TWI606470B - Positive temperature coefficient current protection wafer device and its production method - Google Patents

Description

正溫度係數電流保護晶片裝置及其製法

本發明是有關於一種正溫度係數(PTC)電流保護晶片裝置及其製法，特別是指一種包含在熱壓過程中使用一個間隔單元的PTC電流保護晶片裝置的製法。

PTC元件具備一種可提供與電流保護裝置[例如可復式保險絲(resettable fuse)]相同效果的PTC效應。PTC元件包括一種PTC聚合物材料、一個第一電極及一個第二電極，該第一電極及第二電極是附著至該PTC聚合物材料的兩個相對表面。

該PTC聚合物材料包括一種含有結晶區及非結晶區的聚合物基質，以及一種顆粒狀導電填充劑。該顆粒狀導電填充劑分散於該聚合物基質的非結晶區內且形成一個供介於第一電極與第二電極之間產生導電的連續導電路徑。該PTC效應是一種當該聚合物基質的溫度升高至其熔點時，該結晶區中的晶體會開始溶解而讓一個新的非結晶區產生的現象。當該新的非結晶區增加至與原始非結晶區溶合的狀態時，該顆粒狀導電填充劑的導電路徑將變成非連續，且該PTC聚合物材料的阻抗將會急遽增加，而導致該第一電極與該第二電極之間發生斷電。

圖1至圖4說明PTC電流保護晶片裝置的現有製法的連續步驟。該現有製法包括：製備一種含有聚合物材料及導電填充劑的PTC組成物；於約200℃溫度下混合該PTC組成物並使該PTC組 成物擠壓形成PTC粒101；使該PTC粒101於模具100中及約200℃溫度下進行熱壓，以形成一混合片11(請見圖1及圖2)；將該混合片11放置於兩片金屬箔12之間並形成一個堆疊物10(請見圖2)；使該堆疊物10於約200℃溫度下進行熱壓(請見圖2)；將該熱壓堆疊物10切割成數個晶片13，每個晶片13包括一個第一電極131、一個第二電極131及一個夾置於該第一電極與該第二電極131之間的PTC體132(請見圖3)；使每個晶片13的該PTC體132透過使用鈷-60γ射線進行照射而產生交聯；以及分別透過焊接技術並使用焊料，將第一終端引線及第二終端引線14分別焊接至該第一電極與第二電極131(請見圖4)。焊接溫度依據所使用的焊料而決定，一般約為260℃或高於260℃。由於前述焊接作業需要在約260℃或高於260℃的溫度下操作，此高焊接溫度將不可避免地使該晶片13的PTC體132產生降解，並進一步降低晶片13的電性質及PTC效應，以及縮短晶片13的使用壽命。

因此，本發明之目的，即在提供一種PTC電流保護晶片裝置的製法。該製法可以克服前述先前技術的各項缺點。

於是，本發明PTC電流保護晶片裝置的製法，包含以下步驟：製備一個組合件，該組合件含有一種PTC聚合物材料、一個間隔單元、一片金屬材質的第一電極片，及一片金屬材質的第二電極片，其中，該組合件的該PTC聚合物材料及該間隔單元是夾置於該第一電極片與該第二電極片之間並共同配合形成一個堆疊體； 對該堆疊體進行熱壓，以使該第一電極片及該第二電極片對著該PTC聚合物材料及該間隔單元進行接觸及壓製，以及該PTC材料會與該第一電極片及第二電極片接合並共同配合形成一個PTC層合體；及對該PTC層合體進行切割，以形成該PTC電流保護晶片裝置。

本發明的另一目的在於提供一種PTC電流保護晶片裝置。

於是，本發明PTC電流保護晶片裝置包含：一個由PTC聚合物材料所製成的PTC體，具有彼此相對的第一表面及第二表面、及一個周圍端，其中該周圍端是設置於該第一表面與第二表面之間，並與該第一表面與第二表面相連接；一片由鍍有金屬的銅箔所製成的第一單片，具有一個第一電極部及一個第一終端引線部，該第一電極部是熱壓接合至該PTC體的第一表面，以及該第一終端引線部是超出該PTC體的周圍端並自該第一電極部延伸；以及一片由鍍有金屬的銅箔所製成的第二單片，具有一個第二電極部及一個第二終端引線部，該第二電極部是熱壓接合至該PTC體的第二表面，以及該第二終端引線部是超出該PTC體的周圍端並自該第二電極部延伸；其中，該第一電極部具有二個彼此相對衝模(punch)的第一側端面，其是與該PTC體的周圍端齊平； 其中，該第一終端引線部具有二個相對衝模的第一橫向端面，每個第一橫向端面是橫越且相交至各自的第一側端面，以共同界定一個第一隅角；其中，該第二電極部具有二個彼此相對衝模的第二側端面，其是與該PTC體的周圍端齊平；其中，該第二終端引線部具有二個相對衝模的第二橫向端面，每個第二橫向端面是橫越且相交至各自的第二側端面，以共同界定一個第二隅角。

本發明之功效在於：本發明製法所製得的PTC電流保護晶片裝置透過在熱壓步驟中使用該間隔單元，而讓所製得的PTC電流保護晶片裝置得以消除先前技術的各項缺點。

4‧‧‧PTC材料體

23‧‧‧第二單片23

4’‧‧‧一體成型PTC層

231‧‧‧第二電極部

5‧‧‧堆疊體

2310‧‧‧第二側端面

6‧‧‧PTC層合體

2315‧‧‧第二隅角

7‧‧‧PTC電流保護晶片裝置

232‧‧‧第二終端引線部

21‧‧‧PTC體

2320‧‧‧第二橫向端面

211‧‧‧第一表面

32‧‧‧間隔單元

212‧‧‧第二表面

320‧‧‧容納空間

213‧‧‧周圍端

321‧‧‧不鏽鋼條

22‧‧‧第一單片22

33‧‧‧第一電極片

221‧‧‧第一電極部

34‧‧‧第二電極片

2210‧‧‧第一側端面

40‧‧‧胚粒

2215‧‧‧第一隅角

71‧‧‧PTC聚合物材料

222‧‧‧第一終端引線部

72‧‧‧金屬材

2220‧‧‧第一橫向端面

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：〔圖1〕是一示意圖，說明PTC電流保護晶片裝置的現有製法的步驟；〔圖2〕是一示意圖，說明PTC電流保護晶片裝置的現有製法的步驟；〔圖3〕是一示意圖，說明PTC電流保護晶片裝置的現有製法的步驟；〔圖4〕是一示意圖，說明PTC電流保護晶片裝置的現有製法的步驟； 〔圖5〕是一立體圖，說明本發明PTC電流保護晶片裝置的一個具體例；〔圖6〕是一示意圖，說明本發明PTC電流保護晶片裝置的製法的一個具體例的步驟；〔圖7〕是一示意圖，說明本發明PTC電流保護晶片裝置的製法的一個具體例的步驟；〔圖8〕是一示意圖，說明本發明PTC電流保護晶片裝置的製法的一個具體例的步驟；〔圖9〕是一示意圖，說明本發明PTC電流保護晶片裝置的製法的一個具體例的步驟；〔圖10〕是一示意圖，說明本發明PTC電流保護晶片裝置的製法的一個具體例的步驟；〔圖11〕是一示意圖，說明本發明PTC電流保護晶片裝置的製法的一個具體例的步驟；及〔圖12〕是一示意圖，說明本發明PTC電流保護晶片裝置的製法的一個具體例的步驟。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

圖5說明本發明PTC電流保護晶片裝置7的具體例。在此具體例中，該PTC電流保護晶片裝置7包含：一個由PTC聚合物材料71所製成的PTC體21、一個由金屬材72所製成的第一單片22；以及一片由金屬材72所製成的第二單片23。該PTC體21具有 彼此相對的第一表面211及第二表面212、及一個周圍端213，其中該周圍端213是設置於該第一表面211與第二表面212之間，並與該第一表面211與第二表面212的周圍相連接。該第一單片22具有一個第一電極部221及一個第一終端引線部222，該第一電極部221是熱壓接合至該PTC體21的第一表面211，以及該第一終端引線部222是超出該PTC體21的周圍端213並自該第一電極部221延伸。該第二單片23具有一個第二電極部231及一個第二終端引線部232，該第二電極部231是熱壓接合至該PTC體21的第二表面212，以及該第二終端引線部232是超出該PTC體21的周圍端213並自該第二電極部231延伸。在其他的具體例中，該第一單片22及第二單片23是透過讓三明治層結構中的二片鍍有金屬的箔片進行衝模而形成(圖未示)。

在此具體例中，該第一電極部221具有二個彼此相對衝模的第一側端面2210，其是與該PTC體21的周圍端213齊平。該第一終端引線部222具有二個相對衝模的第一橫向端面2220，每個第一橫向端面2220是橫越且相交至各自的第一側端面2210，以共同界定一個第一隅角2215。該第二電極部231具有二個彼此相對衝模的第二側端面2310，其是與該PTC體21的周圍端213齊平。該第二終端引線部232具有二個相對衝模的第二橫向端面2320，每個第二橫向端面2320是橫越且相交至各自的第二側端面2310，以共同界定一個第二隅角2315。該第一側端面2210及該第二側端面2310，以及該第一橫向端面2220及該第二橫向端面2320，具備顯示這些面將透過衝模技術而形成的結構特徵。

圖6至12說明本發明PTC電流保護晶片裝置7的製法的一個具體例的步驟。該製法包含的步驟為：製備PTC組成物，其含有導電填充劑以及含有聚烯烴與接枝聚烯烴的聚合物混合物；將一個間隔單元32放置於一片由金屬材72所製成的第一電極片33上(請見圖6)，該間隔單元32包括至少二個彼此相互間隔且共同界定一個容納空間320的不鏽鋼條321；混合並擠壓該PTC組成物，以形成數個PTC聚合物材料71的胚粒40，並將該等PTC聚合物材料71的胚粒40填入該容納空間320中，以讓該等PTC聚合物材料71的胚粒40所形成的PTC材料體4稍微覆蓋超出該容納空間320(請見圖7)；將金屬材72所製成的第二電極片34放置於該間隔單元32的頂側以及該等PTC聚合物材料71的胚粒40所形成的PTC材料體4的頂側，以讓該等PTC聚合物材料71的胚粒40所形成的PTC材料體4與該間隔單元32夾置於該第一電極片33與該第二電極片34之間，並與該第一電極片33與該第二電極片34相配合形成一個堆疊體5(請見圖8)；對該堆疊體5進行熱壓，以使該第一電極片33及第二電極片34對著該等PTC聚合物材料71的胚粒40所形成的PTC材料體4及該間隔單元32進行接觸及壓製，藉以將胚粒40所形成的PTC材料體4與第一電極片33及第二電極片34形成一個PTC層合體6，其包括一個PTC聚合物材料71的一體成型PTC層4’，其是由該等PTC聚合物材料71的胚粒40所形成的PTC材料體4所形成，並接合至該第一電極片33及第二電極片34，以及夾置於該第一電極片33與第二電極片34之間(請見圖8及9)；在熱壓後，將該間隔單元32自該PTC層合體6移除；在熱壓後，透過以鈷-60 γ射線照射而 讓該PTC層4’的PTC聚合物材料71進行交聯；以及在移除該間隔單元32後，切割該PTC層合體6，以形成PTC電流保護晶片裝置7(請見圖10、11及12)。需注意的是，該PTC聚合物材料71所形成的該等胚粒40將會溶解，接著於熱壓過程中固化為PTC聚合物材料71的一體成型PTC層4’。進一步需注意的是，只有一個PTC電流保護晶片裝置7會於本具體例製法中形成，如圖12所顯示；然而，PTC層合體6可具有較大尺寸，而可被切割成數個PTC電流保護晶片裝置7。

在此具體例中，PTC層合體6的切割步驟包括利用衝模機來對PTC層合體6進行衝模(圖未示)。在其他具體例中，PTC層合體6的切割步驟可以透過對該PTC層合體6進行衝模，接著再利用切割機(圖未示)切割該衝模PTC層合體6中不想要的部份。

該金屬材72的例子可包括金屬片、金屬箔及鍍有金屬的箔片(例如鍍鎳的銅箔)。

在其他具體例中，該第一電極片33及該第二電極片34，或是該第一單片22及該第二單片23各自可具有範圍在0.9至2.0μm的中間平均表面粗糙度(R_a)；同時在另外的其他具體例中，該第一電極片33及該第二電極片34，或是該第一單片22及該第二單片23各自可具有範圍在1.1至1.6μm的中間平均表面粗糙度(R_a)。

該聚合物混合物可包含聚烯烴(例如高密度聚乙烯，HDPE)，以及選擇地包含接枝聚烯烴(例如接枝HDPE)，例如經羧酸酐接枝的聚烯烴。

該導電填充劑是分散於該PTC聚合物材料71中，且可包括導電非碳顆粒及/或導電碳顆粒(例如碳黑)。

該導電非碳顆粒的例子可包括碳化鈦、碳化鋯、碳化釩、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉻、碳化鉬、碳化鎢、氮化鈦、氮化鋯、氮化釩、氮化鈮、氮化鉭、氮化鉻、二矽化鈦、二矽化鋯、二矽化鈮、二矽化鎢、金、銀、銅、鋁、鎳、鎳金屬化玻璃珠、鎳金屬化石墨、Ti-Ta固體溶液、W-Ti-Ta-Cr固體溶液、W-Ta固體溶液、W-Ti-Ta-Nb固體溶液、W-Ti-Ta固體溶液、W-Ti固體溶液、Ta-Nb固體溶液及前述的組合。

在其他具體例中，以該PTC組成物的重量計算，該聚合物混合物的含量範圍可為9至30wt%，以及該導電填充劑的含量範圍為70至91wt%。

本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

實施例

<實施例1(E1)>

6.75克的HDPE[購自台灣塑膠公司，商品名為HDPE9002，具有150,000g/mol的重量平均分子量以及45g/10min的熔流速率(依據ASTM D-1238且於230℃及12.6公斤負載下測試)]、6.75克的經羧酸酐接枝HDPE[購自杜邦公司，商品名為MB100D，具有80,000g/mol的重量平均分子量以及75g/10min的熔流速率(依據ASTM D-1238且於230℃及12.6公斤負載下測試)]，以及 136.5克的碳化鈦粉末(具有顆粒尺寸D50範圍為3.8至4.585μm)於Brabender混合機中進行混合。混合溫度為200℃，攪拌速度為50rpm，施加壓力為5kg，混合時間為10分鐘。該混合後的混合物被擠壓形成數個PTC聚合物材料的胚粒。含有兩個平行不鏽鋼條的間隔單元被放置於第一鍍鎳銅箔上，該第一鍍鎳銅箔具有105μm的厚度以及1.10μm的中間平均表面粗糙度(R_a)。該等胚粒被放置在介於兩個不鏽鋼條之間的容納空間內的該第一鍍鎳銅箔上，以讓該等胚粒稍微填滿超出該容納空間，並讓該等胚粒的整體高度高於該間隔單元的高度。一片第二鍍鎳銅箔[具有105μm的厚度以及1.10μm的中間平均表面粗糙度(R_a)]放置於該等胚粒的整體的頂端以及該間隔單元的頂端，而讓該等胚粒的整體與該第一鍍鎳銅箔共同形成一個堆疊體。該堆疊體與該間隔單元一同進行熱壓，以形成包括夾置於該第一鍍鎳銅箔與該第二鍍鎳銅箔之間的PTC聚合物材料(具有實質上等於該間隔單元高度的厚度)的PTC層合體。熱壓溫度為200℃，熱壓時間為4分鐘，熱壓壓力為80kg/cm²。該間隔單元自該PTC層合體移除。利用鈷-60 γ射線(總劑量為5Mrad)照射該PTC層合體，以讓該PTC聚合物材料交聯，接著利用衝模機進行衝模，並形成一個PTC電流保護晶片裝置。PTC電流保護晶片裝置所測得的阻抗(R)為0.00134ohm。

<實施例2至4(E2~E4)>

實施例2至4的PTC電流保護晶片裝置的製備步驟與條件與實施例1相似，不同處在於該第一鍍鎳銅箔及該第二鍍鎳銅箔的中間平 均表面粗糙度(R_a)。實施例2至4的第一鍍鎳銅箔及第二鍍鎳銅箔的中間平均表面粗糙度(R_a)分別為1.59μm、0.96μm及1.9μm。

實施例2至4的PTC電流保護晶片裝置所測得的阻抗分別為0.00132ohm、0.00155ohm及0.00148ohm。

比較例

<比較例1(CE1)>

6.75克的HDPE[購自台灣塑膠公司，商品名為HDPE9002，具有150,000g/mol的重量平均分子量以及45g/10min的熔流速率(依據ASTM D-1238且於230℃及12.6公斤負載下測試)]、6.75克的經羧酸酐接枝HDPE[購自杜邦公司，商品名為MB100D，具有80,000g/mol的重量平均分子量以及75g/10min的熔流速率(依據ASTM D-1238且於230℃及12.6公斤負載下測試)]，以及136.5克的碳化鈦粉末(具有顆粒尺寸D50範圍為3.8至4.585μm)於Brabender混合機中進行混合。混合溫度為200℃，攪拌速度為50rpm，施加壓力為5kg，混合時間為10分鐘。該混合後的混合物被擠壓形成數個PTC聚合物材料的胚粒。使該PTC聚合物材料的該等胚粒於200℃溫度及模具中進行熱壓，以形成一薄片。該薄片與該第一鍍鎳銅箔及第二鍍鎳銅箔[彼此設置於該薄片的兩個相對側且具有1.10μm的中間平均表面粗糙度(R_a)]進行熱壓並形成PTC層合體。該熱壓溫度為200℃，該熱壓時間為4分鐘，以及熱壓壓力為80Kg/cm²。利用鈷-60 γ射線(總劑量為5Mrad)照射該PTC層合體，以讓該PTC聚合物材料交聯，以及將該PTC層合體切割為數個晶片尺寸的片體。該等晶片尺寸的片體分別經由一無鉛錫 焊料膏而焊接至第一終端引線及第二終端引線(鎳板)，以形成PTC電流保護晶片裝置。焊接溫度為260℃，及焊接時間為3分鐘。該比較例1中的晶片尺寸片體及該PTC電流保護晶片裝置所測得的阻抗分別為0.00122ohm及0.00311ohm。

<比較例2(CE2)>

比較例2的PTC電流保護晶片裝置的製備步驟與條件與比較例1相似，不同處在於該第一鍍鎳銅箔及該第二鍍鎳銅箔的中間平均表面粗糙度(R_a)。比較例2的第一鍍鎳銅箔及第二鍍鎳銅箔的中間平均表面粗糙度(R_a)分別為1.59μm。

該比較例2中的晶片尺寸片體及該PTC電流保護晶片裝置所測得的阻抗分別為0.00123ohm及0.00312ohm。

最高維持電流測試(the most hold current test)

最高維持電流測試是在一個6V的固定DC電壓下，逐漸增加該施加在晶片的電流，以測試在該晶片可持續15分鐘且不短路下的最高電流。

E1至E4及CE1至CE2的PTC電流保護晶片裝置的十個測試樣品分別進行最高維持電流測試，以測得該PTC電流保護晶片裝置的最高維持電流。

表1顯示E1至E4及CE1至CE2的最高維持電流結果，其說明E1至E4的PTC電流保護晶片裝置具有高於CE1至CE2的最高維持電流。

開關循環測試(switching cycle test)

開關循環測試是在6Vdc電壓及10A電流下，以每次循環將晶片開啟60秒及關閉60秒並歷經7200次循環進行測試。量測該晶片的初始阻抗(R_i，循環測試前的阻抗值)以及最終阻抗(R_f，7200次循環測試後的阻抗值)，以計算晶片於7200次循環後的阻抗變化率(R_v)，R_v=100%×(R_f-R_i)/R_i。

E1至E4及CE1至CE2的PTC電流保護晶片裝置的十個測試樣品分別進行開關循環測試，以測得該PTC電流保護晶片裝置的阻抗變化率(R_v)。

表1顯示E1至E4及CE1至CE2的開關循環測試結果，其說明E1至E4的PTC電流保護晶片裝置具有低於CE1至CE2的阻抗變化率。

綜上所述，本發明PTC電流保護晶片裝置7的製法透過使用該間隔單元32，而能消除先前技術所提及的各項缺點。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明 書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。

4’‧‧‧一體成型PTC層

5‧‧‧堆疊體

6‧‧‧PTC層合體

32‧‧‧間隔單元

33‧‧‧第一電極片

34‧‧‧第二電極片

71‧‧‧PTC聚合物材料

72‧‧‧金屬材

Claims (9)

1. 一種正溫度係數電流保護晶片裝置的製法，包含以下步驟：製備一個組合件，該組合件含有一種正溫度係數聚合物材料、一個間隔單元、一片金屬材質的第一電極片，及一片金屬材質的第二電極片，其中，該組合件的該正溫度係數聚合物材料及該間隔單元是夾置於該第一電極片與該第二電極片之間並共同配合形成一個堆疊體；對該堆疊體進行熱壓，以使該第一電極片及該第二電極片對著該正溫度係數聚合物材料及該間隔單元進行接觸及壓製，以及該正溫度係數聚合物材料會與該第一電極片及第二電極片接合並共同配合形成一個正溫度係數層合體；自該正溫度係數層合體移除該間隔單元；及對已移除該間隔單元的該正溫度係數層合體進行切割，以形成該正溫度係數電流保護晶片裝置。
2. 如請求項1所述的製法，其中，該正溫度係數層合體的切割步驟包括將該正溫度係數層合體衝模為包括一片由金屬材製成的第一單片、一片由金屬材製成的第二單片、及一個由正溫度係數聚合物材料所製成的正溫度係數體的結構，該第一單片具有一個第一電極部及一個第一終端引線部，該第二單片具有一個第二電極部及一個第二終端引 線部，該正溫度係數體是夾置於該第一電極部與該第二電極部之間，該第一終端引線部與該第二終端引線部是分別超出該正溫度係數體的周圍端並自該第一電極部與該第二電極部而延伸。
3. 如請求項1所述的製法，其中，該正溫度係數聚合物材料是由含有聚烯烴及導電填充劑的正溫度係數組成物所製成。
4. 如請求項3所述的製法，其中，該正溫度係數組成物還含有經羧酸酐接枝的聚烯烴。
5. 如請求項3所述的製法，還包含一個在該堆疊體進行熱壓後的步驟，該步驟是使該正溫度係數聚合物材料進行交聯。
6. 如請求項1所述的製法，其中，該金屬材為鍍鎳的銅箔。
7. 如請求項1所述的製法，其中，該第一電極片及該第二電極片各自具有0.9至2.0μm的中間平均表面粗糙度。
8. 如請求項7所述的製法，其中，該第一電極片及該第二電極片各自具有1.1至1.6μm的中間平均表面粗糙度。
9. 如請求項3所述的製法，其中，該導電填充劑含有碳化鈦顆粒。