TWI839220B

TWI839220B - 過電流保護元件

Info

Publication number: TWI839220B
Application number: TW112118000A
Authority: TW
Inventors: 李家源; 顏修哲; 張永賢; 董朕宇; 劉振男; 邱敬庭; 張耀德; 朱復華
Original assignee: 聚鼎科技股份有限公司
Filing date: 2023-05-16
Publication date: 2024-04-11

Abstract

一種過電流保護元件，包含電極層及熱敏電阻層。熱敏電阻層接觸電極層中的上金屬層及下金屬層，並疊設於其間。此外，熱敏電阻層具有正溫度係數特性且包含高分子聚合物基材及導電填料。高分子聚合物基材包含第一含氟聚合物，並使過電流保護元件具有電阻起跳溫度介於184℃與192℃之間。導電填料包含碳黑及金屬化合物填料，用於形成熱敏電阻層的導電通道。

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，關於一種操作溫度高且低體積電阻率的過電流保護元件。

習知具有正溫度係數(Positive Temperature Coefficient，PTC)特性之導電複合材料之電阻對於特定溫度之變化相當敏銳，可作為電流感測元件的材料，且目前已被廣泛應用於過電流保護元件或電路元件上。具體而言，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(over-temperature)的現象時，其電阻值會瞬間提高至一高電阻狀態(至少10 ⁴Ω以上)，即所謂之觸發(trip)，而將過電流截斷，以達到保護電池或電路元件之目的。

就過電流保護元件的最基本結構而言，是由PTC材料層及貼合於其兩側的金屬電極所構成。PTC材料層至少會包含基材及導電填料。基材由高分子聚合物所組成，而導電填料則散佈於高分子聚合物中作為導電通道。根據高分子聚合物的種類，進一步可依操作溫度的不同分為低操作溫度及高操作溫度的聚合物。操作溫度亦可稱為電阻起跳溫度，係指電阻值開始驟升時(介於約10 ^-1Ω 與10 ¹Ω之間)所對應的溫度點。就現階段而言，常用的低操作溫度的聚合物為高密度聚乙烯，而高操作溫度的聚合物為聚偏二氟乙烯。然而，此兩者的操作溫度分別約在120℃及160℃附近，不符合高溫過熱保護的車用市場的需求。原因在於，車用電子模組所包含的數種電子元件的正常運作溫度約可達150℃至160℃。若過電流保護元件的操作溫度低於或在160℃附近，意味著過電流保護元件在升溫至此溫度之前電流會逐漸或完全被截斷，導致原本可正常運作的車用電子元件停止運作。

綜上，習知的過電流保護元件在操作溫度及熱穩定性上仍有相當的改善空間。

本發明提供一種耐高溫的過電流保護元件，特別適合作為車用元件的保護元件。過電流保護元件具有呈現正溫度係數特性的熱敏電阻層，而熱敏電阻層具有高分子聚合物基材及低體積電阻率類型的導電填料(即碳黑及金屬化合物的組合)。需特別說明的是，本發明的高分子聚合物基材主要由含氟聚合物所組成。此含氟聚合物具有較高的電阻起跳溫度，意即電阻開始驟升的溫度起始點較高。其於適當比例的調配下，可將過電流保護元件的電阻起跳溫度調整至特定的溫度區間(約184℃與192℃之間)。也就是說，過電流保護元件的電阻值會於前述的溫度區間開始驟升，而在高於此溫度區間的溫度(約208℃以上)才升至最高值。

根據本發明之一實施態樣，一種過電流保護元件，包含電極層及熱敏電阻層。電極層具有上金屬層及下金屬層。熱敏電阻層接觸上金屬層及下金屬層，並疊設於其間。熱敏電阻層具有正溫度係數特性且包含高分子聚合物基材及導電填料。高分子聚合物基材包含第一含氟聚合物，並使過電流保護元件具有電阻起跳溫度介於184℃與192℃之間。導電填料包含碳黑及金屬化合物填料散佈於高分子聚合物基材中，用於形成熱敏電阻層的導電通道。

根據一些實施例，高分子聚合物基材不包含聚偏二氟乙烯，且過電流保護元件具有電阻峰值溫度為大於208℃。

根據一些實施例，第一含氟聚合物的熔點低於240℃。

根據一些實施例，第一含氟聚合物為乙烯-四氟乙烯共聚物，並使過電流保護元件具有電阻峰值溫度大於208℃。

根據一些實施例，以熱敏電阻層的體積為100%計，乙烯-四氟乙烯共聚物所佔的體積百分比為42%至49%。

根據一些實施例，以熱敏電阻層的體積為100%計，金屬化合物所佔的體積百分比為33%至40%。

根據一些實施例，高分子聚合物基材更包含第二含氟聚合物。第二含氟聚合物選自由聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、全氟烴氧改質四氟乙烯、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、二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三聚物及其任意組合之混合物或共聚物所組成的群組。以熱敏電阻層的體積為100%計，第二含氟聚合物所佔的體積百分比為4%至6%。

根據一些實施例，高分子聚合物基材不包含聚(氯三-氟四氟乙烯)。

根據一些實施例，第二含氟聚合物為聚四氟乙烯。

根據一些實施例，於297℃之溫度下，第一含氟聚合物具有熔流指數(melt flow index)介於20 g/10min與30 g/10min之間。

根據一些實施例，過電流保護元件於觸發後具有電阻峰值等於或大於1×10 ⁷Ω。

根據一些實施例，電阻峰值為1×10 ⁷Ω至3×10 ⁷Ω。

根據一些實施例，於第一次觸發後並冷卻回室溫時，過電流保護元件具有體積電阻率為0.02 Ω·cm至0.09 Ω·cm。

根據一些實施例，在第一循環壽命測試的條件下，過電流保護元件具有電阻躍增率為2.1至2.5。第一循環壽命測試包含執行特定循環數的施加功率，其中施加功率為24V/40A而特定循環數為200次。電阻躍增率定義為觸發後電阻值除以初始電阻值，其中過電流保護元件未經觸發時於室溫下具有初始電阻值，而過電流保護元件經第一循環壽命測試後並冷卻至室溫時具有觸發後電阻值。

根據一些實施例，電阻躍增率為2.4至2.5。

根據一些實施例，過電流保護元件得經第二循環壽命測試而不燒毀。第二循環壽命測試包含執行特定循環數的施加功率，其中施加功率為24V/40A而特定循環數為500次。

根據一些實施例，過電流保護元件得經第三循環壽命測試而不燒毀。第三循環壽命測試包含執行特定循環數的施加功率，其中施加功率為30V/30A而特定循環數為100次。

根據一些實施例，過電流保護元件具有第一熱降比為0.51至0.66。第一熱降比定義為過電流保護元件於23℃的環境下所需的觸發電流除以過電流保護元件於-40℃的環境下所需的觸發電流。

根據一些實施例，過電流保護元件具有第二熱降比為0.63至0.73。第二熱降比定義為過電流保護元件於125℃的環境下所需的觸發電流除以過電流保護元件於85℃的環境下所需的觸發電流。

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。

請參照圖1，顯示本發明之過電流保護元件的基本態樣。過電流保護元件10包含熱敏電阻層11及電極層。熱敏電阻層11具有上表面及下表面，而電極層具有上金屬層12及下金屬層13分別貼附於熱敏電阻層11的上表面及下表面。如此，熱敏電阻層11於物理上直接接觸上金屬層12及下金屬層13，並疊設於兩者之間。在一實施例中，上金屬層12及下金屬層13可由鍍鎳銅箔或其他導電金屬所組成。另外，熱敏電阻層11包含高分子聚合物基材及導電填料。高分子聚合物基材為受熱易膨脹的絕緣體，而導電填料為導體，藉此熱敏電阻層11得以具有正溫度係數特性。在過電流保護元件10未作動時，導電填料均勻散佈於高分子聚合物基材中，並串聯成導電通道；而在過電流保護元件10受高溫影響時，高分子聚合物基材會急速膨脹，使得導電填料其顆粒彼此間被拉開距離，造成導電通道的截斷。

換句話說，高分子聚合物基材的種類及相對於導電填料的比例大致上決定了熱敏電阻層11的正溫度係數特性。據此，本發明的高分子聚合物基材包含一特定的含氟聚合物(下稱第一含氟聚合物)。經由適當比例的調整，第一含氟聚合物可使過電流保護元件10的電阻起跳溫度落於第一溫度區間，為184℃至192℃。考量再現性的誤差影響，本發明中電阻起跳溫度最佳可調整為186℃至190℃。電阻起跳溫度係指電阻值開始驟升時所對應的起始溫度點。在此溫度時，過電流保護元件10的電阻值尚未上升至最高，而是開始驟升的起點。然後，隨著溫度持續上升並超過208℃時，過電流保護元件10才會呈現穩定的高電阻狀態(即電阻值約10 ⁷Ω以上)，並於第二溫度區間中具有最高的電阻值。前述最高的電阻值亦稱為電阻峰值，而電阻峰值所對應的溫度點則稱為電阻峰值溫度，落於第二溫度區間的範圍中。在本發明中，電阻峰值為1×10 ⁷Ω至3×10 ⁷Ω，而電阻峰值溫度介於208℃與218℃之間。

需特別說明的是，車子運作時，其內部的核心溫度可高達180℃，故車用電子元件普遍於150℃至160℃間仍舊能夠正常運作。因此，過電流保護元件10的電阻起跳溫度需相應調整為較高，但又不能無所限制。舉例來說，電阻起跳溫度低於184℃時，過電流保護元件10其電阻值開始驟升的起點過於接近車用電子元件得以正常運作的溫度。這會使得過電流保護元件10過早截斷電流的可能性大為提升。再者，在溫度達電阻起跳溫度之前，過電流保護元件10的電阻值雖未驟升，但已經開始有緩升的情形。因此，電阻起跳溫度過於靠近150℃至160℃儼然已對車用電子元件的正常運作造成影響。

若電阻起跳溫度高於192℃，則會有熔錫的問題。更詳細而言，過電流保護元件10組裝至電路板(或其它承載物件)時所採用的銲錫，其熔點普遍低於260℃，且約於230℃即開始軟化而有相變的情形。若過電流保護元件10的電阻起跳溫度過於接近230℃，會造成完全截斷電流的時間太晚，導致溫度升至過高。此高溫可能導致銲錫軟化甚至熔斷，進而使得過電流保護元件10自電路板(或其它承載物件)上脫落。

另外，考量到高溫過熱保護的車用市場應用的需求，本發明的高分子聚合物基材不採用熔點相對較低的聚偏二氟乙烯(熔點約177℃)。至於本發明的高分子聚合物基材中的第一含氟聚合物，可採用熔點低於240℃的乙烯-四氟乙烯共聚物。應理解到的是，按聚合方式的不同，乙烯-四氟乙烯共聚物可具有不同的熔點，其可高達280℃以上，亦可低至240℃以下。本發明選擇低熔點的乙烯-四氟乙烯共聚物，除因前述電阻起跳溫度的理由外，亦考量到製程加工性的問題。若乙烯-四氟乙烯共聚物的熔點高於240℃，會造成高分子聚合物基材與導電填料混練後的材料在高溫時結構過於穩定，導致熱壓合上的困難。在一實施例中，乙烯-四氟乙烯共聚物的熔點較佳為220℃至230℃；並且，按ASTM D3159的標準規範，於297℃之溫度下，乙烯-四氟乙烯共聚物具有熔流指數(melt flow index)介於20 g/10min與30 g/10min之間。前述熔流指數亦可稱為熔體流動速率(melt flow rate)，係指聚合物每十分鐘流經標準毛細管的熔體克數，可用於評估聚合物熔融狀態時的流動性。熔流指數越高，意味著熔體流動性越佳。相反地，熔流指數越低，意味著熔體流動性越差。一般而言，熔點在240℃以上的乙烯-四氟乙烯共聚物，其熔流指數會在20 g/10min以下，熱壓合時的流動性較差。

此外，本發明的熱敏電阻層11可進一步包含第二種含氟聚合物(下稱第二含氟聚合物)，其亦作為熱敏電阻層11的高分子聚合物基材的組成。導電填料散佈於由第一含氟聚合物及第二含氟聚合物共同組成的高分子聚合物基材中，藉以形成熱敏電阻層11的導電通道。第二含氟聚合物選自由聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、全氟烴氧改質四氟乙烯、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、二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三聚物及其任意組合之混合物或共聚物所組成的群組。舉例而言，第二含氟聚合物可選用聚四氟乙烯。因此，在本發明中，第一含氟聚合物可以採用乙烯-四氟乙烯共聚物作為高分子聚合物基材的主成分，而第二含氟聚合物可以採用聚四氟乙烯作為高分子聚合物基材的次成分。亦即，在高分子聚合物基材中，乙烯-四氟乙烯共聚物的含量來得比聚四氟乙烯高；故以熱敏電阻層的體積為100%計，乙烯-四氟乙烯共聚物所佔的體積百分比為42%至49%，而聚四氟乙烯佔4%至6%。在一實施例中，以熱敏電阻層11的體積為100%計，乙烯-四氟乙烯共聚物佔42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%或49%。在一實施例中，以熱敏電阻層11的體積為100%計，聚四氟乙烯佔4%、4.5%、5%、5.5%或6%。聚四氟乙烯的熔點(約320℃至335℃)遠高於乙烯-四氟乙烯共聚物。考量到車用元件的需求，聚四氟乙烯在前述的比例區間中，含量不會高到影響過電流保護元件10的電阻起跳溫度，但同時又能微調高分子聚合物基材整體的熱穩定性。另需提及的是，基於製程上的考量，本發明不採用聚(氯三-氟四氟乙烯)做為第二含氟聚合物。意即，高分子聚合物基材不包含聚(氯三-氟四氟乙烯)。聚(氯三-氟四氟乙烯)與其它材料(乙烯-四氟乙烯共聚物及其他填料)進行密練時，容易碎掉、裂解或產生冒煙的情形，故不適用於本發明。

至於導電填料，本發明為提高過電流保護元件10的電導度係以金屬化合物為主成分，而碳黑為次成分。導電填料包含碳黑及金屬化合物填料散佈於高分子聚合物基材中，用於形成熱敏電阻層11的導電通道。並且，以熱敏電阻層的體積為100%計，金屬化合物所佔的體積百分比為33%至40%。金屬化合物選自由碳化鎢、碳化鈦、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、氮化鋯及其任意組合所組成的群組。在一實施例中，為使過電流保護元件10具有較佳的耐電壓特性，導電填料可另包含少量的碳黑。例如，以熱敏電阻層的體積為100%計，導電填料更包含約2%至8%的碳黑。另外，本發明觀察到在導電填料的組合中，選用金屬碳化物(尤其是碳化鎢)搭配碳黑可使過電流保護元件10保有低體積電阻率的同時具有較佳的耐電壓特性。

如同前述所提，圖1的過電流保護元件10僅為最基本的態樣，後續可任意進行加工。加工過程常涉及高溫，進而導致過電流保護元件10的觸發。經觸發後的過電流保護元件10，即使冷卻回室溫，其電阻值會有所提升而無法恢復到初始電阻值。電阻穩定性越佳的過電流保護元件10，其電阻值較容易隨著溫度逐漸變低而恢復至低阻狀態。本發明觀察到，採用前述材料所組成的熱敏電阻層11，除了準確控制電阻起跳溫度外，更能增進過電流保護元件10的電阻穩定性。舉例而言，過電流保護元件10可分別於上金屬層12及下金屬層13焊上引腳。焊接的高溫會使過電流保護元件10產生第一次觸發。在本發明中，過電流保護元件10於第一次觸發後並冷卻回室溫時，具有體積電阻率為0.02 Ω·cm至0.09 Ω·cm，遠小於傳統用於高溫的過電流保護元件的體積電阻率(約0.2 Ω·cm至0.4 Ω·cm)。很顯然地，本發明的過電流保護元件10經加工後，可於未作動時保持良好的導電特性，不會影響其他電子元件的正常運作。在一實施例中，過電流保護元件10較佳具有體積電阻率為0.02 Ω·cm至0.06 Ω·cm，例如0.0297 Ω·cm至0.0535 Ω·cm。

除此之外，本發明的過電流保護元件10更包含其他數種電氣特性。下文以三種循環壽命測試(cycle life test)及兩種熱降測試(thermal derating test)說明。循環壽命測試按測試條件的不同分為第一循環壽命測試、第二循環壽命測試及第三循環壽命測試。熱降測試按測試條件的不同分為第一熱降測試及第二熱降測試。

在第一循環壽命測試的條件下，過電流保護元件10具有電阻躍增率為2.1至2.5。更具體而言，第一循環壽命測試的條件為24V/40A的電壓/電流施加10秒後，關閉60秒為一個循環。如此，反覆200個循環。電阻躍增率定義為過電流保護元件10的觸發後電阻值除以過電流保護元件10的初始電阻值。過電流保護元件10未經觸發時於室溫下具有初始電阻值，而經第一循環壽命測試後並冷卻至室溫時具有觸發後電阻值。電阻躍增率可用於評估過電流保護元件10的電阻穩定性。本發明的所有實施例中，電阻躍增率皆可穩定維持於2.1至2.5。相較之下，傳統用於高溫的過電流保護元件因耐電壓能力不足很可能無法通過第一循環壽命測試，即便能通過第一循環壽命測試，其體積電阻率也因過高而不符合應用需求。在一實施例中，本發明的過電流保護元件10的電阻躍增率較佳為2.4至2.5。

在第二循環壽命測試的條件下，本發明的過電流保護元件10具有較佳的耐壓特性而不燒毀。第二循環壽命測試與第一循環壽命測試僅差異在循環數。第二循環壽命測試將循環數提升至500次，藉此觀察過電流保護元件10能否承受更多次的高能衝擊。用於低溫過熱保護(low temperature overheating protection)的過電流保護元件雖可通過第二循環壽命測試，但傳統上為了符合高溫過熱保護(high temperature overheating protection)應用的需求而改良時(例如：採用聚偏二氟乙烯做為高分子聚合物基材的主成分)則無法通過第二循環壽命測試。

在第三循環壽命測試的條件下，本發明的過電流保護元件10同樣具有較佳的耐壓特性而不燒毀。第三循環壽命測試的施加功率及循環數皆有所改變，藉此觀察過電流保護元件10在不同功率及不同循環數的施加之下的情形。更具體而言，第三循環壽命測試的條件為30V/30A的電壓/電流施加10秒後，關閉60秒為一個循環。如此，反覆100個循環。在此功率及循環數之下，本發明的過電流保護元件10仍舊得以正常運作而不燒毀。相較之下，傳統用於高溫過熱保護的過電流保護元件有相當的可能無法通過第三循環壽命測試，即便能通過第三循環壽命測試，其體積電阻率也因過高而不符合應用需求。

熱降測試用於比較過電流保護元件10於不同環境溫度之下的觸發電流的差異，藉此評估高溫對於操作性的影響。理想上，是期望過電流保護元件10的觸發電流在各種溫度之下能維持在相同的數值，穩定於預設的觸發電流起到保護作用，利於操作上的方便。第一熱降測試中用於比較的環境溫度為23℃及-40℃，而第二熱降測試中用於比較的環境溫度為125℃及85℃。

第一熱降測試中，過電流保護元件10具有第一熱降比為0.51至0.66。第一熱降比定義為過電流保護元件10於23℃的環境下所需的觸發電流除以過電流保護元件10於-40℃的環境下所需的觸發電流。第二熱降測試中，過電流保護元件10具有第二熱降比為0.63至0.73。第二熱降比定義為過電流保護元件10於125℃的環境下所需的觸發電流除以過電流保護元件於85℃的環境下所需的觸發電流。由前述可知，第一熱降比顯示過電流保護元件10於低溫溫度區間時的熱降情形，而第二熱降比則顯示過電流保護元件10於高溫溫度區間時的熱降情形。在低溫溫度區間中，本發明的過電流保護元件10與傳統過電流保護元件無太大差異；但在高溫溫度區間中，本發明的過電流保護元件10的第二熱降比遠高於傳統過電流保護元件的第二熱降比。本發明的過電流保護元件10的第二熱降比甚至可達約0.73，但傳統過電流保護元件的第二熱降比為約0.55以下。由此可知，相較於傳統過電流保護元件，本發明的過電流保護元件10的熱穩定性獲得大幅的提升，其操作性較不易受高溫的影響。

請繼續參照圖2，為圖1之過電流保護元件10的上視圖。過電流保護元件10具有長度A及寬度B，而面積“A×B”亦等同於熱敏電阻層11的面積。熱敏電阻層11依產品型號不同可具有上視面積為4 mm ²至72 mm ²。例如，面積“A×B”可為2×2 mm ²、5×5 mm ²、5.1×6.1 mm ²、5×7 mm ²、7.62×7.62 mm ²、8.2×7.15 mm ²、7.3×9.5 mm ²或7.62×9.35 mm ²。另外，過電流保護元件10的整體厚度(即上金屬層12、熱敏電阻層11及下金屬層13的厚度總和)介於0.5 mm與0.6 mm之間。舉例而言，過電流保護元件10的上視面積可為35 mm ²(即5×7 mm ²)，而厚度為0.55 mm。在另一實施例中，過電流保護元件10的上視面積可為25 mm ²(即5×5 mm ²)，而厚度為0.5 mm。應理解的是，本發明的過電流保護元件10應用於上述尺寸中皆具有相同的功效。

如上所述，本發明可使過電流保護元件10於高溫下具有良好的電氣特性。下表一至表六進一步以實際的驗證數據進行說明。

表一、高分子聚合物基材的主要聚合物

聚合物	熔流指數 (g/10min)	熔點(℃)
ETFE	25	225
PVDF-1	3	168
PVDF-2	1.1	185
HDPE	1	134

表二、熱敏電阻層11的配方比例(vol %)

組別	ETFE	PVDF-1	PVDF-2	HDPE	PTFE	Mg(OH) ₂	CB	WC
E1	45				5	5	8	33
E2	48				5	6	7	34
E3	46				5	8	5	36
E4	43				5	10	2	40
C1		43			5	10	2	40
C2			43		5	10	2	40
C3				56			5	40

如表一所示，顯示高分子聚合物基材所使用的主要聚合物種類，分別為乙烯-四氟乙烯共聚物(Ethylene-tetrafluoroethylene copolymer，ETFE)、兩種聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene difluoride，PVDF)及高密度聚乙烯(High density polyethylene，HDPE)。熔流指數依據聚合物的不同，各依不同的規範進行量測。聚四氟乙烯的熔流指數係按ASTM D3159的標準規範進行量測，而聚偏二氟乙烯及高密度聚乙烯的熔流指數係按ASTM D1238的標準規範進行量測。由表一可知，聚四氟乙烯熔點最高，超過185℃仍具有穩固的形狀及結構，並且於高溫時流動性佳，於密練及熱壓合過程不會造成困難。

繼續參照表二，表二以體積百分比顯示本發明各實施例(組別E1至組別E4)及比較例(組別C1至組別C3)於熱敏電阻層11的配方成份。第一欄由上至下顯示各組別，即實施例E1至比較例C3。第一列由左至右顯示熱敏電阻層11中的各種材料成份，分別為乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF-1及PVDF-2)、高密度聚乙烯、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)、氫氧化鎂(Magnesium hydroxide，Mg(OH) ₂)、碳黑(Carbon black，CB)及碳化鎢(Tungsten carbide，WC)。此外，各組別皆以氫氧化鎂作為阻燃劑。至於導電填料，為提升元件導電性，係以碳化鎢為主，而碳黑為次，因此碳化鎢及碳黑的組合大致上可稱為低體積電阻率系統的導電填料。

在本發明的實施例E1至實施例E4中，高分子聚合物基材的主成分皆為ETFE，而次要成分則為PTFE。由於PTFE具有遠高於ETFE的熔點(約330℃)，故PTFE於比例上不可過大，避免影響過電流保護元件的保護溫度(如電阻起跳溫度及電阻峰值溫度)及其他觸發特性。也就是說，ETFE與PTFE的相對比例須經適度調整。具體來說，ETFE：PTFE的體積百分比例為約89：11至91：9。意即，當ETFE及PTFE的體積總和以100%計時，ETFE所佔的體積百分比為89%至91%，而PTFE所佔的體積百分比為9%至11%。另須注意到，高分子聚合物基材(即ETFE及PTFE)在熱敏電阻層11所佔的體積百分比也需調整在適當的範圍，太低則觸發時無法完全截斷電流，太高又會使導電情形不良。在此配方中，高分子聚合物基材在熱敏電阻層11中所佔的體積百分比為48%至53%。考量誤差的影響及從實際應用的結果來看，高分子聚合物基材所佔的體積百分比在45%至55%皆可達相同的技術功效。

比較例C1及比較例C2，高分子聚合物基材的主成分皆為PVDF，而次要成分則為PTFE。傳統上會採用不同的聚偏二氟乙烯調整過電流保護元件的高溫穩定性，故於表二中選擇兩種常用的聚偏二氟乙烯作為比較。比較例C1的PVDF-1具有較低的熔點及較高的熔流指數，而比較例C2的PVDF-2具有較高的熔點及較低的熔流指數。後續試驗將說明兩者的電氣特性都無法達到車用市場的需求。至於比較例C3，高分子聚合物基材係由HDPE所組成。已知HDPE的熔點低，而觸發溫度亦更低。傳統上，比較例3為低溫過熱保護的過電流保護元件，用於顯示其確實無法應用於高溫過熱保護的車用市場應用中。

實施例E1至實施例E4和比較例C1至比較例C3的過電流保護元件的製作過程敘述如下。首先，基於表一所呈現的配方，將配方中的材料加入HAAKE公司生產之雙螺桿混練機中進行混練。實施例的混練溫度為240℃，而比較例的混練溫度為215℃。預混之時間為3分鐘，而混練之時間則為15分鐘。混練完成後可獲得導電性聚合物，並以熱壓機於高溫下(實施例為250℃而比較例為210℃)及150 kg/cm ²之壓力壓成薄片，再將薄片切成約20公分×20公分之正方形。接著，再同樣用熱壓機以高溫(實施例為250℃而比較例為210℃)及150 kg/cm ²之壓力將兩鍍鎳銅箔壓合至導電性聚合物之薄片的兩面，形成具有三層結構的板材。最後，以沖床將此板材沖壓出多個晶片，而這些晶片即為過電流保護元件。過電流保護元件的長及寬分別為5 mm及7 mm (即上視面積為35 mm ²)，而厚度為0.55 mm。接著，將實施例及比較例所製得的晶片經過50 kGy的照光劑量照射後(照光劑量可視需求調整，並非本發明的限制條件)，各取15個做為測試樣本，進行後續試驗。

需再次注意到的是，高分子聚合物基材的選用並非僅是依據其本身於高溫時的物理特性(如表一的熔流指數及熔點)，尚需考量到聚合物之間(如ETFE與PTFE)，及聚合物與填料(如Mg(OH) ₂、CB及WC)之間的相容性。基於前述物理特性及相容性，更需調整出適當比例，使過電流保護元件10最終呈現的電氣特性符合應用需求。表三至表六進一步以過電流保護元件10所呈現的電氣特性進行說明。

表三、觸發溫度及其電阻峰值

組別	電阻起跳溫度(℃)	電阻峰值溫度(℃)	電阻峰值(Ω)
E1	188	212	1×10 ⁷
E2	188	212	1×10 ⁷
E3	188	212	3×10 ⁷
E4	188	212	2×10 ⁷
C1	150	160	3×10 ⁵
C2	168	174	1×10 ⁶
C3	124	130	1×10 ⁸

請同時參照表三、圖3及圖4。圖3顯示過電流保護元件10之電阻值-溫度曲線圖。Y軸顯示電阻值，而X軸顯示溫度。更具體而言，本發明針對過電流保護元件10進行電阻-溫度測試。在升溫速率為5℃/min的條件下，獲得過電流保護元件10其電阻對溫度的曲線圖。需說明的是，圖3及圖4的Y軸採用對數尺度(logarithmic scale)，因此實施例E1至E4的曲線幾乎重疊，故於圖3中是以單條曲線呈現所有實施例的均值。另外，比較例C1及比較例C2的高分子聚合物基材皆採用相同的主要聚合物(即PVDF)，為使版面較為簡單、乾淨及方便說明，僅呈現比較例C2的曲線於圖3中。點A1、點A2及點A3是電阻準備驟升的起點，即電阻起跳點。電阻起跳點所對應的溫度點即為表一中的電阻起跳溫度(℃)。點A1'、點A2'及點A3'是電阻驟升至最高的頂點，即電阻最高點。電阻最高點所對應的溫度及電阻值分別為表一中的電阻峰值溫度(℃)及電阻峰值(Ω)。實施例E1至實施例E4中，電阻起跳溫度皆為188℃，而電阻峰值溫度皆為212℃，恰好符合車用元件的溫度需求。也就是說，在車用元件能夠正常運作的溫度區間(約150℃至160℃)中，實施例E1至實施例E4的過電流保護元件10不會開始作動。而在達銲錫的熔點之前，實施例E1至實施例E4的過電流保護元件10的電阻值則會於212℃附近躍升至最高，即約1×10 ⁷Ω至3×10 ⁷Ω的電阻峰值；此時，電流將可完全被截斷而不會有熔錫的問題。相較之下，比較例C1及比較例C2的電阻起跳溫度為約150℃至168℃，會在車用元件正常運作的溫度開始作動，使車用元件的正常運作受到影響；並且，若有非預期的突發事件導致溫度於短時間(保護作用來不及反應的時間)竄升至200℃時，比較例C1及比較例C2實際上易因過電流保護元件的熱穩定性較差而有破裂的情形。至於比較例3，則會在相對非常低的溫度(124℃)就開始作動，導致車用元件無法正常運作，完全不符合車用市場的溫度需求。

請繼續參照圖4，進一步說明本發明的實施例E1至E4中的電阻起跳溫度的定義。在過電流保護元件10未觸發前的低阻狀態時，此曲線於低阻狀態時的某一溫度區段會呈現筆直的線性爬升，故可由此線性爬升的區段畫出切線L1。在過電流保護元件10觸發後至高阻狀態的期間時，此曲線於某一溫度區段會呈現急劇線性爬升，故同樣可由此線性爬升的區段畫出切線L2。切線L1上的各點符合公式：y = 0.002302x + 0.005387；而切線L2上的各點符合公式：y = 9124x - 1769929。也就是說，在線性爬升的區段中，切線L1的斜率為0.002302(下稱“最低斜率”)；而切線L2的斜率為9124(下稱“最高斜率”)。具有最低斜率的切線L1與具有最高斜率的切線L2會相交於交點A0。交點A0對應X軸的溫度點係為低阻狀態及高阻狀態的切換點，即為電阻起跳溫度。因此，交點A0沿Y軸垂直向上平移會與電阻起跳點A1重疊。按照本發明所調整的熱敏電阻層11的配方，可準確地將此定義下的電阻起跳溫度控制在184℃與192℃間的範圍中。

接著，透過循環壽命測試來評估過電流保護元件10的耐電壓特性。循環壽命測試係以一定功率施加10秒及關閉60秒為一個循環。以下試驗中，循環壽命測試分為三種條件(下稱第一循環壽命測試、第二循環壽命測試及第三循環壽命測試)。第一循環壽命測試的條件為24V/40A的電壓/電流，及200個循環；第二循環壽命測試的條件為24V/40A的電壓/電流，及500個循環；而第三循環壽命測試的條件為30V/30A的電壓/電流，及100個循環。

表四、循環壽命測試

組別	R _i(Ω)	R ₁(Ω)	ρ (Ω·cm)	R _200C(Ω)	R _200C/R _i	500C (24V/40A)	100C (30V/30A)
E1	0.0062	0.0084	0.0535	0.0206	2.456	通過	通過
E2	0.0108	0.0138	0.0876	0.0327	2.375	未通過	未通過
E3	0.0064	0.0087	0.0552	0.0214	2.466	未通過	未通過
E4	0.0035	0.0047	0.0297	0.0103	2.199	未通過	未通過
C1	0.0092	0.0585	0.3722	-	-	未通過	未通過
C2	0.0053	0.0339	0.2154	0.0315	0.930	未通過	通過
C3	0.0035	0.0058	0.0369	0.018	3.103	通過	通過

如表四所示，第一列由左至右顯示各驗證項目。

R _i，係指於室溫下過電流保護元件的初始電阻值。

R ₁，係指過電流保護元件經一次觸發後，再待其冷卻至室溫後所測得的電阻值。具體而言，過電流保護元件被焊上引腳，而焊接的高溫會使過電流保護元件產生第一次觸發。另外，根據體積電阻率的公式ρ = R×A/L，R為電阻值，L為厚度，而A為面積。據此，可藉由R ₁求得體積電阻率為ρ。

R _200C，係指過電流保護元件經第一循環壽命測試後冷卻至室溫所測得的電阻值。據此，可進一步算得電阻躍增率(即R _200C/ R _i)，其比值越低(即越接近1)意味著過電流保護元件恢復至低電阻狀態的能力或電阻回復性越佳。換句話說，電阻躍增率可用於評估電阻穩定性。

500C及100C，分別為第二循環壽命測試及第三循環壽命測試的元件狀態。「通過」代表過電流保護元件未燒毀，而「未通過」代表過電流保護元件燒毀。

首先，請注意到R ₁及相應求得的ρ。過電流保護元件10僅為最基本的態樣，後續常會進行加工。實際使用時，過電流保護元件10通常已至少觸發一次。換句話說，R ₁及ρ較能反映過電流保護元件組裝於電子裝置中的電阻情形。在實施例E1至實施例E4中，過電流保護元件10於第一次觸發後的電阻值(R ₁)為0.0047 Ω至0.0138 Ω，而體積電阻率(ρ)為0.0297 Ω·cm至0.0876 Ω·cm，皆遠低於比較例C1及比較例C2的第一次觸發後電阻值(R ₁)及體積電阻率(ρ)。也就是說，相較於傳統用於高溫過熱保護的過電流保護元件，本發明可於未作動時保持良好的導電特性。至於比較例C3，雖能維持類似的低觸發後電阻值(R ₁)及體積電阻率(ρ)，但如前述，其無法應用於需要高溫過熱保護的裝置中。

至於電阻躍增率(R _200C/ R _i)，實施例E1至實施例E4皆穩定維持在約略的範圍中，為2.199至2.466。比較例C1因元件燒毀而未能求得。比較例C2雖具有較低的電阻躍增率(R _200C/ R _i)，但其一開始運作於電子裝置中的電阻值(R ₁)及體積電阻率(ρ)過高(分別為0.0339 Ω及0.2154 Ω·cm)。也就是說，在電子裝置初期的正常運作期間，其流經的電流量都會來的較小，導電特性不佳。最後為比較例C3，其電阻躍增率(R _200C/ R _i)為3.103，遠高於實施例E1至實施例E4的2.199至2.466。比較例C3的過電流保護元件不僅無法符合高溫過熱保護的需求，電阻穩定性亦較差。

而在相同的功率下，本發明進一步以第二循環壽命測試驗證過電流保護10所能承受的循環次數的極限。第二循環壽命測試的施加功率與第一循環壽命測試的施加功率相同，但第二循環壽命測試將循環數由200次提升至500次。由表四可知，在實施例E1至實施例E4中，僅實施例E1能承受500次循環，具有最佳的耐電壓特性。比較例C1及比較例C2皆燒毀，顯示傳統用於高溫過熱保護的過電流保護元件耐電壓特性不佳。最後，進一步以第三循環壽命測試驗證過電流保護10所能承受的電壓及功率的極限。同樣地，在實施例E1至實施例E4中，僅實施例E1能經第三循環壽命測試而不燒毀。比較例C2雖能通過第三循環壽命測試，但其在第二循環壽命測試會燒毀且導電特性亦不佳，表現不如實施例E1來得好。另需說明的是，比較例C3雖然能通過前述三個循環壽命測試，但其僅適用於低溫過熱保護的裝置中，不適合使用於高溫過熱保護的車用市場應用中。

最後的試驗為熱降測試，可顯示過電流保護元件10於觸發特性上抵禦熱衰減的能力。熱降測試一係用於驗證低溫溫度區間(-40℃至23℃)的熱降情形，而熱降測試二係用於驗證高溫溫度區間(85℃至125℃)的熱降情形。細節說明如下。

表五、熱降測試一

組別	I-T _-40℃(A)	I-T _-40℃/area (A/mm ²)	I-T _23℃(A)	I-T _23℃/area (A/mm ²)	I-T _23℃/ I-T _-40℃
E1	8.27	0.236	4.27	0.122	0.516
E2	6.03	0.172	4.00	0.114	0.663
E3	7.97	0.228	4.23	0.121	0.531
E4	11.03	0.315	5.87	0.168	0.532
C1	7.60	0.217	4.68	0.134	0.616
C2	10.00	0.286	7.42	0.212	0.742
C3	15.67	0.448	9.52	0.272	0.608

表六、熱降測試二

組別	I-T _85℃(A)	I-T _85℃/area (A/mm ²)	I-T _125℃(A)	I-T _125℃/area (A/mm ²)	I-T _125℃/ I-T _85℃
E1	2.23	0.064	1.57	0.04	0.704
E2	2.07	0.059	1.40	0.04	0.676
E3	2.37	0.068	1.50	0.04	0.633
E4	3.45	0.099	2.50	0.07	0.725
C1	2.08	0.059	0.40	0.01	0.192
C2	4.39	0.125	2.43	0.07	0.554
C3	3.47	0.099	-	-	-

如表五所示，第一列由左至右顯示數個驗證項目。

I-T _-40℃，係指於-40℃環境下，過電流保護元件的觸發電流的大小。據此，可求得I-T _-40℃/area，係指於-40℃環境下，過電流保護元件之單位面積承受的觸發電流的大小。

I-T _23℃，係指於23℃環境下，過電流保護元件的觸發電流的大小。據此，可求得I-T _23℃/area，係指於23℃環境下，過電流保護元件之單位面積承受的觸發電流的大小。

I-T _23℃/ I-T _-40℃，係用於比較於不同溫度的環境下，引起觸發所需的電流大小的熱衰減情形。I-T _23℃/ I-T _-40℃又稱為第一熱降比，越接近1代表觸發電流受熱的影響越小，熱穩定性越高。

表六中I-T _85℃、I-T _85℃/area、I-T _125℃、I-T _125℃/area及I-T _125℃/ I-T _85℃的定義與前述I-T _-40℃、I-T _-40℃/area、I-T _23℃、I-T _23℃/area及I-T _23℃/ I-T _-40℃類似，於此不再贊述。另外，I-T _125℃/ I-T _85℃又稱為第二熱降比。

請特別注意到前述所提的第一熱降比(I-T _23℃/ I-T _-40℃)及第二熱降比(I-T _125℃/ I-T _85℃)。應理解的是，過電流保護元件置於溫度較高的環境中，電阻會比較高，相應地觸發所需的電流也會變得比較小。然而，觸發所需的電流若隨著溫度的不同而變化過大，將不利於過電流保護元件的操作。換句話說，過電流保護元件的觸發電流隨溫度遞減的幅度越小，意味著電阻的熱穩定性越佳而有利於操作。在表五中，實施例E1至實施例E4的第一熱降比(I-T _23℃/ I-T _-40℃)為0.516至0.663，與比較例C1至比較例C3落於約略相同的範圍。在表六中，實施例E1至實施例E4的第二熱降比(I-T _125℃/ I-T _85℃)為0.633至0.725，遠高於比較例C1至比較例C3，其中比較例C3於125℃已作動(觸發)所以未有數據。由此可知，實施例E1至實施例E4雖然在低溫溫度區間(-40℃至23℃)的熱降情形與比較例C1至比較例C3類似，但隨著溫度拉高至高溫溫度區間(85℃至125℃)，其熱穩定性的優勢逐漸浮現。如此，實施例E1至實施例E4的第二熱降比(I-T _125℃/ I-T _85℃)在高溫溫度區間(85℃至125℃)仍舊相當接近1，顯示具有較佳的熱穩定性。

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。

10:過電流保護元件 11:熱敏電阻層 12:上金屬層 13:下金屬層 A:長度 A0:交點 A1、A2、A3:電阻起跳點 A1'、A2'、A3':電阻最高點 B:寬度 L1:第一切線 L2:第二切線

圖1顯示本發明一實施例之過電流保護元件之剖視圖；圖2顯示圖1之過電流保護元件之上視圖；以及圖3及圖4顯示過電流保護元件之電阻值-溫度曲線圖。

10:過電流保護元件

11:熱敏電阻層

12:上金屬層

13:下金屬層

Claims

一種過電流保護元件，包含：一電極層，具有一上金屬層及一下金屬層；以及一熱敏電阻層，接觸該上金屬層及該下金屬層，並疊設於其間，其中該熱敏電阻層具有正溫度係數特性且包含：一高分子聚合物基材，包含一第一含氟聚合物，並使該過電流保護元件具有一電阻起跳溫度介於184℃與192℃之間，其中該高分子聚合物基材不包含聚偏二氟乙烯，且該過電流保護元件具有一電阻峰值溫度為大於208℃；以及一導電填料，包含碳黑及一金屬化合物填料散佈於該高分子聚合物基材中，用於形成該熱敏電阻層的導電通道。
根據請求項1之過電流保護元件，其中該第一含氟聚合物的熔點為低於240℃。
根據請求項2之過電流保護元件，其中該第一含氟聚合物為乙烯-四氟乙烯共聚物，並使該過電流保護元件具有一電阻峰值溫度為大於208℃。
根據請求項3之過電流保護元件，其中以該熱敏電阻層的體積為100%計，乙烯-四氟乙烯共聚物所佔的體積百分比為42%至49%。
根據請求項4之過電流保護元件，其中以該熱敏電阻層的體積為100%計，該金屬化合物所佔的體積百分比為33%至40%。
根據請求項5之過電流保護元件，該高分子聚合物基材更包含一第二含氟聚合物選自由聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、全氟烴氧改質四氟乙烯、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、二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三聚物及其任意組合之混合物或共聚物所組成的群組，且以該熱敏電阻層的體積為100%計，該第二含氟聚合物所佔的體積百分比為4%至6%。
根據請求項6之過電流保護元件，其中該高分子聚合物基材不包含聚(氯三-氟四氟乙烯)。
根據請求項6之過電流保護元件，其中該第二含氟聚合物為聚四氟乙烯。
根據請求項1或請求項8之過電流保護元件，其中於297℃之溫度下，該第一含氟聚合物具有一熔流指數(melt flow index)介於20g/10min與30g/10min之間。
根據請求項1或請求項8之過電流保護元件，其中該過電流保護元件於觸發後具有一電阻峰值等於或大於1×10⁷Ω。
根據請求項10之過電流保護元件，其中該電阻峰值為1×10⁷Ω至3×10⁷Ω。
根據請求項11之過電流保護元件，其中於第一次觸發後並冷卻回室溫時，該過電流保護元件具有一體積電阻率為0.02Ω．cm至0.09Ω．cm。
根據請求項12之過電流保護元件，其中在一第一循環壽命測試的條件下，該過電流保護元件具有一電阻躍增率為2.1至2.5，其中：該第一循環壽命測試包含執行一特定循環數的一施加功率，該施加功率為24V/40A而該特定循環數為200次；以及該電阻躍增率定義為一觸發後電阻值除以一初始電阻值，其中該過電流保護元件未經觸發時於室溫下具有該初始電阻值，而該過電流保護元件經該第一循環壽命測試後並冷卻至室溫時具有該觸發後電阻值。
根據請求項13之過電流保護元件，其中該電阻躍增率為2.4至2.5。
根據請求項14之過電流保護元件，其中該過電流保護元件得經一第二循環壽命測試而不燒毀，其中：該第二循環壽命測試包含執行一特定循環數的一施加功率，該施加功率為24V/40A而該特定循環數為500次。
根據請求項15之過電流保護元件，其中該過電流保護元件得經一第三循環壽命測試而不燒毀，其中：該第三循環壽命測試包含執行一特定循環數的一施加功率，該施加功率為30V/30A而該特定循環數為100次。
根據請求項13之過電流保護元件，其中該過電流保護元件具有一第一熱降比為0.51至0.66，其中該第一熱降比定義為該過電流保護元件於23℃的環境下所需的觸發電流除以該過電流保護元件於-40℃的環境下所需的觸發電流。
根據請求項17之過電流保護元件，其中該過電流保護元件具有一第二熱降比為0.63至0.73，其中該第二熱降比定義為該過電流保護元件於125℃的環境下所需的觸發電流除以該過電流保護元件於85℃的環境下所需的觸發電流。