TWI847699B - 過電流保護元件 - Google Patents

Abstract

一種過電流保護元件，包含電極層以及熱敏電阻層。熱敏電阻層具有正溫度係數特性，並疊設於電極層中的上金屬層及下金屬層之間。此外，熱敏電阻層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含氟共聚物，其熔點介於210℃與240℃間。導電填料由碳黑組成，用於形成該熱敏電阻層的導電通道。另外，過電流保護元件於40℃與130℃間具有電阻躍增率介於1.2與1.3之間。

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，關於一種電阻熱穩定性佳且操作溫度高的過電流保護元件。

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10⁴Ω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。傳統上，因應電子裝置的高溫過熱保護(high temperature overheating protection)需求，高分子聚合物常選用具有高熔點特性的聚偏二氟乙烯(相較於常用的聚乙烯)為其主成分。為了提升耐電壓特性，導電填料則由碳黑組成，而不採用碳黑及金屬材料的組合。基於聚偏二氟乙烯及純碳黑的組合，可製作為應用於高溫過熱保護的耐 高壓過電流保護元件。然而，此類過電流保護元件至少存在兩個問題：其一，在未觸發前的低溫區段，過電流保護元件的電阻穩定性不佳；其二，聚偏二氟乙烯的高溫操作性無法滿足高溫過熱保護的車用市場的應用需求。就第一點而言，在未觸發前約40℃至130℃的低溫區段中，過電流保護元件的電阻值有明顯的爬升，導致電子裝置於正常運作時，易受溫度影響而使得流經的電流量變小。就第二點而言，聚偏二氟乙烯的操作溫度約在160℃附近，對車用市場來說過低。操作溫度亦可稱為電阻起跳溫度，係指電阻值開始驟升時所對應的溫度點。應理解到，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。並且，隨著車用市場的發展趨勢，未來車用電子元件的正常運作溫度可能會再往上提升(即超過160℃)，故過電流保護元件的操作溫度勢必要遠高於160℃。

由以上可知，習知的過電流保護元件在電阻穩定性及高溫操作性上仍有相當的改善空間。

本發明提供一種耐高壓且操作溫度高的過電流保護元件，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由碳黑所組成的導電填料。需特別說明的是，本發明的高分子聚合物基材是以含氟共聚物為主成分。含氟共聚物可改善前述導電填料關於電阻穩定性的缺陷，使得過電流保護元件於未觸發前的低溫區段(40℃至130℃)維持穩定的低阻狀態。其次，於適當比例的調配下， 含氟共聚物可將過電流保護元件的電阻起跳溫度調整至介於200℃與210℃之間。經此調整，過電流保護元件可符合車用市場關於高溫過熱保護的需求。

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含氟共聚物。含氟共聚物係為不含氟烯烴單體及含氟烯烴單體的共聚物，且具有熔點介於215℃與240℃間。導電填料由碳黑組成並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。並且，過電流保護元件於40℃與130℃間具有電阻躍增率介於1.2與1.3之間。

根據一些實施例，過電流保護元件於130℃時的電阻值為0.02Ω至0.03Ω。

根據一些實施例，過電流保護元件具有電阻起跳溫度介於200℃與210℃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大於4×10⁴Ω。

根據一些實施例，以熱敏電阻層的體積為100%計，含氟共聚物所佔的體積百分比為48%至60%。

根據一些實施例，含氟共聚物為乙烯-四氟乙烯共聚物。

根據一些實施例，以熱敏電阻層的體積為100%計，導電填料所佔的體積百分比為27%至34%。

根據一些實施例，高分子聚合物基材更包含成核劑。成核劑選自由聚四氟乙烯、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，成核劑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，含氟共聚物的熔點低於成核劑的熔點，且含氟共聚物的熔點與成核劑的熔點相差110℃至140℃。

根據一些實施例，熱敏電阻層的厚度為0.12mm至0.15mm。

根據一些實施例，成核劑為聚四氟乙烯。

根據一些實施例，過電流保護元件具有第一觸發電流熱降比為65%至79%。第一觸發電流熱降比定義為過電流保護元件於85℃的環境下所需的觸發電流除以過電流保護元件於25℃的環境下所需的觸發電流，並換算為百分比。

根據一些實施例，過電流保護元件具有第二觸發電流熱降比為53%至60%。第二觸發電流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25℃的環境下所需的觸發電流，並換算為百分比。

根據一些實施例，過電流保護元件具有第三觸發電流熱降比為69%至82%。第三觸發電流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，並換算為百分比。

根據一些實施例，熱敏電阻層更包含阻燃劑。阻燃劑選自由氧化鋅、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、氫氧化鈣及氫氧化鋇所組成的群組。以熱敏電阻層的體積為100%計，阻燃劑所佔的體積百分比為9%至13%。

根據一些實施例，阻燃劑為氫氧化鎂。

根據一些實施例，過電流保護元件具有耐受電壓值為24V，且可通過以耐受電壓值設定的循環壽命測試而不燒毀。循環壽命測試係以24V/40A的功率施加500個循環。

根據一些實施例，過電流保護元件於25℃下單位面積的可承受功率為1.9W/mm²至2.7W/mm²。

根據一些實施例，過電流保護元件於125℃下單位面積的可承受功率為1W/mm²至1.5W/mm²。

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:電阻起跳點

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、圖4及圖5顯示過電流保護元件之電阻值-溫度曲線圖。

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。

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含氟共聚物。經由適當比例的調整，含氟共聚物可使過電流保護元件10維持良好的電阻穩定性並提升其操作溫度。

根據本發明，含氟共聚物係由不含氟烯烴單體及含氟烯烴單體共聚而成，且具有熔點介於215℃與240℃間。舉例來說，不含氟烯烴單體可為乙烯、丙烯、丁烯、戊烯或己烯，而含氟烯烴單體可為四氟乙烯。藉由含氟共聚物的高溫穩定性，可使過電流保護元件10於低溫區段(40℃至130℃)維持穩定的低阻狀態。詳細而言，過電流保護元件10在環境溫度為40℃時具有第一電阻值，而在環境溫度為130℃時具有第二電阻值。第二電阻值除以第一電阻值所獲得的比值介於1.2與1.3之間。前述比值又稱為電阻躍增率，可顯示高溫對電阻變化的影響程度。本發明的過電流保護元件10的電阻躍增率介於1.2與1.3之間，相當接近1，意味著電阻值於未觸發前的低溫區段(40℃至130℃)變化不大，可保持相同的電流流通量而不影響電子元件的正常運作。在一實施例中，第一電阻值及第二電阻值皆落於0.02Ω至0.03Ω的範圍中。此外，導電填料全由碳黑組成的熱敏電阻層，其耐電壓能力會高於導電填料由碳黑及金屬材料組成的熱敏電阻層。若預設相同的耐電壓值，本發明的熱敏電阻層11可調整為較薄。在一實施例中，熱敏電阻層11的厚度為0.12mm至0.15mm。在另一實施例中，熱敏電阻層11的厚度可為0.12mm、0.13mm、0.14mm或0.15mm。基於前述的含氟共聚物，本發明可大幅改善低溫區段的電阻穩定性，並使過電流保護元件10得以發揮碳黑導電填料的優點(即提升耐壓能力)而將熱敏電阻層11的厚度調整為較薄。

另外，本發明選用含氟共聚物作為高分子聚合物基材的主成分亦是考量到高溫過熱保護保護的車用市場的需求。含氟共聚物可使過電流保護元件10的電阻起跳溫度控制在200℃至210℃的範圍內，例如200℃、201℃、202℃、203℃、204℃、205℃、206℃、207℃、208℃、209℃或210℃。本發明中的電阻起跳溫度最佳可調整為203℃至208℃。意即，只要按照本發明的配方比例(下文會再詳述)，電阻起跳溫度大致上都會落於203℃至208℃。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，隨著溫度持續上升至約220℃至230℃時，過電流保護元件10才會呈現高電阻狀態(電阻值超過10⁴Ω)。

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。並且，隨著車用市場的發展趨勢，未來車用電子元件的正常運作溫度會再往上提升，即超過160℃，甚至達180℃。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200℃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。故電阻起跳溫度過低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210℃，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，請注意到，本發明的電阻起跳溫度為至少200℃，意味著高分子聚合物基材的主成分勢必也要具有高於此溫度的熔點。故於本發明中，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℃)，而是採用含氟共聚物。含氟共聚物較佳可為乙烯-四氟乙烯共聚物。應理解到，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℃。如此，可使過電流保護元件10具有較佳的熱穩定性，同時又不會穩定到影響混練的過程。

此外，本發明的熱敏電阻層11可進一步包含成核劑，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。含氟共聚物的熔點低於成核劑的熔點，且含氟共聚物的熔點與成核劑的熔點較佳相差110℃至140℃，例如110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃或140℃。在環境溫度高於含氟共聚物的熔點而低於成核劑的熔點時，含氟共聚物會熔融而成核劑則否。據此，成核劑可呈現固態顆粒均勻分散於熱敏電阻層11中並作為含氟共聚物再結晶時的成核中心，利於結晶的形成。又或者是，基於成核劑的高熔點特性，成核劑的形變程度在高溫下較小，藉此可有效穩定熱敏電阻層11的結構型態而不會過度變形。在一實施例中，乙烯-四氟乙烯共聚物作為高分子聚合物基材的主成分(即含氟共聚物)，而聚四氟乙烯作為高分子聚合物基材的次成分(即成核劑)；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48%至60%，聚四氟乙烯所佔的體積百分比為4%至6%。在一實施例中，以熱敏電阻層11的體積為100%計，乙烯-四氟乙烯共聚物所佔的體積百分比為48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%或60%。在一實施例中，以熱敏電阻層11的體積為100%計，聚四氟乙烯所佔的體積百分比為4%、4.5%、5%、5.5%或6%。在一較佳實施例中，以熱敏電阻層11的體積為100%計，乙烯-四氟乙烯共聚物所佔的體積百分比為48%至57%，而聚四氟乙烯所佔的體積百分比為5%。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)做為成核劑。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，本發明的導電填料不包含金屬材料。金屬材料為例如碳化鎢、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、硼化鉿或氮化鋯。如前文所述，本發明的導電填料皆由碳黑組成，如此，可將熱敏電阻層11至作為較薄而達耐高壓的能力。在一實施例中，以熱敏電阻層的體積為100%計，導電填料(即碳黑)所佔的體積百分比為27%至34%。

此外，本發明的過電流保護元件10更包含其他數種電氣特性，下文以觸發電流的熱降效應測試(thermal derating effect test)及特定功率的循環壽命測試(cycle life test)來做說明。

針對熱降效應測試，將過電流保護元件10置於數種不同的環境溫度中，並於各環境溫度下可量測其觸發所需的電流大小。在溫度較低的環境中， 過電流保護元件10具有較低的電阻值，觸發所需的電流會相對較大。在溫度較高的環境中，過電流保護元件10具有較高的電阻值，觸發所需的電流會相對較小。換句話說，溫度升高會使得觸發所需的電流變小，此即觸發電流的熱降效應(thermal derating effect)。熱降效應測試係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。本發明的過電流保護元件10具有三個溫度區段(下文分別稱第一溫度區段、第二溫度區段及第三溫度區段)的觸發電流熱降比。在第一溫度區段(25℃至85℃)中，過電流保護元件具有第一觸發電流熱降比為65%至79%。第一觸發電流熱降比定義為過電流保護元件於85℃的環境下所需的觸發電流除以過電流保護元件於25℃的環境下所需的觸發電流，並換算為百分比。在第二溫度區段(25℃至125℃)中，過電流保護元件具有第二觸發電流熱降比為53%至60%。第二觸發電流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25℃的環境下所需的觸發電流，並換算為百分比。在第三溫度區段(85℃至125℃)中，過電流保護元件具有第三觸發電流熱降比為69%至82%。第三觸發電流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，並換算為百分比。應理解到，傳統的過電流保護元件，無論是上述哪個溫度區段，其觸發電流的熱降比大致上落在30%至60%。然而，本發明的過電流保護元件10於上述的三個溫度區段中的觸發電流熱降比最高可達80%以上，顯示觸發所需的電流受溫度影響較小。本發明的過電流保護元件10可穩定於預設的觸發電流起到保護作用，利於操作上的方便。

至於循環壽命測試，本發明的過電流保護元件10在熱敏電阻層11的厚度為約0.12mm至0.15mm時仍可承受24V的高電壓。更具體而言，在較佳的 實施例中，熱敏電阻層11更包含特定比例的阻燃劑。阻燃劑選自由氧化鋅、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、氫氧化鈣及氫氧化鋇所組成的群組。以熱敏電阻層11的體積為100%計，本發明將阻燃劑所佔的體積百分比調整為遠大於5%(例如調至9%到13%的範圍)。藉由阻燃劑降低可燃性的能力，可使得過電流保護元件10通過較高壓或高功率(如24V/40A)的循環壽命測試而不燒毀。並且，本發明的過電流保護元件10於125℃下單位面積的可承受功率為1W/mm²至1.5W/mm²，其上限值遠高於傳統上過電流保護元件在125℃高溫下單位面積的可承受功率(1W/mm²以下)。

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4mm²至72mm²。例如，面積“A×B”可為2×2mm²、5×5mm²、5.1×6.1mm²、5×7mm²、7.62×7.62mm²、7.8×8.15mm²、7.3×9.5mm²或7.62×9.35mm²。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0.19mm與0.22mm之間。舉例而言，過電流保護元件10的上視面積可為63.57mm²(即7.8×8.15mm²)，而厚度為0.22mm。在另一實施例中，過電流保護元件10的上視面積可為58.06mm²(即7.62×7.62mm²)，而厚度為0.19mm。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。

表一以體積百分比顯示本發明各實施例(組別E1至組別E5)及比較例(組別C1)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C1。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(Ethylene-tetrafluoroethylene copolymer，ETFE)、聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene difluoride，PVDF)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)、氫氧化鎂(Magnesium hydroxide，Mg(OH)₂)及碳黑(Carbon black，CB)。此外，各組別皆以氫氧化鎂作為阻燃劑。至於導電填料，為提升耐電壓特性，僅由碳黑組成。

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及其他觸發特性。另外，考量到PTFE作為成核劑的功能，ETFE的熔點與PTFE的熔點須至少相差110℃，較佳相差約110℃至140℃。若熔點差過低，兩者會在特定溫度下同時軟化或熔化；如此，成核劑會失去其作為成核中心及穩定結構的意義。若熔點差過高，成核劑在含量上的比例會難以調控，因其比例上些微的變動會顯著影響熱敏電阻層11的熱穩定性。意即，若熔點差高於140℃，成核劑對於熱敏電阻層11的熱穩定性的影響會過於敏感，故於調配時的誤差容忍度太小。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53%至65%。考量誤差的影響和從實際應用的結果，高分子聚合物基材所佔的體積百分比在51%至67%皆可達相同的技術功效。

比較例C1，高分子聚合物基材的主成分為PVDF，而次要成分則為PTFE。傳統上，常採用以PVDF為主的聚合物基材來製作耐高溫及高溫過熱保護的過電流保護元件。透過後續測試的驗證，可說明實施例E1至實施例E4具有優於比較例C1的高溫過熱保護應用性。

實施例E1至實施例E5和比較例C1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150kg/cm²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150kg/cm²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7.8mm及8.15mm(即上視面積為63.57mm²)，而厚度為0.22mm。接著，將實施例及比較例所製得的晶片經過50kGy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。

需說明的是，傳統的過電流保護元件在低溫區段的電阻穩定性不佳，且其操作溫度又不符車用市場的需求。因此，以下進行兩種電阻-溫度測試(分別為電阻-溫度測試一及電阻-溫度測試二)，用於說明相較於傳統過電流保護元件，本發明在電阻穩定性及操作溫度上有所改善。

關於電阻-溫度測試一，其溫度條件為：於40℃至130℃的溫度區間中，升溫速率為5℃/min，各溫度點持溫15分鐘。前述的持溫時間得以讓過電流保護元件更為精確地反映出其於特定溫度下所具有的電阻值。更詳細而言，在環境中的各溫度點都停留15分鐘，得以讓過電流保護元件確實地吸熱，而使得其整體溫度確實地上升至各溫度點，與環境溫度相同。如此，有利於分析其於未觸發前的電阻狀態。

R_40℃，係指過電流保護元件於40℃所對應的電阻值。

R_130℃，係指過電流保護元件於130℃所對應的電阻值。

R_130℃/R_40℃，為R_130℃及R_40℃的比值，即高溫對低溫的電阻躍增率。此數值越低意味著電阻受溫度的影響越小，進而可維持穩定的低阻狀態。因此，電阻躍增率可用於評估過電流保護元件於未觸發前的電導通能力。

請同時參照表二及圖3。圖3中，Y軸顯示電阻值，而X軸顯示溫度。由40℃至130℃，實施例E3的電阻值僅由0.0218Ω上升至0.0267Ω，其電阻躍增率(R_130℃/R_40℃)為1.23。實施例E3的電阻躍增率(R_130℃/R_40℃)非常接近1，故於40℃至130℃的曲線相當平穩，並使得電阻值保持為約0.02Ω。反觀比較例C1，其電阻值於40℃至130℃的溫度區間中由0.0167Ω大幅度上升至0.0683Ω，而電阻躍增率(R_130℃/R_40℃)為4.10。比較例C1的電阻躍增率(R_130℃/R_40℃)遠大於1，故其於圖3中的曲線有相當明顯的爬升。以上結果顯示，本發明的過電流 保護元件10於未觸發時，可保持穩定的低電阻狀態，不影響受保護的電子元件的正常運作。

接著為電阻-溫度測試二，其溫度條件為：於40℃至230℃的溫度區間中，自40℃起，以5℃/min的速率持續升溫至230℃。本測試係用於觀察過電流保護元件的電阻彈跳(觸發)情形。

請參照表三及圖4。圖4中，Y軸顯示電阻值，而X軸顯示溫度。需說明的是，圖4的Y軸採用對數尺度(logarithmic scale)，因此實施例E1至E5的曲線幾乎重疊，故於圖4中是以單條曲線呈現所有實施例的均值。點A1及點A2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三中的電阻起跳溫度(℃)。電阻峰值則是過電流保護元件觸發後的電阻最高點。在實施例E1至E5中，電阻起跳溫度皆為205℃，符合車用市場的高操作溫度的需求。並且，考量到熔錫的問題，實施例E1至E5的電阻起跳溫度也不至於過高而導致太晚起跳，故於230℃時即可攀升至4.04×10⁴Ω的高阻狀態。相較之下，比較例C1的電阻起跳溫度為165℃，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。

請繼續參照圖5，進一步說明本發明的實施例E1至E5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緩慢線性爬升，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，此曲線的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=0.000006x+0.0858；而切線L2上的各點符合公式：y=60.145x-12713。也就是說，在線性爬升的區段中，切線L1的斜率為0.000006(下稱“最低斜率”)；而切線L2的斜率為60.145(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200℃與210℃間的範圍中。

隨後，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。循環壽命測試皆係以一定功率施加10秒及關閉60秒為一個循環。以下試驗中，循環壽命測試分為兩種條件(下稱第一循環壽命測試及第二循環壽命測試)。第一循環壽命測試的條件為16V/50A的電壓/電流，及500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。

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。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_i求得體積電阻率為ρ。

R_{16V/50A_500C}，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，可進一步算得第一循環壽命測試的電阻躍增率(即R_{16V/50A_500C}/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。同樣地，R_{24V/40A_500C}，係指過電流保護元件經第二循環壽命測試後冷卻至室溫所測得的電阻值。據此，可進一步算得第二循環壽命測試的電阻躍增率(即R_{24V/40A_500C}/R_i)。

在實施例E1至E5中，初始電阻值(R_i)普遍落於0.01Ω至0.014Ω的範圍中，皆低於比較例C1的0.019Ω。意即，實施例E1、E2、E4及E5的初始電阻值(R_i)為約0.010Ω至約0.014Ω，且其相應的體積電阻率(ρ)為約0.30Ω．cm至0.41Ω．cm。但應注意到的是，實施例E3雖具有略高的初始電阻值，但其第一循環壽命測試的電阻躍增率(R_{16V/50A_500C}/R_i)卻是所有實施例E1至E5中最低的組別，為1.9。不僅如此，實施例E3更能通過第二循環壽命測試而不燒毀，且具有遠低於比較例C1的第二循環壽命測試的電阻躍增率(R_{24V/40A_500C}/R_i)。實施例E3的第二循環壽命測試的電阻躍增率(R_{24V/40A_500C}/R_i)為1.2，相當接近1，意味著電阻的於觸發前後幾乎沒有太大變化。實施例E3於更高壓及高功率的條件下展現其電阻穩定的優勢。另外，實施例E1及實施例E2會於第二循環壽命測試中燒毀，故未於表四中呈現兩者關於R_{24V/40A_500C}及R_{24V/40A_500C}/R_i的數據。

表五、觸發電流及可承受功率

請先參照表五，第一列由左至右顯示數個驗證項目。

I-T_25℃、I-T_85℃及I-T_125℃，係分別指於25℃、85℃及125℃環境下，過電流保護元件的觸發電流的大小。

I-T_25℃/area及25℃可承受功率可藉由I-T_25℃求得。I-T_25℃/area，係指於25℃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。25℃下單位面積的可承受功率，係指於25℃環境下，過電流保護元件之單位面積可承受的功率大小。125℃下單位面積的可承受功率可藉由I-T_125℃求得，係指於125℃環境下，過電流保護元件之單位面積可承受的功率大小。

在實施例E1至E5中，過電流保護元件10於25℃環境下單位面積所能承受的功率普遍落於1.9W/mm²至2.7W/mm²的範圍中，其單位面積所能承受最高功率(即2.67W/mm²)僅與傳統的過電流保護元件(即比較例C1)相同。然而，當環境溫度升至125℃時，實施例E1至E5的過電流保護元件10所能承受的功率普遍落於1W/mm²至1.5W/mm²的範圍中，高於傳統的過電流保護元件所能承受的功率(即比較例C1的0.94W/mm²)。由此可知，隨著溫度的升高， 本發明的過電流保護元件10的優勢逐漸浮現。意即，在125℃時，本發明的過電流保護元件10可於不燒毀的情況下承受較高功率的施加，具有較佳的高溫穩定性。

另外，本試驗更進一步將I-T_25℃、I-T_85℃及I-T_125℃的數據進行分析並統整於表六中。

如前述所提，過電流保護元件在不同的環境溫度下，引起觸發所需的電流大小會有所不同。在溫度較低的環境中，過電流保護元件具有較低的電阻值，觸發所需的電流會相對較大。在溫度較高的環境中，過電流保護元件具有較高的電阻值，觸發所需的電流會相對較小。藉此，可依熱降效應評估高溫對於過電流保護元件在操作性上的影響。

I-T_85℃/I-T_25℃即前文所定義的第一觸發電流熱降比；I-T_125℃/I-T_25℃即前文所定義的第二觸發電流熱降比；而I-T_125℃/I-T_85℃即前文所定義的第三觸發電流熱降比。為方便說明，三者的比值皆換算為百分比呈現於表六中。若百分比為100%，意味著觸發電流在高低溫間未有變化，過電流保護元件具有最理想的操作穩定性。因此，觸發電流熱降比越接近100%，其熱降的程度越小，操作穩定性越為理想。在實施例E1至E5中，第一觸發電流熱降比(I-T_85℃/I-T_25℃)、第二觸發電流熱降比(I-T_125℃/I-T_25℃)及第三觸發電流熱降比(I-T_125℃/I-T_85℃)分別為65.4%至78.3%、53.2%至59.7%及69.3%至81.4%，皆遠高於比較例C1所對應的觸發電流熱降比(分別為63.6%、35.3%及55.6%)。尤其注意到，溫度區間為高溫時，此種比率更為顯著。

更詳細而言，在25℃至125℃的溫度區間中，25℃至85℃為相對低溫的區段，而85℃至125℃為相對高溫的區段。在相對低溫的區段中，實施例 E1至E5的第一觸發電流熱降比(I-T_85℃/I-T_25℃)為65.4%至78.3%，而比較例C1的第一觸發電流熱降比(I-T_85℃/I-T_25℃)為63.6%；也就是說，實施例E1至E5與比較例C1至多相差14.7%。然而，在相對高溫的區段中，實施例E1至E5的第三觸發電流熱降比(I-T_125℃/I-T_85℃)為69.3%至81.4%，而比較例C1的第三觸發電流熱降比(I-T_125℃/I-T_85℃)為55.6%；實施例E1至E5與比較例C1反倒是至少相差近14%，至多可高達25.8%。也就是說，在高溫的區段中，實施例E1至E5與比較例C1之間的觸發電流的穩定性的差異更為明顯。實施例E1至E5明顯優於比較例C1，具有較為接近100%的百分比。比較例C1不僅與實施例E1至E5的差距顯著，而且觸發電流減少了近50%，熱降效應嚴重。

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

Claims (20)

1. 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，包含一含氟共聚物，其中該含氟共聚物係為不含氟烯烴單體及含氟烯烴單體的共聚物，且具有熔點介於215℃與240℃間；以及 一導電填料，由碳黑組成並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； 其中，該過電流保護元件於40℃與130℃間具有電阻躍增率介於1.2與1.3之間。
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130℃時的電阻值為0.02 Ω至0.03 Ω。
3. 根據請求項2之過電流保護元件，其中該過電流保護元件具有一電阻起跳溫度介於200℃與210℃之間。
4. 根據請求項3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大於4×10 ⁴Ω。
5. 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，該含氟共聚物所佔的體積百分比為48%至60%。
6. 根據請求項5之過電流保護元件，其中該含氟共聚物為乙烯-四氟乙烯共聚物。
7. 根據請求項6之過電流保護元件，其中以該熱敏電阻層的體積為100%計，該導電填料所佔的體積百分比為27%至34%。
8. 根據請求項7之過電流保護元件，該高分子聚合物基材更包含一成核劑選自由聚四氟乙烯、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，該成核劑所佔的體積百分比為4%至6%。
9. 根據請求項8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)。
10. 根據請求項8之過電流保護元件，其中該含氟共聚物的熔點低於該成核劑的熔點，且該含氟共聚物的熔點與該成核劑的熔點相差110℃至140℃。
11. 根據請求項10之過電流保護元件，其中該熱敏電阻層的厚度為0.12 mm至0.15 mm。
12. 根據請求項11之過電流保護元件，其中該成核劑為聚四氟乙烯。
13. 根據請求項1或12之過電流保護元件，其中該過電流保護元件具有一第一觸發電流熱降比為65%至79%，其中該第一觸發電流熱降比定義為該過電流保護元件於85℃的環境下所需的觸發電流除以該過電流保護元件於25℃的環境下所需的觸發電流，並換算為百分比。
14. 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二觸發電流熱降比為53%至60%，其中該第二觸發電流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25℃的環境下所需的觸發電流，並換算為百分比。
15. 根據請求項14之過電流保護元件，其中該過電流保護元件具有一第三觸發電流熱降比為69%至82%，其中該第三觸發電流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，並換算為百分比。
16. 根據請求項15之過電流保護元件，其中該熱敏電阻層更包含一阻燃劑選自由氧化鋅、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、氫氧化鈣及氫氧化鋇所組成的群組，且以該熱敏電阻層的體積為100%計，該阻燃劑所佔的體積百分比為9%至13%。
17. 根據請求項16之過電流保護元件，其中該阻燃劑為氫氧化鎂。
18. 根據請求項16之過電流保護元件，其中該過電流保護元件具有一耐受電壓值為24V，且可通過以該耐受電壓值設定的一循環壽命測試而不燒毀，其中該循環壽命測試係以24V/40A的功率施加500個循環。
19. 根據請求項18之過電流保護元件，其中該過電流保護元件於25℃下單位面積的可承受功率為1.9 W/mm ²至2.7 W/mm ²。
20. 根據請求項19之過電流保護元件，其中該過電流保護元件於125℃下單位面積的可承受功率為1 W/mm ²至1.5 W/mm ²。

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