TWI685011B - 熔絲元件 - Google Patents
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Abstract
一種熔絲元件可包括:PPTC體;第一電極,設置於所述
PPTC體的第一側上;以及第二電極,設置於所述PPTC體的第二側上。所述PPTC體可包含聚合物基質及導電填料,其中所述熔絲元件具有小於120℃的斷路溫度。
Description
本申請案主張在2017年9月22日提出申請的標題為「具有低熔化溫度聚合物體之聚合物正溫度係數元件」的美國臨時專利申請案第62/561,793號的優先權,所述美國臨時專利申請案的全部內容併入本案供參考。
各實施例是有關於包括熔絲元件在內的電路保護元件領域。
聚合物正溫度係數(polymer positive temperature coefficient,PPTC)元件可用作過電流或過溫保護元件以及電流或溫度感測器,以及各種其他應用。在過電流或過溫保護應用中,PPTC元件可被視為可重置熔絲(resettable fuse),所述可重置熔絲被設計成在所設定狀況(例如,低電流)下運作時表現出低電阻。PPTC元件的電阻可藉由因在電路保護器件的環境中的溫度增高而引起的直接加熱而改變,抑或藉由由穿過電路保護器件的電流所產生的電阻加熱而改變。舉例而言,PPTC元件可包含聚合物材料及導電填料,其提供因聚合物材料中的變化(例如,熔融轉化或玻璃轉化)而自低電阻狀態轉化至高電阻狀態的混合物。在
此轉化溫度(有時被稱為「斷路溫度(trip temperature)」)下(其中斷路溫度常常可介於室溫或高於室溫的範圍),聚合物基質會膨脹並破壞導電網路,從而使得複合物的導電性大大減小。電阻的此變化賦予PPTC材料熔絲型特性,在PPTC材料冷卻返回至室溫時,PPTC材料的電阻可為可逆的。
可對PPTC元件的行為進行調整以滿足各種標準,包括強健效能(robust performance)以及操作溫度。舉例而言,已知的含氟聚合物系PPTC元件可提供處於160℃或大於160℃範圍內的可靠的斷路溫度。此效能可能未必適合於所有的應用。正是出於此及其他考量而提供了本揭露。
在一個實施例中,一種熔絲元件可包括:PPTC體;第一電極,設置於所述PPTC體的第一側上;以及第二電極,設置於所述PPTC體的第二側上。所述PPTC體可包含聚合物基質及導電填料,其中所述聚合物基質包含熔化溫度小於150℃的聚合物。
在另一實施例中,一種熔絲元件可包括:PPTC體;第一電極,設置於所述PPTC體的第一側上;以及第二電極,設置於所述PPTC體的第二側上。所述PPTC體可包含聚合物基質及導電填料,其中所述聚合物基質包含熔化溫度處於90℃與110℃之間的範圍內的低溫PVDF材料。
在又一實施例中,一種熔絲元件可包括:PPTC體;第一電極,設置於所述PPTC體的第一側上;以及第二電極,設置於所
述PPTC體的第二側上。所述PPTC體可包含聚合物基質及導電填料,其中所述聚合物基質包含熔化溫度處於100℃的範圍內的線型低密度聚乙烯材料。
100‧‧‧PPTC元件
102‧‧‧第一電極
104‧‧‧PPTC體
106‧‧‧第二電極
108‧‧‧第一端子
110‧‧‧第二端子
112‧‧‧第一界面
114‧‧‧第二界面
400‧‧‧PPTC元件
402‧‧‧PPTC體
404‧‧‧底部引線
406‧‧‧頂部引線
410‧‧‧包封層
500‧‧‧單層表面安裝PPTC元件
502‧‧‧PTC層
504‧‧‧金屬電極
506‧‧‧金屬結構
508‧‧‧金屬箔電極
510‧‧‧絕緣層
520‧‧‧PPTC元件
圖1A及圖1B示出根據本揭露的實施例的PPTC元件。
圖2及圖3示出根據本揭露的不同實施例,兩種不同PPTC配製的示例性電阻行為。
圖4示出根據本揭露的各種實施例的PPTC元件。
圖5示出根據本揭露的各種其他實施例的PPTC元件。
圖6示出根據本揭露的各種額外實施例的PPTC元件。
以下將參照其中示出示例性實施例的附圖更充分地闡述本發明的實施例。所述實施例不應被解釋為僅限於本文中所述的實施例。相反,提供該些實施例是為了使本揭露將透徹及完整,並向熟習此項技術者充分傳達該些實施例的範圍。在附圖中,相同的編號在通篇中指代相同的器件。
在以下說明及/或申請專利範圍中,用語「位於...上」、「覆蓋在...上方」、「設置於...上」以及「位於...上方」可用於以下說明及申請專利範圍中。「位於...上」、「覆蓋在...上方」、「設置於...上」以及「位於...上方」可用於指示二或更多個器件彼此直接物理接觸。此外,用語「位於...上」、「覆蓋在...上方」、「設置於...上」以
及「位於...上方」可指二或更多個器件並非彼此直接接觸。舉例而言,「位於...上方」可指一個器件位於另一器件上方而不彼此接觸,且在所述兩個器件之間可具有另外一個或多個器件。此外,用語「及/或」可指「及」,可指「或」,可指「排他性的或」,可指「一個」,可指「一些,但並非所有」,可指「兩者皆不」,及/或可指「兩者皆為」,但所請求保護的標的的範圍不受此限制。
在各種實施例中,提供新穎的元件結構及材料用於形成PPTC元件,其中所述PPTC元件被配置成作為熔絲元件在相對低的溫度下運作。在各種實施例中,使用含氟聚合物及導電填料的選擇組合來形成低斷路溫度PPTC。根據一些實施例,PPTC元件可表現出小於150℃的斷路溫度。
在各種實施例中,PPTC元件可被構造成如圖1A及圖1B所示。圖1A示出PPTC元件100的側面剖視圖,其中PPTC體104設置於第一電極102與第二電極106之間,第一電極102及第二電極106分別排列於PPTC體104的第一側及第二側上。圖1B示出在將第一端子108連接至第一電極102並將第二端子110連接至第二電極106之後PPTC元件100的構型。根據本揭露的實施例,PPTC體104可由如以下將詳細闡述的相對低熔化溫度聚合物形成。第一電極102及第二電極106可由已知的金屬(例如,銅箔)形成。在一些實施例中,所述銅箔可為鍍鎳的。第一端子108及第二端子110亦可由已知的材料(例如,銅或黃銅)形成。第一端子108及第二端子110可例如藉由焊接而分別與第一電極102
及第二電極106形成第一界面112及第二界面114。所述實施例並非受限於此。
在一些實施例中,PPTC體可利用例如以下聚合物基質形成:低熔點聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)聚合物、乙烯醋酸乙烯酯(ethylene vinyl acetate,EVA)聚合物、高密度聚乙烯(high-density polyethylene,HDPE)、低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)、線型低密度聚乙烯(linear low density polyethylene,LLDPE)或乙烯丙烯酸丁酯(ethylene butyl acrylate,EBA)聚合物。在其他實施例中,聚合物基質可為任意晶體聚烯烴聚合物、烯烴共聚物或所述兩者的組合。
在各種非限制性實施例中,聚合物基質可包含熔化溫度低於150℃的PVDF材料,其中聚合物在PPTC體中的體積分數(volume fraction)為35%至75%,其中導電填料包括25%至65%的體積分數,且其中導電填料的體積電阻率小於500微歐姆-釐米。
在各種非限制性實施例中,聚合物基質可包含聚烯烴聚合物、烯烴共聚物或所述兩者的組合,其中聚合物基質具有120℃或小於120℃的熔化溫度,其中聚合物在PPTC體中的體積分數為35%至75%,其中導電填料包括25%至65%的體積分數,且其中導電填料的體積電阻率小於500微歐姆-釐米。
在各種非限制性實施例中,PPTC體在25℃下的保持電流密度(hold current density)可介於0.05安培/平方毫米至0.4安培/平方毫米。所述實施例並非受限於此。
根據一些實施例,PPTC體104的導電填料可由粒徑處於0.1微米至50微米範圍內的導電顆粒形成。所述實施例並非受限於此。在一些非限制性實施例中,所述顆粒可為導電陶瓷、金屬硼化物、金屬氮化物或金屬碳化物(例如,碳化鎢、碳化鈦、二硼化鈦、碳化釩、碳化鋯)。
在其他非限制性實施例中,導電顆粒可為金屬,例如鎳、鎢或銅。在額外的非限制性實施例中,導電顆粒可為金屬合金,例如鎳-銅合金、銅-錫合金或其他合金。在另一些實施例中,導電填料顆粒可為碳材料,例如碳黑、石墨。
現在轉向圖2,示出了曲線圖,所述曲線圖繪製電阻行為隨根據本揭露的實施例配置的PPTC元件的溫度的變化。在此實例中,PPTC體是利用特別低熔點PVDF聚合物材料形成的,其中熔化溫度處於100℃的範圍中,例如處於90℃與110℃之間。在此實例中使用的PVDF聚合物材料與表現出近似175℃的熔化溫度的傳統PVDF形成對比。用於圖2的實例的導電填料是碳化鎢填料,體積分數占PPTC體的近似44%。如圖2所示,電阻平緩且適度的增大發生在60℃以上,而電阻急劇的增大發生在120℃處。因此,圖2的PPTC材料可被視為表現出120℃的斷路溫度。
現在轉向圖3,示出了曲線圖,所述曲線圖繪製電阻行為隨根據本揭露的其他實施例配置的PPTC元件的溫度的變化。在此實例中,PPTC體是利用特別低熔化溫度LLDPE材料形成的,其中熔化溫度處於100℃的範圍中。在此實例中使用的LLDPE材料
與表現出近似175℃的熔化溫度的傳統PVDF形成對比。用於圖3的實例的導電填料是碳化鎢填料,體積分數占PPTC體的近似44%。如圖3所示,電阻平緩且適度的增大發生在40℃以上,而電阻急劇的增大發生在近似80℃至100℃處。因此,圖3的PPTC材料可被視為表現出90℃的斷路溫度。
如上所述,可藉由恰當地選擇導電填料的體積分數以及導電填料的類型而將圖2及圖3所示的以上實例的保持電流密度(低斷路溫度PTC材料層在25℃下的保持電流對電流在相對電極之間行進時穿過的PPTC的面積的比率)設計為表現出0.05安培/平方毫米至0.4安培/平方毫米之間的值。
PPTC元件的構型可根據本揭露的不同實施例而變化。圖4呈現被示出為徑向引線(radial lead)PPTC的PPTC元件400的俯視平面圖,PPTC元件400包括貼附至PPTC體402的相對表面的底部引線404以及頂部引線406。PPTC體402可具有分別貼附至其頂表面及底表面的第一電極及第二電極(未單獨示出),如以上大致闡述。PPTC元件400可由包封層410(例如,環氧樹脂)包封。PPTC體402可大致如以上所述進行配製,用於在低斷路溫度(例如,低於150℃)下運作。
圖5及圖6繪示根據本揭露的不同實施例,單層表面安裝PPTC元件500以及雙層表面安裝PPTC元件520的實施例的側面剖視圖。在該些額外的元件中,PPTC體可大致如以上所述進行配製,用於在低斷路溫度(例如,低於150℃)下運作。PPTC元
件500及PPTC元件520各自具有類似的組件,所述組件包括金屬電極504、金屬結構506、金屬箔電極508、PTC層502以及絕緣層510。
儘管已參照某些實施例揭露了本發明的實施例,但在不背離如在隨附申請專利範圍中所界定的本揭露的領域及範圍的同時可對所述實施例進行諸多修改、變更及改變。因此,本發明的實施例並非僅限於所述的實施例,而是可具有由以下申請專利範圍及其等效形式的語言所界定的完整範圍。
100‧‧‧PPTC元件
102‧‧‧第一電極
104‧‧‧PPTC體
106‧‧‧第二電極
Claims (13)
- 一種熔絲元件,包括:PPTC體;第一電極,設置於所述PPTC體的第一側上;以及第二電極,設置於所述PPTC體的第二側上;其中所述PPTC體包含聚合物基質及導電填料,其中所述聚合物基質包含熔化溫度小於150℃的聚合物,其中所述聚合物基質包含熔化溫度小於150℃的含氟聚合物。
- 如申請專利範圍第1項所述的熔絲元件,其中所述聚合物基質包含一或多種聚合物,其中所述一或多種聚合物包括為所述PPTC體的35%至75%的體積分數,其中所述導電填料包括25%至65%的體積分數,且其中所述導電填料的體積電阻率小於500微歐姆-釐米(μΩ-cm)。
- 如申請專利範圍第1項所述的熔絲元件,其中所述PPTC體在25℃下的保持電流密度為0.05安培/平方毫米(A/mm2)至0.4安培/平方毫米。
- 如申請專利範圍第1項所述的熔絲元件,包括單層表面安裝元件。
- 如申請專利範圍第1項所述的熔絲元件,包括雙層表面安裝元件。
- 一種熔絲元件,包括:PPTC體; 第一電極,設置於所述PPTC體的第一側上;以及第二電極,設置於所述PPTC體的第二側上;其中所述PPTC體包含聚合物基質及導電填料,其中所述聚合物基質包含熔化溫度處於90℃與110℃之間的範圍內的低溫PVDF材料。
- 如申請專利範圍第6項所述的熔絲元件,其中所述PPTC體在25℃下的保持電流密度為0.05安培/平方毫米至0.4安培/平方毫米。
- 如申請專利範圍第6項所述的熔絲元件,其中所述聚合物基質包括為所述PPTC體的35%至75%的體積分數,其中所述導電填料包括25%至65%的體積分數,且其中所述導電填料的體積電阻率小於500微歐姆-釐米。
- 如申請專利範圍第6項所述的熔絲元件,包括為120℃或小於120℃的斷路溫度。
- 如申請專利範圍第6項所述的熔絲元件,包含碳化鎢填料。
- 一種熔絲元件,包括:PPTC體;第一電極,設置於所述PPTC體的第一側上;以及第二電極,設置於所述PPTC體的第二側上;其中所述PPTC體包含聚合物基質及導電填料,其中所述聚合物基質包含熔化溫度處於100℃的範圍內的線 型低密度聚乙烯材料。
- 如申請專利範圍第11項所述的熔絲元件,包括為90℃的斷路溫度。
- 如申請專利範圍第11項所述的熔絲元件,包含碳化鎢填料。
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