TWI428939B - 熱敏電阻元件 - Google Patents

Description

熱敏電阻元件

本發明係關於以導電高分子材料製成的表面黏著型(SMD)可變熱敏電阻元件，如正溫度係數(PTC)元件、負溫度係數(NTC)元件，其可應用於印刷電路板(PCB)上，做過電流保護及異常溫度環境之感測。

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10² Ω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。

在高密度線路設計及製造中，對保護元件在尺寸的要求上，需達到輕、薄、微小的要求，而且在安裝上需達到表面黏著型元件的設計。因此，以有機高分子材料製作的PTC元件，已被設計成不同型式之表面黏著型電子元件。然而，受到元件尺寸的限制，以及熱傳不良等因素，導致產品之維持電流(hold current)無法提升。另外，由於元件之絕熱性過高，亦可能造成對環境溫度的敏感性過低的問題。

為了克服以上所設計之缺失，本發明之特點在於熱敏電阻元件表面增加導熱層，以期快速導熱。藉此提升元件之維持電流與增加對於環境之溫度感應。

根據本發明之一實施例，熱敏電阻元件包括薄板型電阻元件、第一絕緣層、第一電極、第二電極、第一導熱層。該薄板型電阻元件包含第一導電構件、第二導電構件及高分子材料層，其中該高分子材料層係疊設於第一導電構件及第二導電構件之間，且具有正溫度或負溫度係數之行為。第一絕緣層設置於該第一導電構件上，且該第一絕緣層的表面延伸構成第一平面。第一電極電氣連接該第一導電構件。第二電極電氣連接該第二導電構件，且與第一電極電氣隔離。第一導熱層設置於該第一絕緣層表面，其導熱率至少為30W/m-K，且第一導熱層的厚度為15~250μm。一實施例中，部分之第一電極和第二電極形成於第一平面上，且和第一導熱層形成熱敏電阻元件之第一表面，且第一表面中該第一電極、第二電極和第一導熱層之面積總和為第一表面的面積之40~90%。

一實施例中，熱敏電阻元件另包含第二絕緣層及第二導熱層，該第二絕緣層設置於該第二導電構件上，且該第二絕緣層的表面延伸構成第二平面。第二導熱層設置於該第二絕緣層表面，其中部分之第一電極、第二電極形成於該第二平面上，且和第二導熱層形成熱敏電阻元件之第二表面，且該第二表面中第一電極、第二電極和第二導熱層之面積總和為第二表面的面積之40~90%。

一實施例中，可利用導熱連接件連接前述第一導電構件及第一導熱層，或第二導電構件及第二導熱層。

本發明藉由改善傳統之SMD產品外觀，增加元件之導熱面積或是導熱/導電路徑，亦可搭配具備熱傳效應之焊墊，以藉此大幅提升元件之熱傳效率，進而提升產品之維持電流。另外，本發明亦可增加對於環境溫度之敏感性，以提供電池元件保護與各式電子產品應用。

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：圖1A繪示本發明第一實施例之熱敏電阻示意圖。圖1B繪示圖1所示熱敏電阻元件之俯視圖。熱敏電阻10包括薄板型電阻元件11、第一絕緣層15、第二絕緣層16、第一電極17及第二電極18。薄板型電阻元件11包含第一導電構件12、第二導電構件13及高分子材料層14，其中該高分子材料層14係疊設於第一導電構件12及第二導電構件13之間，其中含有導電粒子，且具有正溫度或負溫度係數之行為。適用於本發明之高分子材料包括：聚乙烯、聚丙烯、聚氟烯、前述之混合物及共聚合物等。導電粒子可為金屬粒子、含碳粒子、金屬氧化物、金屬碳化物，或是前述材料之混合物。第一絕緣層15設置於第一導電構件12上，第二絕緣層16設置於第二導電構件13上。絕緣層15、16可包含聚丙烯、玻璃纖維或散熱材料。其中散熱材料係包含熱固型塑膠及纖維之高分子材料、具熱塑型塑膠與熱固型塑膠交互穿透結構之高分子材料，其係揭露於中華民國專利公開號200816235、公告號1339088以及公開號201101342，在此引入本文中。其中該高分子散熱材料之導熱率至少為0.5W/m-K，且1W/m-K、2W/m-K、3W/m-K、4W/m-K或5W/m-K以上為本發明之優選實施例。

第一電極17包含一部分設置於該第一絕緣層15上，亦即形成於第一絕緣層15表面之延伸之第一平面31上。第一電極17包含另一部分設置於該第二絕緣層16上，亦即形成於第二絕緣層16表面之延伸之第二平面32上。該第一電極17透過第一導電連接件19電氣連接該第一導電構件12。類似地，第二電極18包含一部分設置於該第一絕緣層15或第一平面31上，以及包含另一部分設置於該第二絕緣層16或第二平面32上。該第二電極18透過第二導電連接件19’電氣連接該第二導電構件13，且與第一電極17電氣隔離。本實施例中，相較於傳統之電極設置，設置於第一絕緣層15表面之第一電極17部分係向第二電極18方向延伸，作為第一導熱層21。類似地，設置於第二絕緣層16表面之第二電極18部分係向第一電極17方向延伸，形成第二導熱層22。易言之，第一電極17可視為包含第一導熱層21，該第一導熱層21係第一電極17之延伸部分。第二電極18可視為包含第二導熱層22，該第二導熱層22係第二電極18之延伸部分。

第一導熱層21和第二導熱層22可採用金屬鎳、銅、鋁、鉛、錫、銀、金或其合金等導熱率大於 30W/m-K之材料，尤以導熱率大於200W/m-K之鋁(約238W/m-K)及大於300W/m-K之銅(約397W/m-K)、銀、金等具有更佳的熱傳導效率，而為本發明之較佳選擇。

申言之，電阻元件11上下表面，分別設置有第一導電構件12與第二導電構件13，且各自延伸至薄板型電阻元件11之相對兩端面。此導電構件12、13可由一平面金屬簿膜，經一般蝕刻方式(如Laser Trimming，化學蝕刻或機械方式)產生上下面，一左一右各一，不對稱之缺口(剝離金屬膜產生之缺口)。上述導電構件之材料可為鎳、銅、鋅、銀、金、及前述金屬所組成之合金或多層材料。此外，所述缺口可為長方型、半圓形、三角形或不規則之形狀及圖案，唯此缺口面積以不超過單面總面積之25%較佳。

上述缺口經剝離金屬膜成型後，可使用各式優良的接著性膠膜(即絕緣層15、16，如環氧樹脂與玻璃纖維布製成之膠膜)，將此電阻元件11與外層上下各一片之金屬銅膜經熱壓固化密合。之後，可將上下外層之銅膜經蝕刻方法，產生電極，如圖中17、18所示。左右兩端電極17、18，可藉由導電連接件19、19’ 或全面性裁切面之電鍍方式，將上下左右各區之電極選擇性垂直導通相連。第一導熱層21與第一和第二電極17、18間、或第二導熱層22與第一和第二電極17、18間可利用蝕刻出間隔而形成電氣隔離。其中該間隔至少為15μm、20μm或30μm。

一實施例中，第一電極17和第二導熱層22間、第二電極18和第一導熱層21間係以絕緣之防焊層25作為隔離。雖然在本實施例中作為隔離之防焊層25為長方型，其他形狀之隔離如半圓形、弧形、三角形或不規則形狀及圖案亦可適用於本發明。

本實施例中之導電連接件19、19’係以半圓形導通孔為例作一說明。在導通孔之孔壁上可利用無電電鍍或電鍍方法鍍上一層導電金屬(如銅或金)，以達到連接上下電極的目的。除半圓形外，導通孔的截面形狀可為圓形、1/4圓形、弧形、方形、菱形、長方形、三角形、或多邊形等。

形成於該第一絕緣層15上(亦即第一平面31)之第一電極17、第二電極18和第一導熱層21形成熱敏電阻元件10之第一表面24；形成於第二絕緣層16上(亦即第二平面32)之第一電極17、第二電極18和第二導熱層22形成熱敏電阻元件10之第二表面26。

第一表面24中該第一電極17、第二電極18和第一導熱層21之面積總和佔整體第一表面24面積之百分比可為約40~90%，特別是45~85%，較佳為50~80%。實際應用上，前述百分比可為40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%。類似地，第二表面26中該第一電極17、第二電極18和第二導熱層22之面積總和佔整體第二表面26面積之百分比可為約40~90%，特別是45~85%，較佳為50~80%。實際應用上，該比例可為40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%。

圖2A繪示本發明第二實施例之熱敏電阻元件示意圖。圖2B繪示圖2A所示熱敏電阻元件之俯視圖。類似於圖1A及1B所示之熱敏電阻元件10，熱敏電阻元件20亦包括薄板型電阻元件11、絕緣層15和16、第一電極17、第二電極18等。與圖1A和1B所示不同處在於第一導熱層21並非第一電極17之延伸，而係單獨設於第一絕緣層15上。第二導熱層22並非第二電極18之延伸，而係單獨設於第二絕緣層16上。一實施例中，第一導熱層21與第一和第二電極17、18間係利用蝕刻形成間隔或以防焊層25進行隔離。第二導熱層22與第一和第二電極17、18間亦可利用蝕刻形成間隔或以防焊層25進行隔離。第一電極17、第二電極18和第一導熱層21之面積總和佔整體第一表面24面積之比例和第一電極17、第二電極18和第二導熱層22之面積總和佔整體第二表面26面積之比例同樣可參考第一實施例所述。

圖3繪示本發明第三實施例之熱敏電阻元件示意圖。熱敏電阻元件30相較於圖2A所示之熱敏電阻元件20係另外於第一導熱層21與第一導電構件12間設置導熱連接件27，以增加電阻元件11之熱傳導效率。同樣地，於第二導熱層22與第二導電構件13間可設置導熱連接件28。導熱連接件27、28可採用與導熱層21、22相同之金屬鎳、銅、鋁、鉛、錫、銀、金或其合金等導熱率大於30W/m-K之材料，尤以導熱率大於200W/m-K之鋁及大於300W/m-K之銅、銀、金或其合金具有最佳的熱傳導效率，而為本發明之較佳選擇。

以上之設計及製作方式，可增加其中電阻元件層數至二層以上(即包含兩個以上之電阻元件11)進行並聯聯結，達到多層並聯式之表面黏著用電阻元件。此外，連接第一導熱層21與第一導電構件12之導熱連接件27，或連接第二導熱層22與第二導電構件13之導熱連接件28的數目可為多個，以增加導熱效率。

圖4繪示本發明第四實施例之熱敏電阻元件示意圖。熱敏電阻40包括薄板型電阻元件41、絕緣層55、第一電極47及第二電極48。薄板型電阻元件41包含第一導電構件42、第二導電構件43及高分子材料層44，其中該高分子材料層44係疊設於第一導電構件42及第二導電構件43之間，其中含有導電粒子，且具有正溫度或負溫度係數之行為。絕緣層55設置於第一導電構件42上。第一電極47透過導電層46電氣連接至該第一導電構件42。第一電極47係形成於絕緣層55表面之延伸平面61上。第二電極48設置於該絕緣層55上(亦即平面61)，並透過導電連接件49電氣連接該第二導電構件43，且與第一電極47電氣隔離。導熱層53設置於絕緣層55表面。一實施例中，導熱層53較佳地透過導熱連接件57連接於第一導電構件42。其中形成於平面61上之第一電極47、第二電極48和導熱層53形成熱敏電阻元件40之表面51，且該第一電極47、第二電極48和導熱層53之面積總和為表面51的面積之40~90%，特別是45~85%，較佳為50~80%。實際應用上，該比例可為40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%。

關於其他表面黏著型之熱敏電阻元件之其他結構型態亦揭露於中華民國專利公告號415624及公告號I282696。上開各專利之相關結構型態揭露在此引入本文中。以上各種結構之熱敏電阻元件均可應用本發明增設導熱層或進一步增設導熱連接件，而增加散熱效果。另外，前述導熱層之厚度係介於15~250μm之間，且亦可為18μm、35μm、70μm、140μm或210μm，其中較厚之導熱層係具有較佳之導熱效果。

本發明相較於原有SMD元件架構，增加作為導熱層之例如銅箔電路之尺寸與/或增加作為導熱連接件之例如銅柱架構，使SMD元件於通電時，能將多餘的熱源傳導到電路，或所使用之電路基板上。在有效抑制溫昇的情形下，可大幅提昇熱敏電阻元件的維持電流，並滿足大電流需求，同時藉由電路設計，亦可提昇熱量的傳遞，能有效提升元件對於外界溫度的敏感性。

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、20、30、40‧‧‧熱敏電阻元件

11‧‧‧電阻元件

12‧‧‧第一導電構件

13‧‧‧第二導電構件

14‧‧‧高分子材料層

15‧‧‧第一絕緣層

16‧‧‧第二絕緣層

17‧‧‧第一電極

18‧‧‧第二電極

19‧‧‧第一導電連接件

19’‧‧‧第二導電連接件

21．．．第一導熱層

22．．．第二導熱層

24．．．第一表面

25．．．防焊層

26．．．第二表面

27．．．第一導熱連接件

28．．．第二導熱連接件

31．．．第一平面

32．．．第二平面

41．．．電阻元件

42．．．第一導電構件

43．．．第二導電構件

44．．．高分子材料層

45．．．防焊層

46．．．導電層

47．．．第一電極

48．．．第二電極

49．．．導電連接件

51．．．表面

53．．．導熱層

57．．．導熱連接件

61．．．平面

圖1A及圖1B係本發明第一實施例之熱敏電阻元件之示意圖；圖2A及圖2B係本發明第二實施例之熱敏電阻元件之示意圖；圖3係本發明第三實施例之熱敏電阻元件之示意圖；圖4係本發明第四實施例之熱敏電阻元件之示意圖。

10‧‧‧熱敏電阻元件

11‧‧‧電阻元件

12‧‧‧第一導電構件

13‧‧‧第二導電構件

14‧‧‧高分子材料層

15‧‧‧第一絕緣層

16‧‧‧第二絕緣層

17‧‧‧第一電極

18‧‧‧第二電極

19‧‧‧第一導電連接件

19’‧‧‧第二導電連接件

21‧‧‧第一導熱層

22‧‧‧第二導熱層

24‧‧‧第一表面

25‧‧‧防焊層

26‧‧‧第二表面

31‧‧‧第一平面

32‧‧‧第二平面

Claims (18)

1. 一種熱敏電阻元件，包括：一薄板型電阻元件，包含第一導電構件、第二導電構件及高分子材料層，其中該高分子材料層係疊設於第一導電構件及第二導電構件之間，且具有正溫度或負溫度係數之行為；一第一絕緣層，設置於該第一導電構件上；一第一電極，電氣連接該第一導電構件；一第二電極，電氣連接該第二導電構件，且與第一電極電氣隔離；以及一第一導熱層，設置於該第一絕緣層表面，其導熱率至少為50W/m-K，且其厚度介於15~250μm；其中該第一絕緣層的表面延伸構成第一平面，部分之第一電極、第二電極形成於該第一平面上，且和第一導熱層形成熱敏電阻元件之第一表面，且該第一表面中第一電極、第二電極和第一導熱層之面積總和為第一表面的面積之40~90%；其中該第一表面中第一電極和第一導熱層涵蓋之面積大於第二電極涵蓋之面積；其中該第一表面之中央部份由該第一導熱層所涵蓋。
2. 根據請求項1之熱敏電阻元件，其中該第一平面中第一電極和第一導熱層涵蓋之面積大於第二電極涵蓋面積的2倍以上。
3. 根據請求項1之熱敏電阻元件，其另包含一第二絕 緣層及一第二導熱層，該第二絕緣層設置於該第二導電構件上，且第二導熱層設置於該第二絕緣層表面。
4. 根據請求項3之熱敏電阻元件，其中該第二絕緣層的表面延伸構成第二平面，部分之第一電極、第二電極形成於該第二平面上，該第二平面位於該第一平面的相對側，且和第二導熱層形成熱敏電阻元件之第二表面，且該第二表面中第一電極、第二電極和第二導熱層之面積總和為第二表面的面積之40~90%，該第二表面中第二電極和第二導熱層涵蓋之面積大於第一電極涵蓋之面積，該第二表面之中央部份由該第二導熱層所涵蓋。
5. 根據請求項3之熱敏電阻元件，其中該第一電極及第二電極形成於該第一絕緣層及第二絕緣層表面。
6. 根據請求項1之熱敏電阻元件，其中該第一導熱層係第一電極之延伸部分。
7. 根據請求項2之熱敏電阻元件，其中該第一導熱層設置於該第一平面上之第一電極及第二電極之間。
8. 根據請求項1之熱敏電阻元件，其中該第一導熱層與第一和第二電極間係電氣隔離。
9. 根據請求項8之熱敏電阻元件，其中該第一導熱層與第一或第二電極間之間隔至少為15μm。
10. 根據請求項1之熱敏電阻元件，其中該第一導熱層與第一和第二電極間係以防焊層進行隔離。
11. 根據請求項1之熱敏電阻元件，其中該第一導熱層 包含鎳、銅、鋁、鉛、錫、銀、金或其合金。
12. 根據請求項1之熱敏電阻元件，其另包含通過該第一絕緣層之導熱連接件，該導熱連接件連接該第一導熱層及第一導電構件。
13. 根據請求項12之熱敏電阻元件，其中該導熱連接件之導熱率至少為30W/m-K。
14. 根據請求項12之熱敏電阻元件，其中該導熱連接件包含鎳、銅、鋁、鉛、錫、銀、金或其合金。
15. 根據請求項1之熱敏電阻元件，其中該第一絕緣層包含聚丙烯、玻璃纖維或散熱材料。
16. 根據請求項1之熱敏電阻元件，其中該第一絕緣層之導熱率至少為0.5W/m-K。
17. 根據請求項1之熱敏電阻元件，其另包含第一導電連接件及第二導電連接件，其中第一導電連接件用於電氣連接該第一電極及第一導電構件，第二導電連接件用於連接第二電極及第二導電構件。
18. 根據請求項2之熱敏電阻元件，其中該第一表面中第一電極、第二電極和第一導熱層之面積總和為第一表面的面積之50~80%。