TW202011424A - Pptc 裝置及pptc 材料 - Google Patents

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Abstract

一種聚合物正溫度係數（PPTC）裝置包括：PPTC本體；第一電極，設置於所述PPTC本體的第一側上；以及第二電極，設置於所述PPTC本體的第二側上，其中所述PPTC本體是由PPTC材料形成，所述PPTC材料包含最大65體積%的導電填料，其中所述PPTC材料的10體積%至39體積%為導電陶瓷填料，且其中所述導電填料的其餘部分包括碳及金屬填料中的至少一者。

Description

具有混合導電填料組成物的PPTC材料
本發明各實施例是有關於包括熔絲裝置在內的電路保護裝置領域。 [相關申請案的交叉參考]
本申請案主張在2017年9月12日提出申請的美國臨時專利申請案第62/557,310號的權益，所述美國臨時專利申請案的全部內容倂入本案供參考。
聚合物正溫度係數（polymer positive temperature coefficient，PPTC）裝置可用作各種應用中的過電流或過溫保護裝置以及電流或溫度感測器。在過電流或過溫保護應用中，PPTC裝置可被視為可重設熔絲（resettable fuse），設計成在預定狀況（例如，低電流）下運作時表現出低電阻。PPTC裝置的電阻可藉由因在PPTC裝置的環境中的溫度增高而引起的直接加熱而改變，抑或藉由由穿過PPTC裝置的電流所產生的電阻加熱而改變。舉例而言，PPTC裝置可包括由聚合物材料及導電填料形成的複合PPTC材料，其中所述PPTC材料因聚合物材料中的熱誘發的變化（例如，熔融轉化或玻璃轉化）而自低電阻狀態轉化至高電阻狀態。在轉化溫度（有時被稱為「斷路溫度（trip temperature）」）下（其中斷路溫度可介於室溫至遠遠高於室溫），聚合物材料可膨脹並破壞PPTC材料中的導電填料顆粒的導電網絡，從而使得PPTC材料的導電性大大減小。電阻的此變化賦予PPTC材料類似熔絲型特性，在PPTC材料冷卻返回至室溫時，PPTC材料的電阻可為可逆的。
PPTC材料的成本、重量及效能特性大大受到PPTC材料中的導電填料的類型及數量的影響。正是出於該些及其他考量而提供了本揭露。
提供本發明內容是為了以簡化形式介紹以下將在實施方式中進一步闡述的一系列概念。此發明內容不旨在辨識所請求保護的標的的關鍵特徵或必不可少的特徵，亦不旨在輔助確定所請求保護的標的的範圍。
根據本揭露的示例性實施例的PPTC裝置可包括：PPTC本體；第一電極設置於所述PPTC本體的第一側上；以及第二電極設置於所述PPTC本體的第二側上，其中所述PPTC本體是由PPTC材料形成，所述PPTC材料包含最大65體積%的導電填料，其中所述PPTC材料的10體積%至39體積%為導電陶瓷填料，且其中所述導電填料的其餘部分包括碳及金屬填料中的至少一者。
根據本揭露的示例性實施例的另一PPTC裝置可包括：PPTC本體；第一金屬箔層及第二金屬箔層，分別設置於所述PPTC本體的相對側上，並分別自位於所述PPTC本體的相對端處的第一金屬跡線及第二金屬跡線延伸，其中所述第一金屬箔層朝向所述第二金屬跡線延伸但不接觸所述第二金屬跡線，且其中所述第二金屬箔層朝向所述第一金屬跡線延伸但不接觸所述第一金屬跡線。所述PPTC裝置可更包括：電性絕緣的絕緣層，覆蓋所述第一金屬箔層及所述第二金屬箔層；以及金屬電極，設置於所述絕緣層上與所述金屬跡線電性接觸。所述PPTC本體可由PPTC材料形成，所述PPTC材料包含最大65體積%的導電填料，其中所述PPTC材料的10體積%至39體積%為導電陶瓷填料，且其中所述導電填料的其餘部分包括碳及金屬填料中的至少一者。
根據本揭露的示例性實施例的PPTC材料可包含體積最大65體積%的導電填料，其中所述PPTC材料的10體積%至39體積%為導電陶瓷填料，且其中所述導電填料的其餘部分包括碳及金屬填料中的至少一者。
以下將參照其中示出示例性實施例的圖式更充分地闡述本發明的實施例。所述實施例不應被解釋為僅限於本文中所述的實施例。相反，該些實施例是為了使本揭露透徹及完整，並向熟習此項技術者充分傳達所述實施例的範圍。在所附圖式中，相似的標號在通篇中指代相似的元件。
在以下說明及/或申請專利範圍中，用語「位於…上（on）」、「覆蓋在…上方（overlying）」、「設置於…上（disposed on）」以及「位於…上方（over）」可用於以下說明及申請專利範圍中。「位於…上」、「覆蓋在…上方」、「設置於…上」以及「位於…上方」可用於指示兩個或更多個元件彼此直接物理接觸。此外，用語「位於…上」、「覆蓋在…上方」、「設置於…上」以及「位於…上方」可指二或更多個元件並非彼此直接接觸。舉例而言，「位於…上方」可指一個元件位於另一元件上方而不彼此接觸，且在所述兩個元件之間可具有另外一個或多個元件。此外，用語「及/或」可指「及」，可指「或」，可指「排他性的或」，可指「一個」，可指「一些，但並非所有」，可指「兩者皆不」，及/或可指「兩者皆為」，但所請求保護的標的的範圍不受此限制。
在各種實施例中，提供新穎的裝置結構及材料用於形成PPTC裝置，其中所述PPTC裝置包含具有至少兩種不同類型的導電填料的PPTC材料。在一個實例中，根據本揭露的PPTC材料包含最大65體積%的導電填料，其中所述PPTC材料的10體積%至39體積%為導電陶瓷填料，且其中所述導電填料的其餘部分包括碳及金屬填料中的至少一者。
在各種實施例中，PPTC裝置可被構造成如圖1A及圖1B所示。圖1A示出PPTC裝置100的側面剖視圖，其中PPTC本體104設置於第一電極102與第二電極106之間，第一電極102及第二電極106分別排列於PPTC本體104的第一側及第二側上。圖1B示出在將第一端子108連接至第一電極102並將第二端子110連接至第二電極106之後PPTC裝置100的構型。第一端子108可連接至第一電極102（例如，藉由焊接、熔接等）以形成第一介面112，且第二端子110可連接至第二電極106以形成第二介面114。
根據本揭露的實施例，PPTC本體104可由如以下將進一步詳細闡述的具有相對低的滲透臨界值的PPTC材料形成。第一電極102以及第二電極106可由已知的金屬（例如，銅箔）形成。在一些實施例中，銅箔可為鍍鎳的。第一端子108以及第二端子110亦可由已知的材料（例如，銅或黃銅）形成。所述實施例並非受限於此。
在本揭露的一些實施例中，PPTC本體104可由複合PPTC材料形成，所述複合PPTC材料包含聚合物基質以及導電填料。聚合物基質可為或可包括半結晶聚合物，例如聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）聚合物、乙烯醋酸乙烯酯（ethylene vinyl acetate，EVA）聚合物、高密度聚乙烯（high-density polyethylene，HDPE）聚合物、四氟乙烯（ethylene tetrafluoroethylene，ETFE）聚合物或全氟烷氧基（perfluoroalkoxy，PFA）聚合物。所述實施例並非受限於此。
根據本揭露的一些實施例，PPTC材料的導電填料界定所述PPTC材料的最大65體積%，其中10體積%至39%體積的所述PPTC包含一或多種導電陶瓷材料。此類材料包括但不限於碳化鈦、碳化鎢、碳化釩、碳化鋯、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉬、硼化鈦、硼化釩、硼化鋯、硼化鈮、硼化鉬、硼化鉿或其混合物。導電填料的剩餘部分（即，PPTC材料的0體積%至55體積%）可包括碳及金屬填料中的至少一者，其中示例性金屬填料包括但不限於鎳、鎢、銅及銅合金。
根據本揭露的示例性PPTC材料可包含39體積%的導電陶瓷填料以及10體積%的金屬填料。根據本揭露的另一示例性PPTC材料可包含10體積%的導電陶瓷填料以及39體積%的金屬填料。根據本揭露的另一示例性PPTC材料可包含10體積%的導電陶瓷填料、25體積%的碳以及25體積%的金屬填料。
在各種實施例中，PPTC材料中的導電填料的顆粒的中值粒徑（median diameter）可處於約50奈米至20微米的範圍內。已發現，相對於在傳統PPTC材料中傳統使用較大尺寸的顆粒，利用具有此種相對小尺寸的導電陶瓷顆粒可在利用按PPTC材料體積計的較少量的導電填料達成特定的電阻率。在達成類似的操作特性（例如，電阻率及斷路溫度）的同時，本揭露的PPTC材料的成本及重量可因此低於傳統PPTC裝置的成本及重量。
現在轉向圖2，示出了圖1A中所示的PPTC裝置100的詳細剖視圖，其示出可包含導電陶瓷填料及至少一種另外的導電填料（其可為碳或金屬填料）的PPTC材料的導電填料的顆粒。
現在轉向圖3，示出了電阻特性隨著根據本揭露的實施例設置的PPTC裝置的溫度變化的曲線圖。在本實例中，PPTC裝置中的PPTC材料的導電填料包含18體積%的碳化鎢以及35體積%的碳黑，其中所述PPTC材料的聚合物是ETFE。如圖所示，電阻的急劇增加發生在210°C至220°C。因此，圖3的PPTC材料可被視為表現出約215°C的斷路溫度。
可藉由適當地選擇導電填料的體積分數以及導電填料的類型而將本揭露的PPTC材料的保持電流密度設計為表現出0.05至0.4安培/平方毫米（A/mm2 ）的值，其中保持電流密度計算為PPTC材料在25°C下的保持電流對電流在相對電極之間行進時穿過的PPTC的面積的比率。
PPTC裝置的構型可根據本揭露的不同實施例而變化。圖4呈現PPTC裝置400（被示出為徑向引線（radial lead）PPTC裝置）的俯視平面圖，PPTC裝置400包括貼附至PPTC本體402的相對表面的底部引線404以及頂部引線406。PPTC本體402可具有分別貼附至其頂表面及底表面的第一電極及第二電極（未單獨示出），如以上大致闡述。PPTC裝置400可由包封層410（例如，環氧樹脂）包封。PPTC本體402可由大致如以上所述配置的PPTC材料形成。
圖5A及圖5B分別繪示根據本揭露的示例性實施例的單層表面安裝PPTC裝置500以及雙層表面安裝PPTC裝置600的實施例的側面剖視圖。該些裝置可包括PPTC本體502以及第一金屬箔層504a及第二金屬箔層504b，第一金屬箔層504a及第二金屬箔層504b設置於PPTC本體502的相對側上，且自位於PPTC本體502的相對縱向端處的第一金屬跡線506a及第二金屬跡線506b縱向延伸，其中第一金屬箔層504朝向第二金屬跡線506b延伸但不接觸第二金屬跡線506b，且其中第二金屬箔層504b朝向第一金屬跡線506a延伸但不接觸第一金屬跡線506a。所述裝置可更包括：電性絕緣的絕緣層510，覆蓋金屬箔層504a及504b；以及金屬電極512，設置於最外側的絕緣層510上與金屬跡線506a及506b電性接觸。在該些裝置中，PPTC本體可由大致如以上所述配置的PPTC材料形成。
儘管已參照某些實施例揭露了本發明的實施例，但在不背離如在隨附申請專利範圍中所界定的本揭露的領域及範圍的同時可對所述實施例進行諸多修改、變更及改變。因此，本發明的實施例並非僅限於所述的實施例，而是可具有由以下申請專利範圍及其等效形式的語言所界定的完整範圍。
100、400、500、600:PPTC裝置102:第一電極104、402、502:PPTC本體106:第二電極108:第一端子110:第二端子112:第一介面114:第二介面404:底部引線406:頂部引線410:包封層504a、504b:金屬箔層506a、506b:金屬跡線510:絕緣層512:金屬電極
圖1A及圖1B示出根據本揭露的實施例的PPTC裝置。 圖2示出圖1A中所示的PPTC裝置的詳細剖視圖，其示出包含兩種不同類型的導電填料的PPTC裝置的PPTC材料中的滲透網絡。 圖3示出根據本揭露的實施例的PPTC材料的示例性電阻特性。 圖4示出根據本揭露的實施例的PPTC裝置。 圖5A及圖5B示出根據本揭露的各種額外實施例的PPTC裝置。
100:PPTC裝置
102:第一電極
104:PPTC本體
106:第二電極

Claims (16)

  1. 一種聚合物正溫度係數（PPTC）裝置，包括： PPTC本體； 第一電極，設置於所述PPTC本體的第一側上；以及 第二電極，設置於所述PPTC本體的第二側上； 其中所述PPTC本體是由PPTC材料形成，所述PPTC材料包含最大65體積%的導電填料，其中所述PPTC材料的10體積%至39體積%為導電陶瓷填料，且其中所述導電填料的其餘部分包括碳及金屬填料中的至少一者。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的PPTC裝置，其中所述導電填料是由中值粒徑（median diameter）為50奈米至20微米的顆粒形成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的PPTC裝置，其中所述PPTC材料表現出0.05 A/mm2 至0.4 A/mm2 之間的保持電流密度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的PPTC裝置，其中所述PPTC材料包括以下中的至少一者：聚偏二氟乙烯（PVDF）聚合物、乙烯醋酸乙烯酯（EVA）聚合物、高密度聚乙烯（HDPE）聚合物、四氟乙烯（ETFE）聚合物以及全氟烷氧基（PFA）。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的PPTC裝置，其中所述第一電極及所述第二電極中的至少一者是由銅箔形成的。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的PPTC裝置，其中所述銅箔鍍有鎳。
  7. 一種聚合物正溫度係數（PPTC）材料，包括： 聚合物基質；以及 導電填料； 其中所述PPTC材料包含最大65體積%的所述導電填料，其中所述PPTC材料的10體積%至39體積%為導電陶瓷填料，且其中所述導電填料的其餘部分包括碳及金屬填料中的至少一者。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的PPTC材料，其中所述導電填料是由中值粒徑為50奈米至20微米的顆粒形成。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的PPTC材料，其中所述PPTC材料表現出0.05 A/mm2 至0.4 A/mm2 之間的保持電流密度。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的PPTC材料，其中所述聚合物基質包括以下中的至少一者：聚偏二氟乙烯（PVDF）聚合物、乙烯醋酸乙烯酯（EVA）聚合物、高密度聚乙烯（HDPE）聚合物、四氟乙烯（ETFE）聚合物以及全氟烷氧基（PFA）。
  11. 一種聚合物正溫度係數（PPTC）裝置，包括： PPTC本體； 第一金屬箔層及第二金屬箔層，分別設置於所述PPTC本體的相對側上，並分別自位於所述PPTC本體的相對端處的第一金屬跡線及第二金屬跡線延伸，其中所述第一金屬箔層朝向所述第二金屬跡線延伸但不接觸所述第二金屬跡線，且其中所述第二金屬箔層朝向所述第一金屬跡線延伸但不接觸所述第一金屬跡線； 電性絕緣的絕緣層，覆蓋所述第一金屬箔層及所述第二金屬箔層；以及 金屬電極，設置於所述絕緣層上與所述金屬跡線電性接觸； 其中所述PPTC本體是由PPTC材料形成，所述PPTC材料包含最大65體積%的導電填料，其中所述PPTC材料的10體積%至39體積%為導電陶瓷填料，且其中所述導電填料的其餘部分包括碳及金屬填料中的至少一者。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的PPTC裝置，其中所述導電填料是由中值粒徑為50奈米至20微米的顆粒形成。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的PPTC裝置，其中所述PPTC材料表現出0.05 A/mm2 至0.4 A/mm2 之間的保持電流密度。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的PPTC裝置，其中所述PPTC材料包括以下中的至少一者：聚偏二氟乙烯（PVDF）聚合物、乙烯醋酸乙烯酯（EVA）聚合物、高密度聚乙烯（HDPE）聚合物、四氟乙烯（ETFE）聚合物以及全氟烷氧基（PFA）。
  15. 如申請專利範圍第11項所述的PPTC裝置，其中所述第一金屬箔層及所述第二金屬箔層中的至少一者是由銅箔形成的。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的PPTC裝置，其中所述銅箔鍍有鎳。
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