CN117912780A - 过电流保护元件 - Google Patents
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Abstract
一种过电流保护元件，包含第一金属层、第二金属层及叠设于第一金属层与第二金属层之间的热敏材料层。热敏材料层具有正温度系数特性且包含第一高分子聚合物及导电填料。第一高分子聚合物由聚偏二氟乙烯组成，而聚偏二氟乙烯具有α相聚偏二氟乙烯、β相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯，其中以α相聚偏二氟乙烯、β相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯的含量总和为100％计，γ相聚偏二氟乙烯占33％至42％。
Description
技术领域
本发明是关于一种过电流保护元件，更具体而言，关于一种耐高温及耐高压的过电流保护元件。
背景技术
现有的具有正温度系数(Positive Temperature Coefficient，PTC)特性的导电复合材料的电阻对于特定温度的变化相当敏锐，可作为电流感测元件的材料，且目前已被广泛应用于过电流保护元件或电路元件上。具体而言，PTC导电复合材料在正常温度下的电阻可维持极低值，使电路或电池得以正常运行。但是，当电路或电池发生过电流(over-current)或过高温(overtemperature)的现象时，其电阻值会瞬间提高至一高电阻状态(至少104Ω以上)，即所谓的触发(trip)，而将过电流截断，以达到保护电池或电路元件的目的。
就过电流保护元件的最基本结构而言，是由PTC材料层及粘附于其两侧的金属电极所构成。PTC材料层至少会包含基材及导电填料。基材由高分子聚合物所组成，而导电填料则散布于高分子聚合物中作为导电通道。近年来，为使过电流保护元件应用于高温环境，基材可选用熔点较聚乙烯高的聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene difluoride，PVDF)，而导电填料则以碳黑为主。然而，传统上为了进一步改善应用于高温环境的过电流保护元件的耐电压特性，仍需额外加入其他添加剂。加入其他添加剂常使得配方设计复杂化。例如，添加剂于选择上须考量其与高分子聚合物及导电填料的相容性。并且，选定添加剂之后，更需精确地调整高分子聚合物及导电填料的比例以维持良好的电气特性。再者，为了因应快速变迁的产业需求，配方常有改良的可能。每多增加一种化学组成，未来改良时的复杂度会更为骤增。
聚偏二氟乙烯虽具多种物化特性，但应用其本身的物化特性来改善耐电压特性仍待进一步突破。举例来说，聚偏二氟乙烯常讨论的结晶结构主要有三相，即α相、β相及γ相。以此三种结构型态存在的聚偏二氟乙烯可分别称之为α相聚偏二氟乙烯(α-PVDF)、β相聚偏二氟乙烯(β-PVDF)及γ相聚偏二氟乙烯(γ-PVDF)。就此三种晶相而言，应用上多聚焦于β-PVDF的压电性及铁电性，而α-PVDF及γ-PVDF在功能性上则较少着墨，更遑论用于耐电压特性的改良。
综上，现有应用于高温环境的过电流保护元件，在耐电压上的特性仍有相当的改善空间。
发明内容
本发明提供一种应用于高温且耐高电压的薄型过电流保护元件。本发明除了选用具有高熔点的聚偏二氟乙烯作为基材外，更进一步调整聚偏二氟乙烯的晶相组成比例，使得过电流保护元件于高温环境下具有极佳的耐电压特性。并且，经多次高温触发后，过电流保护元件仍可恢复至良好的低阻状态。如此，在无须借助其他添加剂的情况下，过电流保护元件的热稳定性及耐电压特性得以提升。
根据本发明的一实施态样，一种过电流保护元件，包含第一金属层、第二金属层及叠设于第一金属层与第二金属层之间的热敏材料层。热敏材料层具有正温度系数特性且包含第一高分子聚合物及导电填料。第一高分子聚合物由聚偏二氟乙烯组成，而聚偏二氟乙烯具有α相聚偏二氟乙烯、β相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯，其中以α相聚偏二氟乙烯、β相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯的含量总和为100％计，γ相聚偏二氟乙烯占33％至42％。导电填料由碳黑组成并散布于第一高分子聚合物中，用于形成热敏材料层的导电通道。
根据一些实施例，β相聚偏二氟乙烯的含量占9％至21％。
根据一些实施例，γ相聚偏二氟乙烯的含量与β相聚偏二氟乙烯的含量合计占54％至62％。
根据一些实施例，β相聚偏二氟乙烯的含量除以α相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯的含量和，所得数值的百分比为15％至27％。
根据一些实施例，以热敏材料层的体积为100％计，第一高分子聚合物占50％至65％。
根据一些实施例，热敏材料层更包含第二高分子聚合物，并使导电填料散布于第一高分子聚合物及第二高分子聚合物中，其中第二高分子聚合物为含氟聚合物且选自由聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、全氟烃氧改质四氟乙烯、聚(氯三-氟四氟乙烯)、二氟乙烯-四氟乙烯聚合物、四氟乙烯-全氟间二氧杂环戊烯共聚物、二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三聚物及其任意组合所组成的群组。
根据一些实施例，其中第二高分子聚合物为聚四氟乙烯。
根据一些实施例，以热敏材料层的体积为100％计，第二高分子聚合物占4％至5％。
根据一些实施例，热敏材料层更包含阻燃剂。阻燃剂选自由氧化锌、氧化锑、氧化铝、氧化硅、碳酸钙、硫酸镁、硫酸钡、氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化钙、氢氧化钡及其任意组合所组成的群组，其中热敏材料层的体积为100％计，阻燃剂占3.2％。
根据一些实施例，过电流保护元件具有一定厚度及第一电气特性。厚度为0.2mm至0.4mm，而第一电气特性为耐电压值，介于36V至60V之间。
根据一些实施例，过电流保护元件具有第二电气特性。第二电气特性为电阻跃升率，介于1.2至2.2之间。
根据一些实施例，过电流保护元件具有第三电气特性。第三电气特性为触发(trip)温度，介于160℃至170℃之间。
根据一些实施例，过电流保护元件具有体积电阻率介于0.7Ω·cm至0.76Ω·cm之间。
根据一些实施例，过电流保护元件具有上视面积为30mm2至72mm2，且上视面积之单位面积可承受功率为4.6W/mm2至4.75W/mm2。
附图说明
图1显示本发明一实施例的过电流保护元件；
图2显示图1的过电流保护元件的上视图；
图3显示聚偏二氟乙烯的X光绕射图谱；以及
图4显示图1的过电流保护元件的电阻值-温度曲线图。
其中，附图标记说明如下：
10 过电流保护元件
11 热敏材料层
12 第一金属层
13 第二金属层
A 长度
B 宽度
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，并配合所附图式，作详细说明如下。
请参照图1，显示本发明的过电流保护元件的基本态样。过电流保护元件10包含第一金属层12、第二金属层13，以及叠设于第一金属层12与第二金属层13之间的热敏材料层11。第一金属层12及第二金属层13皆可由镀镍铜箔或其他导电金属所组成。热敏材料层11具有正温度系数特性，并且包含第一高分子聚合物及导电填料。第一高分子聚合物作为热敏材料层11的聚合物基材，而导电填料由碳黑组成并散布于此聚合物基材中，形成热敏材料层11的导电通道。在本发明中，热敏材料层11为具有正温度系数(Positive TemperatureCoefficient，PTC)特性的正温度系数材料层。
以热敏材料层11的体积为100％计，第一高分子聚合物占50％至65％，且第一高分子聚合物由聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene difluoride，PVDF)组成。此外，聚偏二氟乙烯具有多种晶体结构，本发明进一步针对聚偏二氟乙烯其中的α相、β相及γ相的晶体结构进行比例上的调整。这三种晶体结构的聚偏二氟乙烯可分别称之为α相聚偏二氟乙烯(α-PVDF)、β相聚偏二氟乙烯(β-PVDF)及γ相聚偏二氟乙烯(γ-PVDF)。各晶相主要是以立体构型做区分，意即各晶相的分子链具有不同的反式(trans，T)及间扭式(gauche，G)排列情形。单就结构而言，α相聚偏二氟乙烯为TGTG构象，为最稳定的非极性结构；β相聚偏二氟乙烯为TTT构象，为极性结构；以及γ相聚偏二氟乙烯为TTTGTTTG构象，为极性结构。本发明通过电子束对聚偏二氟乙烯进行照光处理，并利用不同的照光剂量(20kGy至1000kGy)调整聚偏二氟乙烯其各晶相间的比例。照光处理后，再以X光绕射仪器(X-ray Diffractometer，XRD)分析并确认α相聚偏二氟乙烯、β相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯的含量。
在本发明中，α相聚偏二氟乙烯、β相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯的三者含量皆会影响过电流保护元件10于触发时的电气特性。举例而言，γ相聚偏二氟乙烯可作为改善过电流保护元件10的热稳定性及耐电压特性的指标之一。以α相聚偏二氟乙烯、β相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯的含量总和为100％计，γ相聚偏二氟乙烯占33％至42％的情况下具有较佳的热稳定性及耐电压特性。当γ相聚偏二氟乙烯的含量低于33％时，热敏材料层11会有导电填料非匀相分布而造成凝团的问题。更详细而言，相较于α相聚偏二氟乙烯，γ相聚偏二氟乙烯的晶体结构较不稳定，故在结晶成型时，γ相聚偏二氟乙烯的结晶尺寸通常较小。相较于大尺寸结晶，小尺寸结晶因其单位体积小，故于一定空间中可较为均匀地散布。据此，γ相聚偏二氟乙烯的结晶可于整体聚偏二氟乙烯中较为均匀地分布，相对地也使穿插其间的导电填料均匀地填充非结晶区。反之，若γ相聚偏二氟乙烯的比例偏低(如低于33％)，易使导电填料非匀相分布而造成凝团，导致过电流保护元件10于高电压下会烧毁且热稳定性不佳。另外，如同前述所提，过电流保护元件10的电气特性并非由单一晶相的比例决定。在α相聚偏二氟乙烯的比例维持一定范围时，若γ相聚偏二氟乙烯的含量过高(如高于42％)，会相对使β相聚偏二氟乙烯的比例降至过低，进而影响过电流保护元件10的电阻跃升率(resistance jump/trip jump)(详见下文的定义)。更进一步，将β相聚偏二氟乙烯与γ相聚偏二氟乙烯两者的含量合计来看，本发明的发明人观察到β相聚偏二氟乙烯与γ相聚偏二氟乙烯可以共同对过电流保护元件10造成良好的电气特性影响。举例而言，在本发明中，以α相聚偏二氟乙烯、β相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯的含量总和为100％计，γ相聚偏二氟乙烯的含量与β相聚偏二氟乙烯的含量合计占54％至62％。当γ相聚偏二氟乙烯与β相聚偏二氟乙烯两者的合计总量落于54％至62％之间时，过电流保护元件10不仅能通过3000次的循环寿命测试，更能维持良好的电阻跃升率。并且，在此含量区间中，电阻跃升率会随着比例越高而越佳。基于前述，可知γ相聚偏二氟乙烯过高会使β相聚偏二氟乙烯的含量不足，而两者在特定比例下达一定总量又可具有良好的电气特性。故于一实施例中，β相聚偏二氟乙烯为至少9％，而γ相聚偏二氟乙烯与β相聚偏二氟乙烯两者的合计总量为33％至62％，例如33％、40％、47％、54％或62％。在一较佳的实施例中，β相聚偏二氟乙烯为13％至21％，而γ相聚偏二氟乙烯与β相聚偏二氟乙烯两者的合计总量为54％至62％，例如54％、56％、58％、60％或62％。在一最佳的实施例中，β相聚偏二氟乙烯为20％至21％，而γ相聚偏二氟乙烯与β相聚偏二氟乙烯两者的合计总量为59％至60％。
另需特别注意的是，在此三相中，β相聚偏二氟乙烯为具有最佳压电性的晶体结构者，惟本发明的发明人观察到其在特定比例时(即9％至21％)对电阻值的稳定性及耐电压性亦有显著影响。尤其在β相聚偏二氟乙烯相对于其他两者晶相的比例调整为一定范围时，此种情形更为明显。举例而言，设β相聚偏二氟乙烯的含量为第一数值，而α相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯的含量和为第二数值。本发明是将第一数值除以第二数值所得的数值换算为百分比且调整为10％至27％的范围时，过电流保护元件10能通过2000次及3000次的循环寿命测试。在一较佳的实施例中，为了更进一步提升电阻跃升率，是将第一数值除以第二数值所得的数值换算为百分比且调整为15％至27％的范围。在一最佳的实施例中，为使过电流保护元件10能通过2000次及3000次的循环寿命测试且具有最佳的电阻跃升率，是将第一数值除以第二数值所得的数值换算为百分比且调整为26％至27％。
此外，热敏材料层11可进一步包含第二高分子聚合物，其亦作为热敏材料层11的聚合物基材。导电填料散布于由第一高分子聚合物及第二高分子聚合物共同组成的聚合物基材中，借以形成热敏材料层11的导电通道。另外，第二高分子聚合物较佳为含氟聚合物，且选自由聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、全氟烃氧改质四氟乙烯、聚(氯三-氟四氟乙烯)、二氟乙烯-四氟乙烯聚合物、四氟乙烯-全氟间二氧杂环戊烯共聚物、二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三聚物及其任意组合所组成的群组。举例而言，第二高分子聚合物可选用聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)。在本发明中，聚偏二氟乙烯作为聚合物基材的主成分，而聚四氟乙烯作为聚合物基材的次成分。亦即，在聚合物基材中，聚偏二氟乙烯的含量来得比聚四氟乙烯高；故以热敏材料层的体积为100％计，聚四氟乙烯占4％至5％。在一实施例中，以热敏材料层11的体积为100％计，聚四氟乙烯占4％、4.2％、4.4％、4.6％、4.8％或5％。聚四氟乙烯的熔点远高于聚偏二氟乙烯，可用于微调聚合物基材整体的热稳定性。更详细而言，聚偏二氟乙烯的熔点介于约170℃至178℃之间，而聚四氟乙烯的熔点介于约320℃至335℃之间。在低温制程中，当制作过电流保护元件或后续如回焊的制程温度(例如：250℃)高于聚偏二氟乙烯而低于聚四氟乙烯时，聚偏二氟乙烯会熔融而聚四氟乙烯则否。据此，聚四氟乙烯可呈现固态颗粒均匀分散于热敏材料层11中并作为聚偏二氟乙烯的成核中心，利于结晶的形成。又或者是，基于聚四氟乙烯的高熔点特性，聚四氟乙烯的形变程度在高温下较小，借此可有效稳定热敏材料层11的结构型态而不会过度变形。通过前述利于结晶、防止变形或其他高熔点带来的有利特性，聚四氟乙烯可有效提升过电流保护元件10的电阻稳定性及耐电压特性。
除此之外，为提高过电流保护元件10的耐燃性，热敏材料层11更可包含阻燃剂。阻燃剂选自由氧化锌、氧化锑、氧化铝、氧化硅、碳酸钙、硫酸镁、硫酸钡、氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化钙、氢氧化钡及其任意组合所组成的群组。在一实施例中，阻燃剂为氢氧化镁，且热敏材料层11的体积为100％计，氢氧化镁占3.2％。氢氧化镁不仅可作为阻燃剂，更可作为酸碱中和的缓冲填料。其因在于，聚偏二氟乙烯受高温影响而裂解时会产生氢氟酸(HF)。此时，氢氧化镁可与氢氟酸结合，进行酸碱中和的反应，借此防止氢氟酸腐蚀元件或造成其他危害。也就是说，氢氧化镁不仅提升了耐燃性，亦具有酸碱中和的缓冲功效，特别适用于以含氟聚合物为基材的过电流保护元件10中。
另需特别说明的是，为了使得过电流保护元件具有良好的耐电压特性，传统过电流保护元件在厚度上会控制在0.4mm至0.6mm的范围区间。然而，通过前述PVDF晶体结构比例的改良，本发明的过电流保护元件10的厚度可被制作为极薄，在厚度薄至0.2mm时仍可保有良好的数种电气特性。更详细而言，过电流保护元件10的厚度可为0.2mm至0.4mm，而过电流保护元件10在此厚度区间中可具有至少三种优良的电气特性(下文称第一电气特性、第二电气特性及第三电气特性)。第一电气特性为耐电压值，介于36V至60V之间。传统上，过电流保护元件的聚偏二氟乙烯的晶相比例未调整为最佳，若将厚度减薄至0.4mm以下，过电流保护元件至多仅能承受36V的电压，超过则会烧毁。然而，本发明的过电流保护元件10在厚度远低于0.4mm时，仍可承受高达60V的电压而不会烧毁。第二电气特性为电阻跃升率，介于1.2至5.6之间。前述电阻跃升率是用于评估电阻稳定性的指标之一。举例来说，于室温时，过电流保护元件10在经循环寿命测试(Cycle life test)前具有第一电阻值。接着，过电流保护元件10经数次触发后再冷却至室温时会具有第二电阻值。将第二电阻值除以第一电阻值所得的数值即为电阻跃升率。电阻跃升率越低意味着过电流保护元件10的电阻值恢复能力或电阻回复性越佳。在一较佳的实施例中，电阻跃升率介于1.2至2.2之间。也就是说，过电流保护元件10经过2000次或3000次的循环寿命测试后，不仅未烧毁且仍旧能够恢复原本的低电阻状态，甚至几乎与未触发前相同(如1.2)。第三电气特性为触发(trip)温度，介于160℃至170℃之间。热敏材料层11的组成经前述调整后，随着温度的提升，过电流保护元件10可于聚偏二氟乙烯的熔点附近触发，并且在触发状态时依然可维持稳定的高电阻状态，而不会有触发后负温度系数(Negative Coefficient Temperature，NTC)效应的情形。换句话说，过电流保护元件10于触发后，过电流保护元件10不会有过电流保护元件的电阻值随着温度升高而下降的缺失。负温度系数效应是指过电流保护元件的电阻值会随着温度升高而下降，这会导致原本意图截断的电流有可能于元件触发后又使电流通过元件，无法达到实质上的电路保护作用。
继续参照图2，为图1的过电流保护元件10的上视图。过电流保护元件10具有长度A及宽度B，而面积“A×B”亦等同于热敏材料层11的面积。热敏材料层11依产品型号不同可具有上视面积为30mm2至72mm2。举例而言，面积“A×B”可为5×6mm2、5.1×6.1mm2、5×7mm2、7.62×7.62mm2、8.2×7.15mm2、7.62×9.35mm2或8×9mm2。此外，相较于传统的过电流保护元件，本发明过电流保护元件10的单位面积可承受的功率大出许多。例如，以5×7mm2的尺寸而言，单位面积可承受功率为4.6W/mm2至4.75W/mm2。至于传统的过电流保护元件，因其可承受电压的极限为36V，故单位面积可承受功率至多仅为约3W/mm2。
如上所述，本发明可使过电流保护元件10于高温下具有良好的电气特性。下表一至表六进一步以实际的验证数据进行说明。
表一、热敏材料层的配方比例(vol％)
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如表一所示，以体积百分比显示热敏材料层11的配方成份。本试验中，热敏材料层11由聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene difluoride，PVDF)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)、氢氧化镁(Mg(OH)2)及碳黑(Carbon Black，CB)组成。聚偏二氟乙烯及聚四氟乙烯共同组成热敏材料层11的聚合物基材，而碳黑则散布于聚合物基材中作为导电通道。氢氧化镁作为阻燃剂，另可中和聚偏二氟乙烯于裂解时所产生的氢氟酸(HF)。需特别注意的是，为了提升元件的耐电压特性及其他电气特性的稳定性，配方中所采用导电填料仅由碳黑组成，而未添加任何导电陶瓷材料、金属材料、金属碳化物或金属化合物。换句话说，此配方主要针对聚偏二氟乙烯本身的物化特性进行调整，并验证此种调整在导电填料为碳黑系统时的表现。
基于表一所呈现的配方，将配方中的材料加入HAAKE公司生产的双螺杆混练机中进行混练。混练的温度设定为215℃，预混之时间为3分钟，而混练之时间则为15分钟。混练完成后可获得导电性聚合物，并以热压机于210℃及150kg/cm2的压力压成薄片，再将薄片切成约20公分×20公分的正方形。接着，再同样用热压机以210℃的温度及150kg/cm2的压力将两镀镍铜箔压合至导电性聚合物的薄片的两面，形成具有三层结构的板材。最后，以冲床将此板材冲压出多个PTC芯片，而这些PTC芯片即为过电流保护元件。
接着，本试验进一步将PTC芯片进行光照处理，借此对前述体积百分比占59％的聚偏二氟乙烯进行显微结构的调整，使其含有特定的晶相比例。更详细而言，本试验通过一特定光源照射聚偏二氟乙烯，并借由此特定光源的辐射能改变聚偏二氟乙烯的显微结构。照光处理的光源为电子束(E-beam)，其照射剂量由小至大为20kGy、50kGy、200kGy、300kGy、600kGy及1000kGy，意即分为六组(下表二会再进行讨论)。组别E1至E3，为高剂量的实施例E1、E2及E3，照射剂量分别对应为300kGy、600kGy及1000kGy。组别C1至C3，为低剂量的比较例C1、C2及C3，照射剂量分别对应为20kGy、50kGy及200kGy。
经照光处理后，聚偏二氟乙烯可通过X光绕射仪器(X-ray Diffractometer，XRD)进行晶体结构的分析。已知α相聚偏二氟乙烯对应的绕射角(2θ)为26.56°、19.9°、18.3°及17.6°；β相聚偏二氟乙烯对应的绕射角(2θ)为20.26°；而γ相聚偏二氟乙烯对应的绕射角(2θ)为20.02°、19.2°以及18.5°。经XRD分析后，可获得各组于对应绕射角的强度值(countsper second，cps)，并换算为百分比(下表二)。另为比较各组的波峰位置，亦将各组的XRD分析结果标准化(normalized)如图3。如图3所示，横轴为绕射角(2θ)，单位以度(°)表示。纵轴为强度，单位以任意单位(arbitrary unit，a.u.)表示。可观察到各组的图谱线段在α相聚偏二氟乙烯、β相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯的对应绕射角(2θ)皆呈现类似的波峰。
表二、聚偏二氟乙烯的晶相比例
请继续参照表二，组别E1至E3，为高剂量的实施例E1、E2及E3，照射剂量分别为300kGy、600kGy及1000kGy。组别C1至C3，为低剂量的比较例C1、C2及C3，照射剂量分别为20kGy、50kGy及200kGy。各组中是以α相聚偏二氟乙烯、β相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯的含量(即前述强度值)和为100％计，并呈现α相聚偏二氟乙烯、β相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯所占的百分比。据此，在实施例E1至E3中，γ相聚偏二氟乙烯及β相聚偏二氟乙烯的含量总和调整为43.40％至59.17％，且β相聚偏二氟乙烯至少高于9.8％。此外，如前文所提，β相聚偏二氟乙烯已知为压电性最佳的晶体结构，而本发明的发明人观察到其在特定比例时对电阻值的稳定性及耐电压性亦有显著影响。尤其，在β相聚偏二氟乙烯相对于其他两者晶相的比例调整为一定范围时，此种情形更为明显。故于表二中，另呈现β相聚偏二氟乙烯相对于α相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯的比例，即β/(α+γ)。至于比较例C1至C3，γ相聚偏二氟乙烯及β相聚偏二氟乙烯的含量总和调整为48.50％至53.37％，且皆具较低含量的β相聚偏二氟乙烯(约6％至7％)。
随后，本试验是将上述经光照处理的过电流保护元件进行各种测试，每组各取5个进行验证。需说明的是，过电流保护元件的长及宽分别为5mm及7mm(即上视面积为35mm2)，而厚度为0.22mm。
表三、循环寿命测试
如表三所示，第一列由左至右显示各验证项目。
Ri，是指于室温下过电流保护元件的初始电阻值。
R1，是指过电流保护元件于第一次触发(trip)后，再待其冷却至室温后所测得的电阻值。具体来说，过电流保护元件可进一步焊上接脚，而焊接的高温会导致其触发。
另外，根据体积电阻率的公式ρ＝R×A/L，R为电阻值，L为厚度，而A为面积。据此，可求得Ri及R1的体积电阻率，分别为ρi及ρ1。
2000C及3000C代表循环寿命测试的循环数。循环寿命测试是以60V/20A的电压/电流施加10秒后，关闭60秒为一个循环。如此，反复2000个循环(2000C)或3000个循环(3000C)后，观察过电流保护元件是否有烧毁的情形。“通过”代表过电流保护元件未烧毁，而“未通过”代表过电流保护元件烧毁。
R2000C/R1及R3000C/R1，分别代表2000次循环寿命测试后及3000次循环寿命测试后的电阻跃升率。更详细而言，过电流保护元件经2000次(或3000次)循环寿命测试后冷却至室温时，可测得电阻值R2000C(或R3000C)。将R2000C(或R3000C)除以R1所获得的比值即为电阻跃升率。比值(即电阻跃升率)越低意味着过电流保护元件恢复至低电阻状态的能力或电阻回复性越佳。换句话说，电阻跃升率可用于评估电阻稳定性。
如前文所述，α相聚偏二氟乙烯、β相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯的三者含量皆会影响过电流保护元件10于触发时的电气特性，而非由单一晶相的含量所决定。在实施例E1至E3中，当γ相聚偏二氟乙烯与β相聚偏二氟乙烯两者的合计总量落于43.40％至59.17％之间且β相聚偏二氟乙烯大于9.80％时，过电流保护元件可具备良好的耐电压特性并通过2000次循环寿命测试后及3000次循环寿命测试。进一步，在前述设定下，γ相聚偏二氟乙烯的含量多寡对电阻跃升率有显著的影响。当γ相聚偏二氟乙烯的含量下降至33.61％时(即实施例3)，过电流保护元件虽能通过循环寿命测试，但电阻跃升率(R2000C/R1及R3000C/R1)却显著提升为4.96至5.56。而相较于实施例E1，当实施例E2中的γ相聚偏二氟乙烯的含量上升至42.29％时，电阻跃升率亦有上升的趋势，为1.85至2.18。显见，γ相聚偏二氟乙烯的含量过多或过少皆会影响过电流保护元件的电阻稳定性。在比较例C1至C3亦有相同情形发生。比较例C1至C3不仅未能通过循环寿命测试，且电阻稳定性亦会受到γ相聚偏二氟乙烯的影响。比较例C1至C3的β相聚偏二氟乙烯大致上维持在6％至7％之间，而当γ相聚偏二氟乙烯的含量下降至41.73％(三组中最低者)，电阻值R1的上升趋势较为显著。由此可见，过电流保护元件经触发后，电阻稳定性的差异便开始浮现。至于其他比例上可供调整的数值及范围，前文已有详细讨论，在此不多做赞述。
基于上述，可知聚偏二氟乙烯的晶相含量调整为实施例E1至E3时，可具有良好的耐电压特性。并且，为更进一步改善电阻的热稳定性，实施例E1及实施例E2不仅具有良好的耐电压特性，更有极佳的电阻跃升率。关于前述热稳定性，可继续参照图4。图4显示实施例E1至E3的电阻值-温度曲线图，其中300kGy、600kGy、1000kGy分别对应至实施例E1、实施例E2及实施例E3。实施例E1及实施例E2的触发温度为约160℃至170℃之间，而实施例E3的触发温度为约140℃至150℃之间。由此可知，实施例E1及实施例E2约在聚偏二氟乙烯的熔点附近触发，而实施例E3则否，意味着实施例E3中的聚偏二氟乙烯已有相当程度的裂解，导致其触发温度显著低于聚偏二氟乙烯的熔点。并且，实施例E3在触发后更有负温度系数(Negative Coefficient Temperature，NTC)效应的情形，如160℃至200℃所呈现的趋势。也就是说，实施例E3在触发后，其电阻会随温度升高显著下降，如此会有无法将电流完全截断的可能。
为进一步佐证本发明的热稳定性及耐电压特性，后续更测试其他电气特性，请见下表四。需注意的是，由于比较例C1至C3无法承受至60V/20A的高电压，故表四中的比较例C1至C3所采用的施加电压为36V/20A。
表四、各组别的其他电气特性
如表四所示，第一列由左至右显示数个验证项目。
I-T25℃，是指于25℃环境下，过电流保护元件的触发电流的大小。
I-T125℃，是指于125℃环境下，过电流保护元件的触发电流的大小。
I-T125℃/I-T25℃，是用于比较于不同温度的环境下，触发电流通过的多寡，借此观察电流随温度升高而降低的热降(thermal derating)效应的程度。此项比值越低，意味着热降情形越严重，反之则否。
P25℃，是指于25℃环境下，过电流保护元件可承受的功率。
P25℃/area，是指于25℃环境下，过电流保护元件的单位面积可承受的功率。
由表四可知，实施例E1至E3的I-T125℃/I-T25℃为0.273至0.396，而P25℃/area为4.63W/mm2至4.71W/mm2；比较例C1至C3的I-T125℃/I-T25℃则为0.407至0.569，而P25℃/area为2.67至3.14W/mm2。换句话说，相较于比较例C1至C3，实施例E1至E3的热降情形虽然稍微明显，但与C1至C3差异不大，却能承受极高的功率而不会烧毁，故可将过电流保护元件的耐电压值拉高至60V。需再次注意到，比较例C1至C3是为了能够测量到各项电气特性，故将施加电压下调为其极限，即36V。若将比较例C1至C3的施加电压提升至60V，比较例C1至C3会如同表三的循环寿命测试造成烧毁，更遑论去测量其电气特性。故前述实施例E1至E3的热降情形稍微明显是属合理，因在相同高电压下(60V)比较例C1至C3会全数烧毁，比热降情形更为严重。综合上述，实施例E1至E3的过电流保护元件10不仅能够制作为较薄(0.22mm)，更能承受高达4.63W/mm2至4.71W/mm2的高功率而不会烧毁。
据此，本发明提供一种应用于高温且耐高电压的薄型过电流保护元件。过电流保护元件最薄可达0.2mm，同时又能承受60V的高电压而不会烧毁。更详细而言，本发明除了选用具有高熔点的聚偏二氟乙烯作为基材外，更进一步调整聚偏二氟乙烯的晶相组成比例，使得过电流保护元件于高温环境下具有极佳的耐电压特性。并且，经多次高温触发后，过电流保护元件仍可恢复至良好的低阻状态。如此，在无须借助其他添加剂的情况下，过电流保护元件的热稳定性及耐电压特性得以提升。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，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揭示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揭示者，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所涵盖。
Claims (14)
1.一种过电流保护元件，包含：
一第一金属层；
一第二金属层；以及
一热敏材料层，叠设于该第一金属层与该第二金属层之间，该热敏材料层具有正温度系数特性且包含：
一第一高分子聚合物，由聚偏二氟乙烯组成，而聚偏二氟乙烯具有α相聚偏二氟乙烯、β相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯，其中以α相聚偏二氟乙烯、β相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯的含量总和为100％计，γ相聚偏二氟乙烯占33％至42％；以及
一导电填料，由碳黑组成并散布于该第一高分子聚合物中，用于形成该热敏材料层的导电通道。
2.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中β相聚偏二氟乙烯的含量占9％至21％。
3.根据权利要求2所述的过电流保护元件，其中γ相聚偏二氟乙烯的含量与β相聚偏二氟乙烯的含量合计占54％至62％。
4.根据权利要求2所述的过电流保护元件，其中β相聚偏二氟乙烯的含量除以α相聚偏二氟乙烯及γ相聚偏二氟乙烯的含量和，所得数值的百分比为15％至27％。
5.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中以该热敏材料层的体积为100％计，该第一高分子聚合物占50％至65％。
6.根据权利要求5所述的过电流保护元件，其中该热敏材料层更包含一第二高分子聚合物，并使该导电填料散布于该第一高分子聚合物及该第二高分子聚合物中，其中该第二高分子聚合物为一含氟聚合物且选自由聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、全氟烃氧改质四氟乙烯、聚(氯三-氟四氟乙烯)、二氟乙烯-四氟乙烯聚合物、四氟乙烯-全氟间二氧杂环戊烯共聚物、二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三聚物及其任意组合所组成的群组。
7.根据权利要求6所述的过电流保护元件，其中该第二高分子聚合物为聚四氟乙烯。
8.根据权利要求7所述的过电流保护元件，其中以该热敏材料层的体积为100％计，该第二高分子聚合物占4％至5％。
9.根据权利要求8所述的过电流保护元件，该热敏材料层更包含一阻燃剂，该阻燃剂选自由氧化锌、氧化锑、氧化铝、氧化硅、碳酸钙、硫酸镁、硫酸钡、氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化钙、氢氧化钡及其任意组合所组成的群组，其中该热敏材料层的体积为100％计，该阻燃剂占3.2％。
10.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中该过电流保护元件具有一厚度及一第一电气特性，其中该厚度为0.2mm至0.4mm，而该第一电气特性为耐电压值，介于36V至60V之间。
11.根据权利要求10所述的过电流保护元件，其中该过电流保护元件具有一第二电气特性，该第二电气特性为电阻跃升率，介于1.2至2.2之间。
12.根据权利要求11所述的过电流保护元件，其中该过电流保护元件具有一第三电气特性，该第三电气特性为触发温度，介于160℃至170℃之间。
13.根据权利要求1所述的过电流保护元件，该过电流保护元件具有体积电阻率介于0.7Ω·cm至0.76Ω·cm之间。
14.根据权利要求1所述的过电流保护元件，该过电流保护元件具有一上视面积为30mm2至72mm2，且该上视面积的单位面积可承受功率为4.6W/mm2至4.75W/mm2。
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