TWI766722B

TWI766722B - 過電流保護元件

Info

Publication number: TWI766722B
Application number: TW110121095A
Authority: TW
Inventors: 董朕宇; 張永賢; 顏修哲; 張耀德; 朱復華; 蓮沼貴司
Original assignee: 聚鼎科技股份有限公司
Priority date: 2021-06-10
Filing date: 2021-06-10
Publication date: 2022-06-01
Also published as: CN115472362A; US20220399716A1; US11594877B2; TW202249050A

Abstract

一種過電流保護元件包括第一電極層、第二電極層以及一疊設於其間的PTC材料層。該PTC材料層包含高分子聚合物基材及碳黑。高分子聚合物基材包含熔點高於150℃之含氟高分子聚合物。碳黑散佈於該高分子聚合物基材中。該過電流保護元件於16V/50A經過1000次循環後的電阻彈跳R _{jump_1000@16V/50A}為0.80~1.20。該過電流保護元件於25V/50A經過1000次循環後的電阻彈跳R _{jump_1000@25V/50A}為0.90~1.30。

Description

過電流保護元件

本發明係關於一種過電流保護元件，更具體而言，關於一種具有極佳耐電壓、高單位面積下可承受電流及良好電阻彈跳(resistance jump)特性的小尺寸過電流保護元件。

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具有對溫度變化反應敏銳的特性，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。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(overtemperature)的現象時，其電阻值會瞬間提高至一高電阻狀態(至少10⁴Ω以上)，即所謂之觸發(trip)，而將過量之電流反向抵銷，以達到保護電池或電路元件之目的。

過電流保護元件包含PTC元件以及貼附在PTC元件外表面的外電極層或接腳。PTC元件是由PTC材料層及位於其兩側的金屬箔所構成，其中PTC材料層包含高分子聚合物基材及均勻散佈於該高分子聚合物基材中的導電填料。應用於高溫環境之過電流保護元件通常會選用含氟高分子聚合物作為高分子聚合物基材。隨著電子產品的發展，電子產品對於輕薄短小的要求越來越高，同時也對於各主被動元件的尺寸與厚度的限制也更加嚴苛。然而，傳統的過電流保護元件在縮小尺寸時，耐電壓能力會下降，並且無法承受大電流和大功率。這使得小尺寸過電流保護元件，在實際應用時，容易燒毀。此外，一般而言，對於小尺寸過電流保護元件，其電阻回復性(resistance recovery)較差，即電阻彈跳(resistance ju_mp)的數值會過大或過小，無法控制在適當數值範圍內。

本發明提供一種過電流保護元件，通過控制適當體積占比的碳黑和含氟高分子聚合物，可使元件的尺寸進一步縮小，並具有極佳耐電壓特性和良好的電阻彈跳數值範圍，同時可達到高單位面積下可承受功率和低能耗的優良電氣特性。此外，本發明的過電流保護元件非常適合用於小型化電子產品的應用，並且可應用於易處於高溫下之環境。

根據本發明的一實施例，一種過電流保護元件包括第一電極層、第二電極層以及一疊設於其間的PTC材料層。該PTC材料層包含高分子聚合物基材及碳黑。高分子聚合物基材包含熔點高於150℃之含氟高分子聚合物，且該高分子聚合物基材的體積百分比55-65%。碳黑散佈於該高分子聚合物基材中，且碳黑的體積百分比30-34%。該過電流保護元件於16V/50A經過1000次循環後的電阻彈跳R_{jump_1000@16V/50A}為0.80~1.20。該過電流保護元件於25V/50A經過1000次循環後的電阻彈跳R_{jump_1000@25V/50A}為0.90~1.30。

一實施例中，該含氟高分子聚合物包含聚二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氟化亞乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、全氟烴氧改質四氟乙烯、聚(氯三-氟四氟乙烯)、二氟乙烯-四氟乙烯聚合物、四氟乙烯-全氟間二氧雜環戊烯共聚物、二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、以及二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三聚物中至少一者。

一實施例中，該PTC材料層更包含一阻燃劑，該阻燃劑選自由鹵素或磷系阻燃劑化合物、金屬氫氧化合物、金屬氧化物、氮化物和其混合物所構成的群組之一，該阻燃劑在該PTC材料層的體積占比為2~10%。

一實施例中，該PTC材料層的厚度為0.12~0.20mm。

一實施例中，該PTC材料層的上視面積為50~75mm²。

一實施例中，該過電流保護元件可通過16V/50A和25/50A循環壽命測試經1000次循環而不燒毀。

一實施例中，該過電流保護元件的單位面積的可承受電流為0.070~0.100A/mm²。

一實施例中，該過電流保護元件的單位面積的可承受功率為1.70~2.5W/mm²。

一實施例中，該過電流保護元件於25℃下施加16V、50A的能耗在1.70~2.30W之間。

本發明的過電流保護元件，因具有小尺寸，非常適合用於小型化電子產品的應用。通過使用特定比例的碳黑和含氟高分子聚合物，可以達到高單位面積下可承受功率和低能耗的優良電氣特性。此外，元件具有極佳耐電壓和良好的電阻彈跳數值範圍。本發明的過電流保護元件適合使用於高溫過電流保護的應用。

10:PTC元件

11:PTC材料層

12:第一電極層

13:第二電極層

14:絕緣包覆層

15、16:接腳

20、30:過電流保護元件

31:缺口

32:絕緣層

33、33’:外電極層

34、34’:垂直導通孔

圖1顯示本發明一實施例之PTC元件的剖面側視圖；圖2顯示圖1之PTC元件之上視圖；圖3顯示本發明一實施例之插件式過電流保護元件的立體示意圖；圖4顯示圖3之插件式過電流保護元件之側視圖；及圖5顯示本發明一實施例之表面黏著元件型式過電流保護元件的剖面側視圖。

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。

表1顯示各實施例(E1~E4)及比較例(C1~C4)以體積百分比顯示的配方成份以及PTC材料層厚度。於本試驗中，在高分子聚合物基材中的含氟高分子聚合物包括聚二氟乙烯(polyvinylidene difluoride；PVDF)和聚四氟乙烯(polytetrafluoroethene；PTFE)，其中PVDF選用熔點為165℃的Kynar® 761A產品，PTFE選用熔點為315℃的杜邦Zonyl^TM PTFE MP1000產品。E1~E4中的含氟高分子聚合物，如上所述包括PVDF和PTFE，總共佔PTC材料層中體積百分比為63~65%，C1~C4中的含氟高分子聚合物佔PTC材料層中體積百分比為62%。E1~E4和C1~C4中的導電填料均選用電氣性質相對穩定的碳黑(Carbon Black；C.B.)，其中E1~E4中的C.B.佔PTC材料層中體積百分比為32~34%，C1~C4中的C.B.佔PTC材料層中體積百分比為35%。此外，E1~E4和C1~C4於PTC材料層中另添加佔體積百分比為3%的氫氧化鎂(Mg(OH)₂)，氫氧化鎂除了可作為阻燃劑(flame retardant)，亦可避免因導電填料與含氟高分子聚合物在混合時於高溫時所產生的氫氟酸及其對元件特性的影響。

由於小型化的過電流保護元件是未來的發展趨勢，E1~E4的PTC材料層的厚度減薄成0.14~0.20mm。另外，E1~E4的PTC材料層的上視面積也縮小了，其具有7.62mm的寬度及9.35mm的長度，因此PTC材料層或PTC元件(即“PTC晶片”)的面積為7.62×9.35=71.2mm²。為了與E1~E4做測試比較，C1~C2的PTC材料層同樣均具有7.62mm的寬度及9.35mm的長度，因此面積也是7.62×9.35=71.2mm²，但C1~C2的PTC材料層的厚度相對較厚，其分別為0.26mm和0.36mm。C3~C4是選用傳統的PTC元件，其尺寸比E1~E4來得大，C3~C4的PTC材料層均具有8mm的寬度及12mm的長度，因此面積為8.0×12.0=96.0mm²，並且C3~C4的PTC材料層的厚度分別為0.26mm和0.36mm。

表1中各實施例及比較例的材料以所示的體積百分比例加入HAAKE公司生產之雙螺桿混練機中進行混練。混練之溫度設定為215℃，預混之時間為3分鐘，而混練之時間則為15分鐘。經混練完成之導電性聚合物以熱壓機於210℃及150kg/cm²之壓力壓成薄片。之後再將該薄片切成約20公分×20公分之正方形，並由熱壓機以210℃之溫度及150kg/cm²之壓力將兩鍍鎳銅箔貼合至該薄片的兩面，最後以沖床沖壓出多個PTC晶片，即形成本發明之PTC元件。一實施例中，本發明的PTC元件10如圖1所示，圖2係圖1之PTC元件10的上視圖。該PTC元件10包含由該導電性聚合物所組成之PTC材料層11及由該鍍鎳銅箔所組成之第一電極層12及第二電極層13。該PTC元件10的面積“A×B”等同於該PTC材料層11的面積。表1的E1~E4和C1~C4的PTC材料層11的長度“A”、寬度“B”和厚度則如上所述，因此所形成的PTC元件10為長方體結構。

接著，如圖3和圖4所示，在該第一及第二電極層12、13之外表面塗上錫膏，將兩片厚度為0.5mm的銅片電極分別置於第一及第二電極層12、13之外表面的錫膏上作為接腳15、16，再將此組裝的元件經300℃回焊製程即可製得插件式(radial-lead type)過電流保護元件20。進一步的，可在元件的外表面塗佈一絕緣包覆層14，例如環氧樹脂層，環氧樹脂層作為封裝層，可以避免外界環境中的水和氧入侵元件20，其會造成元件20的電氣特性的劣化。在一實施例中，除了插件式(radial-lead type)過電流保護元件20以外，亦可製成軸型(axial-type)過電流保護元件。或者，如圖5所示，利用相關製程於第一和第二電極層12和13利用蝕刻製作缺口31，之後製作絕緣層32、外電極層33、33’和垂直導通孔34、34’等，而形成表面黏著元件(Surface-Mount Device；SMD)型式的過電流保護元件30，其中垂直導通孔34連接第一電極層12和外電極層33，垂直導通孔34’連接第二電極層13和外電極層33’。也就是，本發明的過電流保護元件20、30包括PTC元件10，並藉由在PTC元件10外表面形成接腳15、16或外電極層33、33’，其中接腳15、16或外電極層33、33’電氣連接到第一和第二電極層12和13，並電氣連接到外部電路，以起到電流保護作用。

上述不同配方之過電流保護元件20進行下列電阻量測：(1)初始電阻值Ri；(2)於16V/50A經過1000次循環(on：10秒；off：60秒)後的電阻值 R1000@16V/50A；以及(3)於25V/50A經過1000次循環(on：10秒；off：60秒)後的電阻值R1000@25V/50A，每一次循環表示經過一次觸發和回復的過程，並記錄於以下表2。另外，計算(R1000@16V/50A)/(Ri)，並將(R1000@16V/50A)/(Ri)定義成於16V/50A經過1000次循環後的電阻彈跳(resistance jump)R_{jump_1000@16V/50A}，即R_{jump_1000@16V/50A}=(R1000@16V/50A)/(Ri)，以藉此評估元件於16V/50A經過1000次循環後的電阻值變化程度。又，計算(R1000@25V/50A)/(Ri)，並將(R1000@25V/50A)/(Ri)定義成於25V/50A經過1000次循環後的電阻彈跳(resistance jump)R_{jump_1000@25V/50A}，即R_{jump_1000@25V/50A}=(R1000@25V/50A)/(Ri)，以藉此評估元件20於25V/50A經過1000次循環後的電阻值變化程度。換句話說，若電阻彈跳的數值等於1，則表示經過1000次循環後的電阻值相較於初始電阻值Ri沒有改變。相對地，若電阻彈跳的數值過大或過小，則表示經過1000次循環後的電阻值相較於初始電阻值Ri具有劇烈變化幅度。在本試驗中，16V/50A或25V/50A的條件各被執行1000次是為了進行循環壽命測試(cycle life test)，其是透過測試元件20的耐電壓能力來進行評估。如元件20在循環壽命測試結束後沒有燒毀，則標註“通過”；反之，如元件20在循環壽命測試期間發生燒毀現象，則標註“未通過”。

從表2，可知儘管實施例E1~E4的PTC材料層的面積變小了且PTC材料層的厚度減薄了，但藉由搭配適當體積占比的碳黑(Carbon Black；C.B.)和含氟高分子聚合物，E1~E4的電阻彈跳R_{jump_1000@16V/50A}是在0.82~1.10之間，E1~E4的電阻彈跳R_{jump_1000@25V/50A}是在0.92~1.23之間。C1~C2的PTC材料層的面積與E1~E4相同，但PTC材料層的厚度相對較厚，測試結果顯示C1~C2的電阻彈跳R_{jump_1000@16V/50A}是在0.62~0.65之間，C1~C2的電阻彈跳R_{jump_1000@25V/50A}是在0.66~0.70之間。顯然，比較例C1~C2於經過循環測試後的電阻值變化程度相較於實施例E1~E4為更大；觀其結果，這是因為E1~E4的導電填料碳黑在PTC材料層中的含量比C1~C2來得少，使得E1~E4具有極佳的電阻彈跳(resistance jump)，亦即電阻回復性(resistance recovery)更好。比較例C3~C4是選用傳統的PTC元件，其中PTC材料層的寬度、長度和厚度均比E1~E4大甚多，碳黑在PTC材料層中的體積占比為35%，測試結果顯示C3~C4的電阻彈跳R_{jump_1000@16V/50A}是在0.61~0.74之間，C3~C4的電阻彈跳R_{jump_1000@25V/50A}是在0.72~0.74之間。同樣的，比較例C3~C4於經過循環測試後的電阻值變化程度也比實施例E1~E4來得大。

雖然實施例E1~E4的過電流保護元件的尺寸縮小了，測試結果顯示元件仍可“通過”16V/50A和25V/50A的循環壽命測試，亦即過電流保護元件均沒有燒毀。比較例C1~C4的PTC材料層的厚度比實施例E1~E4更厚，因此可預期元件應具有良好的耐電壓特性，過電流保護元件在耐電壓測試期間均沒有發生燒毀現象。

此外，將E1~E4和C1~C4的過電流保護元件各取5個作為樣本，進行可承受功率和能耗的驗證，對過電流保護元件進行下列量測：(1)於25℃下的觸發電流I-trip；及(2)於25℃下施加16V、50A使元件觸發時的漏電流。根據觸發電流、元件面積，可以計算出單位面積的觸發電流值(A/mm²)，以及單位面積的可承受功率(W/mm²)。單位面積的觸發電流值(A/mm²)是用於評估單位面積的可承受電流(A/mm²)。於25℃下施加16V、50A，過電流保護元件會觸發，但因為電流無法完全截斷，元件會有漏電流。根據漏電流和施加的不會使元件燒毀的電壓值16V，可以計算出元件於25℃下施加16V、50A的能耗(power dissipation)(W)。表3顯示各實施例E1~E4及比較例C1~C4的測試結果。

從表3，可知儘管實施例E1~E4的PTC材料層的面積變小了且PTC材料層的厚度減薄了，但藉由搭配適當體積占比的碳黑(Carbon Black；C.B.)和含氟高分子聚合物，實施例E1~E4的過電流保護元件的單位面積的觸發電流值(單位面積的可承受電流)(A/mm²)是在0.069~0.097A/mm²之間。比較例C1~C4的過電流保護元件的單位面積的可承受電流是在0.056~0.062A/mm²之間。可知，相較於C1~C4，E1~E4的過電流保護元件具有極佳的單位面積的可承受電流。另外，由於E1~E4的單位面積的可承受電流比C1~C4來得高，E1~E4的單位面積的可承受功率也比C1~C4更高，E1~E4的單位面積的可承受功率是在1.726~2.414W/mm²之間。

於25℃下施加16V、50A，元件會觸發，並且藉由量測元件的漏電流，可計算出能耗(W)。表3顯示E1~E4的漏電流在0.112~0.139A之間，其小於C1~C4的位於0.151~0.177A之間的漏電流。由此，亦可得知E1~E4的能耗會小於C1~C4的能耗，其中E1~E4的能耗在1.79~2.22W之間，C1~C4的能耗在2.42~2.83W之間。

實施例E1~E4是以PTC材料層的上視面積為71.2mm²及厚度在0.14~0.20mm之間來進行驗證。實際上，根據發明人的實際測試，PTC材料層的上視面積可以為50~75mm²(例如55mm²、60mm²、65mm²或70mm²)，PTC材料層的厚度可以為0.12~0.20mm(例如0.14mm、0.16mm或0.18mm)，均可使得該小尺寸過電流保護元件具有極佳耐電壓、良好電阻彈跳數值範圍、高單位面積下可承受電流、高單位面積下可承受功率、低能耗等優良電氣特性。

綜言之，本發明過電流保護元件可以是插件式、軸型或表面黏著元件型式的過電流保護元件。過電流保護元件中PTC材料層的高分子聚合物是使用含氟高分子聚合物，其體積百分比為55~65%，或例如為57%、60%或63%；導電填料可以使用例如碳黑(Carbon Black；C.B.)，其體積百分比為30~34%，或例如為31%、32%或33%。優選的，PTC材料層還可包括例如氫氧化鎂(Mg(OH)₂)的阻燃劑，其體積百分比為2~10%，或例如為4%、6%或8%。藉由搭配適當體積占比的碳黑(Carbon Black；C.B.)和含氟高分子聚合物，本發明之小尺寸過電流保護元件可通過16V/50A和25/50A循環壽命測試經1000次循環而不燒毀；於16V/50A 經過1000次循環後的電阻彈跳R_{jump_1000@16V/50A}為0.80~1.20，例如0.90、1.00或1.10；於25V/50A經過1000次循環後的電阻彈跳R_{jump_1000@25V/50A}為0.90~1.30，例如1.00、1.10或1.20。同時，元件可以達到高單位面積下可承受電流、高單位面積下可承受功率、低能耗的優良電氣特性。因為元件耐電壓可提升至25V，元件的單位面積的可承受電流提升至0.070~0.100A/mm²(例如0.080A/mm²或0.090A/mm²)，元件的單位面積的可承受功率也提升至1.70~2.5W/mm²(例如1.90W/mm²、2.10W/mm²或2.30W/mm²。再者，元件於25℃下施加16V、50A的能耗在1.70~2.30W之間，例如1.90W或2.10W。

本發明的過電流保護元件是應用在高溫環境，所以含氟高分子聚合物係以選擇熔點大於150℃為佳。本發明添加之含氟高分子聚合物並不限定使用PVDF和PTFE，其他具有類似特性且熔點高於150℃之含氟高分子聚合物，亦為本發明所涵蓋。例如：聚氟化亞乙烯(polyvinylidene fluoride)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ethylene-tetrafluoroethylene copolymer)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(tetrafluoroethylene-hexafluoro-propylene copolymer；FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ethylene-tetrafluoroethylene copolymer；PETFE)、全氟烴氧改質四氟乙烯(perfluoroalkoxy modified tetrafluoroethylenes；PFA)、聚(氯三-氟四氟乙烯)(poly(chlorotri-fluorotetrafluoroethylene)；PCTFE)、二氟乙烯-四氟乙烯聚合物(vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer)；VF-2-TFE)、聚二氟乙烯(poly(vinylidene fluoride))、四氟乙烯-全氟間二氧雜環戊烯共聚物(tetrafluoroethylene-perfluorodioxole copolymers)、二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer)、以及二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三聚物(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene terpolymer)等。優選的，可選用多個不同熔點的含氟高分子聚合物。因為不同熔點的特性，可以得到較平緩的電阻-溫度曲線(R-T curve)，提升循環壽命測試的穩定性以及較好的耐電壓特性。

阻燃劑(flame retardant)可以是鹵素或磷系阻燃劑化合物、金屬氫氧化合物(如：Al₂(OH)₃、Mg(OH)₂)、金屬氧化物(如：ZnO、Sb₂O₃)、氮化物(如BN)或其混合物等。

本發明之過電流保護元件具有小尺寸，但仍具有極佳耐電壓，並且電阻彈跳不會過大或過小，同時達到高單位面積下可承受電流、高單位面積下可承受功率、低能耗等優良電氣特性，適合使用於高溫過電流保護的應用。

10:PTC元件

14:絕緣包覆層

15、16:接腳

20:過電流保護元件

Claims

一種過電流保護元件，包括：一第一電極層；一第二電極層；以及一PTC材料層，疊設於該第一電極層和第二電極層之間，該PTC材料層包含：一高分子聚合物基材，包含熔點高於150℃之含氟高分子聚合物，該高分子聚合物基材的體積百分比55-65%；及碳黑，散佈於該高分子聚合物基材中，碳黑的體積百分比30-34%；其中該過電流保護元件於16V/50A經過1000次循環後的電阻彈跳R _{jump_1000@16V/50A}為0.80~1.20；其中該過電流保護元件於25V/50A經過1000次循環後的電阻彈跳R _{jump_1000@25V/50A}為0.90~1.30。
根據請求項1之過電流保護元件，其中該含氟高分子聚合物包含聚二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氟化亞乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、全氟烴氧改質四氟乙烯、聚(氯三-氟四氟乙烯)、二氟乙烯-四氟乙烯聚合物、四氟乙烯-全氟間二氧雜環戊烯共聚物、二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、以及二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三聚物中至少一者。
根據請求項1之過電流保護元件，其中該PTC材料層更包含一阻燃劑，該阻燃劑選自由鹵素或磷系阻燃劑化合物、金屬氫氧化合物、金屬氧化物、氮化物和其混合物所構成的群組之一，該阻燃劑在該PTC材料層的體積占比為2~10%。
根據請求項1之過電流保護元件，其中該PTC材料層的厚度為0.12~0.20mm。
根據請求項1之過電流保護元件，其中該PTC材料層的上視面積為50~75mm ²。
根據請求項1之過電流保護元件，其中該過電流保護元件可通過16V/50A和25/50A循環壽命測試經1000次循環而不燒毀。
根據請求項1之過電流保護元件，其中該過電流保護元件的單位面積的可承受電流為0.070~0.100A/mm ²。
根據請求項1之過電流保護元件，其中該過電流保護元件的單位面積的可承受功率為1.70~2.5W/mm ²。
根據請求項1之過電流保護元件，其中該過電流保護元件於25 ^oC下施加16V、50A的能耗在1.70~2.30W之間。