CN110491610A - 复合式电路保护装置 - Google Patents

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Abstract

一种复合式电路保护装置，包含一个PPTC元件、一个压敏电阻、一个第一导电引线及一个第二导电引线。该PPTC元件形成有一个第一孔洞且包括一个PTC聚合物层、一个第一电极层及一个第二电极层。该压敏电阻与该PPTC元件的第二电极层连接。该第一导电引线与该PPTC元件的第一电极层连接。该第二导电引线与该压敏电阻连接。本发明的复合式电路保护装置能通过突波免疫测试且具有较高的最大工作电流，因而具有良好的耐久性和可靠性。

Description

复合式电路保护装置
技术领域
本发明涉及一种复合式电路保护装置，特别是涉及一种包含一个压敏电阻(voltage-dependent resistor)及一个包括一个孔洞的聚合物正温度系数(polymerpositive temperature coefficient；简称PPTC)元件的复合式电路保护装置。
背景技术
美国专利US 8，508，238B1公开一种可插入的聚合物正温度系数(PPTC)过电流(over-current)保护装置。参阅图1，该PPTC过电流保护装置包含一个第一电极30、一个第二电极30、一个焊接材料(solder material)、分别与该第一及第二电极30连接的导电引线50，，60，及层压在该第一与第二电极30，，30间的正温度系数(positive temperaturecoefficient；简称PTC)聚合物基质20。该PTC聚合物基质20上形成至少一个孔洞40，且当该PTC聚合物基质20的温度升高时，该孔洞40具有能一个能容纳该PTC聚合物基质20的热膨胀的有效体积。
电气特性[例如工作电流(operating current)和高压突波耐久性(high-voltagesurge endurability)]是PPTC过电流保护装置防止电力突波(power surge)的重要因素。当通过增加该PTC聚合物基质20的厚度或面积来增加该PPTC过电流保护装置的工作电流时，其更容易受到电力突波的影响。另一方面，当通过减少该PTC聚合物基质20的厚度或面积来增加该PPTC过电流保护装置的高压耐久性时，该PPTC过电流保护装置也并不一定不易受到电力突波。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合式电路保护装置。本发明的复合式电路保护装置能克服先前技术存在的至少一个缺点。
本发明的复合式电路保护装置，包含一个PPTC元件、一个压敏电阻、一个第一导电引线及一个第二导电引线。
该PPTC元件形成有一个第一孔洞，且包括一个PTC聚合物层、一个第一电极层及一个第二电极层。该PTC聚合物层具有两个相反表面，该第一孔洞形成于该PTC聚合物层上。该第一电极层与该第二电极分别设置于该PTC聚合物层的所述两个相反表面上。
该压敏电阻与该PPTC元件的第二电极层连接。
该第一导电引线与该PPTC元件的第一电极层连接。
该第二导电引线与该压敏电阻连接。
以下将就本发明内容进行详细说明：
较佳地，该压敏电阻包括：
一个压敏电阻层，具有两个相反表面，
一个第三电极层，设置于该压敏电阻层的两个相反表面的其中一个表面上，且与该PPTC元件的第二电极层连接，及
一个第四电极层，设置于该压敏电阻层的两个相反表面的另一个表面上，
其中，该第二导电引线与该压敏电阻的第三电极层及第四电极层的其中一者连接。
更佳地，本发明复合式电路保护装置还包含一个第三导电引线，该第二导电引线与该第四电极层连接，该第三导电引线设置于该第二电极层及该第三电极层间且与该第二电极层及该第三电极层连接。
更佳地，该压敏电阻上形成一个第二孔洞。又更佳地，该第二孔洞是形成于该压敏电阻层上。又更佳地，该压敏电阻的压敏电阻层还具有一个连接其两个相反表面并界定其边缘的周缘，且该第二孔洞与该压敏电阻层的周缘相间隔。又更佳地，该第二孔洞延伸穿过该压敏电阻层的两个相反表面的至少其中一个表面。又更佳地，该第二孔洞还延伸穿过该第三电极层与该第四电极层的至少其中一者。
更佳地，该压敏电阻层是由金属氧化物材料所制得。
较佳地，该PPTC元件的PTC聚合物层还具有一个连接其两个相反表面并界定其边缘的周缘，且该第一孔洞与该PTC聚合物层的周缘相间隔。
较佳地，该第一孔洞延伸穿过该PTC聚合物层的两个相反表面的至少其中一个表面。更佳地，该第一孔洞还延伸穿过该第一电极层与该第二电极层的至少其中一者。
较佳地，该PPTC元件的PTC聚合物层包括一个聚合物基质(polymer matrix)及一个分散于该聚合物基质的导电填料(conductive filler)。
更佳地，该聚合物基质是由一个含有未经接枝的烯烃系聚合物(non-graftedolefin-based polymer)的聚合组成物所制得。又更佳地，该未经接枝的烯烃系聚合物为高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)。
又更佳地，该聚合组成物还含有经接枝的烯烃系聚合物(grafted olefin-basedpolymer)。又更佳地，该经接枝的烯烃系聚合物为经羧酸酐接枝的烯烃系聚合物(carboxylic acid anhydride-grafted olefin-based polymer)。
更佳地，该导电填料是选自于碳黑粉末(carbon black powder)、金属粉末(metalpowder)、导电陶瓷粉末(electrically conductive ceramic powder)或前述的组合。
较佳地，本发明的复合式电路保护装置还包含一个封装该PPTC元件、该压敏电阻、部份该第一导电引线与部份该第二导电引线的密封材料(encapsulant)。更佳地，该密封材料是由环氧树脂(epoxy resin)所制得。
本发明的功效在于：由于该PTC聚合物层上形成该第一孔洞且该PTC聚合物层与该压敏电阻连接，因此，本发明的复合式电路保护装置能通过突波免疫测试且具有较高的最大工作电流，因而具有良好的耐久性(endurability)和可靠性(reliability)。
附图说明
本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：
图1是一个立体示意图，说明一个现有可插入式的PPTC过电流保护装置；
图2是一个立体示意图，说明本发明复合式电路保护装置的一个第一实施例；
图3是一个剖面示意图，说明本发明的该第一实施例；
图4是一个立体示意图，说明本发明复合式电路保护装置的一个第二实施例；
图5是一个剖面示意图，说明本发明的该第二实施例；
图6是一个立体示意图，说明本发明复合式电路保护装置的一个第三实施例；及
图7是一个剖面示意图，说明本发明的该第三实施例。
具体实施方式
本发明将就以下实施例来作进一步说明，但应了解的是，该实施例仅为例示说明，而不应被解释为本发明实施的限制。
在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。
参阅图2与图3，本发明复合式电路保护装置的一个第一实施例，包含一个PPTC元件2、一个压敏电阻3、一个第一导电引线4及一个第二导电引线5。该PPTC元件2形成有一个第一孔洞210且包括一个PTC聚合物层21、一个第一电极层22及一个第二电极层23。该PTC聚合物层21具有两个相反表面211，该第一与第二电极层22，23分别设置于该PTC聚合物层21的所述两个相反表面211上。该压敏电阻3通过一个焊接材料与该PPTC元件2的第二电极层23连接。该第一导电引线4与该PPTC元件2的第一电极层22连接，该第二导电引线5与该压敏电阻3连接。该第一孔洞210形成于该PTC聚合物层21上。该PPTC元件2的PTC聚合物层21还具有一个连接其两个相反表面211并界定其边缘的周缘212。该第一孔洞210与该PTC聚合物层的周缘212相间隔，且该第一孔洞210具有一个当该PTC聚合物层21的温度升高时，能容纳该PTC聚合物层21的热膨胀的有效体积，以避免该PTC聚合物层21发生不希望的结构变形。
在特定实施例中，该第一孔洞210延伸穿过该PTC聚合物层21的两个相反表面211的至少其中一个表面，该第一孔洞210还延伸穿过该第一与第二电极层22，23的至少其中一者。在本实施例中，该第一孔洞210延伸穿过该PTC聚合物层21的两个相反表面211及该第一与第二电极层22，23，以形成一个穿孔。在特定实施例中，该第一孔洞210是沿着一条通过该PTC聚合物层21的几何中心并穿过该PTC聚合物层21的两相反表面211的直线延伸。该第一孔洞210是由一个孔限定壁(hole-defining wall)所界定出，该孔限定壁具有一个平行于该PTC聚合物层21的所述表面211的横截面。该孔限定壁的横截面呈圆形、正方形、椭圆形、三角形或十字形等形状。
该压敏电阻3包括一个压敏电阻层31、一个第三电极层32及一个第四电极层33。该压敏电阻层31具有两个相反表面311，该第三电极层32是设置于该压敏电阻层31的两个相反表面311的其中一个表面上，且与该PPTC元件2的第二电极层23连接，而该第四电极层33则是设置于该压敏电阻层31的两个相反表面311的另一个表面上。在特定实施例中，该压敏电阻层31是由金属氧化物材料所制得。该第二导电引线5与该压敏电阻3的第三及第四电极层32，33的其中一者连接。在本实施例中，该第二导电引线5设置于该第二及第三电极层23，32间且与该第二及第三电极层23，32连接。
该压敏电阻3的压敏电阻层31还具有一个界定其边缘并连接其两个相反表面311的周缘312。
该压敏电阻3的压敏电阻层31上形成一个第二孔洞310。该第二孔洞310与该压敏电阻层31的周缘312相间隔。在特定实施例中，该第二孔洞310延伸穿过该压敏电阻层31的两个相反表面311的至少其中一个表面。在特定实施例中，该第二孔洞310还延伸穿过该第三与第四电极层32，33的至少其中一者。在本实施例中，该第二孔洞310延伸穿过该压敏电阻层31的两个相反表面311及该第三与第四电极层32，33，以形成一个穿孔。
该第一导电引线4包括一个连接部41及一个自由部42，而该第二导电引线5包括一个连接部51及一个自由部52。在本实施例中，该第一导电引线4的连接部41通过一个焊接材料连接在该PPTC元件2的该第一电极层22的外表面上，且该自由部42从该连接部41向外延伸超出该第一电极层22，用于插入一个电路板或电路装置的引线孔(pin hole；图未示)中。该第二导电引线5的连接部51是通过一个焊接材料与该第二与第三电极层23，32连接并设置在该第二与第三电极层23，32间，且该自由部52从该连接部51向外延伸超出该第二与第三电极层23，32，用于插入一个电路板或电路装置的引线孔(图未示)中。
该PPTC元件2的PTC聚合物层21包括一个聚合物基质及一个分散于该聚合物基质的导电填料。该聚合物基质是由一个含有未经接枝的烯烃系聚合物的聚合组成物所制得。在特定实施例中，该未经接枝的烯烃系聚合物为高密度聚乙烯。在特定实施例中，该聚合组成物还含有经接枝的烯烃系聚合物。在特定实施例中，该经接枝的烯烃系聚合物为经羧酸酐接枝的烯烃系聚合物。适合用于本发明的导电填料为碳黑粉末、金属粉末、导电陶瓷粉末或前述的组合。
参阅图4与图5，本发明复合式电路保护装置的一个第二实施例与该第一实施例相似，其差异在于，在第二实施例中，该第二导电引线5的连接部51是通过一个焊接材料连接在该压敏电阻3的第四电极层33的外表面上，且该自由部52从该连接部51向外延伸超出该第四电极层33，用于插入一个电路板或电路装置的引线孔(图未示)中。
在本实施例中，该复合式电路保护装置还包含一个封装该PPTC元件2、该压敏电阻3、部份该第一导电引线4与部份该第二导电引线5的密封材料7。该第一与第二导电引线4，5的所述自由部42，52皆暴露于该密封材料7外。在特定实施中，该密封材料7是由环氧树脂所制得。
参阅图6与图7，本发明复合式电路保护装置的一个第三实施例与该第二实施例相似，其差异在于，本第三实施例的复合式电路保护装置还包含一个第三导电引线6，该第三导电引线6设置于该第二及第三电极层23，32间且与该第二及第三电极层23，32连接。该第三导电引线6包括一个与该第二及第三电极层23，32连接的连接部61，及一个从该连接部61向外延伸超出该第二与第三电极层23，32的自由部62。该自由部62用于插入一个电路板或电路装置的引线孔(图未示)中。
在本实施例中，该密封材料7封装该PPTC元件2、该压敏电阻3、部份该第一导电引线4、部份该第二导电引线5及部分该第三导电引线6。该第一、第二与第三导电引线4，5，6的所述自由部42，52，62皆暴露于该密封材料7外。
实施例1(E1)
取10g作为未经接枝的烯烃系聚合物的高密度聚乙烯(聚合物1；厂商:购自Formosa plastic Corp.；型号:HDPE9002)、10g作为经羧酸酐接枝的烯烃系聚合物的经马来酸酐接枝的高密度聚乙烯(厂商:Dupont；型号:MB100D)、15g碳黑粉末(厂商:ColumbianChemicals；型号:Raven 430UB)，及15g氢氧化镁(厂商型号:MagChemMH10)，加入一个Brabender混炼机内混炼。其中，混炼温度为200℃，搅拌速度为30rpm，混炼时间为10分钟。
将混炼后所得的混合物于一个模具中进行热压，以形成一个厚度为2.25mm的PTC聚合物层薄片。其中，热压温度为200℃、热压时间为4分钟、热压压力为80kg/cm2。
将两个铜箔片(分别作为第一电极层和第二电极层)分别附着到该PTC聚合物层的两个相反表面上，并在200℃和80kg/cm2下热压4分钟以形成具有三明治结构的PTC层合体。将该PTC层合体切割成尺寸为14.5mm×14.5mm的多个PTC样品。每个PTC样品用钴-60γ射线照射(总照射剂量为150kGy)，接着在每个PTC样品的中心部分形成圆形穿孔[具有1.5mm的直径(d)和孔面积(πd2/4)为1.77mm2]。然后，针对每个PTC样品，先将一个第一导电引线及一个第二导电引线焊接到该PTC样品的所述铜箔片上，接着再将一个压敏电阻(厂商:CentraScience Corp.；型号:14S431KA)焊接到该PTC样品的其中一个铜箔片上，以形成如图2与图3所示的复合式电路保护装置。
实施例2～3(E2～E3)
制备实施例2～3(E2～E3)的复合式电路保护装置的步骤与条件与该实施例1相似，其差别在于，E2～E3的导电引线的位置及/或数量与实施例1不同。更详细说明，在E2中，该压敏电阻为先焊接到该PTC样品上，然后分别将该第一与第二导电引线焊接到该PTC样品与该压敏电阻的外表面上，从而形成如图4与图5所示E2的复合式电路保护装置。在E3中，将该第一导电引线与该第二导电引线分别焊接到该PTC样品与该压敏电阻的外表面，并将该第三导电引线设置在该PTC样品与该压敏电阻间并分别与该PTC样品与该压敏电阻连接。因此，E3的复合式电路保护装置具有图6与图7所示的结构。
实施例4～6(E4～E6)
E4～E6的复合式电路保护装置的结构分别与E1～E3的复合式电路保护装置的结构类似，其差别在于，在E4～E6中，该压敏电阻也形成一个圆形穿孔[具有1.5mm的直径(d)和孔面积(πd2/4)为1.77mm2](见表1)。
比较例1～2(CE1～CE2)
制备比较例1～2(CE1～CE2)的复合式电路保护装置的步骤与条件与该实施例1相似，其差别在于，该CE1与CE2的复合式电路保护装置不包含压敏电阻，且该CE1的复合式电路保护装置的PTC聚合物层无形成穿孔，而该CE2的复合式电路保护装置的PTC聚合物层则具有穿孔(大小和位置与E1相同)。
比较例3～5(CE3～CE5)
制备比较例3～5(CE3～CE5)的复合式电路保护装置的步骤与条件与该实施例4～6(E4～E6)相似，其差别在于，在CE3～CE5中，每个PTC聚合物层与该压敏电阻皆无形成穿孔。
下表1总结E1～E6与CE1～CE5的复合式电路保护装置的结构，其中V表示存在的结构。
表1
<表现(performance)测试>
工作电流测试(hold current test)
将作为测试样本的E1～E6与CE1～CE5的复合式电路保护装置进行工作电流测试，以确定测试样本的最大工作电流。
工作电流测试是在25℃下施与240Vac的交流电压，同时保持不跳脱(trip)下，进行量测15分钟。测试结果整理于表2中。
表2
结果显示，E1～E6各个测试样品的最大工作电流在1.2A至1.4A之间，而CE1～CE5的最大工作电流为0.8A至0.9A。
显然该PTC聚合物层中穿孔的形成及该PPTC元件与该压敏电阻的连接会使实施例的复合式电路保护装置的最大工作电流增加20％(相较于CE1～CE5)。
突波免疫测试(surge immunity test)
A.于400Vac：
各自取十个由E1～E6与CE1～CE5所得的复合式电路保护装置作为测试样品，进行突波免疫测试。
每个测试样品的突波免疫测试是在400Vac的固定电压和10A、15A与20A的不同测试电流下以连续方式进行，其中，每个测试电流是先接通60秒后再关闭。先记录E1～E6与CE1～CE5各个测试样品通过测试而没有被烧坏和损坏的数目(n)，再分别计算E1～E6与CE1～CE5的通过率(n/10×100％)，所得结果如表2所示。
测试结果显示，E1～E6各个测试样品的通过率皆为100％，而CE1～CE5各个测试样品的通过率均在20％至60％之间。
显然该PTC聚合物层中孔洞的形成及该PPTC元件与该压敏电阻的连接会提高实施例的复合式电路保护装置的突波保护能力。
B.于600Vac：
各自取十个由E1～E6与CE1～CE5所得的复合式电路保护装置作为测试样品，进行突波免疫测试。
每个测试样品的突波免疫测试是在600Vac的固定电压和3A、7A与40A的不同测试电流下以连续方式进行，更详细说明，3A与7A的测试电流是各自先接通60秒后关闭，而40A的测试电流则是接通5秒后关闭。先记录E1～E6与CE1～CE5各个测试样品通过测试而没有被烧坏和损坏的数目(n)，再分别计算E1～E6与CE1～CE5的通过率(n/10×100％)，所得结果如表2所示。
测试结果显示，E1～E6各个测试样品的通过率皆为100％，而CE1～CE5各个测试样品的通过率在10％至70％间。CE1～CE5的测试样品，由于部分复合式电路保护装置在突波免疫测试中被烧毁和损坏，通过率低于E1～E6各个测试样品。
显然该PTC聚合物层中孔洞的形成及该PPTC元件与该压敏电阻的连接会提高实施例的复合式电路保护装置的突波保护能力。
综上所述，由于该PTC聚合物层上形成该第一孔洞且该PTC聚合物层与该压敏电阻连接，因此，本发明的复合式电路保护装置能通过突波免疫测试且具有较高的最大工作电流，因而会具有良好的耐久性和可靠性，所以确实能达成本发明的目的。
惟以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明权利要求及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (20)

1.一种复合式电路保护装置，其特征在于：所述复合式电路保护装置包含：
一个PPTC元件，其形成有一个第一孔洞，且包括：
一个PTC聚合物层，具有两个相反表面，该第一孔洞形成于该PTC聚合物层上，及
一个第一电极层与一个第二电极层，分别设置于该PTC聚合物层的所述两个相反表面上；
一个压敏电阻，与该PPTC元件的第二电极层连接；
一个第一导电引线，与该PPTC元件的第一电极层连接；及
一个第二导电引线，与该压敏电阻连接。
2.根据权利要求1所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该压敏电阻包括：
一个压敏电阻层，具有两个相反表面，
一个第三电极层，设置于该压敏电阻层的两个相反表面的其中一个表面上，且与该PPTC元件的第二电极层连接，及
一个第四电极层，设置于该压敏电阻层的两个相反表面的另一个表面上，
其中，该第二导电引线与该压敏电阻的第三电极层及第四电极层的其中一者连接。
3.根据权利要求2所述的复合式电路保护装置，其特征在于：所述复合式电路保护装置还包含一个第三导电引线，该第二导电引线与该第四电极层连接，该第三导电引线设置于该第二电极层及该第三电极层间且与该第二电极层及该第三电极层连接。
4.根据权利要求1所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该PPTC元件的PTC聚合物层还具有一个连接其两个相反表面并界定其边缘的周缘，且该第一孔洞与该PTC聚合物层的周缘相间隔。
5.根据权利要求1所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该第一孔洞延伸穿过该PTC聚合物层的两个相反表面的至少其中一个表面。
6.根据权利要求5所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该第一孔洞还延伸穿过该第一电极层与该第二电极层的至少其中一者。
7.根据权利要求2所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该压敏电阻上形成一个第二孔洞。
8.根据权利要求7所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该第二孔洞是形成于该压敏电阻层上。
9.根据权利要求8所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该压敏电阻的压敏电阻层还具有一个连接其两个相反表面并界定其边缘的周缘，且该第二孔洞与该压敏电阻层的周缘相间隔。
10.根据权利要求8所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该第二孔洞延伸穿过该压敏电阻层的两个相反表面的至少其中一个表面。
11.根据权利要求10所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该第二孔洞还延伸穿过该第三电极层与该第四电极层的至少其中一者。
12.根据权利要求1所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该PPTC元件的PTC聚合物层包括一个聚合物基质及一个分散于该聚合物基质的导电填料。
13.根据权利要求12所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该聚合物基质是由一个含有未经接枝的烯烃系聚合物的聚合组成物所制得。
14.根据权利要求13所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该未经接枝的烯烃系聚合物为高密度聚乙烯。
15.根据权利要求13所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该聚合组成物还含有经接枝的烯烃系聚合物。
16.根据权利要求15所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该经接枝的烯烃系聚合物为经羧酸酐接枝的烯烃系聚合物。
17.根据权利要求12所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该导电填料是选自于碳黑粉末、金属粉末、导电陶瓷粉末或前述的组合。
18.根据权利要求2所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该压敏电阻层是由金属氧化物材料所制得。
19.根据权利要求1所述的复合式电路保护装置，其特征在于：所述复合式电路保护装置还包含一个封装该PPTC元件、该压敏电阻、部份该第一导电引线与部份该第二导电引线的密封材料。
20.根据权利要求19所述的复合式电路保护装置，其特征在于：该密封材料是由环氧树脂所制得。
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