TWI464755B - 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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Description

表面黏著型過電流保護元件
本發明係關於一種表面黏著型(SMD)過電流保護元件，更具體而言，係關於一種具有良好電阻再現性之表面黏著型過電流保護元件。
由於PTC導電複合材料在正常溫度下之電阻可維持極低值，使與其連接之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)，而將過量之電流反向抵銷。由於具有PTC特性之導電複合材料之電阻具有上述對溫度變化反應敏銳的特性，故可作為電流感測元件之材料，且目前已被廣泛應用於過電流保護元件或電路元件上，以達到保護之目的。
以高分子PTC材料為例，通常使用碳黑作為導電填料，而將碳黑分散在結晶性高分子聚合物之間。這種晶體結構使得碳粒子集中分佈在晶界中，它們之間排的非常緊密，電流可以經由這些「碳鏈」流過絕緣的塑料聚合物。在正常室溫條件下，這些高分子聚合物中存有相當數量的碳鏈，因此構成了導 電之通道。
當過電流使得元件溫度上升直到超過高分子聚合物的相變溫度(例如熔點)，一但超過了這個相變溫度，高分子聚合物會膨脹，使得那些結晶性結構會被破壞，變成了不規則狀態。這樣一來導電之碳鏈通道被破壞，故不能再傳導電流，使得電阻也隨之急劇上升，即所謂的「觸發(trip)」現象。
當溫度回復至低於其相變溫度時，聚合物會重新結晶，導電碳鏈也再重新形成。但實務上因高分子聚合物膨脹無法完全回復的關係，使得導電碳鏈並無法維持原有的導電性，因此電阻無法回復至原來的低阻值。另外，多次觸發後有電阻值大幅增加的現象，亦即有電阻回復性或電阻再現性不佳的問題。
本發明係提供一種過電流保護元件，藉由增加PTC材料層表面導電層的厚度，抑制或避免PTC材料的過度膨脹，從而提供元件較佳的電阻回復性或電阻再現性。
PTC聚合物材料於觸發時，會產生相當大的體積變化率，其熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion；CTE)會到達5000ppm/K以上，因此造成PTC元件在多次觸發後電阻值大幅度上升的情 形。然而在SMD結構中PTC材料層表面接觸的導電層大部分採用例如鎳箔、銅箔或鍍鎳銅箔等金屬導電材料，其中銅箔及鍍鎳銅箔的熱膨脹係數約為17ppm/K，鎳箔的熱膨脹係數為13ppm/K，均遠小於PTC聚合物材料之熱膨脹係數。此外上述導電層表面通常會在其表面層疊設置絕緣層，該絕緣層可採用含玻璃纖維之環氧樹脂，例如預浸玻纖材料FR-4。在低於玻璃轉移溫度時，FR-4於Z軸的熱膨脹係數約在60ppm/K以上；高於玻璃轉移溫度時，其於Z軸的熱膨脹係數約在310ppm/K以上。由此可見，PTC聚合物材料與其他導電層及絕緣層材料的熱膨脹係數有相當大的差異，本發明即利用該材料間熱膨脹係數的差異特性，藉以改善PTC聚合物材料的體積/電阻值回復性。
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含至少一PTC材料層、第一導電層、第二導電層、第一電極、第二電極及至少一絕緣層。PTC材料層具有相對之第一表面及第二表面，且該PTC材料層包含至少一結晶性高分子聚合物及散佈於該結晶性高分子聚合物中之至少一導電填料。第一導電層設於該第一表面，第二導電層設於該第二表面；亦即PTC材料層係疊設於第一及第二導電層之間。第一電極電氣連接該第一導電層，第二電極 電氣連接該第二導電層。至少一絕緣層設置於該第一及第二電極之間，以電氣隔離該第一電極及第二電極。結晶性高分子聚合物對應一熔點溫度(melting point)，在該熔點溫度時，該結晶性高分子聚合物的熱膨脹係數大於該第一及第二導電層的熱膨脹係數達100倍以上。至少該第一導電層及第二導電層中之一者的厚度大到足以使得該表面黏著型過電流保護元件的電阻再現性R3/Ri小於1.4，Ri為表面黏著型過電流保護元件的起始電阻值，R3為其觸發3次後的電阻值。
根據本發明另一實施例，至少該第一導電層及第二導電層中之一者的厚度介於38μm~200μm，藉以減低PTC材料層觸發時過度膨脹而不利電阻值回復的現象。
在本發明中藉由提升PTC材料層表面的導電層厚度，藉由增加熱膨脹係數較低的導電層的強度來限制或局限PTC材料層於觸發時的膨脹，以進一步提升電阻值再現性。
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1為本發明第一實施例之表面黏著型過電流保護元件1之示意圖，其係用於黏著於一基板或電路板(圖未示)之表面。第一電極13及與該第一電極13相對應之第二電極13'通常會位於同一平面上。該表面黏著型過電流保護元件1可設計成僅包含一組由第一電極13及第二電極13'所組成之電極組，如此該表面黏著型過電流保護元件1只能有一特定面與基板表面接合。此設計通常應用在需要放在狹窄空間裡，以及需要達到單方向絕熱或導熱之需求。該表面黏著型過電流保護元件1中該第一電極13、導電連接件12、第一導電層11a、PTC材料層10、第二導電層11b、導電連接件12'及第二電極13'係形成一導電通路以連接一外部元件(圖未示)及一電源(圖未示)。絕緣層15係位於第一電極13和第二電極13'之間，以電氣隔離該第一電極13及該第二電極13'。導電連接件12可為導電通孔或側面包覆(wrap-around)之導電端面。
圖2為本發明第二實施例之表面黏著型過電流保護元件2之示意圖，其係設計成在其上、下表面各含有一組由第一電極層131及第二電極層131'組成之電極組，藉此該第一電極13與該第二電極13'可分別於該表面黏著型過電流保護元件2之上、下表面形成一組正、負電極。該表面黏著型過電流保護 元件2可利用上、下任一表面與基板表面接合。且因為此設計無上、下面之方向性，故在製程(例如：電阻分選、包裝及元件組裝至印刷電路板之製程)上較易處理，而無需顧慮到該表面黏著型過電流保護元件2的方向性。絕緣層15係用以電氣隔離該第一電極13及該第二電極13'。詳言之，第一導電層11a及第二導電層11b分別位於PTC材料層10之上下表面；亦即PTC材料層10係疊設於第一導電層11a及第二導電層11b之間。第一電極13係包含一對形成元件2上下表面之第一電極層131，第二電極包含一對形成元件2上下表面之第二電極層131'。該第一電極層131及第二電極層131'係位於絕緣層15表面。第一導電連接件12連接該對第一電極層131及第一導電層11a，第二導電連接件12'連接該對第二電極層131'及第二導電層11b。綜言之，PTC材料層10、第一導電層11a、第二導電層11b、第一電極13及第二電極13'係層疊組成。第一導電層11a相較於其鄰近之第一電極13或第二電極13'(即上方之電極層131和131')為內層導電線路，第二導電層11b相較於其鄰近之第一電極13或第二電極13'(即下方之電極層131和131')亦為內層導電線路。
圖3係本發明第三實施例之表面黏著型過電流保 護元件3之示意圖，其中該第一導電連接件12或第二導電連接件12'可利用金屬電鍍於元件之側面，而形成側面包覆之電氣導體。通常第一導電連接件12連接於第一導電層11a及該對第一電極層131，而第二導電連接件12'連接於第二導電層11b及該對第二電極層131'。本實施例中，上方之第一電極層131係接觸第一導電層11a表面。下方之第二電極層131'係接觸第二導電層11b表面。另，亦可設計將該第一導電連接件12及該第二導電連接件12'以錫膏塗佈、電鍍再經迴焊或熱固化之方式連接電極13、13'與該導電層11a、11b。在本實施例中，該第一導電連接件12或該第二導電連接件12'亦可以形成微孔後，再以孔壁電鍍形成導電通孔(plating-through-hole；PTH)或金屬填孔而形成導電圓柱。
圖4係本發明第四實施例之表面黏著型過電流保護元件4之示意圖。第一電極13包含一對第一電極層131，第二電極13'包含一對第二電極層131'。第一導電連接件12連接該對第一電極層131及第一導電層11a，第二導電連接件12'連接該對第二電極層131'及第二導電層11b。第一導電層11a係經由蝕刻方式形成，藉由蝕刻線16(或蝕刻區)防止其與第二電極13'和第二導電連接件12'產生短路。 另，該第二導電層11b亦經由蝕刻方式形成，藉由蝕刻線16'(或蝕刻區)防止其與第一電極13和第一導電連接件12產生短路。
圖5係本發明第五實施例之表面黏著型過電流保護元件5之示意圖，類似於圖1所示者，本實施例係關於單面電極的SMD過電流保護元件。導電連接件12係以導電通孔或導電柱的方式連接第一導電層11a、第三導電層11c及第一電極13。該第三導電層11c係以蝕刻方式形成，其藉由蝕刻線16'(或蝕刻區)與第二導電層11b形成電氣隔離。第二金屬箔11b藉由導電連接件12'連接第二電極13'。此第三導電層11c貼附於該PTC材料層10，並與第二導電層11b在同一平面上。一實施例中，第一導電層11a的表面覆蓋薄層的絕緣層15，例如絕緣漆或文字油墨等。
圖6係本發明第六實施例之表面黏著型過電流保護元件6之示意圖。第一電極13包含位於元件6上下表面之一對第一電極層131，而第二電極13'包含位於元件6上下表面之一對第二電極層131'。第一導電連接件12係以導電孔或導電柱的方式連接第一電極層131、第一導電層11a和第三導電層11c。第三導電層11c係藉由蝕刻方式形成，以蝕刻線16'(或蝕刻區)與第二導電層11b形成電氣相互隔 離。第二導電連接件12'係以導電孔或導電柱的方式連接第二電極層131'、第二導電層11b和第四導電層11d。第四導電層11d係藉由蝕刻方式形成，且以蝕刻線16(或蝕刻區)與第一導電層11a形成電氣相互隔離。通常該第四導電層11d貼附於該PTC材料層10，並與第一導電層11a在同一平面上。
圖7係本發明第七實施例之表面黏著型過電流保護元件7之示意圖。過電流保護元件7包含PTC元件71、第一導電連接件12a、第二導電連接件12a'、第一電極13及第二電極13'。PTC元件71包含第一導電層11a、第二導電層11b及疊設於該第一導電層11a及第二導電層11b間之PTC材料層10。第一電極13包含位於元件7上下表面之一對第一電極層131，而第二電極13'包含位於元件7上下表面之一對第二電極層131'。絕緣層15包覆該PTC元件7。導電連接件12a(例如導電通孔或導電端面)連接該對第一電極層13；導電連接件12b(例如導電柱或導電孔)連接該第一導電層11a及上方之第一電極層131。導電連接件12a'(例如導電通孔或導電端面)連接該對第二電極層131'，導電連接件12b'(例如導電柱或導電孔)連接該第二導電層11b及下方之第二電極層131'。
圖8係本發明第八實施例之表面黏著型過電流保 護元件8之示意圖。類似於圖2之結構，不同之處在於另外增加連接上方之第一電極層131及第一導電層11a之導電連接件12b，以及連接下方之第二電極層131'及第二導電層11b之導電連接件12b'，藉此可增加導熱或散熱效果。另外，若第一電極層131和第二電極層131'為銅層，可外覆錫層132和132'，以增進焊接效果。位於上、下之第一電極層131和第二電極層131'之間可設置絕緣防焊層17。
以下將利用一實施例說明本發明之表面黏著型過電流保護元件之製作過程。本領域具有通常知識者亦可將實質相同或相似的製程應用於製作上述實施例之SMD結構或其它結構上略有不同之SMD元件。
本發明之表面黏著型過電流保護元件之製作過程例示如下：首先將批式混鍊機(Haake-600)進料溫度定在160℃，進料時間為2分鐘。進料程序為加入定量的結晶性高分子聚合物，攪拌數秒鐘再加入導電填料。混鍊機旋轉之轉速為40rpm。3分鐘之後，將其轉速提高至70rpm，繼續混鍊7分鐘後下料，而形成一具有PTC特性之導電複合材料。將上述導電複合材料以上下對稱方式置入外層為鋼板，中間厚度為0.35mm之模具中，模具上下各置一層鐵弗龍脫模布，先預壓3分鐘，預壓操作壓 力50kg/cm2 ，溫度為160℃。排氣之後進行壓合，壓合時間為3分鐘，壓合壓力控制在100kg/cm2 ，溫度為160℃。之後再重覆一次壓合動作以形成一PTC複合材料層，其中壓合時間為3分鐘，壓合壓力控制在150kg/cm2 ，溫度為160℃。
參照圖9A，下一步驟係將該PTC複合材料層裁切成20×20cm2 之一正方形之PTC材料層10，再將二導電層20直接物理性接觸於該PTC材料層10之上、下表面，其係於該PTC材料層10之表面以上、下對稱方式覆蓋該二導電層20。該二導電層20可利用具有瘤狀突出物(圖未示)之粗糙表面與該PTC材料層10直接物理性接觸。申言之，導電層20之兩個表面也可以都是光滑面，但是較常使用之導電層含一光滑面及一粗糙面，並將含瘤狀突出之該粗糙面作為內側面與該PTC材料層10直接物理性接觸。之後，於上下對稱覆蓋之該二導電層20之外側依順序加上壓合專用緩衝材如鐵弗龍脫模布及不銹鋼鋼板(圖未示)而形成一多層結構並再次進行壓合，壓合時間為3分鐘，操作壓力為60kg/cm2 ，溫度為180℃。熱壓合後再將該多層結構以同樣壓力在室溫下進行冷壓合5分鐘，壓合後將該二導電層20與該PTC材料層10所形成之片狀複合材料取出再經50KGy之γ-ray照射，形成如圖9A所示之 導電複合材料元件9。
一實施例中，將導電複合材料元件9表層之導電層20進行蝕刻產生蝕刻線21(參圖9B)，以形成位於PTC材料層10一表面之第一導電層11a及另一表面之第二導電層11b。再將絕緣層15(例如含玻璃纖維之環氧樹脂，FR-4)覆蓋在蝕刻過之該導電層11a及11b表面，並於絕緣層15之表面覆蓋一層銅箔40，並在溫度180℃及60kg/cm2 壓力下進行30分鐘熱壓合，冷卻後得如圖9B所示之包含一層PTC材料層10之複合材料。
參照圖9C，接著將該上、下銅箔40進行蝕刻，產生二第一電極層131及與該第一電極層131相對應之二第二電極層131'，且以鑽孔電鍍方式在孔內形成導電通孔(plating through hole；PTH)，即產生第一導電連接件12和第二導電連接件12'。申言之，第一電極13包含該對第一電極層131，第二電極13'包含該對第二電極層131'。第一導電連接件12電氣連接於該第一導電層11a及該第一電極層131，而第二導電連接件12'電氣連接於該第二導電層11b及該第二電極層131'。之後，在第一電極13與該第二電極13'之間塗上絕緣層60(在此使用紫外線固化塗料)，作為電極13及13'間之絕緣塗料(即防焊層)，而形成一PTC板材。經紫外線固化後， 再將該PTC板材按欲應用之表面黏著元件之尺寸進行切割，即可產生本發明之一表面黏著型過電流保護元件90。
除了上述包含單層PTC材料層10之實施例外，本發明亦將包含其他層數PTC材料層10製作成之表面黏著型過電流保護元件。
圖10例示包含2層PTC材料層之表面黏著型過電流保護元件之結構，其製作流程如下：先取兩片導電複合材料元件9，將第一片導電複合材料元件9表層之導電層11a及11b進行蝕刻產生蝕刻線，再利用第一絕緣層15(於本實施例中係使用含玻璃纖維之環氧樹脂)覆蓋在導電層11a及11b表面，以及蝕刻後之另一片導電複合材料元件9之間。之後，於上、下絕緣層15表面各覆蓋一層銅箔，並在溫度180℃及60kg/cm2 壓力下進行30分鐘熱壓合，經冷卻後得一包含2層PTC材料層10之多層複合材料。該銅箔進行蝕刻後係產生二個第一電極層131及與該第一電極層131相對應之二個第二電極層131'。申言之，第一電極13包含該對第一電極層131，第二電極13'包含該對第二電極層131'。接著，再以鑽孔電鍍方式產生第一導電連接件12和第二導電連接件12'，其中該第一導電連接件12係電氣連接於各導電複合材料元件9中之導電層 11a及該對第一電極層131'，而該第二導電連接件12'係電氣連接於各導電複合材料元件9之導電層11b及第二電極層131'。一實施例中，在該第一電極13與第二電極13'之間，塗上第二絕緣層60(在此係使用紫外線固化之塗料)作為電極間之絕緣塗料(即防焊層)。經紫外線固化後，再按所欲應用之表面黏著元件之尺寸進行切割，即可產生包含複數個PTC材料層10或複數個PTC元件9之表面黏著型過電流保護元件。
上述實施例中之PTC材料層10包含結晶性高分子聚合物及散佈於其間之導電填料。結晶性高分子聚合物可選用具結晶性的聚烯烴類聚合物(例如高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蠟、乙烯聚合物、聚丙烯、聚氯乙烯或聚氟乙烯等)、烯烴類單體與壓克力類單體之共聚合物(例如乙烯-壓克力酸共聚合物、乙烯-壓克力脂共聚合物)或烯烴類單體與乙烯醇類單體之共聚合物(例如乙烯-乙烯醇共聚合物)等，並且可以選用一種或多種聚合物材料。
舉例而言，在鋰離子電池過充電的安全保護應用方面，為了達到較低溫保護之目的，一般PTC過電流保護元件必須在較低溫就能有觸發反應，因此PTC材料層除了可選用傳統上較低熔點的結晶性高 分子聚合物，如低密度聚乙烯。然而也可以選用一種或多種結晶性高分子聚合物材料，例如包含至少一熔點低於115℃之結晶性高分子聚合物。上述之低密度聚乙烯可使用傳統Ziegler-Natta催化劑、Metallocene催化劑或其他催化劑聚合而成，亦可經由乙烯單體與其它單體，如：丁烯(butane)、己烯(hexane)、辛烯(octene)、丙烯酸(acrylic acid)或醋酸乙烯酯(vinyl acetate)等共聚合而成。但有時為了達到較高溫保護或其他特殊之目的，該PTC材料層之成分亦可全部或局部使用高熔點之結晶性高分子聚合物材料，如：聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride；PVDF)、聚氟乙烯(polyvinyl fluoride；PVF)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene；PTFE)、聚氯化三氟化乙烯(polychlorotrifluoro-ethylene；PCTFE)等。
上述結晶性高分子聚合物亦可含功能基，如酸基、酸酐基、鹵基、胺基(amine)、未飽和基、環氧基、醇基、氨基(amide)、金屬離子、酯基(ester)、壓克力基(acrylate)或鹽基(salt)等；亦可在該PTC材料層中加入抗氧化劑、交鏈劑、阻燃劑、防水劑或抗電弧劑等，以達到強化材料極性、材料電氣性質，機械結合力性質或其他性質，如：抗水性、耐高溫性、交聯性及抗氧化性等。
導電填料可選用碳黑、金屬粉末或導電陶瓷粉末。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、硬質合金、固溶體或核殼體。
本發明所使用之金屬粉末或導電陶瓷粉末之形狀可呈現出多種不同樣式之顆粒，例如：球體型(spherical)、方體型(cubic)、片狀型(flake)、多角型、尖刺型(spiky)、柱狀型(rod)、珊瑚型、瘤狀型(nodular)、葡萄球狀、蕈菇狀、及絲線型(filament)等，其縱橫比(aspect ratio)介於1至1000，其形狀可為高結構(high structure)或是低結構(low structure)之粉末。大致而言，高結構之導電填料可以強化PTC材料之電阻再現性，低結構之導電填料可以強化PTC材料之耐電壓性。
另外，為了提升耐電壓性，本發明之PTC材料層 10可添加非導電填料。非導電填料主要係選自具有阻燃效果或抗電弧效應之無機化合物(例如：氧化鋅、氧化銻、氧化鋁、氧化矽、碳酸鈣、硫酸鎂或硫酸鋇)或含有氫氧基(OH)之化合物(例如：氫氧化鎂、氫氧化鋁、氫氧化鈣或氫氧化鋇等)。非導電填料係無機化合物亦具有控制電阻再現性之功能。
導電層11a及11b可使用金屬箔片，例如常用之銅箔、鎳箔或鍍鎳銅箔等。另外，導電層11a、11b亦可為經過電鍍、電解、沉積或鍍層增厚製程製作的導電材料或導電複合材料。
導電連接件12、12'、12a、12a'基本上是用金屬材料製成，可以是一個或多個圓柱狀或部分圓柱狀、橢圓柱狀或部分橢圓柱狀、平面狀、片狀或其他形狀與結構。導電連接件12、12'、12a、12a'可形成於導通孔(via)內、盲孔(blind via)內、或包覆(wrap-around)在元件的全部側面(full-face)或部分側面上，而形成導電通孔、導電盲孔或導電端面。對於只有單面電極的SMD過電流保護元件而言，其最上層的PTC材料層之導電層可以完全顯露在外，或是其表面上僅覆蓋了薄層的絕緣材料，例如絕緣漆，文字油墨等。
絕緣層15可使用環氧樹脂與玻璃纖維之複合材 料，例如FR-4，其亦可作為結合各PTC材料層10表面之導電層之黏著劑。除了使用環氧樹脂外，亦可使用其他黏著用絕緣層，如尼龍(Nylon)、聚醋酸乙烯酯(Polyvinylacetate)、聚酯(Polyester)及聚亞醯胺(Polyimide)等。絕緣層60通常可採用熱固化或紫外線固化之壓克力樹脂。
除了圖1和圖5所示之表面黏著型過電流保護元件係單面電極型式，其餘均為雙面電極或稱上下電極型式。就結構內外區分，設於PTC材料層10表面之導電層11a及11b係作為內層電極，電極13及13'則作為外層電極。要言之，前述表面黏著型過電流保護元件主要是由PTC材料層、PTC材料層表面之內層導電層、絕緣層及外層電極層疊構成。舉例而言，結晶性高分子聚合物於其熔點之熱膨脹係數約5000ppm/K，而銅箔的熱膨脹係數約17ppm/K，鎳箔的熱膨脹係數則約13ppm/K。換言之，PTC材料層達到其熔點溫度時，與其表面之金屬箔之熱膨脹係數相差達100倍以上，甚至可達200倍或250倍以上，不過通常會小於800倍或1000倍。此時若PTC材料層表面之導電層具有較佳的機械強度或剛性，理論上可藉由其與PTC材料層間的結合力量，抑制或減低PTC材料層的膨脹程度，避免PTC材料層的過度膨脹，從而得到較佳的PTC 材料層的體積回復性及電阻回復性或再現性。
以下利用圖2所示之過電流保護元件結構進行相關測試，其中比較例1和實施例1係採用相同的材料和結構，不同處在於導電層的厚度。另外，比較例2和實施例2以及比較例3和實施例3係另外2組針對導電層厚度之不同之比較組。
Ri為過電流保護元件的初始電阻值，R1、R2及R3分別為觸發1次後回復至室溫1小時、再次觸發後回復至室溫1小時及第3次觸發後回復至室溫1小時後所量測之電阻值。上述各實施例及比較例之電阻值測試結果及相關之電阻再現性R3/Ri比值如表一所示。其中HDPE和LDPE分別代表高密度聚乙烯及低密度聚乙烯。
由表一結果可知，比較例1~3中之導電層厚度均小於等於35μm，而電阻再現性R3/Ri的值係大於1.42。實施例1~3之導電層厚度大於等於38 μm，而電阻再現性R3/Ri的值可明顯降低至小於1.4以下，或特別是小於1.35、1.3或1.25。若觸發後電阻R3能回到初始電阻值Ri係理想狀態，即R3/Ri=1。但實務上R3/Ri會大於1，而以愈趨近1愈佳。導電層的厚度可大約介於38~200μm或40~200 μm之間，其特別是介於50~150μm之間。導電層之厚度亦可為80、100或120μm。
綜言之，本發明揭示一種表面黏著型過電流保護元件，其主要包含至少一PTC材料層10、第一導 電層11a、第二導電層11b、第一電極13、第二電極13'及至少一絕緣層15。PTC材料層10包含相對之第一表面及第二表面，且該PTC材料層10包含至少一結晶性高分子聚合物及散佈於該結晶性高分子聚合物中之至少一導電填料。第一導電層11a設於該第一表面，第二導電層11b設於該第二表面；換言之，PTC材料層10係疊設於第一導電層11a和第二導電層11b之間，而形成PTC元件。第一電極13電氣連接該第一導電層11a，第二電極13'電氣連接該第二導電層11b。絕緣層15設置於該第一電極13及第二電極13'之間，以電氣隔離該第一電極13及第二電極13'。其中該結晶性高分子聚合物對應一熔點溫度，在該熔點溫度時，該結晶性高分子聚合物的熱膨脹係數大於該第一及第二導電層的熱膨脹係數達100倍以上，至少該第一導電層及第二導電層中之一者的厚度大到足以使得該表面黏著型過電流保護元件的電阻再現性R3/Ri小於1.4，Ri為起始電阻值，R3為觸發3次後的電阻值。
黏著型過電流保護元件可另包含第一導電連接件12或12a及第二導電連接件12'或12a'。第一導電連接件12或12a包含位於元件一端部之導電通孔、導電盲孔或導電端面，且沿垂直方向延伸以連 接該第一電極13及第一導電層11a。第二導電連接件12'或12a'包含位於元件另一端部之導電通孔、導電盲孔或導電端面，且沿垂直方向延伸以連接該第二電極13'及第二導電層11b。
綜上所述，對於習知之表面黏著元件之過電流保護元件，本發明突破表面黏著型過電流保護元件電阻再現性不佳的問題，藉由使用較厚的導電層能將元件的電阻再現性R3/Ri之值維持於小於1.4。因此本發明之表面黏著型過電流保護元件確能達到本發明之預期目的。
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。
1~8、90‧‧‧表面黏著型過電流保護元件
9‧‧‧導電複合材料元件
10‧‧‧PTC材料層
11a‧‧‧第一導電層
11b‧‧‧第二導電層
11c‧‧‧第三導電層
11d‧‧‧第四導電層
12‧‧‧導電連接件
12'‧‧‧導電連接件
12a、12a'‧‧‧導電連接件
12b、12b'‧‧‧導電連接件
13‧‧‧第一電極
13'‧‧‧第二電極
15‧‧‧絕緣層
16、16'、21‧‧‧蝕刻線
17‧‧‧防焊層
20‧‧‧導電層
40‧‧‧銅箔
60‧‧‧絕緣層
71‧‧‧PTC元件
131‧‧‧第一電極層
131'‧‧‧第二電極層
圖1至圖8係本發明之表面黏著型過電流保護元件之各實施例之示意圖；圖9A至9C係本發明一實施例之表面黏著型過電流保護元件之製作流程示意圖；以及圖10係本發明又一實施例之具雙層PTC材料層 之表面黏著型過電流保護元件示意圖。
2‧‧‧表面黏著型過電流保護元件
10‧‧‧PTC材料層
11a‧‧‧第一導電層
11b‧‧‧第二導電層
12‧‧‧第一導電連接件
12'‧‧‧第二導電連接件
13‧‧‧第一電極
13'‧‧‧第二電極
15‧‧‧絕緣層
131‧‧‧第一電極層
131'‧‧‧第二電極層

Claims (19)

  1. 一種表面黏著型過電流保護元件，包含：至少一PTC材料層，具有相對之第一表面及第二表面，該PTC材料層包含至少一結晶性高分子聚合物及散佈於該結晶性高分子聚合物中之至少一導電填料；一第一導電層，設於該第一表面；一第二導電層，設於該第二表面；一第一電極，電氣連接該第一導電層；一第二電極，電氣連接該第二導電層；以及至少一絕緣層，設置於該第一及第二電極之間，以電氣隔離該第一電極及第二電極；其中該結晶性高分子聚合物對應一熔點溫度，在該熔點溫度時，該結晶性高分子聚合物的熱膨脹係數大於該第一及第二導電層的熱膨脹係數達100倍以上，且至少該第一導電層及第二導電層中之一者的厚度大到足以使得該表面黏著型過電流保護元件的電阻再現性R3/Ri小於1.4，Ri為表面黏著型過電流保護元件的起始電阻值，R3為觸發3次後的電阻值。
  2. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該第一或第二導電層之厚度介於38至200μm之間。
  3. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該結晶性高分子聚合物係選自：高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蠟、乙烯聚合 物、聚丙烯、聚氯乙烯、聚氟乙烯等、乙烯-壓克力酸共聚合物、乙烯-壓克力脂共聚合物或烯烴類單體與乙烯醇類單體之共聚合物。
  4. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該導電填料係選自：碳黑、鎳、鈷、銅、鐵、錫、鉛、銀、金、鉑、碳化鈦、碳化鵭、碳化釩、碳化鋯、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉬、碳化鉿、硼化鈦、硼化釩、硼化鋯、硼化鈮、硼化鉬、硼化鉿、氮化鋯或前述材料之混合物、合金、固溶體或核殼體。
  5. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該PTC材料層另包含非導電填料，其係選自：氧化鋅、氧化銻、氧化鋁、氧化矽、碳酸鈣、硫酸鎂或硫酸鋇、氫氧化鎂、氫氧化鋁、氫氧化鈣或氫氧化鋇。
  6. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該第一或第二導電層為銅箔、鎳箔或鍍鎳銅箔。
  7. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該第一或第二導電層為經過電鍍、電解、沉積或鍍層增厚製程製作的導電材料或導電複合材料。
  8. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該絕緣層之材料包括含玻璃纖維之環氧樹脂。
  9. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中該PTC材料層、第一導電層、第二導電層、第一電極及第二電極係層疊組成，且第一或第二導電層相較於其鄰近之第一電極或第二電極為內層導電線 路。
  10. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其另包含第一導電連接件及第二導電連接件，第一導電連接件包含位於元件一端部之導電通孔、導電盲孔或導電端面，且沿垂直方向延伸以連接該第一電極及第一導電層；該第二導電連接件包含位於元件另一端部之導電通孔、導電盲孔或導電端面，且沿垂直方向延伸以連接該第二電極及第二導電層。
  11. 根據請求項1之表面黏著型過電流保護元件，其中絕緣層有二層分別設於該第一導電層和第二導電層表面。
  12. 根據請求項11之表面黏著型過電流保護元件，其中該第一電極包含一對設於該第一導電層和第二導電層表面的絕緣層表面之第一電極層，該第二電極包含一對設於該第一導電層和第二導電層表面的絕緣層表面之第二電極層。
  13. 一種表面黏著型過電流保護元件，包含：至少一PTC材料層，具有相對之第一表面及第二表面，該PTC材料層包含至少一結晶性高分子聚合物及散佈於該結晶性高分子聚合物中之至少一導電填料；一第一導電層，設於該第一表面；一第二導電層，設於該第二表面；一第一電極，電氣連接該第一導電層；一第二電極，電氣連接該第二導電層；以及 至少一絕緣層，設置於該第一及第二電極之間，以電氣隔離該第一電極及第二電極；其中該結晶性高分子聚合物對應一熔點溫度，在該熔點溫度時，該結晶性高分子聚合物的熱膨脹係數大於該第一及第二導電層的熱膨脹係數達100倍以上；其中至少該第一導電層及第二導電層中之一者的厚度介於38μm至200μm，藉以減低PTC材料層觸發時過度膨脹而不利電阻值回復的現象。
  14. 根據請求項13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的電阻再現性R3/Ri小於1.4，Ri為起始電阻值，R3為觸發3次後的電阻值。
  15. 根據請求項13之表面黏著型過電流保護元件，其中結晶性高分子聚合物係選自：高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蠟、乙烯聚合物、聚丙烯、聚氯乙烯、聚氟乙烯等、乙烯-壓克力酸共聚合物、乙烯-壓克力脂共聚合物或烯烴類單體與乙烯醇類單體之共聚合物。
  16. 根據請求項13之表面黏著型過電流保護元件，其中該第一或第二導電層為銅箔、鎳箔或鍍鎳銅箔。
  17. 根據請求項13之表面黏著型過電流保護元件，其中該第一或第二導電層為經過電鍍、電解、沉積或鍍層增厚製程製作的導電材料或導電複合材料。
  18. 根據請求項13之表面黏著型過電流保護元件，其中 該絕緣層之材料包括含玻璃纖維之環氧樹脂。
  19. 根據請求項13之表面黏著型過電流保護元件，其中該PTC材料層、第一導電層、第二導電層、第一電極及第二電極係層疊組成，且第一或第二導電層相較於其鄰近之第一電極或第二電極為內層導電線路。
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