TW201901706A - 表面黏著型過電流保護元件 - Google Patents

表面黏著型過電流保護元件 Download PDF

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Abstract

一種表面黏著型過電流保護元件包括至少一芯片、第一引腳及第二引腳。各芯片包含PTC芯材和貼覆於該PTC芯材上、下表面的兩個金屬電極層。第一引腳彎折成複數個部分，包含連接各該至少一芯片的一個金屬電極層的第一電極連接部，以及用於表面黏著的第一焊接部。第二引腳彎折成複數個部分，包含連接各該至少一芯片的另一個金屬電極層的第二電極連接部，以及用於表面黏著的第二焊接部。其中該PTC芯材包含結晶性高分子聚合物和散佈於結晶性高分子聚合物中的導電填料，該導電填料的體積電阻值小於500mΩ·cm。該表面黏著型過電流保護元件可承受20V/40A的循環壽命測試300次而不致燒毀。

Description

表面黏著型過電流保護元件
本發明係關於一種過電流保護元件，特別是關於一種表面黏著型(SMD)過電流保護元件。
正溫度係數(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性的導電複合材料在室溫時具低電阻值，而當溫度上升至一臨界溫度或電路上有過量電流產生時，其電阻值可立刻跳升數千倍以上，藉此抑制過量電流通過，以達到電路保護之目的。當溫度降回室溫後或電路上不再有過電流的狀況時，PTC導電複合材料可回復至低電阻狀態，而使電路重新正常操作。此種可重複使用的優點，使其可取代保險絲，而被更廣泛運用在高密度電子電路上。
一般而言，PTC導電複合材料係由一結晶性高分子聚合物及導電填料所組成，該導電填料係均勻分散於該高分子聚合物之中。該高分子聚合物一般為聚烯烴類聚合物，例如：聚乙烯，而導電填料一般為碳黑。然而，碳黑所能提供的導電度較低，而不符近年來應用上低阻值的需求。因此，使用具有較低體積電阻值之金屬或導電陶瓷填料的PTC導電複合材料可提供相較於碳黑更低的阻值，因而發展出低體積電阻值(low rho)的過電流保護元件。
目前最廣為使用的表面黏著型過電流保護元件如圖1A所示，其亦為美國專利US6,377,467所保護的專利結構。表面黏著型過電流保護元件10的結構主要是藉由垂直方向的導電通孔11連接PTC芯材12表面的金屬箔13和位於表面黏著型過電流保護元件10上下表面兩側的電極14，形成導電通路。金屬箔13和電極14之間則設有絕緣層15。另外，亦可以堆疊兩層並聯的PTC芯材12形成表面黏著型過電流保護元件16，以得到較低的元件電阻值，如圖1B所示。傳統上若要使用於16V或30V以上的高壓應用時，通常需要降低其中的導電填料如碳黑或導電陶瓷粉末。但是如此一來也將增加元件的電阻值和降低維持電流(hold current)，而無法符合同時兼具耐高電壓和高維持電流的高功率要求。此外，該SMD過電流保護元件係透過印刷電路板(PCB)製程加以製作，需要利用蝕刻製程製作所需線路。然而若蝕刻位置不精確或導電通孔的連結沒做好，在承受較高電壓時，可能發生跳火(arcing)的問題。此外，蝕刻液若有殘留，也會降低耐電壓的效果。
為了解決上述SMD過電流保護元件不易耐高電壓的問題，本發明公開了一種SMD過電流保護元件，其結構簡單，不需經由PCB製程製作，可有效達到耐高電壓的特性，而且仍能保持低電阻和高維持電流，從而有效提供如16V、20V、24V、30V或30V以上的耐高壓及高功率過電流保護，特別是可承受至少20V之電壓，並可承載至少80W之功率而不致燒毀。
根據本發明之一實施例，一種表面黏著型過電流保護元件包括至少一芯片、第一引腳及第二引腳。各芯片包含PTC芯材和貼覆於該PTC芯材上、下表面的兩個金屬電極層。第一引腳彎折成複數個部分，包含連接各該至少一芯片的一個金屬電極層的第一電極連接部，以及用於表面黏著的第一焊接部。第二引腳彎折成複數個部分，包含連接各該至少一芯片的另一個金屬電極層的第二電極連接部，以及用於表面黏著的第二焊接部。其中該PTC芯材包含結晶性高分子聚合物和散佈於結晶性高分子聚合物中的導電填料，該導電填料的體積電阻值小於500mΩ·cm。該表面黏著型過電流保護元件可承受20V/40A的循環壽命測試300次而不致燒毀。
一實施例中，該第一引腳和第二引腳均為一體成形。
一實施例中，該芯片至少有二個，各芯片層狀堆疊，該第一電極連接部和第二電極連接部中至少一者包含疊置於其相鄰的該芯片之間的共用電極，從而該至少二芯片形成並聯電路。
一實施例中，該第一電極連接部包含分叉的第一水平部分和第二水平部分，且該第一水平部分和第二水平部分位於不同平面。
一實施例中，該第二電極連接部包含第三水平部分作為疊置於其相鄰的該芯片之間的共用電極。
一實施例中，該第一引腳另包含連接該第一電極連接部和該第一焊接部的第一垂直部，且該第二引腳另包含連接該第二電極連接部和該第二焊接部的第二垂直部。
一實施例中，表面黏著型過電流保護元件另包含一絕緣層，該絕緣層至少包覆該至少一芯片、第一電極連接部和第二電極連接部，且露出該第一焊接部和第二焊接部。
一實施例中，該導電填料包含金屬或導電陶瓷粉末。
一實施例中，該金屬電極層的厚度為50~90mm。
一實施例中，該PTC芯材的導電填料包含碳化鎢和碳黑的混合物。
一實施例中，該表面黏著型過電流保護元件符合關係式：P = Ihold × Vmax ≥ 80W，且Vmax ≥ 20V；其中P為元件之可承載功率，Ihold 為元件之承載電流，Vmax 為該元件可承受之最大電壓。該元件可在至少80W的承載功率下正常使用。
本發明通過彎折的方式形成表面黏著的引腳，可簡化結構設計，且不需使用印刷電路板製程，故沒有蝕刻液殘留的疑慮，所以可以提升耐電壓的效果。本發明的表面黏著型過電流保護元件可承受至少20V的電壓而不致燒毀，且通過PTC材料、金屬箔片厚度和PTC芯片大小的優化設計，甚至可耐受30V或更高的60V電壓，且可承載至少80W之高功率24小時而不致毀損。
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。。
圖2A和2B顯示本發明一實施例之表面黏著型過電流保護元件20的示意圖，其中圖2A為表面黏著型過電流保護元件20的側視圖，圖2B為表面黏著型過電流保護元件的立體分解示意圖。表面黏著型過電流保護元件20包含層狀堆疊的二個芯片21、第一引腳22和第二引腳23。本實施例中，各個芯片21為包含PTC芯材211和貼覆於該PTC芯材211上下表面的金屬電極層212的三明治結構。該第一引腳22和第二引腳23為彎折形結構，其中彎折成複數個部分，或特別是包含水平和垂直的部分，但並不以此為限。優選地，不論是該第一引腳22或第二引腳23都是一體成形的結構，也就是第一引腳22或第二引腳23中的整體都是來自同一金屬電極片，可先行利用沖壓製作成包含複數個第一引腳22和第二引腳23的梳子狀電極，並與芯片21結合後經彎折切割而成複數個表面黏著型過電流保護元件20。每個芯片21中的一個金屬電極層212連接該第一引腳22形成電導通，每個芯片21中的另一個金屬電極層212連接該第二引腳23形成電導通。本實施例中，該第二引腳23的一端形成水平部分，疊置於上、下的芯片21之間作為上、下芯片21的共用電極，從而該兩個芯片21形成並聯電路。
本實施例中，第一引腳22包含第一電極連接部24、第一垂直部25和第一焊接部26，其中第一電極連接部24和第一焊接部26沿水平方向延伸，第一垂直部25沿垂直方向延伸且連接第一電極連接部24和第一焊接部26。第一電極連接部24連接每個芯片21的一個金屬電極層212，該第一焊接部26作為表面黏著的焊接介面。特而言之，本實施例中，該第一電極連接部24包含分叉的第一水平部分241和第二水平部分242，且該第一水平部分241和第二水平部分242位於不同平面。該第一水平部分241包含分佈於上表面兩側的兩電極條，且物理接觸上方芯片21的上表面。第二水平部分242與第一水平部分241前後錯開，且物理接觸下方芯片21的下表面約中央部分。該第二水平部分242與第一水平部分241係自同一板材（例如鎳片或銅片）作出兩條切割線後彎折形成。第一水平部分241和第二水平部分242的面積實質相同，也就是包含兩電極條的第一水平部分241的面積約等於第二水平部分242的面積，從而提供相同的有效電極面積。一實施例中，第一水平部分241的各電極條的寬度約0.75mm，第二水平部分242的寬度約為1.5mm，從而提供上、下芯片21等同的有效電極面積。另外，亦可於同一板材中央作出一條切割線，之後彎折形成寬度相同且前後錯開的第一水平部分和第二水平部分（圖未示），例如寬度都是1.5mm，同樣可提供芯片等同的有效電極面積。
第二引腳23包含第二電極連接部27、第二垂直部28及第二焊接部29。該第二電極連接部27作為第三水平部分連接上、下芯片21的另一個金屬電極層212，該第二垂直部28連接該第二電極連接部27和第二焊接部29。特別是，該第二電極連接部27物理接觸該上、下芯片21相對面的金屬電極層212，亦即，該第二電極連接部27疊設於上、下芯片21相鄰的金屬電極層212之間，作為該二芯片21的共用電極。該第一焊接部26和第二焊接部29彎折向內，且使得第一焊接部26和第二焊接部29位於同一平面，作為焊接面，以便表面黏著於一電路板。申言之，本實施例中該第一焊接部26自第一垂直部25彎折朝向該芯片21，且該第二焊接部29自第二垂直部28彎折朝向該芯片21。惟，焊接部的彎折方向可視實際需求調整，並不以此為限。
參照圖3，為了防止第一引腳22和第二引腳23不預期的短路問題，表面黏著型過電流保護元件20可另包含一絕緣層31，該絕緣層31至少包覆該芯片21及部分的第一引腳22和第二引腳23，特別是包覆該第一電極連接部24和第二電極連接部27，但必須至少露出該第一焊接部26和第二焊接部29，以供表面黏著之用。該絕緣層31可選用熱固型聚合物，其必須可耐受後續回焊(reflow soldering)製程的高溫。除絕緣外，絕緣層31可選擇具備散熱特性之材料，提供芯片21較佳的散熱效果，以增加維持電流值。絕緣層的導熱率可達1W/m·K、2W/m·K或4W/m·K，端視需求而定。該絕緣層31可以利用射出成型、噴塗或以導熱絕緣片材包覆等方式加以製作。
PTC芯材211包含結晶性高分子聚合物和散佈其間的導電填料。結晶性高分子聚合物一般為聚烯烴類聚合物，例如：聚乙烯。該導電填料為碳黑、金屬或導電陶瓷粉末。碳黑價格便宜，但其體積電阻值較高。金屬和導電陶瓷粉末的體積電阻值較低，適合於元件小型化和低電阻場合的應用。導電填料的粒徑大小介於0.01μm至30μm之間。金屬粉末可選自鎳、鈷、銅、鐵、錫、鉛、銀、金、鉑或其他金屬及其合金。導電填料中之導電陶瓷粉末可選自金屬碳化物，例如：碳化鈦(TiC)、碳化鵭(WC)、碳化釩(VC)、碳化鋯(ZrC)、碳化鈮(NbC)、碳化鉭(TaC)、碳化鉬(MoC)及碳化鉿(HfC)；或選自金屬硼化物，例如：硼化鈦(TiB2 )、硼化釩(VB2 )、硼化鋯(ZrB2 )、硼化鈮(NbB2 )、硼化鉬(MoB2 )及硼化鉿(HfB2 )；或選自金屬氮化物，例如：氮化鋯(ZrN)。申言之，本發明之導電填料可選自前述金屬或導電陶瓷經物理或化學方式形成之混合物、合金、固溶體或核殼體。
除了上述包含兩個芯片的實施例外，本發明亦可應用於並聯更多芯片的情況。圖4顯示又一實施例之表面黏著型過電流保護元件40，其中包含三個芯片21、第一引腳42和第二引腳43。相較於前述實施例，本實施例的表面黏著型過電流保護元件40包含三個並聯的芯片21，可以進一步降低電阻值。本實施例中，各個芯片21為包含PTC芯材211和貼覆於該PTC芯材211上下表面的金屬電極層212的三明治結構。該第一引腳42和第二引腳43為彎折形結構，其中彎折成複數個部分。較佳地，不論是該第一引腳42或第二引腳43都是一體成形的結構，也就是第一引腳42或第二引腳43中的整體都是來自同一金屬電極片。每個芯片21中的一個金屬電極層212連接該第一引腳42形成電導通，每個芯片21中的另一個金屬電極層212連接該第二引腳43形成電導通。第一引腳42包含第一電極連接部44、第一垂直部45和第一焊接部46，其中第一電極連接部44和第一焊接部46沿水平方向延伸，第一垂直部45連接第一電極連接部44和第一焊接部46。第一電極連接部44連接每個芯片21的一個金屬電極層212，該第一焊接部46作為表面黏著的焊接介面。特而言之，本實施例中，該第一電極連接部44包含分叉的第一水平部分441和第二水平部分442，且該第一水平部分441和第二水平部分442位於不同平面。第一水平部分441疊置於其相鄰的芯片21之間作為其共用電極，第二水平部分442則連接最下方芯片21的下方金屬電極層212。第二引腳43包含第二電極連接部47、第二垂直部48及第二焊接部49。該第二電極連接部47包含分叉的第三水平部分471和第四水平部分472，且該第三水平部分471和第四水平部分472位於不同平面。該第三水平部分471疊置於其相鄰的芯片21之間作為其共用電極，第四水平部分472連接最上方芯片21的上方金屬電極層212。本實施例中，第一引腳42的第一水平部分441和第二引腳43的第三水平部分471都是作為共用電極，從而使得三個芯片21連接第一引腳42和第二引腳43後呈現並聯狀態。根據相同方式，本發明可以製作出包含更多並聯芯片的表面黏著型過電流保護元件，從而進一步降低整體的電阻值。
以上彎折型引腳的設計亦可應用於單一芯片的情況，如圖5所示。表面黏著型過電流保護元件50包含層狀堆疊的二個芯片51、第一引腳52和第二引腳53。本實施例中，各個芯片51為包含PTC芯材511和貼覆於該PTC芯材511上下表面的金屬電極層512的三明治結構。該第一引腳52和第二引腳53為彎折形結構，其中彎折成複數個部分，或特別是包含水平和垂直的部分，但並不以此為限。芯片51中的一個金屬電極層512連接該第一引腳52形成電導通，每個芯片51中的另一個金屬電極層512連接該第二引腳53形成電導通。本實施例中，第一引腳52係一體成型，包含第一電極連接部54、第一垂直部55和第一焊接部56，該第一電極連接部54連接芯片51上方的金屬電極層512，第一焊接部56作為表面黏著至一電路板的界面，而該第一垂直部55則連接第一電極連接部54和第一焊接部56。第二引腳53係一體成型，包含第二電極連接部57、第二垂直部58和第二焊接部59，該第二電極連接部57連接芯片51下方的金屬電極層512，第二焊接部59作為表面黏著至一電路板的界面，而該第二垂直部58則連接第二電極連接部57和第二焊接部59。
以下針對圖2A和2B所示的表面黏著型過電流保護元件和圖1B所示的傳統型元件進行耐電壓循環壽命(cyclic life)的測試，結果如表一所示。兩者元件均屬2920大小的元件，選用同樣材料的PTC芯材，其中導電填料為碳化鎢和碳黑的混合物。PTC芯材表面的金屬電極層選用2oz銅箔，亦即其厚度為70mm。金屬電極層的厚度不能太薄，優選為50~90mm，例如60mm、70 mm或80mm。待測元件係施加30V/40A以進行循環壽命測試，表中記載經過不同觸發(trip)次數或循環次數後的電阻值，Ri為元件的啟始電阻值，R1 、R10 、R50 、R100 、R200 和R300 分別表示循環1次、10次、50次、100次、200次和300次，並靜置一小時後量測的電阻值。本發明的表面黏著型過電流保護元件可以通過300次循環測試，然而傳統的SMD結構元件在300次循環測試時發現有元件燒毀的現象，亦即無法通過測試。由此可見，本發明相較於傳統型的SMD結構，具有更好的耐電壓特性。
表一
表二顯示本發明和傳統的元件電性測試結果比較。如圖2A和2B所示實施例1至實施例5的結構，包含的兩個芯片的表面黏著型過電流保護元件，尺寸從較小的規格1812 (0.18”×0.12”)、2016 (0.20” ×0.16”)，至最大的2920 (0.29”×0.20”)，其中PTC芯片的導電填料是選用碳化鎢和碳黑的混合物，PTC芯材表面的金屬電極層選用2oz銅箔，連接PTC金屬電極層的引腳與水平部皆為純鎳片。比較例1至比較例3乃是如圖1B用傳統型SMD方式製備三種尺寸的表面黏著型過電流保護元件，與上述之實施例1至實施例5做電性測試比對。這些元件分別在16V/40A、20V/40A和24V/40A的測試條件下，做300次的循環測試(Cycle Life test)，亦即觸發回復重複300次，其中電壓電流施加10秒之後關閉60秒為一循環。傳統型只能通過16V的測試，超過16V後，於20V和24V電壓下，都全數燒毀；但本發明的元件可全數通過16V、20V和24V的循環測試。另外，在20V/40A 168小時的觸發耐久性(Trip Endurance)測試下，亦即元件持續承受電壓/電流特定時間，傳統型也都全數燒毀，但本發明的元件可通過24V甚至30V的測試。本發明表面黏著型過電流保護元件的可承受最大電壓Vmax ≥ 20V，傳統型的元件因Vmax 無法超過20V，只能在較低的電壓下使用。但本發明的元件亦可以在高於20V的Vmax 電壓和承載電流(Ihold )下24小時無燒毀，也就是可以通過至少80W的承載功率下24小時測試。綜言之，本發明之表面黏著型過電流保護元件符合關係式：P = Ihold × Vmax ≥ 80W，且Vmax ≥ 20V，其中P為元件之可承載功率，Ihold 為元件之承載電流，Vmax 為該元件可承受之最大電壓。該元件可在至少80W的承載功率下正常使用。
表二
本發明的表面黏著型過電流保護元件不僅結構簡單，製作上較為單純，沒有傳統表面黏著型元件的側邊導電通孔，也不需使用到PCB製程。因此，本發明之表面黏著型過電流保護元件不會有導電通孔與上下電極的連接瑕疵問題，也不會有蝕刻液殘留所造成的耐電壓不足或電弧效應。耐電壓特性可能隨著PTC芯片面積、PTC材料厚度、銅箔厚度、以及體積電阻值的不同而有所差異，總的來說，經不同電壓下的循環壽命測試，相同芯材的傳統型設計通常僅能承受約16V的電壓，本發明的表面黏著型過電流保護元件則至少可承受達20V，甚至可進一步承受30V、或更高的60V電壓。特而言之，該表面黏著型過電流保護元件可承受至少20V的電壓以及80W的承載功率。另外測試結果顯示本發明的表面黏著型過電流保護元件可承受20V/40A的循環壽命測試300次而不致燒毀。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本領域具有通常知識之技術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、16、20、40、50‧‧‧表面黏著型過電流保護元件
11‧‧‧導電通孔
12‧‧‧PTC芯材
13‧‧‧金屬箔
14‧‧‧電極
15‧‧‧絕緣層
21‧‧‧芯片
22‧‧‧第一引腳
23‧‧‧第二引腳
24‧‧‧第一電極連接部
25‧‧‧第一垂直部
26‧‧‧第一焊接部
27‧‧‧第二電極連接部
28‧‧‧第二垂直部
29‧‧‧第二焊接部
31‧‧‧絕緣層
42‧‧‧第一引腳
43‧‧‧第二引腳
44‧‧‧第一電極連接部
45‧‧‧第一垂直部
46‧‧‧第一焊接部
47‧‧‧第二電極連接部
48‧‧‧第二垂直部
49‧‧‧第二焊接部
51‧‧‧芯片
52‧‧‧第一引腳
53‧‧‧第二引腳
54‧‧‧第一電極連接部
55‧‧‧第一垂直部
56‧‧‧第一焊接部
57‧‧‧第二電極連接部
58‧‧‧第二垂直部
59‧‧‧第二焊接部
211、511‧‧‧PTC芯材
212、512‧‧‧金屬電極層
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
圖1A和1B分別顯示傳統包含單層與雙層PTC芯材的表面黏著型過電流保護元件之示意圖； 圖2A和2B顯示本發明一實施例之表面黏著型過電流保護元件之示意圖； 圖3顯示本發明另一實施例之表面黏著型過電流保護元件之示意圖； 圖4顯示本發明又一實施例之表面黏著型過電流保護元件之示意圖；以及 圖5顯示本發明再一實施例之表面黏著型過電流保護元件之示意圖。

Claims (11)

  1. 一種表面黏著型過電流保護元件，包括： 至少一芯片，各芯片包含PTC芯材和貼覆於該PTC芯材上、下表面的兩個金屬電極層； 一第一引腳，彎折成複數個部分，包含連接各該至少一芯片的一個金屬電極層的第一電極連接部，以及用於表面黏著的第一焊接部；以及 一第二引腳，彎折成複數個部分，包含連接各該至少一芯片的另一個金屬電極層的第二電極連接部，以及用於表面黏著的第二焊接部； 其中該PTC芯材包含結晶性高分子聚合物和散佈於結晶性高分子聚合物中的導電填料，該導電填料的體積電阻值小於500mΩ·cm； 其中該表面黏著型過電流保護元件可承受20V/40A的循環壽命測試300次而不致燒毀。
  2. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該第一引腳和第二引腳均為一體成形。
  3. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該芯片至少有二個，各芯片層狀堆疊，該第一電極連接部和第二電極連接部中至少一者包含疊置於其相鄰的該芯片之間的共用電極，從而該至少二芯片形成並聯電路。
  4. 根據請求項3之表面黏著型過電流保護元件，其中該第一電極連接部包含分叉的第一水平部分和第二水平部分，且該第一水平部分和第二水平部分位於不同平面。
  5. 根據請求項4之表面黏著型過電流保護元件，其中該第二電極連接部包含第三水平部分作為疊置於其相鄰的該芯片之間的共用電極。
  6. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該第一引腳另包含連接該第一電極連接部和該第一焊接部的第一垂直部，且該第二引腳另包含連接該第二電極連接部和該第二焊接部的第二垂直部。
  7. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其另包含一絕緣層，該絕緣層至少包覆該至少一芯片、第一電極連接部和第二電極連接部，且露出該第一焊接部和第二焊接部。
  8. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該導電填料包含金屬或導電陶瓷粉末。
  9. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該金屬電極層的厚度為50~90mm。
  10. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該PTC芯材的導電填料包含碳化鎢和碳黑的混合物。
  11. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該表面黏著型過電流保護元件符合關係式：P = Ihold × Vmax ≥ 80W，其中P為該元件之可承載功率，Ihold 為該元件之承載電流，Vmax 為該元件可承受之最大電壓。
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