所述的导电端是通过钻孔，并在孔的表面附着导电金属层构成，所述导电端的形状可以是任意规则的或不规则的形状。
5.根据权利要求1所述的绝缘材料框，其特征在于：所述绝缘材料选自环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺板、玻璃纤维或无机填料改性环氧树脂、玻璃纤维或无机填料改性酚醛树脂、玻璃纤维或无机填料改性聚酰亚胺板。
6.根据权利要求1所述的半固化绝缘材料，其特征在于：所述半固化绝缘材料选自环氧树脂、酚醛树脂、玻璃纤维或无机填料改性环氧树脂、玻璃纤维或无机填料改性酚醛树脂。
7.根据权利要求1所述的正温度效应复合材料层和电极箔，其特征在于：所述的电极箔的基材为金、银、铜、锌、铝及其合金。
8.根据权利要求1所述的盲孔，其特征在于：所述的盲孔面积不小于0.002mm2。
9.根据权利要求1所述的盲孔，其特征在于：所述的盲孔数量不少于1个。
10.根据权利要求3所述的导电填料，其特征在于：所述金属粉末选自铜、镍、铁、钨、锡、银、金、铂或其合金中的一种及其混合物。
11.根据权利要求3所述的导电填料，其特征在于：所述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。
12.根据权利要求5所述的绝缘材料框，其特征在于：所述的绝缘材料框的厚度在0.1~5.0mm。
13.根据权利要求6所述的半固化绝缘材料，其特征在于：所述的半固化绝缘材料的厚度在1.0~200um。
14.根据权利要求7所述的正温度效应复合材料层和电极箔，其特征在于：所述的电极箔的基材表面可以复合有其他金属镀层。
15.根据权利要求7所述的正温度效应复合材料层和电极箔，其特征在于：所述的电极箔的厚度在1.0um~100um。
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