CN108878080B

CN108878080B - 表面粘着型过电流保护元件

Info

Publication number: CN108878080B
Application number: CN201711206905.4A
Authority: CN
Inventors: 王绍裘; 苏聪敏
Original assignee: Polytronics Technology Corp
Current assignee: Polytronics Technology Corp
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-11-27
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2037-11-27
Also published as: US20180336980A1; CN108878080A; TW201901706A; TWI639169B; US10141089B1

Abstract

一种表面粘着型过电流保护元件包括至少一芯片、第一引脚及第二引脚。各芯片包含PTC芯材和贴覆于该PTC芯材上、下表面的两个金属电极层。第一引脚弯折成多个部分，包含连接各该至少一芯片的一个金属电极层的第一电极连接部以及用于表面粘着的第一焊接部。第二引脚弯折成多个部分，包含连接各该至少一芯片的另一个金属电极层的第二电极连接部以及用于表面粘着的第二焊接部。其中该PTC芯材包含结晶性高分子聚合物和散布于结晶性高分子聚合物中的导电填料，该导电填料的体积电阻值小于500μΩ·cm。该表面粘着型过电流保护元件可承受20V/40A的循环寿命测试300次而不致烧毁。

Description

表面粘着型过电流保护元件

技术领域

本发明涉及一种过电流保护元件，尤其涉及一种表面粘着型(SMD)过电流保护元件。

背景技术

正温度系数(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性的导电复合材料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，由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，PTC导电复合材料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，使其可取代保险丝，而被更广泛运用在高密度电子电路上。

一般而言，PTC导电复合材料是由一结晶性高分子聚合物及导电填料所组成，该导电填料均匀分散于该高分子聚合物之中。该高分子聚合物一般为聚烯烃类聚合物，例如：聚乙烯，而导电填料一般为碳黑。然而，碳黑所能提供的导电度较低，而不符近年来应用上低阻值的需求。因此，使用具有较低体积电阻值的金属或导电陶瓷填料的PTC导电复合材料可提供相较于碳黑更低的阻值，因而发展出低体积电阻值(low rho)的过电流保护元件。

目前最广为使用的表面粘着型过电流保护元件如图1A所示，其为美国专利US6,377,467所保护的专利结构。表面粘着型过电流保护元件10的结构主要是通过垂直方向的导电通孔11连接PTC芯材12表面的金属箔13和位于表面粘着型过电流保护元件10上下表面两侧的电极14，形成导电通路。金属箔13和电极14之间则设有绝缘层15。另外，亦可以堆叠两层并联的PTC芯材12形成表面粘着型过电流保护元件16，以得到较低的元件电阻值，如图1B所示。传统上若要使用于16V或30V以上的高压应用时，通常需要降低其中的导电填料如碳黑或导电陶瓷粉末。但是如此一来也将增加元件的电阻值和降低维持电流(holdcurrent)，而无法符合同时兼具耐高电压和高维持电流的高功率要求。此外，该SMD过电流保护元件通过印刷电路板(PCB)工艺加以制作，需要利用蚀刻工艺制作所需线路。然而若蚀刻位置不精确或导电通孔的连接没做好，在承受较高电压时，可能发生跳火(arcing)的问题。此外，蚀刻液若有残留，也会降低耐电压的效果。

发明内容

为了解决上述SMD过电流保护元件不易耐高电压的问题，本发明公开了一种SMD过电流保护元件，其结构简单，不需经由PCB工艺制作，可有效达到耐高电压的特性，而且仍能保持低电阻和高维持电流，从而有效提供如16V、20V、24V、30V或30V以上的耐高压及高功率过电流保护，特别是可承受至少20V的电压，并可承载至少80W的功率而不致烧毁。

根据本发明的一实施例，一种表面粘着型过电流保护元件包括至少一芯片、第一引脚及第二引脚。各芯片包含PTC芯材和贴覆于该PTC芯材上、下表面的两个金属电极层。第一引脚弯折成多个部分，包含连接各该至少一芯片的一个金属电极层的第一电极连接部以及用于表面粘着的第一焊接部。第二引脚弯折成多个部分，包含连接各该至少一芯片的另一个金属电极层的第二电极连接部以及用于表面粘着的第二焊接部。其中该PTC芯材包含结晶性高分子聚合物和散布于结晶性高分子聚合物中的导电填料，该导电填料的体积电阻值小于500μΩ·cm。该表面粘着型过电流保护元件可承受20V/40A的循环寿命测试300次而不致烧毁。

一实施例中，该第一引脚和第二引脚均为一体成型。

一实施例中，该芯片至少有两个，各芯片层状堆叠，该第一电极连接部和第二电极连接部中至少一者包含叠置于其相邻的该芯片之间的共用电极，从而所述至少两个芯片形成并联电路。

一实施例中，该第一电极连接部包含分叉的第一水平部分和第二水平部分，且该第一水平部分和第二水平部分位于不同平面。

一实施例中，该第二电极连接部包含第三水平部分作为叠置于其相邻的该芯片之间的共用电极。

一实施例中，该第一引脚还包含连接该第一电极连接部和该第一焊接部的第一垂直部，且该第二引脚还包含连接该第二电极连接部和该第二焊接部的第二垂直部。

一实施例中，表面粘着型过电流保护元件还包含一绝缘层，该绝缘层至少包覆该至少一芯片、第一电极连接部和第二电极连接部，且露出该第一焊接部和第二焊接部。

一实施例中，该绝缘层有阻燃和防止水气氧气渗透的性质。

一实施例中，该导电填料包含金属或导电陶瓷粉末。

一实施例中，该金属电极层的厚度为50～90μm。

一实施例中，该PTC芯材的导电填料包含碳化钨和碳黑的混合物。

一实施例中，该表面粘着型过电流保护元件符合关系式：P＝I_hold×V_max≥80W，且V_max≥20V；其中P为元件的可承载功率，I_hold为元件的承载电流，V_max为该元件可承受的最大电压。该元件可在至少80W的承载功率下正常使用。

本发明通过弯折的方式形成表面粘着的引脚，可简化结构设计，且不需使用印刷电路板工艺，故没有蚀刻液残留的疑虑，所以可以提升耐电压的效果。本发明的表面粘着型过电流保护元件可承受至少20V的电压而不致烧毁，且通过PTC材料、金属箔片厚度和PTC芯片大小的优化设计，甚至可耐受30V或更高的60V电压，且可承载至少80W的高功率24小时而不致毁损。

附图说明

图1A和图1B分别为传统包含单层与双层PTC芯材的表面粘着型过电流保护元件的示意图；

图2A和图2B为本发明一实施例的表面粘着型过电流保护元件的示意图；

图3为本发明另一实施例的表面粘着型过电流保护元件的示意图；

图4为本发明又一实施例的表面粘着型过电流保护元件的示意图；以及

图5为本发明再一实施例的表面粘着型过电流保护元件的示意图。

附图标记如下：

10、16、20、40、50 表面粘着型过电流保护元件

11 导电通孔

12 PTC芯材

13 金属箔

14 电极

15 绝缘层

21 芯片

22 第一引脚

23 第二引脚

24 第一电极连接部

25 第一垂直部

26 第一焊接部

27 第二电极连接部

28 第二垂直部

29 第二焊接部

31 绝缘层

42 第一引脚

43 第二引脚

44 第一电极连接部

45 第一垂直部

46 第一焊接部

47 第二电极连接部

48 第二垂直部

49 第二焊接部

51 芯片

52 第一引脚

53 第二引脚

54 第一电极连接部

55 第一垂直部

56 第一焊接部

57 第二电极连接部

58 第二垂直部

59 第二焊接部

211、511 PTC芯材

212、512 金属电极层

241 第一水平部分

242 第二水平部分

441 第一水平部分

442 第二水平部分

471 第三水平部分

472 第四水平部分

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，并配合所附附图，作详细说明如下。

图2A和图2B为本发明一实施例的表面粘着型过电流保护元件20的示意图，其中图2A为表面粘着型过电流保护元件20的侧视图，图2B为表面粘着型过电流保护元件的立体分解示意图。表面粘着型过电流保护元件20包含层状堆叠的二个芯片21、第一引脚22和第二引脚23。本实施例中，各个芯片21为包含PTC芯材211和贴覆于该PTC芯材211上下表面的金属电极层212的三明治结构。该第一引脚22和第二引脚23为弯折形结构，其中弯折成多个部分，或特别是包含水平和垂直的部分，但并不以此为限。优选地，不论是该第一引脚22或第二引脚23都是一体成形的结构，也就是第一引脚22或第二引脚23中的整体都是来自同一金属电极片，可先行利用冲压制作成包含多个第一引脚22和第二引脚23的梳子状电极，并与芯片21结合后经弯折切割而成多个表面粘着型过电流保护元件20。每个芯片21中的一个金属电极层212连接该第一引脚22形成电导通，每个芯片21中的另一个金属电极层212连接该第二引脚23形成电导通。本实施例中，该第二引脚23的一端形成水平部分，叠置于上、下的芯片21之间作为上、下芯片21的共用电极，从而该两个芯片21形成并联电路。

本实施例中，第一引脚22包含第一电极连接部24、第一垂直部25和第一焊接部26，其中第一电极连接部24和第一焊接部26沿水平方向延伸，第一垂直部25沿垂直方向延伸且连接第一电极连接部24和第一焊接部26。第一电极连接部24连接每个芯片21的一个金属电极层212，该第一焊接部26作为表面粘着的焊接界面。特而言之，本实施例中，该第一电极连接部24包含分叉的第一水平部分241和第二水平部分242，且该第一水平部分241和第二水平部分242位于不同平面。该第一水平部分241包含分布于上表面两侧的两电极条，且物理接触上方芯片21的上表面。第二水平部分242与第一水平部分241前后错开，且物理接触下方芯片21的下表面约中央部分。该第二水平部分242与第一水平部分241是自同一板材(例如镍片或铜片)作出两条切割线后弯折形成。第一水平部分241和第二水平部分242的面积实质相同，也就是包含两电极条的第一水平部分241的面积约等于第二水平部分242的面积，从而提供相同的有效电极面积。一实施例中，第一水平部分241的各电极条的宽度约0.75mm，第二水平部分242的宽度约为1.5mm，从而提供上、下芯片21等同的有效电极面积。另外，亦可于同一板材中央作出一条切割线，之后弯折形成宽度相同且前后错开的第一水平部分和第二水平部分(图未示)，例如宽度都是1.5mm，同样可提供芯片等同的有效电极面积。

第二引脚23包含第二电极连接部27、第二垂直部28及第二焊接部29。该第二电极连接部27作为第三水平部分连接上、下芯片21的另一个金属电极层212，该第二垂直部28连接该第二电极连接部27和第二焊接部29。特别是，该第二电极连接部27物理接触该上、下芯片21相对面的金属电极层212，也就是说，该第二电极连接部27叠设于上、下芯片21相邻的金属电极层212之间，作为该二芯片21的共用电极。该第一焊接部26和第二焊接部29弯折向内，且使得第一焊接部26和第二焊接部29位于同一平面，作为焊接面，以便表面粘着于一电路板。申言之，本实施例中该第一焊接部26自第一垂直部25弯折朝向该芯片21，且该第二焊接部29自第二垂直部28弯折朝向该芯片21。但是，焊接部的弯折方向可视实际需求调整，并不以此为限。

参照图3，为了防止第一引脚22和第二引脚23不预期的短路问题，表面粘着型过电流保护元件20可还包含一绝缘层31，该绝缘层31至少包覆该芯片21及部分的第一引脚22和第二引脚23，特别是包覆该第一电极连接部24和第二电极连接部27，但必须至少露出该第一焊接部26和第二焊接部29，以供表面粘着之用。该绝缘层31可选用热固型聚合物，其必须可耐受后续回焊(reflow soldering)工艺的高温。除绝缘外，绝缘层31可选择具备散热特性的材料，提供芯片21较佳的散热效果，以增加维持电流值。绝缘层的导热率可达1W/m·K、2W/m·K或4W/m·K，端视需求而定。该绝缘层31可以利用射出成型、喷涂或以导热绝缘片材包覆等方式加以制作。优选地，除绝缘功能外，该绝缘层31还可以具有阻燃和防水气和氧气渗透的性质。

PTC芯材211包含结晶性高分子聚合物和散布其间的导电填料。结晶性高分子聚合物一般为聚烯烃类聚合物，例如：聚乙烯。该导电填料为碳黑、金属或导电陶瓷粉末。碳黑价格便宜，但其体积电阻值较高。金属和导电陶瓷粉末的体积电阻值较低，适合于元件小型化和低电阻场合的应用。导电填料的粒径大小介于0.01μm至30μm之间。金属粉末可选自镍、钴、铜、铁、锡、铅、银、金、铂或其他金属及其合金。导电填料中的导电陶瓷粉末可选自金属碳化物，例如：碳化钛(TiC)、碳化鵭(WC)、碳化钒(VC)、碳化锆(ZrC)、碳化铌(NbC)、碳化钽(TaC)、碳化钼(MoC)及碳化铪(HfC)；或选自金属硼化物，例如：硼化钛(TiB₂)、硼化钒(VB₂)、硼化锆(ZrB₂)、硼化铌(NbB₂)、硼化钼(MoB₂)及硼化铪(HfB₂₎；或选自金属氮化物，例如：氮化锆(ZrN)。申言之，本发明的导电填料可选自前述金属或导电陶瓷经物理或化学方式形成的混合物、合金、固溶体或核壳体。

除了上述包含两个芯片的实施例外，本发明亦可应用于并联更多芯片的情况。图4为又一实施例的表面粘着型过电流保护元件40，其中包含三个芯片21、第一引脚42和第二引脚43。相较于前述实施例，本实施例的表面粘着型过电流保护元件40包含三个并联的芯片21，可以进一步降低电阻值。本实施例中，各个芯片21为包含PTC芯材211和贴覆于该PTC芯材211上下表面的金属电极层212的三明治结构。该第一引脚42和第二引脚43为弯折形结构，其中弯折成多个部分。较佳地，不论是该第一引脚42或第二引脚43都是一体成形的结构，也就是第一引脚42或第二引脚43中的整体都是来自同一金属电极片。每个芯片21中的一个金属电极层212连接该第一引脚42形成电导通，每个芯片21中的另一个金属电极层212连接该第二引脚43形成电导通。第一引脚42包含第一电极连接部44、第一垂直部45和第一焊接部46，其中第一电极连接部44和第一焊接部46沿水平方向延伸，第一垂直部45连接第一电极连接部44和第一焊接部46。第一电极连接部44连接每个芯片21的一个金属电极层212，该第一焊接部46作为表面粘着的焊接界面。特而言之，本实施例中，该第一电极连接部44包含分叉的第一水平部分441和第二水平部分442，且该第一水平部分441和第二水平部分442位于不同平面。第一水平部分441叠置于其相邻的芯片21之间作为其共用电极，第二水平部分442则连接最下方芯片21的下方金属电极层212。第二引脚43包含第二电极连接部47、第二垂直部48及第二焊接部49。该第二电极连接部47包含分叉的第三水平部分471和第四水平部分472，且该第三水平部分471和第四水平部分472位于不同平面。该第三水平部分471叠置于其相邻的芯片21之间作为其共用电极，第四水平部分472连接最上方芯片21的上方金属电极层212。本实施例中，第一引脚42的第一水平部分441和第二引脚43的第三水平部分471都是作为共用电极，从而使得三个芯片21连接第一引脚42和第二引脚43后呈现并联状态。根据相同方式，本发明可以制作出包含更多并联芯片的表面粘着型过电流保护元件，从而进一步降低整体的电阻值。

以上弯折型引脚的设计亦可应用于单一芯片的情况，如图5所示。表面粘着型过电流保护元件50包含层状堆叠的二个芯片51、第一引脚52和第二引脚53。本实施例中，各个芯片51为包含PTC芯材511和贴覆于该PTC芯材511上下表面的金属电极层512的三明治结构。该第一引脚52和第二引脚53为弯折形结构，其中弯折成多个部分，或特别是包含水平和垂直的部分，但并不以此为限。芯片51中的一个金属电极层512连接该第一引脚52形成电导通，每个芯片51中的另一个金属电极层512连接该第二引脚53形成电导通。本实施例中，第一引脚52是一体成型，包含第一电极连接部54、第一垂直部55和第一焊接部56，该第一电极连接部54连接芯片51上方的金属电极层512，第一焊接部56作为表面粘着至一电路板的界面，而该第一垂直部55则连接第一电极连接部54和第一焊接部56。第二引脚53是一体成型，包含第二电极连接部57、第二垂直部58和第二焊接部59，该第二电极连接部57连接芯片51下方的金属电极层512，第二焊接部59作为表面粘着至一电路板的界面，而该第二垂直部58则连接第二电极连接部57和第二焊接部59。

以下针对图2A和图2B所示的表面粘着型过电流保护元件和图1B所示的传统型元件进行耐电压循环寿命(cyclic life)的测试，结果如表一所示。两者元件均属2920大小的元件，选用同样材料的PTC芯材，其中导电填料为碳化钨和碳黑的混合物。PTC芯材表面的金属电极层选用2oz铜箔，亦即其厚度为80μm。金属电极层的厚度不能太薄，优选为50～90μm，例如60μm、70μm或80μm。待测元件是施加30V/40A以进行循环寿命测试，表中记载经过不同触发(trip)次数或循环次数后的电阻值，Ri为元件的启始电阻值，R₁、R₁₀、R₅₀、R₁₀₀、R₂₀₀和R₃₀₀分别表示循环1次、10次、50次、100次、200次和300次，并静置一小时后量测的电阻值。本发明的表面粘着型过电流保护元件可以通过300次循环测试，然而传统的SMD结构元件在300次循环测试时发现有元件烧毁的现象，亦即无法通过测试。由此可见，本发明相较于传统型的SMD结构，具有更好的耐电压特性。

表一

表二显示本发明和传统的元件电性测试结果比较。如图2A和图2B所示实施例1至实施例5的结构，包含的两个芯片的表面粘着型过电流保护元件，尺寸从较小的规格1812(0.18”×0.12”)、2016(0.20”×0.16”)，至最大的2920(0.29”×0.20”)，其中PTC芯片的导电填料是选用碳化钨和碳黑的混合物，PTC芯材表面的金属电极层选用2oz铜箔，连接PTC金属电极层的引脚与水平部皆为纯镍片。比较例1至比较例3乃是如图1B用传统型SMD方式制备三种尺寸的表面粘着型过电流保护元件，与上述的实施例1至实施例5做电性测试比对。这些元件分别在16V/40A、20V/40A和24V/40A的测试条件下，做300次的循环测试(CycleLife test)，亦即触发回复重复300次，其中电压电流施加10秒之后关闭60秒为一循环。传统型只能通过16V的测试，超过16V后，于20V和24V电压下，都全数烧毁；但本发明的元件可全数通过16V、20V和24V的循环测试。另外，在20V/40A 168小时的触发耐久性(TripEndurance)测试下，亦即元件持续承受电压/电流特定时间，传统型也都全数烧毁，但本发明的元件可通过24V甚至30V的测试。本发明表面粘着型过电流保护元件的可承受最大电压V_max≥20V，传统型的元件因V_max无法超过20V，只能在较低的电压下使用。但本发明的元件亦可以在高于20V的V_max电压和承载电流(I_hold)下24小时无烧毁，也就是可以通过至少80W的承载功率下24小时测试。综言之，本发明的表面粘着型过电流保护元件符合关系式：P＝I_hold×V_max≥80W，且V_max≥20V，其中P为元件的可承载功率，I_hold为元件的承载电流，V_max为该元件可承受的最大电压。该元件可在至少80W的承载功率下正常使用。

表二

本发明的表面粘着型过电流保护元件不仅结构简单，制作上较为单纯，没有传统表面粘着型元件的侧边导电通孔，也不需使用到PCB工艺。因此，本发明的表面粘着型过电流保护元件不会有导电通孔与上下电极的连接瑕疵问题，也不会有蚀刻液残留所造成的耐电压不足或电弧效应。耐电压特性可能随着PTC芯片面积、PTC材料厚度、铜箔厚度、以及体积电阻值的不同而有所差异，总的来说，经不同电压下的循环寿命测试，相同芯材的传统型设计通常仅能承受约16V的电压，本发明的表面粘着型过电流保护元件则至少可承受达20V，甚至可进一步承受30V或更高的60V电压。特而言之，该表面粘着型过电流保护元件可承受至少20V的电压以及80W的承载功率。另外测试结果显示本发明的表面粘着型过电流保护元件可承受20V/40A的循环寿命测试300次而不致烧毁。

本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域具有通常知识的技术人士仍可能基于本发明的教示及公开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公开的技术内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的权利要求书所涵盖。

Claims

1.一种表面粘着型过电流保护元件，包括：

至少两个芯片，各芯片包含PTC芯材和贴覆于该PTC芯材上、下表面的两个金属电极层；

一第一引脚，弯折成多个部分，包含连接各该至少一芯片的一个金属电极层的第一电极连接部以及用于表面粘着的第一焊接部；以及

一第二引脚，弯折成多个部分，包含连接各该至少一芯片的另一个金属电极层的第二电极连接部以及用于表面粘着的第二焊接部；

其中该PTC芯材包含结晶性高分子聚合物和散布于结晶性高分子聚合物中的导电填料，该导电填料包含碳化钨和碳黑的混合物；该导电填料的体积电阻值小于500μΩ·cm；

其中该表面粘着型过电流保护元件符合关系式：P＝I_hold×V_max≥80W，其中P为该元件的可承载功率，I_hold为该元件的承载电流，V_max为该元件可承受的最大电压；

其中该第一焊接部和该第二焊接部位于该芯片下方且位于同一水平面上；

其中该金属电极层的厚度为50～90μm；

其中该表面粘着型过电流保护元件可承受20V/40A的循环寿命测试300次而不致烧毁；

其中，各芯片层状堆叠，该第一电极连接部和第二电极连接部中至少一者包含叠置于其相邻的该芯片之间的共用电极，从而所述至少两个芯片形成并联电路。

2.根据权利要求1所述的表面粘着型过电流保护元件，其中该第一引脚和第二引脚均为一体成型。

3.根据权利要求1所述的表面粘着型过电流保护元件，其中该第一电极连接部包含分叉的第一水平部分和第二水平部分，且该第一水平部分和第二水平部分位于不同平面。

4.根据权利要求3所述的表面粘着型过电流保护元件，其中该第二电极连接部包含第三水平部分作为叠置于其相邻的该芯片之间的共用电极。

5.根据权利要求1所述的表面粘着型过电流保护元件，其中该第一引脚还包含连接该第一电极连接部和该第一焊接部的第一垂直部，且该第二引脚还包含连接该第二电极连接部和该第二焊接部的第二垂直部。

6.根据权利要求1所述的表面粘着型过电流保护元件，其还包含一绝缘层，该绝缘层至少包覆该至少一芯片、第一电极连接部和第二电极连接部，且露出该第一焊接部和第二焊接部。

7.根据权利要求6所述的表面粘着型过电流保护元件，其中该绝缘层有阻燃和防止水气氧气渗透的性质。

8.根据权利要求1所述的表面粘着型过电流保护元件，其中该导电填料包含金属或导电陶瓷粉末。