TW201332937A - 過電流保護元件 - Google Patents

過電流保護元件 Download PDF

Info

Publication number
TW201332937A
TW201332937A TW101103836A TW101103836A TW201332937A TW 201332937 A TW201332937 A TW 201332937A TW 101103836 A TW101103836 A TW 101103836A TW 101103836 A TW101103836 A TW 101103836A TW 201332937 A TW201332937 A TW 201332937A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
overcurrent protection
material layer
less
ptc material
element according
Prior art date
Application number
TW101103836A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI440616B (zh
Inventor
Kuo-Chang Lo
Yao-Te Chang
Ya-Fang Liang
Yi-An Sha
David Shau-Chew Wang
Original Assignee
Polytronics Technology Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Polytronics Technology Corp filed Critical Polytronics Technology Corp
Priority to TW101103836A priority Critical patent/TWI440616B/zh
Priority to US13/531,979 priority patent/US8536973B2/en
Publication of TW201332937A publication Critical patent/TW201332937A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI440616B publication Critical patent/TWI440616B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/13—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material current responsive
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C17/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors
    • H01C17/06—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for coating resistive material on a base
    • H01C17/065—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for coating resistive material on a base by thick film techniques, e.g. serigraphy
    • H01C17/06506—Precursor compositions therefor, e.g. pastes, inks, glass frits
    • H01C17/06513—Precursor compositions therefor, e.g. pastes, inks, glass frits characterised by the resistive component
    • H01C17/0652—Precursor compositions therefor, e.g. pastes, inks, glass frits characterised by the resistive component containing carbon or carbides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C17/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors
    • H01C17/06—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for coating resistive material on a base
    • H01C17/065—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for coating resistive material on a base by thick film techniques, e.g. serigraphy
    • H01C17/06506—Precursor compositions therefor, e.g. pastes, inks, glass frits
    • H01C17/06573—Precursor compositions therefor, e.g. pastes, inks, glass frits characterised by the permanent binder
    • H01C17/06586—Precursor compositions therefor, e.g. pastes, inks, glass frits characterised by the permanent binder composed of organic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/02—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient
    • H01C7/027—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient consisting of conducting or semi-conducting material dispersed in a non-conductive organic material

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Thermistors And Varistors (AREA)

Abstract

一過電流保護元件包含二金屬箔片及一PTC材料層。PTC材料層係疊設於該二金屬箔片之間，且體積電阻值小於0.4Ω-cm。PTC材料層包含(i)結晶性高分子聚合物；以及(ii)導電陶瓷填料，其係散佈於該結晶性高分子聚合物之中。該導電陶瓷填料為六方緊密堆積結構，且佔該PTC材料層之重量百分比係介於70%至95%之間。該元件經過反覆觸發(trip)300次後能將電阻再現性比值(trip jump)控制在小於等於25，藉由選用該導電填料可以有效增進材料之電阻再現性。

Description

過電流保護元件
本發明係關於一種熱敏電阻元件，特別是關於一種過電流保護元件。
由於具有正溫度係數(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性之導電複合材料之電阻對溫度變化具有反應敏銳的特性，可作為電流感測元件之材料，目前已被廣泛應用於過電流保護元件或電路元件上。由於PTC導電複合材料在正常溫度下之電阻可維持極低值，使電路或電池得以正常運作。但是，當電路或電池發生過電流(over-current)或過高溫(over-temperature)的現象時，其電阻值會瞬間提高至一高電阻狀態(至少102Ω以上)，而將過量之電流降低，以達到保護電池或電路元件之目的。
一般而言，PTC導電複合材料係由具結晶性之聚合物及導電填料所組成，該導電填料係均勻分散於該聚合物之中。該聚合物一般為聚烯烴類聚合物，例如：聚乙烯，而傳統之導電填料一般為碳黑、導電陶瓷與金屬粉末等。
由於一般導電陶瓷填料以堆疊的方式形成導電通路，當該複合材料中的結晶性高分子聚合物因過電流(over-current)或過高溫(over-temperature)受熱後冷卻，產生高分子再結晶現象，將導致陶瓷填料堆疊的方式改變，使得導電通路減少，造成該導電複合材料之電阻在反覆承受過電流(over-current)或反覆承受過高溫(over-temperature)之觸發(trip)反應時，電阻不易回復至初始值，亦即產生電阻再現性比值(trip jump)過高的問題。
為了延長電池使用的壽命，運用在二次電池之過電流保護元件必須在觸發(trip)反應後仍具有較佳的再現性。本發明係提供一種過電流保護元件，藉由於結晶性高分子聚合物中加入特定結構之導電陶瓷填料，使該過電流保護元件具有優異之低電阻值及電阻再現性。
為有效降低過電流保護元件經過反覆觸發(trip)後的電阻值，並且維持該導電複合材料的體積電阻值小於0.4Ω-cm，本發明採用具有特定堆疊結構之導電陶瓷填料。本發明之導電陶瓷填料係六方緊密堆積晶體(Hexagon close-packed；HCP)結構，此緊密堆疊方式具有較多導電通路，使得導電性較佳，且可以有效增進材料之電阻再現性。
本發明一實施例之過電流保護元件包含二金屬箔片及一PTC材料層。PTC材料層係疊設於該二金屬箔片之間，其體積電阻值小於0.4Ω-cm。PTC材料層包含(i)結晶性高分子聚合物；以及(ii)散佈於該結晶性高分子聚合物之中之導電陶瓷填料。導電陶瓷填料為六方緊密堆積結構，且佔該PTC材料層之重量百分比係介於70%至95%之間。
一實施例中，導電陶瓷填料可為粉末狀，且粒徑大小主要係介於0.01μm至100μm之間，較佳粒徑大小係介於0.1μm至50μm之間。導電陶瓷填料可為碳化鉬、碳化鎢或其混合物。
一實施例中，PTC材料層係選用具結晶性的聚烯烴類聚合物(例如高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蠟、乙烯聚合物、聚丙烯、聚氯乙烯或聚氟乙烯等)、烯烴類單體與壓克力類單體之共聚合物(例如乙烯-壓克力酸共聚合物、乙烯-壓克力脂共聚合物)或烯烴類單體與乙烯醇類單體之共聚合物(例如乙烯-乙烯醇共聚合物)等，並且可以選用一種或多種聚合物材料。低密度聚乙烯可用傳統Ziegler-Natta催化劑或用Metallocene催化劑聚合而成，亦可經由乙烯單體與其它單體(例如：丁烯(butene)、己烯(hexene)、辛烯(octene)、丙烯酸(acrylic acid)或醋酸乙烯酯(vinyl acetate))共聚合而成。
本發明使用六方緊密堆積之導電陶瓷填料，能經300次反覆觸發後，將電阻再現性比值(trip jump)R300/Ri控制在小於等於25。其中Ri是起始阻值，R300是觸發300次後回復至室溫一小時後所量測之電阻值。
因為PTC材料層具有相當低的體積電阻值，所以可將PTC晶片(即本發明之過電流保護元件所需之PTC材料層)之面積縮小至小於50mm2，且仍然能夠達到元件低電阻的目的，最終可以從同單位面積之每片PTC材料層生產出更多的PTC晶片，使生產的成本降低。
本發明之過電流保護元件，其中該二金屬箔片可與另二金屬電極片藉著錫膏(solder)經廻焊或藉著點焊方式接合成一組裝體(assembly)，通常是成一軸型(axial-leaded)、插件型(radial-leaded)、端子型(terminal)、或表面黏著型(surface mount)之元件。本發明之過電流保護元件，其中該上下金屬箔片可連於電源而形成一導電迴路(circuit)(於另一實施例中，則可藉由該二金屬電極片連於電源而形成一導電迴路)，PTC材料層在過電流之狀況下動作，而達到保護迴路之功用。
為讓本發明之上述和其他技術內容、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出相關實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：以下說明本發明過電流保護元件之組成成份，包括實施例一至十四、比較例一至四，以及相關製作過程。
本發明過電流保護元件所使用之PTC材料層之成份及重量(單位：公克)如表一所示。
其中LDPE-1係低密度結晶性聚乙烯(密度：0.924g/cm3，熔點：113℃)；HDPE-1係高密度結晶性聚乙烯(密度：0.943g/cm3，熔點：125℃)；HDPE-2係高密度結晶性聚乙烯(密度：0.961g/cm3，熔點：131℃)。實施例一至十四中，導電陶瓷填料包含碳化鉬(Mo2C)或碳化鎢(WC)，並可進一步添加鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或釩(V)等磁性材料。另外，可依需求加入阻燃劑氫氧化鎂(Mg(OH)2)。導電碳化陶瓷填料外型可為破碎狀、多角型、球形或片狀。比較例一至四中之導電陶瓷填料係選用面心立方(Face-Centered Cubic；FCC)結構之碳化鋯(ZrC)或碳化鈦(TiC)等。本發明之導電陶瓷填料之作用主要係使得結晶性高分子聚合物與導電陶瓷填料有較佳結合性與堆疊性，以減少複合材料中的結晶性高分子受熱後冷卻，因再結晶現象而導致材料中的導電陶瓷填料重新排列，進而造成通路減少的問題。實施例中磁性材料的添加可進一步強化前述效應，但僅係本發明之另一選項而非本發明之必要材料成分。導電陶瓷填料佔PTC材料層之重量百分比係介於70~95%，其亦可為75%、80%、85%、90%或92%。磁性材料佔該PTC材料層之重量百分比係小於15%，特別是小於10%或8%。
製作過程如下：將批式混錬機(Haake-600)進料溫度定在160℃，進料時間為2分鐘，進料程序為按表一所示之重量，加入定量的結晶性高分子聚合物，攪拌數秒鐘，再加入導電陶瓷粉末、(其粒徑大小係介於0.1μm至50μm之間)磁性材料、阻燃劑等。混鍊機旋轉之轉速為40rpm。3分鐘之後，將其轉速提高至70rpm，繼續混錬7分鐘後下料，而形成一具有PTC特性之導電複合材料。
將上述導電複合材料以上下對稱方式置入外層為鋼板，中間厚度為0.33mm及0.2mm之模具中，模具上下各置一層鐵弗龍脫模布，先預壓3分鐘，預壓操作壓力50kg/cm2，溫度為180℃。排氣之後進行壓合，壓合時間為3分鐘，壓合壓力控制在100kg/cm2，溫度為180℃，之後再重覆一次壓合動作，壓合時間為3分鐘，壓合壓力控制在150kg/cm2，溫度為180℃，之後形成一PTC材料層11，如圖1所示。一實施例中，該PTC材料層11之厚度為0.3mm(大於0.1mm或較佳地大於0.2mm)。
將該PTC材料層11裁切成20×20cm2之正方形，再利用壓合將二金屬箔片12直接物理性接觸於該PTC材料層11之上下表面，其係於該PTC材料層11表面以上下對稱方式依序覆蓋金屬箔片12。接著，壓合專用緩衝材、鐵弗龍脫模布及鋼板而形成一多層結構。該多層結構再進行壓合，壓合時間為3分鐘，操作壓力為70kg/cm2，溫度為180℃。之後，以模具衝切形成2.8mm×3.5mm之晶片狀過電流保護元件10。
一實施例中，可再將二金屬電極片22以錫膏(solder paste)藉著迴焊方式上下連接於該二金屬箔片12上，製成軸狀式(axial)之過電流保護元件20，如圖2所示。實際應用上亦可視需要製作插件型(radial-leaded)、端子型(terminal)、或表面黏著型(surface mount)之元件。
以下表二顯示過電流保護元件之各項測試特性。
PTC材料層11之體積電阻值(ρ)可根據式(1)計算而得：
其中R為PTC材料層11之電阻值(Ω)，A為PTC材料層11之面積(cm2)，L為PTC材料層11之厚度(cm)。將式(1)中之R以表二之實施例一之Ri(Ω)值(0.0064Ω)代入，A以9.8mm2代入，L以0.3mm(=0.03cm)代入，即可求得ρ=0.0209Ω-cm。同樣可計算得出實施例二之體積電阻值ρ=0.016Ω-cm以及其他實施例之體積電阻值。綜合表二數據，體積電阻值ρ係小於0.4Ω-cm，特別是小於0.3Ω-cm、0.1Ω-cm、0.08Ω-cm或0.05Ω-cm。
電阻再現性係於施加6V電壓以及50mA電流的條件下進行測試，元件作動之電阻再現性亦顯示在表二中。實施例一至十四於300次觸發後之電阻比值R300/Ri均小於25，且除實施例三、實施例七、實施例十二～十四外，R300/Ri可進一步小於20；至於100次觸發後之電阻比值R100/Ri均小於18，且大部分實施例R100/Ri可小於15，甚至小於12。表二中比較例一至四之電阻比值R300/Ri均大於27，顯然本發明選用HCP結構之導電陶瓷填料，此堆疊方式之導電通路配置使得導電性較佳，可以有效增進材料之電阻再現性。
比較例中之碳化鈦或碳化鋯之堆疊為FCC結構，其相應PTC元件之電阻再現性比值顯然不如碳化鉬及碳化鎢之HCP結構之電阻再現性表現。碳化鉬之導電特性約為97mΩ-cm，密度為9.16g/cm3，維氏硬度為1800HV50；碳化鎢之導電特性約97mΩ-cm，密度為15.63g/cm3，維氏硬度為2200HV50。碳化鉬之導電度較高，密度較低，且硬度較低，故相較於碳化鎢具高導電、輕量化及易加工之優點。實施例九及十中係同時使用碳化鉬及碳化鎢作為導電陶瓷填料，雖然其體積電阻值在所有實施例中並非最低，但電阻再現性比值R300/Ri≦15及R100/Ri≦10均顯示相當優良之電阻再現性。實際應用上，碳化鉬/碳化鎢之重量比值可介於0.5~1.5，或介於0.8~1.2。
本發明之過電流保護元件，藉由加入一具特定粒徑分佈之導電陶瓷填料及至少結晶性之高分子聚合物，經由表二之結果可知，本發明之過電流保護元件確可達到具有優異之初始電阻值(除實施例十二及十三外，Ri均小於10mΩ)及電阻再現性之預期目的。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
10．．．電流保護元件
11．．．PTC材料層
12．．．金屬箔片
20．．．電流保護元件
22．．．金屬電極片
圖1係本發明一實施例之過電流保護元件之示意圖；以及
圖2係本發明另一實施例之過電流保護元件之示意圖。
10．．．電流保護元件
11．．．PTC材料層
12．．．金屬箔片

Claims (18)

  1. 一種過電流保護元件，包括：二金屬箔片；以及一PTC材料層，係疊設於該二金屬箔片之間，且體積電阻值小於0.4Ω-cm，其包含：結晶性高分子聚合物及散佈於該結晶性高分子聚合物之中之導電陶瓷填料，其中該導電陶瓷填料為六方緊密堆積結構，且其於該PTC材料層中之重量百分比係介於70%至95%之間；其中該過電流保護元件經300次反覆觸發後，其電阻再現性比值係小於等於25。
  2. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該導電陶瓷填料包含碳化鉬、碳化鎢或其混合物。
  3. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該PTC材料層另包含磁性材料。
  4. 根據請求項3所述之過電流保護元件，其中該磁性材料係選自鐵、鈷、鎳、釩或其混合物。
  5. 根據請求項3所述之過電流保護元件，其中該磁性材料於該PTC材料層之重量百分比係小於15%。
  6. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該過電流保護元件經100次反覆觸發後，其電阻再現性比值係小於等於18。
  7. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該導電陶瓷填料係碳化鉬及碳化鎢之混合物，且經300次反覆觸發後，其電阻再現性比值係小於等於15。
  8. 根據請求項7所述之過電流保護元件，其中經100次反覆觸發後，其電阻再現性比值係小於等於10。
  9. 根據請求項7所述之過電流保護元件，其中碳化鉬相較於碳化鎢之重量比值介於0.5至1.5。
  10. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該電阻再現性比值係於施加6V電壓以及50mA電流的條件下進行測試。
  11. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該PTC材料層之厚度大於0.1mm。
  12. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該PTC材料層之起始電阻值係小於10mΩ。
  13. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該結晶性高分子聚合物係聚烯烴類聚合物。
  14. 根據請求項13所述之過電流保護元件，其中該聚烯烴類聚合物包括高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蠟、乙烯聚合物、聚丙烯、聚氯乙烯或聚氟乙烯。
  15. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該導電碳化陶瓷填料，粒徑大小係介於0.1μm至50μm之間。
  16. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該PTC材料層之面積小於50mm2。
  17. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該PTC材料層中另包含氫氧化鎂。
  18. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該PTC材料層之體積電阻值小於0.1Ω-cm。
TW101103836A 2012-02-07 2012-02-07 過電流保護元件 TWI440616B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW101103836A TWI440616B (zh) 2012-02-07 2012-02-07 過電流保護元件
US13/531,979 US8536973B2 (en) 2012-02-07 2012-06-25 Over-current protection device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW101103836A TWI440616B (zh) 2012-02-07 2012-02-07 過電流保護元件

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201332937A true TW201332937A (zh) 2013-08-16
TWI440616B TWI440616B (zh) 2014-06-11

Family

ID=48902384

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW101103836A TWI440616B (zh) 2012-02-07 2012-02-07 過電流保護元件

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8536973B2 (zh)
TW (1) TWI440616B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102543331A (zh) * 2011-12-31 2012-07-04 上海长园维安电子线路保护有限公司 高分子基导电复合材料及ptc元件
CN104428847B (zh) * 2012-07-25 2018-01-26 株式会社村田制作所 层叠型ptc热敏电阻元件
TWI464755B (zh) * 2012-11-29 2014-12-11 Polytronics Technology Corp 表面黏著型過電流保護元件
TWI529753B (zh) * 2014-08-05 2016-04-11 聚鼎科技股份有限公司 過電流保護元件
TWI557756B (zh) * 2014-09-29 2016-11-11 聚鼎科技股份有限公司 正溫度係數材料以及包含該正溫度係數材料之過電流保護元件
TWI766724B (zh) * 2021-06-10 2022-06-01 聚鼎科技股份有限公司 插件式過電流保護元件
CN116162302A (zh) * 2022-12-30 2023-05-26 上海维安电子股份有限公司 聚合物基导电复合材料及过流保护元件

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3927599B2 (ja) * 1994-10-19 2007-06-13 ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング セラミックス電気抵抗器を製造するための方法
US6143206A (en) * 1998-06-24 2000-11-07 Tdk Corporation Organic positive temperature coefficient thermistor and manufacturing method therefor
KR100388797B1 (ko) * 2001-03-29 2003-06-25 신화인터텍 주식회사 도전성 고분자 조성물 및 이를 이용한 ｐｔｃ소자
KR100537507B1 (ko) * 2003-04-09 2005-12-19 삼성전자주식회사 비자성 니켈 분말 및 그 제조 방법
TWI292972B (en) * 2005-08-11 2008-01-21 Polytronics Technology Corp Over-current protection device
TWI413991B (zh) * 2009-12-31 2013-11-01 Polytronics Technology Corp 過電流保護元件

Also Published As

Publication number Publication date
US8536973B2 (en) 2013-09-17
US20130200988A1 (en) 2013-08-08
TWI440616B (zh) 2014-06-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI440616B (zh) 過電流保護元件
TWI529753B (zh) 過電流保護元件
TWI401703B (zh) 過電流保護元件
TWI557756B (zh) 正溫度係數材料以及包含該正溫度係數材料之過電流保護元件
TWI298598B (en) Over-current protection device
JP5711365B2 (ja) 正温度係数抵抗を有する導電性複合材料及び過電流保護素子
JP6598231B2 (ja) 高分子系導電性複合材料及びｐｔｃ素子
JP4664556B2 (ja) 導電性ポリマー組成物
US7382224B2 (en) Over-current protection device
US8446245B2 (en) Over-current protection device
TWI536398B (zh) 正溫度係數材料及使用該材料之電阻元件和led照明裝置
CN113012879B (zh) 过电流保护元件
TWI413991B (zh) 過電流保護元件
US8525636B1 (en) Thermistor
CN101026029B (zh) 过电流保护元件
CN103258607B (zh) 过电流保护元件
TWI434300B (zh) 過電流保護元件
TWI433171B (zh) 熱敏電阻元件
CN103198910A (zh) 热敏电阻元件
CN117285767A (zh) 高分子基导电复合材料及过流保护元件