CN112185634A - 具有电阻元件的pptc器件 - Google Patents

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Abstract

PPTC器件可以包括PPTC元件，其具有跳闸温度并且在低于跳闸温度的低温度范围内还具有第一电阻温度系数。PPTC组件还可以包括电阻元件，其设置在PPTC元件的第一侧上并与PPTC元件电气接触，该电阻元件包括电导体，并且在低温度范围内具有低于第一电阻温度系数的第二电阻温度系数。PPTC元件可以包括电气耦合至PPTC元件的第一侧的第一电极，以及电气耦合至PPTC元件的第二侧的第二电极，其中PPTC元件和电阻元件电气串联布置在第一电极和第二电极之间。

Description

具有电阻元件的PPTC器件
背景技术
实施例涉及包括熔丝器件的电路保护器件的领域。
聚合物正温度系数(PPTC)器件可作为过流或过温保护的器件以及电流或温度传感器而用于各种应用中。在过流或过温保护应用中，PPTC器件可以被认为是可复位熔丝，设计为在例如低电流的设计的条件下工作时，表现出低电阻。PPTC器件的电阻可能通过因电路保护部件的环境温度升高而导致的直接加热而改变，或者经由通过电流经过电路保护部件而产生的电阻加热而改变。例如，PPTC器件可以包括聚合物材料和导电填料，该导电填料提供因聚合物材料的变化(诸如熔化转变或玻璃化转变)而从低电阻状态转变为高电阻状态的混合物。在这种转变温度下，有时称为跳闸温度，其中跳闸温度通常在室温或更高的范围内，聚合物基质可能会膨胀并破坏导电网络，使复合物导电性能大大降低。这种电阻的变化为PPTC材料赋予类似熔丝的特性，当PPTC材料冷却回到室温时，该电阻可以是可逆的。
为了正常工作，在低于跳闸温度的低温状态下工作时，PPTC器件的电阻几乎没有变化会是有用的。称为热衰减的特性表征PPTC器件在低温状态下的电阻行为，其中热衰减测量在低温状态下随温度的跳闸电流变化或电阻变化。尽管PPTC器件跳闸至高电阻状态的特征在于聚合物基质的熔化或玻璃化转变，但在低于熔化转变的低温状态下，聚合物基质也可能会随着温度的升高而膨胀。这种膨胀是聚合物基质的热学性质的特征，并且因为导电填料颗粒变得分离而会引起电阻增加，从而导致热衰减。对于理想的PPTC器件，在跳闸温度以下，随着升高的温度发生很小的电阻变化或跳闸电流变化的情况可以称为低热衰减。关于这些和其他考虑而提供了本公开。
发明内容
在一个实施例中，提供了聚合物正温度系数(PPTC)组件。此PPTC组件可以包括PPTC元件，其具有跳闸温度，并且在低于跳闸温度的低温度范围内还具有第一电阻温度系数。PPTC组件可以包括设置在PPTC元件的第一侧上并与PPTC元件电气接触的电阻元件，该电阻元件包括电导体，并且在低温度范围内具有低于所述第一电阻温度系数的第二电阻温度系数。PPTC元件可以包括第一电极，其电气耦合至PPTC元件的第一侧，以及第二电极，其电气耦合至PPTC元件的第二侧。由此，PPTC元件和电阻元件电气串联地布置在第一电极和第二电极之间。
在另一实施例中，一种方法可以包括选择具有目标跳闸温度和第一室温电阻的PTC元件。此方法还可以包括选择具有第二室温电阻的电阻元件，其中第一室温电阻与第二室温电阻之和等于目标室温电阻；此方法还包括将电阻元件贴附在PTC元件上，以构成PPTC器件，并将一组电极附接至PPTC器件。
附图说明
图1A描绘了根据本公开的实施例的PPTC器件的侧面剖视图；
图1B描绘了根据本公开实施例的另一PPTC器件的侧面剖视图；
图1C描绘了图1A的PPTC器件的俯视图；
图2描绘了根据本实施例的PPTC器件的电路表示；
图3描绘了示出根据本公开实施例的PPTC器件和常规器件的电阻随温度变化的曲线图；
图4描绘了图3的曲线图的低温度部分；
图5描绘了根据本公开的进一步实施例的PPTC器件的实施例；
图6描绘了根据本公开的进一步实施例的PPTC器件的实施例；
图7描绘了根据本公开的进一步实施例的PPTC器件组件的实施例
图8描绘了根据本公开的进一步实施例的PPTC器件组件的实施例；
图9描绘了工艺流程的实施例。
具体实施方式
下文将参照附图更全面地描述本实施例，其中示出了多个示例性实施例。这些实施例不应被解释为仅限于本文所述的实施例。相反，提供这些实施例以确保本公开是彻底和完整的，并将充分地将它们的范围传达给本领域的技术人员。在附图中，相似的数字指代相似的部件。
在下列描述和/或权利要求中，可以使用“在……之上”、“覆盖在……之上”、“放置在……之上”和“在……正上方”等术语。“在……之上”、“覆盖在……之上”、“放置在……之上”和“在……正上方”可以用来表示两个或两个以上的部件彼此直接物理接触。此外，术语“在……之上”、“覆盖在……之上”、“放置在……之上”和“在……正上方”可以表示两个或两个以上的部件彼此并不直接接触。例如，“在……正上方”可以表示一个部件在另一部件上方而不彼此接触，并且可以有另外一个或多个部件在该两个部件之间。此外，术语“和/或”可以表示“和”，它可以表示“或”，它可以表示“排他性的或”，它可以表示“一个”，它可以表示“一些，但不是全部”，它可以表示“都不”，和/或它可以表示“两者”，尽管要求保护的主题的范围在此方面不受限制。
本实施例示出了PPTC器件，该器件改进了PPTC器件在低于PPTC基质的聚合物材料熔化温度的温度下的电学特性。在本公开的实施例中，增加了与PTC元件电气串联的电阻元件，以产生到PPTC器件的静态电阻元件，从而降低PPTC电阻部分以在低于PPTC跳闸温度时提供更好的电阻稳定性。
在一些实施例中，电阻负载层可以被添加到PPTC层以改善在熔化之前PPTC器件的聚合物基质的热学性质，其中已知器件因为导电填料颗粒变得分离而表现出电阻增加，从而导致热衰减。根据本公开的具体实施例，可以将电阻负载元件布置在与PPTC层分离的层中。
图1A描绘了根据本公开的实施例的PPTC器件150的侧面剖视图。在这个实施例中，PPTC器件150包括PPTC层156(示出为PTC层)，其中PPTC层156可以包括包含聚合物基质的已知元件，和导电填料，其设置在聚合物基质中以在给定跳闸温度下产生从低电阻状态至高电阻状态的切换。
PPTC器件150还包括电阻元件，显示为电阻负载层158，设置在PPTC层156附近。所述电阻负载层158可包括诸如薄电阻器材料、金属薄膜电阻器、陶瓷金属氧化物电阻器、线圈电阻器、包含导电环氧树脂或导电环氧的导电聚合物复合材料之类的材料。实施例在该上下文中不受限制。在一些非限制性实施例中，PPTC层156的厚度可以在25μm至2000μm之间，而电阻负载层158的电阻可以在1mOhm至1000mOhm之间。
如图所示，PPTC层156和电阻负载层158电气串联地设置在PPTC器件150的第一端子152和第二端子154之间。在一些实施例中，第一端子152和第二端子154可以是铜或其他合适的金属。PPTC器件150还可以包括各种金属箔层，其电气串联地布置在第一端子152和第二端子154之间。在所示的实施例中，多个箔层表示为金属箔层160。例如，电阻负载层158可与电阻负载层158的顶部表面和底部表面上的镍箔层层压。PPTC层156也可以与PPTC层156的顶部表面和底部表面上的镍箔层层压。
在替选实施例中，如图1B所示的PPTC器件160，电阻负载层158布置成与PPTC层160直接接触，因此在与第一端子152和第二端子154的界面处只使用两个金属箔层。图1C描绘了图1A或图1B的PPTC器件的俯视图。
在图1A和图1B的实施例中，因为PPTC层156和电阻负载层158是电气串联布置的，所以第一端子152和第二端子154之间的总电阻由PPTC层156和电阻负载层158的单独电阻确定。
为了进一步解释新颖PPTC器件的操作，图2描绘了根据本实施例的PPTC器件的电路表示。在图2中，PPTC器件电气耦合在端子T1和端子T2之间，这些端子可以被视为电极、电引线等等。PPTC层或元件与电阻元件(例如电阻负载层)电气串联。PPTC器件产生的总电阻R是PPTC元件的电阻RPTC和电阻元件的电阻Rresistor之和，其中电阻元件可以是用于电阻负载层158的上述材料/元件中的任一个。通过适当设计电阻元件的电阻，可以制定包括PPTC层和电阻元件的PPTC器件的整体电气行为，例如，如下所述，在低于PPTC层的跳闸温度的低温度状况下提供电阻稳定性。
图3描绘了根据本公开实施例的PPTC器件和常规器件的电阻随温度变化的曲线图；图4描绘了图3的曲线图的低温度部分。如图所示，没有增加电阻元件的常规PPTC材料(实线)，与增加电阻元件的本实施例的PTC器件(虚线)相比，在低于跳闸温度(跳闸温度到160℃)下表现出更大的电阻增加。例如，通过增加静态电阻元件，如增加的电阻所示，热衰减在85℃时要小得多。
为了进一步解释本实施例的优势，考虑以下列方式生成图3和图4中所示行为的场景。PPTC产品的要求是在低温范围内具有50mOhm的电阻。原则上，在低于跳闸温度的所有温度下保持这个电阻水平是最理想的。在实际中，在25℃时PPTC电阻R25C可以等于50mOhm，而在85℃时PPTC电阻R85C＝60mOhm，如图4所示。因此，85℃时的电阻与25℃时的电阻之比为R85C/R25C＝1.2X。换句话说，电阻在此温度范围内增加了25％。根据本公开的实施例，通过将相同的PPTC材料(诸如PPTC层)和电阻元件(诸如电阻层)电气串联布置，可以生成相同的电阻，其中PPTC层具有12.5mOhm的电阻并且电阻元件具有37.5mOhm的电阻，得到50mOhm的总电阻。在85℃时，PPTC层的电阻将增加25％以产生15mOhm的R85C，而具有静态电阻的电阻元件保持37.5mOhm的电阻，得到在85℃时52.5mOhm的总电阻。因此，R85C/R25＝52.5mOhm/50mOhm或1.05，比仅由PPTC材料构成的已知器件小得多的总电阻增加。
更一般地，并参照图3和图4，在图3中标为LTR的给定温度范围内，本实施例的PPTC元件可以被视为具有第一电阻温度系数(TCR)，而电阻元件可以被视为具有小于第一电阻温度系数的第二电阻温度系数。值得注意的是，TCR不需要与温度呈线性关系，并且可以简单地由电阻和两个不同的感兴趣的温度(T2和T1)诸如25℃和85℃来定义，其中TCR将由RT2/RT1/(T2-T1)给出。因此，通过将具有较低TCR的电阻元件与具有相对较高TCR的PPTC元件电气串联地提供，相对于无电阻元件的纯PPTC器件，该PPTC器件组件的有效TCR可以被降低，从而导致较少的热衰减。换句话说，在一些实施例中，为了有效地降低PPTC器件组件的TCR，电阻元件的TCR不必为零，而可以是比PPTC元件或PPTC层的TCR更小的值。
图5描绘了根据本公开的进一步实施例的PPTC器件的实施例。PPTC器件200具有圆柱体薄片形状，包括示出为电阻层202的一对电阻元件，以及设置在电阻层202之间的PPTC层204。PPTC器件200可以耦合至外部端子或电极，例如示出为电极206。值得注意的是，在其他实施例中，只需要在PPTC层204两侧的任意一侧上提供一层电阻元件。
图6描绘了根据本公开的进一步实施例的PPTC器件的实施例。PPTC器件210具有矩形棱柱形状(矩形薄片形状)，包括示出为电阻层212的一对电阻元件，以及设置在电阻层212之间的PPTC层214。PPTC器件210可以耦合至外部端子或电极，示出为电极216。值得注意的是，在其他实施例中，只需要在PPTC层214两侧的任意一侧上提供一层电阻元件。
图7描绘了根据本公开的进一步实施例的PPTC器件组件的实施例。PPTC器件组件220包括示出为电阻层222A和222B的一对电阻元件，以及设置在电阻层之间的PPTC层224。PPTC器件组件220还包括电极226，如图所示，其中PPTC层224、电阻层222A和222B电气串联地设置在电极226之间。电极226平行于PPTC层224的平面沿相同方向延展。值得注意的是，在其他实施例中，只需要在PPTC224层两侧的任意一侧上提供一层电阻元件。
图8描绘了根据本公开的进一步实施例的PPTC器件组件的实施例。PPTC器件组件230包括示出为电阻层222A和222B的一对电阻元件，以及设置在电阻层之间的PPTC层224。PPTC器件组件230还包括电极236A和236B，如图所示，其中PPTC层224、电阻层222A和电阻层222B电气串联地设置在电极236A和236B之间。电极236A和236B平行于PPTC层224的平面沿相反方向延展。值得注意的是，在其他实施例中，只需要在PPTC层224两侧的任意一侧上提供一层电阻元件。
在各种实施例中，可以构造PPTC组件，其中PPTC层包括聚合物基质，并包括分散在聚合物基质中的导电填料。聚合物基质可以由现有技术中已知的用于形成PPTC器件的任何合适的聚合物形成。在一些实施例中，聚合物基质可以由聚烯烃形成，诸如聚乙烯(PE)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯三氟乙烯、全氟烷氧基烷烃、或四氟乙烯-全氟丙烯、聚偏二氟乙烯、其他氟聚合物或其他含氟聚合物。实施例在该上下文中不受限制。
在各种实施例中，导电填料可以是金属填料，包括镍、铜；碳填料，诸如炭黑或石墨；导电陶瓷填料，诸如碳化钨或碳化钛。实施例在该上下文中不受限制。尽管示出为圆形颗粒，但导电填料也可以包括任何适当形状的颗粒，包括等轴形状、细长形状和不规则形状。根据各种实施例，导电填料的体积分数可以设置在足够高的水平上，以在第一表面和和与第一表面相对的第二表面之间赋予相对较低的电阻或电阻率。根据所述导电填料的组成和导电填料颗粒的形状，导电填料104的体积分数可以在5％至60％范围之间。
图9描绘了根据本公开实施例的工艺流程900。在框910中，选择PTC元件，该PTC元件表现出目标跳闸温度(例如在各种非限制性实施例中在100℃到200℃之间)和第一室温(25℃)电阻。在各种非限制性实施例中，PTC元件在低于跳闸温度的范围内，例如在25℃到85℃的温度范围内，或在25℃到100℃的温度范围内，可以表现出电阻增加的特征。
在框920中，选择表现出第二室温电阻的电阻元件。在一些示例中，第二室温电阻可以高于PTC元件的第一室温电阻。第一室温电阻和第二室温电阻之和可以选择为与目标室温串联电阻相等。
在框930中，电阻元件被贴附在PTC元件上。在一些示例中，PTC元件可以配置为层、块、板、圆柱形薄片或其他形状。可以使用导电介质(例如一些实施例中的焊料)将电阻元件将电阻元件贴附在PTC元件上。在一些实施例中，电阻元件可以采取薄片或箔的形式。在其他的实施例中，电阻元件可以是导电聚合物，例如导电环氧树脂。根据一些实施例，可以选择在低于PTC元件的跳闸温度的低温度状况下具有稳定电阻特性的电阻元件。在一些实施例中，电阻元件的电阻在温度范围内(诸如25℃到85℃、25℃到100℃等)基本上保持恒定。相应地，在例如25℃到85℃的目标温度范围内，电阻元件和PTC元件构成了PPTC器件，与没有电阻元件的纯PTC器件相比，该PPTC器件表现出较小的串联电阻增加。
在一些实施例中，可以提供两层或两片的电阻元件，其贴附在PTC元件的相对两侧上并以任何有用的形状布置。
在框940中，第一电极直接附接至PTC元件的第一侧，或附接至电阻元件，该电阻元件直接附接至PTC元件。
在框950中，第二电极直接附接至PTC元件的第二侧，或附接至电阻元件，该电阻元件直接附接至PTC元件。
在其他的实施例中，布置在表面贴装器件中的已知表面贴装型的PPTC元件可以与电阻元件(如电阻负载层)电气串联放置以减少PPTC元件的热衰减。
尽管本实施例是参照某些实施例进行公开的，但是在不背离本公开的领域和范围(如所附权利要求书中限定的)的情况下，可以对所述实施例进行大量的修改、改变和变更。因此，本实施例不限于所述实施例，并且可以具有由所附权利要求的语言所限定的全部范围及其等同物。

Claims (16)

1.一种聚合物正温度系数(PPTC)组件，包括：
PPTC元件，该PPTC元件具有跳闸温度，并且在低于所述跳闸温度的低温度范围内还具有第一电阻温度系数；
以及电阻元件，该电阻元件设置在所述PPTC元件的第一侧上并与所述PPTC元件电气接触，所述电阻元件包括电导体，并且在所述低温度范围内具有低于所述第一电阻温度系数的第二电阻温度系数；
第一电极，电气耦合至所述PPTC元件的第一侧；以及
第二电极，电气耦合至所述PPTC元件的第二侧，其中所述PPTC元件和所述电阻元件电气串联地布置在所述第一电极和所述第二电极之间。
2.根据权利要求1所述的PPTC组件，其中所述电阻元件包括薄电阻器材料、金属薄膜电阻器、导电聚合物复合材料、陶瓷金属氧化物电阻器、线圈电阻器、环氧树脂或导电环氧。
3.根据权利要求1所述的PPTC组件，其中所述PPTC元件包括聚合物基质和导电填料，该导电填料设置在所述聚合物基质中以在所述跳闸温度下产生从低电阻状态到高电阻状态的切换。
4.根据权利要求3所述的PPTC组件，其中所述聚合物基质包括聚乙烯(PE)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯三氟乙烯、全氟烷氧基烷烃、四氟乙烯-全氟丙烯、聚偏二氟乙烯、其他氟聚合物或其他含氟聚合物。
5.根据权利要求1所述的PPTC组件，其中所述PPTC元件包括室温下的第一电阻，该第一电阻是在所述第一电极和所述第二电极之间测量的，并且其中所述电阻元件包括室温下的第二电阻，该第二电阻是在所述第一电极和所述第二电极之间测量的，所述第二电阻大于所述第一电阻。
6.根据权利要求5所述的PPTC组件，其中所述第二电阻至少是所述第一电阻的两倍。
7.根据权利要求1所述的PPTC组件，其中所述电阻元件和所述PPTC元件包括圆柱形薄片形状或矩形薄片形状。
8.根据权利要求1所述的PPTC组件，其中所述第一电极和所述第二电极平行于所述PPTC元件的平面沿相反方向延伸。
9.根据权利要求1所述的PPTC组件，其包括表面贴装器件。
10.根据权利要求9所述的PPTC组件，所述表面贴装器件包括双层表面贴装器件。
11.一种方法，包括：
选择具有目标跳闸温度和第一室温电阻的PTC元件；
选择具有第二室温电阻的电阻元件，其中所述第一室温电阻与所述第二室温电阻之和等于目标室温电阻；
将所述电阻元件贴附到所述PTC元件上以构成PPTC器件；以及
将一组电极附接到所述PPTC器件上。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述电阻元件包括薄电阻器材料、金属薄膜电阻器、导电聚合物复合材料、环氧树脂或导电环氧。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述PTC元件包括聚合物基质和导电填料，该导电填料设置在所述聚合物基质中以在跳闸温度下产生从低电阻状态到高电阻状态的切换。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述聚合物基质包括聚乙烯(PE)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯三氟乙烯、全氟烷氧基烷烃、四氟乙烯-全氟丙烯、聚偏二氟乙烯、其他氟聚合物或其他含氟聚合物。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述一组电极包括第一电极和第二电极，其中所述PTC元件包括室温下的第一电阻，该第一电阻是在所述第一电极和所述第二电极之间测量的，并且其中所述电阻元件包括室温下的第二电阻，该第二电阻是在所述第一电极和所述第二电极之间测量的，所述第二电阻大于所述第一电阻。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第二电阻至少是所述第一电阻的两倍。
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