TW455887B - Conductive polymer PTC battery protection device and method of making same - Google Patents

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455887 _案號88116879 °!Ό年江卩》日 修正 五、發明說明（1) 對於有關申請之參考 在35l!.S.C.§ 119(e)之下’本申請案主張於1998年1〇 月6日所提出之共同審理之臨時申請案號60/103, 256之申 請日期的利益。 本發明係概括地有關於表現電阻的正向溫度係數之電 子組成或裝置的領域，一般稱為PTC裝置。尤其，本發明 是關於為了保護電池免於過度充電或放電而特別構裝的聚 合物PTC裝置。 薄片狀聚合的電子組成在這技術中眾所皆知的，其包 括一狀於上和下金屬箔層層成薄片之間的聚合材料4例 如.’美國專利案號4, 426, 633; Chan等人之美國專利案號 5, 089, 801 ; Piasko之美國專利案號 4, 937, 551 ; Nagahor i 之美國專利案號4，787，135 ; Hogge等人之美國專利案號5, 802,707;以及國際公告號W097/06660。在如此裝置中， 這箔層一般形成電極，而電接觸或船附著於其上。 逐漸普遍的聚合電子組成的種類是其利用一種表現 PTC特性之聚合物。對於聚合物PTC組成之特別應用是在電 池保護裝置中。在如此裝置中’過度充電或放電造成聚合 物PTC材料溫度升高到超過"轉換溫度〃，此時其電阻陡 增，以便抑制電流流動’如此一來保護電池免於損害。 許多型式的電子裝備以AA或AAA型的乾電池來提供電 力。提供一種為如此電池使用而特地構裝之電池保護裝置 將會是有利的。更確切地’如此的一種裝置將使電池能更 有效率地封裝在設備之内以及將可提供電池終端可熔接的 接觸。

4 5 58 8 7 修正 案號 88116879 五、發明說明¢2) 概括地說，本發明為一種電池保護裝置，其包括一層 疊於上和下金屬箔電極間之導電聚合物PTC材料層；一與 該上電極電連接而與該下電極電絕緣之第一接觸元件；以 及一第二接觸元件，其實質與該第一接i元件同平面，以 直接機械和電連接於下電極電連接。尤其，該第一接觸元 件藉由貫穿孔或通道所提供之導電通道而電連接於該上電 極，該貫穿孔或通道是經由該聚合物層與上下電極所形 成。 在一特定的較佳實施例中，在導電聚合物PTC層的上 表面層疊一上電極，並且在導電聚合物PTC層的下表面層 疊一下電極。藉著移除一預定義圍的下電極之環狀部份形 成下電極之隔離部分，藉以創造一環狀隔離縫隙使絕緣部 份與下電極之其餘部分隔開。經過上電極，聚合物PTC層 以及下電極的絕緣部份形成第一通道，其有一被環狀絕緣 缺口同中心地圍繞之開口 。第一通道的直徑小於下電極絕 緣部份的内徑，以致於絕緣電極部份之環狀區域存留於這 開口和環狀絕緣缺口之間。第一通道的内壁表面和環狀絕 緣電極區域以導電金屬化層喷鍍。金屬層在環狀絕緣電極 區域上形成第一環狀接觸基座，藉著第一通道的金屬化表 面將此區域導電地連接到上電極。第一接觸元件導電地結 合於第一環狀接觸基座。 與絕緣部份隔開之下電極的預定圓形區域以一導電金 屬化層喷鍍。第一通道隔開之第二通道通過上電極，聚合 物PTC層，和下電極的鍍金屬圓形區域來形成，並且在鍍 金屬圓形區域中有一開口 。第二通道的直徑小於鍍金屬圓

◎ 58 87 _案號88116879 ^ 〇年α月上日 修正_ 五 '發明說明（3) 形區域的直徑，以致於第二環狀接觸基座界定在鍍金屬圓 形區域内第二通道的開口附近。第二接觸元件導電地結合 於第二環狀接觸基座。 第一和第二接觸元件被維化以建立電連接到典型的ΑΑ 或A A Α乾電池之正和/或負端。再者，接觸元件的材料和構 形允許電池終端焊接到接觸元件表面。 本發明提供一在正常充電、放電下於上和下電極間通 過聚合物PTC層之導電路徑。在如此電流下，聚合物PTC層 表現出較低電阻，因為聚合物PTC層之電流產生的熱不是 以造成聚合物PTC層達到其轉換溫度。因應過度充電或放 電，由電流產生的熱升高聚合物PTC層超越其轉換溫度， 此時其電阻突然增加3或更多級，因此實質減低流經電池 的電流以便保護他們免於過電流情況。因為電流減少，當 聚合物PTC層的溫度降到轉換溫度之下，聚合物PTC層電阻 回到其正常、低值，因此容許電池正常充電和放電。 圖式說明 第一圖至第三圖是包括位於上和下箔層間的導電聚合 物PTC層之層疊物之部份的橫剖圖，其顯示依據本發明的 較佳實施例於製造電池保護裝置方法中首要三個主要步 驟； 第四圖A是層疊物在製造方法中第四主要步驟已經完 成的平面圖； 第四圖B是沿著第四圖A的線4B-4B所取的橫截面圖； 第五圖和第六圖類似於第一圖至第三圖的橫剖圖，其 顯示出製造方法中第五和第六主要步驟；

第8頁 “55887 _案號88116879 彳ϋ年仏月 > 曰 修正_ 五、發明說明（4) 第七圖Α類似於第四Α圖的平面圖其顯示在製造方法 中第七主要步驟之後的層疊構造。 第七圖B是沿著第七圖B的線7 B - 7 B線所取的橫切面 圖； 第八圖是沿第七圖B之8 - 8線所取的平面圖； 第九圖是依據本發明的較佳實施例所完成的電池保護 裝置之橫切面圖；以及 第十圖是第九圖之電池保護裝置的立體圖。 元件符號說明 10 層 疊 物 30A :第— -部份 12 導 電 聚 合 物 PTC材料 30B :第二 二部份 14 上 箔 層 32 哲 — 乐-- 金屬 化 層 16 下 箔 層 32A :第- -部份 18 分 離 區 32B :第二 二部份 20 環 狀 絕 緣 缺 口 36 第一 環狀 接 觸 基 座 21 絕 緣 部 份 38 第二 通道 22 上 絕 緣 層 40 第二 環狀 接 觸 座 24 下 絕 緣 層 50 電池 保護 裝 置 25 圓 形 區 域 52 第一 圓盤 狀 導 電 接 觸 元 件 26 第 二 圓 形 區 域 54 第二 圓盤 狀 導 電 接 觸 元 件 27 第 .一 穿 孔 或 通 道 56 上電 極 28 第 '— 環 狀 下 箔 環管 58 下電 極 30 第 一 金 屬 化 層 29 :上 環狀箔環管 現在請參閱圖式部分，第一圖到第九圖說明依據本發 明較佳實施例以製造一電池保護裝置之方法。首先參考第

455887 案號 88116879 P年Φ月二曰 修正 五、發明說明（5) 一圖，層疊物是由上箔層14和下箔層16之間的一導電聚合 物PTC材料層12所形成。聚合物層12可以由任何合適的導 電聚合物成分製成，諸如高密度聚乙烯（HDPE)混合一定量 的碳黑以得到所欲操作特性，包括PTC行為。例如，請參 閱看國際公告號$〇97/06660以及美國專利第5,802,709 號，此二案皆讓予本發明的受讓人，其揭露内容完全以參 考方式合併在此中。箔層14' 16較佳為鎳或鍍鎳的銅，擁 有結節化表面與聚合物層1 2接觸以改良黏附，此在這技術 中是眾·所周知的。形成層疊物1〇的方法揭露於上述國際公 告號^97/06660和美國專利第5,802,709號。層疊物10可 以有利地於大約每邊十公分或甚至更大的方形片上來形 成。 ^ 使用標準光阻和蝕刻方法來圖案化層疊物1 0的上和下 泊層1 4、1 6，以描繪出分離區1 8的排列，每一分離區域1 8 決定二個別裝置’如第四圖A和第七圖A所示。接下來的描 述將指單一的區域18，以理解所有區域18同時進行相同製 造程序步驟。 ^時伴隨著區域1 8的描繪，利用光阻和蝕刻技術來移 除下泊=16之界定環狀部份以便在聚合物pTC層丨2的下表 面上$ & —個環狀絕緣缺口（第二圖）。環狀絕緣缺口 2 0環 隔離形成下箔層16的絕緣部份21的一第一圓形區域》 ^人如第二圖所示’上絕緣層2 2貼於上箔層1 4和下絕緣 g 2 St於下箔層1 6。為較佳熱塑性玻璃層或聚合材料的絕 \ π # ja 24可典型地網幕印刷於個別的箔層，然後塑化。 ，、層2 2被圖案化以便使上箔層丨4的環狀區域2 5暴露出

第10胃 _案號881168! 年仏η).日 修正___ 五、發明說明（6) 來。上箔層14之暴露的圓形區域25是和下箔層〗6的絕緣部 份2 1同軸排列。下絕緣層24被圖案化以便覆蓋聚合物層1 2 的下表面之環狀絕緣缺口 2 〇，以及下箔層1 6之絕緣部份2 1 的外圍環狀部份。因此，下箔層〗6的絕緣部份2 1之主要中 心部份是左邊暴露的。下絕緣層24之邊暴露部分為下箔層 16的第二圓形區域26’與第一圓形區域21留隔開。絕緣層 22、24提供裝置兩側的絕緣表面，除了接觸元件（如下面 所述）吸附其上的地方。 第四圖A第四圖β例舉說明第一穿孔或通道27的形成方 式’其形成經過上箔層14的暴露圓形區域25、聚合物層 1 2. ’以及下羯層1 6的絕緣部份2丨，藉此下箔層丨6的絕緣部 份21内來界定一圓形開口。第一通道27以鑽孔方式形成較 但它亦可以打孔方式來形成。最好在第四Β圖所示’ 第一通道2 7的直徑小於下箔層丨6的絕緣部份2丨的直徑，以 致於vl #料的第一環狀下環管2 8被留於下箔層1 6之絕緣部 份21内之第一通道27的下開口附近。同樣地，第一通道27 的直徑是小於上箔層丨4的暴露之圓形區域2 5的直徑，以致 於暴露的结之一環狀上環管被留於上箔層14的暴露圓形區 域25内第一通道27的上開口附近。然而，第一通道27的直 徑應該是夠大（例如’大約五公厘）來容納—焊接探針頭而 將一電池端（未顯示）焊接到一接觸元件，該接觸元件固定 於第一通道27的下開口之上，如下所述。 其次’如第五囷所示’較佳為電鍍銅或鎳的第一金屬 化層包括形成於第一通道27的内壁表面第一環狀下箔環管 28以及上環狀箔環管以之上的第—部份3〇A。第一金屬化

第11頁 455887 _案號88116879 车士月 >日 傣正__ 五、發明說明（7) 層亦包括形成於下箔層16的第二圓形暴露區域26之上的第 二部份30B。第一金屬化層之第一部份30A於上箔層14和藉 著環狀絕緣缺口 20與下箔層16隔離的第一下環狀箔環管28 間建立物理以及電連接。 然後，如第六圖中所示，形成一第二金屬化層。有較 佳為焊料以及能以任何合適方法應用的第二金屬化層有兩 部份：支援並在第一金屬化層30之第一部份30A上面的第 一部份32A以及在覆蓋下箔層16的第二圓形猪區域26之第 一金屬化層的第二部份30B上的第二部份32B。如果第二金 屬化層32A、32B為焊料，其將不會良好附著於聚合材料。 因.此’第一金屬化層30A、30B提供一媒介物藉此第二金屬 化層的支援部份32A能夠附著於第一通道27的内壁表面。 可看出第一和第二金屬化層於上箔層〗4的上環狀箔環 管29和下箔層1 6的第一下環狀箔環管28間提供一電傳導路 徑。因此，鍍金屬的第一下環狀環管界定出一電連接到上 箱層14的第一環狀接觸基座36’而藉著環狀絕緣缺口 2〇與 下箔層1 6隔離。 第七圖A和第七圖B例舉說明形成第二穿孔或通道38之 步驟’其從上箔層14内的一上開口到第一和第二金屬化層 的第二部份30B、32B各自覆蓋的下箔層16的第二圓形區 域26内的一下開口而通過該層疊物。像第一通道27，第二 通道3 8以鑽孔方式形成較佳’但其亦可以打洞方式形成。 第二通道3 8之直徑小於第二圓形區域2 6的直徑，以致於以 圍繞第二通道38的下開口之金屬化圓形箔區26之一環狀剩 餘部分來界定一第二環狀接觸座4〇。又，像第一通道27,

修正 _ 案號88116879 年Φ月J日 五、發明說明（8) 苐二通道3 8也必須有一足夠大的直徑〈例如，大於五公 厘〉來容納一焊接探針頭以焊接一電池端〈未顯示〉到一 固定於第二通道38的下開口之一接觸元件，如下所述。 第九圖和第十圖顯示在第一和第二圓盤狀導電接觸元 件52、54已各自固定於第一和第二環狀導電基座36、40藉 以各自覆蓋第一和苐二通道27、38的下開口群之後完成的 電池保護裝置50。藉著回流形成第一和第二導電基座36、 4 0之第二金屬化層的焊料以達到較佳接觸元件5 2、5 4之附 著。接觸元件52、54較佳以鎳或鍍鎳之銅或一些其他能以 —焊料接合的持久且導電的金屬製成。 在接觸元件5 2、5 4的附著後，藉由如鋸開之傳統方法 從平板1 0單一化個別裝置5 〇。在每一個別電池保護裝置 5j)，如第九圖和第十圖所示，上结層提供一上電極56於一 淠層導電聚合物PTC元件1 2的上表面之上，以及下箔層提 供一下電極58於PTC元件12的下表面之上。經過第一通道 27藉著第一環狀接觸基座36以及第一和第二金屬化層的第 —部份30A、32A，第一接觸元件52電連接到上電極“。然 而，利用絕緣缺口 20將第一接觸元件52與下電極58隔離。 用第二環狀接觸基座40使第二接觸元件54電連接到下電 構裝第一和第二接觸元件5 ? ζ 電 27 個 納 * j ζ5 4使付一般小型的單室 池〈例如，AA或AAA雷池）銥* & “ ϋ λ Λ电也；茸匕直接地藉由插入經過通道 、38的焊接探針頭來焊接估挪 . 庙户異 們。再者，S定裝置50的整 方向以便在最少實降空間中交 r丨不工「』τ夺納電池。例如，槿奘以交 二個AAA電池的裝置50將舍且古 ε λα J牧罝bU將會具有一長約二十公厘和寬約 45 58 8 7

第14頁 4 5 58 8 7 _案號 88116879_年屮月 > 日. 修正_ 圖式簡單說明 圖式說明 第一圖至第三圖是包括位於上和下箔層間的導電聚合物 PTC層之層疊物之部份的橫剖圖，其顯示依據本發明的較 佳實施例於製造電池保護裝置方法中首要三個主要步驟； 第四圖A是層疊物在製造方法中第四主要步驟已經完 成的平面圖； 第四圖B是沿著第四圖A的線4B-4B所取的橫截面圖； 第五圖和第六圖類似於第一圖至第三圖的橫剖圖，其 顯示出製造方法中第五和第六主要步驟； 第七圖A類似於第四A圖的平面圖其顯示在製造方法 中.第七主要步驟之後的層疊構造。 第七圖B是沿著第七圖B的線7 B - 7 B線所取的橫切面 圖； 第八圖是沿第七圖B之8 - 8線所取的平面圖； 第九圖是依據本發明的較佳實施例所完成的電池保護 裝置之橫切面圖；以及 第十圖是第九圖之電池保護裝置的立體圖。

第15頁 2001.03.30, 015

Claims (1)

1. 4 5 588 7 _案號88U6879 年ψ月 > 日 修正__ 六、申請專利範圍 1. 一種電池保護裝置，包括： 一層疊於上和下金屬電極間之導電聚合物PTC材料層； —與該上電極電連接而與該下電極電絕緣之第一接觸元 件； 一第二接觸元件，實質與該第一接觸_元件同平面，以直接 機械和電連接於下電極電連接。 2. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中該導電聚合物PTC層 有在上和下表面，並且該上電極層疊到該上表面和該下電 極層疊到該下表面。 3. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中藉以經過該聚合物 PTC層和上以及下電極形成一導電路徑，該第一接觸元件 電連接到該上電極。 4. 如申請專利範圍第3項的裝置，其中該傳導路徑包括穿 越聚合物PTC層和上以及下電極來形成的一金屬化通道。 5. 如申請專利範圍第泛項的裝置，其更包括： 一下電極中的環狀絕緣缺口，其界定下電極的一絕緣部 份；以及 延伸經過該上電極，該導電聚合物PTC層以及該下電極絕 緣部份之通道； 其中該傳導路徑包括經過通道連接該上電極到該下電極之 絕緣部份的一金屬化層。 6. 如申請專利範圍第5項的裝置，其中該金屬化層於該下 電極的絕緣部份上形成一環狀傳導接觸基座，並且該第一 接觸元件被固定到該接觸基座。

   第16頁 455887 _案號88116879 辞ϋ年If月 > 日 修正_ 六、申請專利範圍 i 7 ·如申請專利範圍第6項的裝置，其中該第二接觸元件被 固定於該下電極上，藉著該絕緣缺口與該絕緣部份電絕 緣。 8.如申請專利範圍第7項的裝置，其中該通道是一第一通 道並且該接觸基座是一第一接觸基座，該裝置更包括： 一經過該上電極，該導電聚合物PTC層以及該下電極而形 成之第二通道，在此於該第二通道附近之下電極上形成一 第二環狀傳導接觸基座； 其中該第二接觸元件固定於該第二接觸基座。 9· 一種電池保護裝置上包括： 一具擁有上和下表面的聚合物PTC元件； 一層疊到該上表面的平面上電極； 一層疊到該下表面的平面下電極； 一下電極内之絕緣缺口，以界定一電絕緣部份； 一穿過該PTC元件，該上電極以及該下電極的絕緣部份的 通道； 一金屬化層，穿越該通道連接該上電極到該下電極的絕緣 部份，並且在該通道附近之該下電極之絕緣部份上形成一 環狀傳導接觸基座； —在接觸基座之上的第一接觸元件；以及 一於該下電極之上的第二接觸元件。 10.如申請專利範圍第9項的裝置，其中該基座是一第一接 觸基座，並且該羞_二接觸元件是形成於該卫_電極上之蓋_二 傳導接觸基座上面，該差_ 一和第二接觸基座彼此是隔離。

   第17頁 455887 _案號88116879 年少月·>日 修正_ 六、申請專利範圍 11.如申請專利範圍第10項裝置，其中該通道是一第一通 道，並且該接觸基座是一第一接觸基座，該裝置更包括： 一穿越該上電極，該導電聚合物PTC層以及該下電極而形 成的第二通道，因而在該第二通道附近之該下電極上形成 一第二環狀傳導接觸基座； 其中該苐二接觸元件固定於該第二接觸基座。 1 2. —種製造電池保護裝置之方法其步驟包括： (A)層疊一導電聚合物材料層於上和下金屬箔層間； (β)形成一環狀絕緣缺口在該下箔層中，以創造該下箔層 之一絕緣部份； (C) 形成一通道穿越導電聚合物層、該上箔層，以及該下 箔層的絕緣部份； (D) 形成一金屬化層經過該通道，以便連接該上箔層到該 下箔層的絕緣部份，並形成一環狀導電接觸基座在該通道 附近之該下箔層的絕緣部份上； (Ε)附著一第一接觸元件到該接觸基座；以及 (F )附著一第二接觸元件至該下箔層，利用該絕緣缺口而 與該絕緣部份隔開。 1 3.如申請專利範圍第1 2項的方法，其中該形成一金屬化 層的步驟包括步驟如下： (D )(1 )經由該通道來形成一第一金屬化層部份以便連接該 上箔層到該下箔層的絕緣部份，並使在該通道附近之該下 箔層的絕緣部份上端形成一環狀第一傳導接觸基座；以及 (D )( 2 )於該下箔層上形成一第二金屬化層部份，利用絕緣

   第18頁 '558只7 案號88116879 了 〇年φ月二日 修正_ 六、申請專利範圍 缺口而與該絕緣部份隔開以便在該第二金屬化層部份上形 成一第二導電接觸基座； 其申該附著一第二接觸元件的步驟包括附著一第二接觸元 件於該第二接觸基座之步驟。 1 4.如申請專利範圍第1 3項的方法，其中該形成一通道的 步驟包括形成一第一通道的步驟，並且該經過該上箔層， 該導電聚合物PTC層和該第二金屬化部份以該形成一第二 通道的步驟緊跟在形成一金屬化層步驟之後，因而藉由在 該第二通道附近之第二金屬化層部份之一環狀部份來界定 該第二接觸基座。

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