TWI431643B

TWI431643B - 正溫度係數元件的製作方法

Info

Publication number: TWI431643B
Application number: TW98116163A
Authority: TW
Inventors: Jack Jih Sang Chen; Chi Hao Gu
Original assignee: Fuzetec Technology Co Ltd
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2014-03-21
Also published as: TW201040991A

Description

正溫度係數元件的製作方法

本發明是有關於一種正溫度係數(positive temperature coefficient，簡稱PTC)元件的製作方法，特別是指一種包括在焊接一對導電性引腳至一可交聯預形體上的一對電極之後，交聯該可交聯預形體之正溫度係數元件的製作方法。

由高分子與導電性填充物所構成之正溫度係數(PTC)複合材料呈現有當該PTC複合材料的溫度上升達其熔點時，該PTC複合材料的電阻值(resistance)則呈現指數型的增加的正溫度係數特性。因此，該PTC複合材料通常是被拿來作為保護一電路免於損害的保險絲使用，如一熱敏電阻(thermistor)。

參閱圖1，一種傳統的正溫度係數(PTC)元件1的製作方法，包括連續的步驟：

(A)壓片(sheeting)一PTC組成之混合物11；

(B)附著一對電極12至該PTC組成之混合物11上以將該PTC組成之混合物11夾置於其間；

(C)使用一輻射裝置7照射該PTC組成之混合物11以交聯該PTC組成之混合物11；及

(D)在一回焊爐(reflow oven)15中使用一無鉛錫膏(Pb-free paste)來焊接一對導電性引腳13至該等電極12以形成該PTC元件1。

就該焊接操作而言，由於該回焊爐15必須被操作在一足以熔解該無鉛錫膏14的高溫，此高溫可能會破壞該已交聯PTC組成之混合物11分子結構中的氫鍵，因而導致該PTC元件1之產品電阻值需求規格的誤差及生產良率的下降。

此外，在該回焊爐15內焊接該等導電性引腳13至該等電極12期間的加熱方式，換言之，該等導電性引腳13之上方者是透過上方吹動之熱空氣的熱對流(convection)來加熱，該等導電性引腳13之下方者則是透過與其接觸的回焊爐15之一金屬載具151的熱傳導(conduction)來加熱，該回焊爐15的加熱方式將使得該PTC元件1發生一不均勻的溫度分布。因此，當該PTC元件1被冷卻時，該已交聯PTC組成之混合物11整體的冷卻速度將不均勻，導致該已交聯PTC組成之混合物11的電阻值的上升，並致使該PTC元件1於使用期間消耗功率的上升，且造成元件的電氣性質不穩定。

經上述說明可知，改善PTC元件的製作方法以降低PTC元件的元件電阻與使用期間的消耗功率，並提昇元件電氣性質的穩定性及提昇生產良率，是此技術領域之開發者所待突破的課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種正溫度係數元件的製作方法。

於是，本發明正溫度係數元件的製作方法，包含：

(a)成形一含有一高分子系統與一導電性填充物(conductive filler)之正溫度係數高分子組成的可交聯(crosslinkable)預形體；

(b)於該可交聯預形體附著一對電極；

(c)使用一具有一熔點大於210℃之無鉛錫膏(Pb-free solder paste)以焊接一對導電性引腳(lead)至該等電極；及

(d)交聯該步驟(c)之後的可交聯預形體。

本發明之功效在於：改善PTC元件的製作方法以降低PTC元件的元件電阻與消耗功率，並提昇元件電氣性質的穩定性及提昇生產良率。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例、具體例與比較例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

<發明詳細說明>

參閱圖2及圖3，本發明正溫度係數元件的製作方法之一第一較佳實施例，包含：

(a)成形一含有一高分子系統與一導電性填充物之正溫度係數高分子組成的可交聯預形體2；

(b)於該可交聯預形體2附著一對電極3；

(c)使用一具有一熔點大於210℃之無鉛錫膏5以焊接一對導電性引腳4至該等電極3；及

(d)使用放射性(irradiation)技術交聯該步驟(c)之後的可交聯預形體2。

在本發明該第一較佳實施例中，該步驟(c)的焊接操作是使用一回焊爐8來處理。

較佳地，該步驟(c)的焊接操作是實施於一操作溫度，該操作溫度是大於該無鉛錫膏5的熔點且不大於260℃；更佳地，該步驟(c)的焊接操作的操作溫度是介於240℃~260℃之間。

較佳地，該高分子系統含有一結晶性聚烯烴(crystalline polyolefin)及一共聚物(copolymer)；該結晶性聚烯烴是選自未接枝的高密度聚乙烯(non-grafted high density polyethylene，HDPE)、未接枝的低密度聚乙烯(LDPE)、未接枝的超低密度聚乙烯(ULDPE)、未接枝的中密度聚乙烯(MDPE)、未接枝的聚丙烯(polypropylene，PP)，或前述結晶性聚烯烴的多數組合；該共聚物是含有一烯烴單體(olefin monomer)與一酸酐單體(anhydride monomer)。例如，適用於本發明之共聚物可以是使用乙烯/順丁烯二酸酐(ethylene/maleic anhydride，PE/MA)共聚物，或乙烯/壓克力丁基酯/順丁烯二酸酐(ethylene/butyl acrylate/maleic anhydride，PE/BA/MA)三共聚物(trimer)。

較佳地，該導電性填充物是選自碳黑(carbon black)、金屬粉，如鎳粉(Ni powder)，或碳黑與金屬粉的一組合。

較佳地，該可交聯預形體2是經由混煉(compounding)與擠壓(extruding)該正溫度係數高分子組成所形成；該步驟(b)的電極3是透過層壓技術(laminating techniques)分別被附著至該可交聯預形體2之兩相反表面21以形成一層壓板20。

較佳地，本發明該第一較佳實施例於該步驟(d)之後更包含對該已交聯(crosslinked)之預形體2熱處理(thermally treatment，見圖3)，該熱處理是對該已交聯預形體2反覆地重複一程序達數次，該程序是對該已交聯預形體2升溫至一介於50℃~130℃之間的第一工作溫度，接著對該已交聯預形體2冷卻至一介於-80℃~0℃之間的第二工作溫度。

圖4說明本發明正溫度係數元件的製作方法之一第二較佳實施例。本發明該第二較佳實施例不同於該第一較佳實施例是在於，於該步驟(d)之前更包含一對該可交聯預形體2熱處理的步驟；該熱處理是對該可交聯預形體2反覆地重複該程序達數次；該程序是對該可交聯預形體2升溫至該第一工作溫度，接著對該可交聯預形體2冷卻至該第二工作溫度。較佳地，該熱處理程序是被反覆7次~10次。

圖5及圖6說明本發明正溫度係數元件的製作方法之一第三較佳實施例。本發明該第三較佳實施例不同於該第一較佳實施例是在於，該等導電性引腳4與該層壓板20是在該步驟(c)之焊接操作過程中使用一熱壓機(hot pressing machine)6對該等導電性引腳4提供一壓力P以施予熱壓處理。更佳地，提供於該等導電性引腳4的壓力P是不大於50psi。

圖7說明本發明正溫度係數元件的製作方法之一第四較佳實施例。本發明該第四較佳實施例不同於該第二較佳實施例是在於，該步驟(c)的焊接是透過熱壓技術來處理。

較佳地，在上述該等較佳實施例之該步驟(d)的交聯操作，是經由使用自一輻射裝置7所產生的Co-60之γ射線(gamma-ray)輻射照射該可交聯預形體2一至少達10kGy的劑量來實施。

此處值得注意的是，該可交聯預形體2可在焊接操作之前部分地被交聯達一特定程度，該特定程度僅使得PTC元件產品的電阻值規格發生微小的誤差。

表1.顯示六用以製備以下數個具體例與比較例的PTC實例之不同PTC高分子組成的配方(F1~F6)。

<具體例1(E1)>

本發明該具體例1(E1)是以圖2與圖3所描繪之第一較佳實施例的方法為基礎，製備列於表1.中之具有不同PTC高分子組成(F1~F6)的六PTC實例。每一PTC高分子組成(F1~F6)是被混煉與擠壓以形成該可交聯預形體2。接著，該等電極3是經由層壓技術分別地被附著至該可交聯預形體2的表面21以形成該具有5mm×12mm×0.3mm之尺寸的層壓板20。然後，在一操作溫度為260℃的回焊爐8中放置該等導電性引腳4與層壓板20所構成的一組件來將該等導電性引腳4焊接至該等電極3上。隨後，該組件是使用該輻射裝置7被施予100kGy的Co-60之γ射線的輻射交聯。最後，該組件是被施予一熱處理；該熱處理是經由對該已交聯預形體2反覆地重複10次升溫與降溫的程序以構成該具體例1之該等PTC實例(E1/F1~F6)；該升溫與降溫的程序是使用購自Ten Billion Technology Corporation的冷熱衝擊試驗機(thermal shocker，型號TBST-B2，圖未示)，經由升溫該組件至80℃之第一工作溫度持溫30分鐘，並冷卻該組件至-40℃之第二工作溫度持溫30分鐘來實施。以該等層壓板20與PTC元件作為每一PTC實例的電阻值是被量測。

<具體例2(E2)>

本發明該具體例2(E2)是以圖4所描繪之第二較佳實施例的方法為基礎，製備列於表1.中之具有不同PTC高分子組成(F1~F6)的六PTC實例。製備該具體例2之每一PTC實例的程序與操作條件是相同於該具體例1(E1)，其不同處是在於，該等導電性引腳4與該層壓板20所構成之組件是在該交聯操作之前與之後以相同於該具體例1(E1)之操作條件被施予熱處理。

<具體例3(E3)>

本發明該具體例3(E3)是以圖5與圖6所描繪之第三較佳實施例的方法為基礎，製備列於表1.中之具有不同PTC高分子組成(F1~F6)的六PTC實例。製備該具體例3之每一PTC實例的程序與操作條件是相同於該具體例1(E1)，其不同處是在於，該等導電性引腳4是使用該熱壓機6被焊接至該等電極3。在本發明該具體例3(E3)中，提供於每一PTC實例之該等導電性引腳4上的壓力P是50psi。

<具體例4(E4)>

本發明該具體例4(E4)是以圖7所描繪之第四較佳實施例的方法為基礎，製備列於表1.中之具有不同PTC高分子組成(F1~F6)的六PTC實例。製備該具體例4之每一PTC實例的程序與操作條件是相同於該具體例2(E2)，其不同處是在於，該等導電性引腳4是使用該熱壓機6被焊接至該等電極3。在本發明該具體例4(E4)中，提供於每一PTC實例之該等導電性引腳4上的壓力P是50psi。

<具體例5~8(E5~E8)>

本發明該等具體例5~8(E5~E8)是分別以圖7所描繪之第四較佳實施例的方法為基礎，製備列於表1.中之具有不同PTC高分子組成(F1~F6)的六PTC實例。製備該具體例5~8(E5~E8)之每一PTC實例的程序與操作條件是相同於該具體例4(E4)，其不同處是在於，提供於該具體例5、6、7、8的該等導電性引腳4上的壓力P分別是10psi、30psi、70psi、100psi。

<比較例1(CE1)>

該比較例1(CE1)是被製備成列於表1.中之具有不同PTC高分子組成(F1~F6)的六PTC實例。製備該比較例1(CE1)之每一PTC實例的程序與操作條件是相同於該具體例1(E1)，其不同處是在於，該放射性交聯的操作是在該焊接操作之前實施。

<比較例2(CE2)>

該比較例2(CE2)是被製備成列於表1.中之具有不同PTC高分子組成(F1~F6)的六PTC實例。製備該比較例2(CE2)之每一PTC實例的程序與操作條件是相同於該具體例3(E3)，其不同處是在於，該放射性交聯的操作是在該焊接操作之前實施。

表2.顯示出該等比較例(CE1~CE2)與該等具體例(E1~E4)的每一PTC實例之測量後的電阻值與加工變化率(resistance change in percentage，R%)。每一PTC實例之量測後的電阻值是自其PTC實例中取樣10個樣本的一平均電阻值。加工變化率(R%)是被定義為(R₁ /R₀ )×100%，其中，R₀ 與R₁ 是分別代表每一PTC實例之層壓板(焊接前)的初始電阻值與PTC元件(焊接後)的初始電阻值。

由顯示於表2.的結果，該等具體例(E1~E4)的加工變化率(R%)在相同高分子組成或配方下是遠低於該等比較例(CE1~CE2)。此外，由於該等具體例(E3~E4)之PTC元件的形成，是在焊接操作期間涉及該熱壓機6的使用，該可交聯預形體2之一均勻加熱是可透過該熱壓機6的兩金屬板61(見圖5)對該等導電性引腳4的加熱與加壓來達成。因此，該等具體例(E3~E4)在相同高分子組成或配方下的加工變化率(R%)是低於該等具體例1~2(E1~E2)。

表3.顯示該等比較例(CE1~CE2)與該等具體例(E1~E4)之PTC元件的PTC效應之測試結果。每一PTC實例之量測後的電阻值是自其PTC實例中取樣10個樣本的一平均電阻值。在此PTC效應的測試中，每一PTC實例是被放置於一熱風循環式烤箱中以2℃/min的一加熱速度自20℃被加熱至200℃。於140℃與170℃所測得的電阻值(見表3.)是使用一數據收集器(Agilent 34970A)以一1次/sec的收集頻率(scanning rate)記錄。顯示於表3.中之正值的R₁₇₀ -R₁₄₀ 電阻差表示該PTC元件在該溫度範圍內具有PTC效應；然而，負值的R₁₇₀ -R₁₄₀ 電阻差表示該PTC元件在該溫度範圍內不具有或喪失PTC效應。此外，R₁₇₀ -R₁₄₀ 電阻差的大小必須是足以提供有效的PTC效應。

由顯示於表3.的結果，該等具體例(E1~E4)於該溫度範圍內顯示出令人滿意的PTC效應。儘管該比較例1的配方4~6(CE1/F4~F6)與該比較例2的配方4~5(CE2/F4~F5)具有正的電阻值差(R₁₇₀ -R₁₄₀ )；然而，其R₁₇₀ -R₁₄₀ 電阻差的大小於該溫度範圍內不足以提供有效的PTC效應。

表4.顯示該等比較例(CE1~CE2)與該等具體例(E1~E4)在直流電壓下的循環測試結果。表4.中的每一PTC實例之量測後的加工變化率(R%)是自其PTC實例中取樣10個樣本的一平均值。表4.之直流電壓循環測試是根據UL1434之耐久性測試(endurance test)來處理，其測試條件為：20V_DC 、100A、100次循環、每次循環包括一1分鐘的供電操作與一1分鐘的斷電操作。

顯示於表4.中的加工變化率(R%)是被定義為(R₁₀₀ /R₁ )×100%，其中，R₁ 與R₁₀₀ 分別是代表每一PTC實例之PTC元件於初始與第100次循環後量測的電阻值。

由顯示於表4.中的測試結果，所有具體例(E1~E4)的PTC實例皆通過直流電壓的循環測試；然而，並非所有比較例(CE1~CE2)的PTC實例皆可通過直流電壓的循環測試。

表5.顯示該等比較例(CE1~CE2)與該等具體例(E1~E4)在交流電壓下的循環測試結果。表5.中的每一PTC實例之量測後的加工變化率(R%)是自其PTC實例中取樣10個樣本的一平均值。顯示於表5.之交流電壓循環測試是根據UL1434之耐久性測試來處理，其測試條件為：30V_rms 、10A、50次循環、每次循環包括一1分鐘的供電操作與一1分鐘的斷電操作。

顯示於表5.中的加工變化率(R%)是被定義為(R₅₀ /R₁ )×100%，其中，R_I 與R₅₀ 分別是代表每一PTC實例之PTC元件於初始與第50次循環後量測的電阻值。

由顯示於表5.的測試結果，所有具體例(E1~E4)的PTC實例皆通過交流電壓的循環測試；然而，所有比較例(CE1~CE2)的PTC實例皆未通過交流電壓的循環測試。

表6.顯示該等比較例(CE1~CE2)與該等具體例(E1~E4)的過電壓測試(thermal runaway test)結果。表6.中的每一具體例或比較例的失效電壓值是10個樣本的一平均電壓值。表6.之過電壓測試是根據UL1434之過電壓測試來處理，其測試條件為：所施加的外加直流電壓是在一10 A的固定電流下階段式地自一10V_DC 的起始電壓增加至一90V_DC 的最終電壓、該固定電流足以使待測樣本在該起始外加電壓時發生斷電、該外加電壓是以一每階段10V_DC 的增加量被增加、兩步驟間的時間間隔是2分鐘，且每一階段的時間為2分鐘。

由顯示於表6.的測試結果，具體例1~4(E1~E4)的多數PTC實例通過過電壓測試；然而，該等比較例(CE1~CE2)之PTC實例並沒有通過過電壓測試。

相似於表2.，表7.顯示具體例5~8(E5~E8)之每一PTC實例之測量後的電阻值與加工變化率(R%)。

由顯示於表2.之具體例2、4(E2與E4)的測試結果與顯示於表7.之具體例5~8(E5~8)的測試結果[需注意的是，於焊接以製備具體例2(E2)之PTC元件時是沒有對該組件提供壓力，而提供於具體例4~8(E4~E8)之組件的壓力P分別是50psi、10psi、30psi、70psi與100psi]可知，當焊接操作時對其組件提供一介於10psi~50psi的適當壓力時，則PTC元件可得到一較低的電阻值，且當提供於其組件的壓力大於50psi時，則PTC元件的電阻值是顯著地增加。

綜上所述，本發明正溫度係數元件的製作方法在焊接該等導電性引腳至該可交聯預形體上的電極之後交聯該可交聯預形體，所製得之正溫度係數元件可具有一較低且穩定的電阻值、於使用該正溫度係數元件期間具有一較低的消耗功率以及較高的電氣穩定性與生產良率，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例與具體例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2．．．可交聯預形體

21．．．表面

20．．．層壓板

3．．．電極

4．．．導電性引腳

5．．．無鉛錫膏

6．．．熱壓機

61．．．金屬板

7．．．輻射裝置

8．．．回焊爐

P．．．壓力

圖1是一示意圖，說明習知正溫度係數元件之製作方法的連續步驟；

圖2是一示意圖，說明本發明正溫度係數元件的製作方法之一第一較佳實施例的連續步驟；

圖3是一流程圖，說明本發明正溫度係數元件的製作方法之該第一較佳實施例的連續步驟；

圖4是一流程圖，說明本發明正溫度係數元件的製作方法之一第二較佳實施例的連續步驟；

圖5是一示意圖，說明本發明正溫度係數元件的製作方法之一第三較佳實施例的連續步驟；

圖6是一流程圖，說明本發明正溫度係數元件的製作方法之該第三較佳實施例的連續步驟；及

圖7是一流程圖，說明本發明正溫度係數元件的製作方法之一第四較佳實施例的連續步驟。