CN107275019B - 一种具有局部制冷功能的ptc贴片元件 - Google Patents

一种具有局部制冷功能的ptc贴片元件 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有局部制冷功能的PTC贴片元件，其特征在于包含：具备制冷功能的PTC芯片层、绝缘导热层、侧边外电极和金属箔片引脚，具备制冷功能的PTC芯片层包含聚合物基复合材料芯材和贴覆于芯材两面的内电极片，聚合物基复合材料芯材由聚合物基材和分布于其中的热电半导体填料组成。元件兼具过流保护和热管理的功能，将元件贴装在电子线路中需要散热的部位，小电流正常工作状态下原件内部导通，并通过内部热电半导体的帕尔帖效应对贴装面进行制冷；在故障大电流状态下通过PTC效应断开电路，实现对电子线路的保护。多层芯片并联贴装的设计可以大大提升制冷效率，并可实现元件内部温度场中各芯片层过流协同保护。

Description

一种具有局部制冷功能的PTC贴片元件
技术领域
本发明涉及一种具有局部制冷功能的PTC贴片元件，属于电子材料和电子元件技术领域。
背景技术
随着电子技术的发展，各种高集成度的电路设计以及高功耗的元件的散热问题日益突出，需要对各种电子器件进行有效的热管理。同时，为应对电子线路中的故障大电流，需要进行过流过温保护。聚合物基PTC复合材料通常是以聚合物为基体，向其中掺加导电填料制成。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快速升温时，其电阻会瞬间增加到一高阻值，使电路处于断路状态，用于可恢复保险丝，以达到保护电路元件的目的。
热电材料是一种在固体状态下通过自身的载流子(空穴或电子)的传输实现热能与电能相互转换的材料。利用热电材料的帕尔帖效应制作的半导体致冷设备可以实现电能的直接制冷，不需要压缩机等活动部件，并可实现小范围局部点制冷。目前，将热电半导体粉末引入聚合物基PTC热敏电阻以同时实现局部制冷和可恢复电路保护的敏感材料和集成元件尚未有报道。将热电半导体粉末作为聚合物PTC热敏电阻的导电填料，制成单层或多层贴片式元件，可实现对电子器件热管理和过流保护的集成功能。
发明内容
针对现有技术空白，本发明提供一种具有局部制冷功能的PTC贴片元件，其特征在于包含：具备制冷功能的PTC芯片层、绝缘导热层、侧边外电极和金属箔片引脚，具备制冷功能的PTC芯片层包含聚合物基复合材料芯材和贴覆于芯材两面的内电极片，聚合物基复合材料芯材由聚合物基材和分布于其中的热电半导体填料组成，内电极片的两侧均与芯片的非焊接端面之间留有间距，形成绝缘槽，贴装面和散热面的两外电极间设有绝缘导热层，当元件处于导通状态时，利用帕尔帖效应使得元件一面冷却，另一面散热，冷却的一面为贴装面，散热的一面为非贴装面，金属箔片引脚位于冷却贴装面一侧。
所述贴片元件由内向外依序包括：
制冷功能的高分子PTC热敏电阻芯材层；
第一内电极片，设在芯片的冷却面，其一端延伸至第二侧边外电极的焊接端面，相对的另一端与第一侧边外电极的焊接端面之间留有间距，形成绝缘槽；
第二内电极片，设在芯片的散热面，其一端延伸至第一侧边外电极的焊接端面，相对的另一端与第二侧边外电极焊接端面之间留有间距，形成绝缘槽；
第一绝缘导热层，设在第一内电极片的上，内侧覆盖整个第一内电极片及露出的芯片冷却面；
第二绝缘导热层，设在第二内电极片的上，内侧覆盖整个第二内电极片及露出的芯片散热面；
第一侧边外电极，沿芯片的第一焊接端面设置，第一侧边外电极连接第二内电极片和第一金属箔片引脚；
第二侧边外电极，沿芯片的第二焊接端面设置，第二侧边外电极连接第一内电极片和第二金属箔片引脚；
第一金属箔片引脚，设在第一绝缘导热层上，连接第一侧边外电极；
第二金属箔片引脚，设在第一绝缘导热层上，连接第二侧边外电极，两个金属箔片之间留有空间。
所述聚合物基复合材料芯材由聚合物基材和分布于其中的热电半导体填料共混组成，表观室温电导率＞0.2S/cm，表观功率因子＞10μWm-1K-2。
所述聚合物基体为绝缘高分子材料，包括环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、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或其组合；
所述热电半导体填料为热电半导体微纳米颗粒，包括Bi、Sb、(Bi，Sb)2(Se，Te)3、(Pb，Sn)(Se，Te)、方钴矿化合物、津特尔相金属间化合物及其元素掺杂固溶体颗粒中的一种或其组合，颗粒粒径在0.05微米到50微米之间，粒径长径比小于500。对于N型热电半导体填料制备的PTC芯片，元件工作时保证电流从芯片散热面流向制冷面；对于P型半导体填料制备的PTC芯片，元件工作时保证电流从芯片制冷面流向散热面。
所述绝缘槽为直线型、曲线型或其组合，宽度为0.1～1.5mm。
将两个以上具备制冷功能的PTC芯片层，通过侧边外电极采用并联方式电气连接，多个PTC芯片层之间由绝缘层隔开，工作时保证电流从N型芯片散热面流向制冷面，从P型芯片制冷面流向散热面，靠近贴装面的聚合物复合材料芯片采用熔点较低的聚合物，使得PTC转变温度较低；远离贴装面的聚合物复合材料芯片采用熔点较高的聚合物，使得PTC转变温度较高。
本发明的优点在于：产品兼具过流保护和热管理的功能，将元件贴装在电子线路中需要散热的部位，小电流正常工作状态下原件内部导通，并通过内部热电半导体的帕尔帖效应对贴装面进行制冷；在故障大电流状态下通过PTC效应断开电路，实现对电子线路的保护。另外，多层芯片并联贴装的设计可以大大提升制冷效率，并可实现元件内部温度场中各芯片层过流协同保护。
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。
附图说明
图1采用本发明(实施例1)具有局部制冷功能的PTC贴片元件结构示意图，1，1′-内电极片；2，2′-侧边外电极；3，3′-绝缘导热层；4-N型PTC芯片；5-电流流入端金属箔片引脚；6-电流流出端金属箔片引脚。
图2采用本发明(实施例2)具有局部制冷功能的PTC贴片元件结构示意图，1，1′-内电极片；2，2′-侧边外电极；3，3′-绝缘导热层；4-P型PTC芯片；5，6-金属箔片引脚
图3采用本发明(实施例3)具有局部制冷功能的PTC贴片元件结构示意图，1，1’-N型半导体填料聚合物PTC芯层；3-侧边外电极；4-绝缘导热层；5-内电极片；6-阻焊油墨；7-电流流入端引脚；8-电流流出端引脚。
图4采用本发明(实施例4)具有局部制冷功能的多层贴装过流保护元件，2，2’-P型半导体填料聚合物PTC芯层；3-侧边外电极；4-绝缘导热层；5-内电极片；6-阻焊油墨；7-电流流入端引脚；8-电流流出端引脚。
图5采用本发明(实施例5)具有局部制冷功能的多层贴装过流保护元件，1，1’，1”-N型半导体填料聚合物PTC芯层；3-侧边外电极；4-绝缘导热层；5-内电极片；6-阻焊油墨；7-电流流入端引脚；8-电流流出端引脚。
具体实施方式
实施例1：
具有局部制冷功能的PTC贴片元件，结构如图1所示：PTC芯片为PVDF和N型热电半导体Bi2Te2.7Se0.3粉末共混复合材料，内电极1和1′为镍箔，侧边外电极2、2′以及金属箔片引脚5、6均为铜电极。当A-B面进行贴装时，工作电流从贴装面5引脚流入，从6引脚流出，元件下表面(贴装面)吸热制冷，上表面散热；
实施例2：
具有局部制冷功能的高分子PTC热敏电阻表面贴装过流保护元件，结构如图2所示：PTC芯片为高密度聚乙烯(HDPE)和P型热电半导体Bi0.5Sb1.5Te3粉末共混复合材料，内电极1和1′为镀镍铜箔，电极2、2′以及金属箔片引脚5、6、均为铜电极。当A-B面进行贴装时，工作电流从贴装面5引脚流入，从6引脚流出，元件下表面(贴装面)吸热制冷，上表面散热。
实施例3：
具有局部制冷功能的PTC贴片元件，结构如图3所示：PTC芯层1和1’均为N型半导体填料聚合物PTC芯层，靠近贴装面的1芯层为高密度聚乙烯(HDPE)和N型热电半导体Bi2Te2.7Se0.3粉末共混复合材料，而远离贴装面的1’芯层为PVDF和N型热电半导体Bi2Te2.7Se0.3粉末共混复合材料。内电极为镍箔，侧电极为铜电极。电流流入端引脚7和电流流出端引脚8用标记区分，工作时电流从引脚7流入，在PTC芯片中从上表面流向下表面，从引脚8流出。由于帕尔帖效应，两个芯片均下表面吸热上表面放热。PTC芯层1’的聚合物基体PVDF熔点高于PTC芯层1的HDPE基体，以适应温度梯度场中过流保护的要求。
实施例4：
具有局部制冷功能的PTC贴片元件，结构如图4所示：PTC芯层2和2’均为P型半导体填料聚合物PTC芯层，靠近贴装面的2芯层为聚氨酯弹性体(TPU)和P型热电半导体Bi2Te2.7Se0.3粉末共混复合材料，而远离贴装面的2’芯层为尼龙1212(PA1212)和N型热电半导体Bi2Te2.7Se0.3粉末共混复合材料。内电极为镀镍铜箔，侧电极为铜电极。电流流入端引脚7和电流流出端引脚8用标记区分，工作时电流从引脚7流入，在PTC芯片中从下表面流向上表面，从引脚8流出。由于帕尔帖效应，两个芯片均下表面吸热上表面放热。PTC芯层2’的聚合物基体PA1212熔点高于PTC芯层2的TPU基体，以适应温度梯度场中过流保护的要求。
实施例5：
具有局部制冷功能的PTC贴片元件，结构如图5所示：PTC芯层1、1’和1”均为N型半导体填料聚合物PTC芯层，靠近贴装面的1芯层为HDPE和N型热电半导体Bi0.85Sb0.15粉末共混复合材料，中间1’芯层为聚碳酸酯(PC)和N型热电半导体Bi2Te2.7Se0.3粉末共混复合材料，而远离贴装面的1”芯层为聚酰亚胺(PI)和N型热电半导体AgPb18SbTe20粉末共混复合材料。内电极为镀镍铜箔，侧电极为铜电极。电流流入端引脚7和电流流出端引脚8用标记区分，工作时电流从引脚7流入，在PTC芯片中从上表面流向下表面，从引脚8流出。由于帕尔帖效应，两个芯片均下表面吸热上表面放热。PTC芯层1、1，和1”的聚合物基体HDPE、PC、PI熔点依次升高，以适应温度梯度场中过流保护的要求。

Claims (7)

1.一种具有局部制冷功能的PTC贴片元件，其特征在于包含：具备制冷功能的PTC芯片层、绝缘导热层、侧边外电极和金属箔片引脚，具备制冷功能的PTC芯片层包含聚合物基复合材料芯材和贴覆于芯材两面的内电极片，聚合物基复合材料芯材由聚合物基材和分布于其中的热电半导体填料组成，内电极片的两侧均与芯片的非焊接端面之间留有间距，形成绝缘槽，贴装面和散热面的两外电极间设有绝缘导热层，当元件处于导通状态时，利用帕尔帖效应使得元件一面冷却，另一面散热，冷却的一面为贴装面，散热的一面为非贴装面，金属箔片引脚位于冷却贴装面一侧。
2.根据权利要求1所述一种具有局部制冷功能的PTC贴片元件，其特征在于：所述贴片元件由内向外依序包括：
制冷功能的高分子PTC热敏电阻芯材层；
第一内电极片，设在芯片的冷却面，其一端延伸至第二侧边外电极的焊接端面，相对的另一端与第一侧边外电极的焊接端面之间留有间距，形成绝缘槽；
第二内电极片，设在芯片的散热面，其一端延伸至第一侧边外电极的焊接端面，相对的另一端与第二侧边外电极焊接端面之间留有间距，形成绝缘槽；
第一绝缘导热层，设在第一内电极片的上，内侧覆盖整个第一内电极片及露出的芯片冷却面；
第二绝缘导热层，设在第二内电极片的上，内侧覆盖整个第二内电极片及露出的芯片散热面；
第一侧边外电极，沿芯片的第一焊接端面设置，第一侧边外电极连接第二内电极片和第一金属箔片引脚；
第二侧边外电极，沿芯片的第二焊接端面设置，第二侧边外电极连接第一内电极片和第二金属箔片引脚；
第一金属箔片引脚，设在第一绝缘导热层上，连接第一侧边外电极；
第二金属箔片引脚，设在第一绝缘导热层上，连接第二侧边外电极，两个金属箔片之间留有空间。
3.根据权利要求1所述一种具有局部制冷功能的PTC贴片元件，其特征在于：所述聚合物基复合材料芯材由聚合物基材和分布于其中的热电半导体填料共混组成，表观室温电导率＞0.2S/cm，表观功率因子＞10μWm-1K-2。
4.根据权利要求1所述一种具有局部制冷功能的PTC贴片元件，所述聚合物基体为绝缘高分子材料，包括环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、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或其组合。
5.根据权利要求1所述一种具有局部制冷功能的PTC贴片元件，热电半导体填料为热电半导体微纳米颗粒，包括Bi、Sb、(Bi，Sb)2(Se，Te)3、(Pb，Sn)(Se，Te)、方钴矿化合物、津特尔相金属间化合物及其元素掺杂固溶体颗粒中的一种或其组合，颗粒粒径在0.05微米到50微米之间，粒径长径比小于500，对于N型热电半导体填料制备的PTC芯片，元件工作时保证电流从芯片散热面流向制冷面；对于P型半导体填料制备的PTC芯片，元件工作时保证电流从芯片制冷面流向散热面。
6.根据权利要求1所述一种具有局部制冷功能的PTC贴片元件，其特征在于，所述绝缘槽为直线型、曲线型或其组合，宽度为0.1～1.5mm。
7.根据权利要求1所述一种具有局部制冷功能的PTC贴片元件，其特征在于：将两个以上具备制冷功能的PTC芯片层，通过侧边外电极采用并联方式电气连接，多个PTC芯片层之间由绝缘层隔开，工作时保证电流从N型芯片散热面流向制冷面，从P型芯片制冷面流向散热面，靠近贴装面的聚合物复合材料芯片采用熔点较低的聚合物，使得PTC转变温度较低；远离贴装面的聚合物复合材料芯片采用熔点较高的聚合物，使得PTC转变温度较高。
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