過電流保護組件的制作方法

專利名稱：：過電流保護組件的制作方法
技術領域：
：本發明是關于一種過電流保護組件，更具體說來，是關于一種具有高維持電流(holdcurrent)的過電流保護組件。背景技水由于具有正溫度系數(PositiveTemperatureCoefficient;PTC)特性的導電復合材料的電阻具有對溫度變化反應敏銳的特性，可作為電流感測組件的材料，且目前已被廣泛應用于過電流保護組件或電路組件上。由于PTC導電復合材料在正常溫度下的電阻可維持極低值，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IO4ohm以上)，即所謂的觸發(trip),而將過量的電流反向抵銷，以達到保護電池或電路組件的目的。應用于高溫環境的過電流保護組件通常需符合以下兩種特性(l)至觸發時間(timetotrip)不能太快，例如于30安培、8(TC的情況下必須大于2秒；以及(2)在室溫25'C、12安培的情況下必須能夠觸發。一般說來，所述過電流保護組件的尺寸較小，常規使用碳黑作為導電填料的PTC組件不易達到上述需求。也曾有人使用鎳粉作為導電填料進行試驗，但是鎳粉與含氟的聚合物混合時在高溫時易產生氫氟酸，而無法采用。舉例而言，應用于汽車的過電流保護組件因為常曝曬于強烈陽光下，故需具備良好的散熱特性。傳統使用碳黑為導電填料的組件的電阻較高，其維持電流Ih。w較小，(維持電流為在不觸發情況下的最大電流)，故無法有效增加散熱效率。綜上可知，如何增加過電流保護組件的散熱效率，而得以符合上述兩種特性，是亟需突破的，以符合應用于例如汽車等高溫環境的需要。
發明內容本發明是提供一種過電流保護組件，通過含氟的結晶性高分子聚合物及導電陶瓷填料的加入，可有效增加過電流保護組件的維持電流(即在所述維持電流下，不會有觸發(trip)發生)，進而增加組件的散熱效率。因此，本發明的具有高維持電流的過電流保護組件可應用于汽車等易處于高溫的環境。本發明揭示一種過電流保護組件，其包含二金屬箔片、一疊設于所述二金屬箔片間的PTC材料層。所述PTC材料層包含(1)一高分子聚合物基材，其所占體積百分比介于35-60%，且包含一熔點高于15(TC的含氟的結晶性高分子聚合物(例如聚氟化亞乙烯(polyvinylidinefluoride:PVDF)，其熔點約165。C);以及(2)—導電陶瓷填料(例如碳化鈦(TiC))，其是散布于所述高分子聚合物基材中。所述導電陶瓷填料所占體積百分比介于40-65%,且其體積電阻值小于500nQ-cm。所述PTC材料層的體積電阻值小于0.1Q-cm，且25'C時的維持電流對PTC材料層面積的比率為介于0.05至0.2A/mn^之間。因為導電陶瓷填料的電阻遠小于碳黑，故可有效提供組件較高的維持電流。另外，所述含氟的結晶性高分子聚合物因為相較于聚乙烯(PE)具有較高熔點，因此包含所述含氟的結晶性高分子聚合物的組件處于高溫環境時(例如車內溫度約80'C時)仍可維持足夠的維持電流，而具有迅速散熱的特性圖l是本發明一實施例的過電流保護組件的示意圖；圖2是圖1的過電流保護組件的上視圖3是本發明另一實施例的過電流保護組件的示意圖；以及圖4是本發明又一實施例的過電流保護組件的示意圖。具體實施例方式以下將就添加不同比例的PVDF為例，用以說明本發明的導電性聚合物和由其組成的過電流保護組件的特性。表一顯示各實驗組(Ex.l至Ex.6)和對照組(Comp.l及Comp.2)以體積百分比顯示的配方成份，其中作為導電填料的碳黑是選用哥倫比亞化學公司(ColumbianChemicalCompany)所生產的型號RAVEN430ULTRA產品，作為導電填料的碳化鈦陶瓷粉是選用MicronMetals,Inc.所生產的型號TI-302產品；聚烯類聚合物基材的高密度聚乙烯(HDPE)選用臺塑化學公司(FormosaPlastics,Inc)所生產的型號TAISOXHDPE-8010產品，PVDF則選自ATOFINA化學公司的型號KYNAR741及KYNAR761產品。表一<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>上述的各實驗組和對照組以所示的體積百分比例加入HAAKE公司生產的雙螺桿混練機中進行混練。混練的溫度設定為215'C，預混的時間為3分鐘，而混練的時間則為15分鐘。經混練完成的導電性聚合物以熱壓機于21(TC和150kg/cn^的壓力壓成厚度約1.0至1.9毫米(mm)的薄片。此后再將所述薄片切成約20厘米x20厘米的正方形，并由熱壓機以21(TC的溫度和150kg/cn^的壓力將兩鍍鎳銅箔貼合至所述薄片的兩面，最后以沖床沖壓出如圖I所示的PTC芯片IO，其即為本發明的過電流保護組件。所述PTC芯片10包含由所述導電性聚合物所組成的正溫度系數(PTC)材料層ll及由所述鍍鎳銅箔所組成的一第一電極層12和一第二電極層13。圖2是圖1的PTC芯片10的上視圖，所述PTC芯片10的面積為8mmX10mm，即80mm2。參照圖3，將所述第一和第二電極層12、13的外表面涂上錫膏，將兩片厚度為0.5mm的銅片電極14、15分別置于第一和第二電極層12、13的外表面的錫膏上，再將此組裝的組件經300。C回焊工藝即得厚度1.9mm至2.9mm的PTC組件20。上述混合后的高分子聚合物基材(PVDF或PVDF加HDPE)的體積百分比都介于35-60%之間。導電陶瓷填料碳化鈦所占體積百分比則介于40-65%,較佳的體積百分比則介于50-60%。所述PTC組件20依不同的配方各取5個作為樣本進行下列測量(l)起始電阻Ri;(2)組件總厚度；(3)80°C、12V、30A的至觸發時間(time-to-trip);(4)25'C、12V時的維持電流；和(5)15V、35A、10次循環(on:10秒；off:60秒)的測試。表二顯示各實驗組Ex.1~6和對照組Comp.1~2的測試結果。表二<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表二中可見添加碳化鈦者，其PTC材料層的起始體積電阻值都遠小于O.lQ-cm,且其維持電流對PTC材料層面積的比率是以介于0.05和0.15A/rrn^為佳。對照組Comp.l是采用碳黑作為導電填料，其初始電阻Ri為80mQ明顯大于其它添加碳化鈦作為導電陶瓷填料的實驗組Ex.16和對照組Comp.2，且其維持電流(Ih。ld)為最低者(<4A)。顯見本發明使用碳化鈦等導電陶瓷填料可降低組件電阻且有效增加維持電流，而提升組件的散熱效果。另外，采用碳化鈦作為導電陶瓷填料時，其添加的體積百分比可超過50%甚至接近60%，例如實驗組Ex.l的59免，而仍具有良好的效果。上述實驗組Ex.l-6于自動車鎖轉子(automotivelockrotor)80°C、12V、30A的測試條件下的至觸發時間介于2.1至4.8秒之間，都符合至觸發時間大于2秒的需求，而所述兩對照組Comp.l和Comp.2的至觸發時間分別為小于1秒和1.8秒，其都小于2秒而未通過測試。實驗組Ex.5與6和比較組Comp.2的差異在于Ex.5和Ex.6的聚合物為PVDF，而Comp.2為HDPE，Ex.5和Ex.6的至觸發時間明顯較長。顯然選用PVDF可增加至觸發時間。另外，一般說來，維持電流會隨溫度增加而降低，即所謂的熱降(thermalderating)效應。因為HDPE的熔點較低約為130'C，而PVDF的熔點較高約在165'C,故使用PVDF可減緩維持電流下降的趨勢，而于80'C時仍可維持足夠的維持電流。實驗組Ex.3和4除了PVDF外，另加入體積百分比9.60免和2.25免的HDPE，雖然其至觸發時間略有下降為2.9秒及2.2秒，但仍在需求范圍內。因此本發明中PTC材料層中的含氟聚合物也可以混加其它聚乙烯(PE),只要PVDF仍具足夠的比例而主導混合后聚合物的性質，其仍可得到良好的功效。本發明的含氟結晶性聚合物是以選擇熔點大于15(TC為佳。而混合后的高分子聚合物基材的體積百分比以介于35-60%為佳。所述導電陶瓷填料所占體積百分比介于40-65%，且其體積電阻值小于500pQ-cm;本發明添加的含氟的結晶性高分子聚合物并不限定使用PVDF，其它具有類似特性且熔點高于15(TC的高分子聚合物，也為本發明所涵蓋。除了上述的材料選用外，導熱高分子聚合物也可選用聚四氟乙烯(poly(tetrafluoroethylene);PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(tetrafluoroethylene-hexafluoro-propylenecopolymer;FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ethylene-tetrafluoroethylenecopolymer;PETFE)、全氟烴氧改質四氟乙烯(perfluoroalkoxymodifiedtetrafluoroethylenes;PFA)、聚(氯三-氟四氟乙烯)(poly(chlorotri-fluorotetrafluoroethylene);PCTFE)、二氟乙烯-四氟乙烯共聚物(vinylidenefluoride-tetrafluoroethylenecopolymer;VF-2-TFE)、聚二氟乙烯(poly(vinylidenefluoride))、四氟乙烯-全氟間二氧雜環戊烯共聚物(tetrafluoroethylene-perfluorodioxolecopolymers)、二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(vinylidenefluoride-hexafluoropropylenecopolymer)、二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三聚物(vinylidenefluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethyleneterpolymer)和四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚(tetrafluoroethylene-perfluoromethylvinylether)加上固化域的單體三聚物(curesitemonomerterpolymer)等。導電陶瓷填料可選自體積電阻值小于500iiQ-cm的(1)金屬碳化物(例如實施例中的碳化鈦(TiC)、碳化鎢(WC)、碳化釩(VC)、碳化鋯(ZrC)、碳化鈮(NbC)、碳化鉭(TaC)、碳化鉬(MoC)、碳化鉿(HfC))、(2)金屬硼化物(例如硼化鈦(TiB2)、硼化釩(VB2)、硼化鋯(ZrB2)、硼化鈮(NbB2)、硼化鉬(MoB2)、硼化鉿(HfB2))或(3)金屬氮化物(例如氮化鋯(ZrN))。參照圖4，于兩電極14和15間設置兩PTC芯片10，而所述兩PTC芯片10間疊設一金屬散熱片16。因此，可進一步增加維持電流，而增加散熱效果。圖4所示僅是本發明的一個實施例，關于PTC芯片10和金屬散熱片16的數量和設計，可依需求選擇搭配而成。本發明的技術內容和技術特點已揭示如上，然而所屬領域技術人員仍可能基于本發明的教示和揭示而作種種不背離本發明精神的替換和修飾。因此，本發明的保護范圍應不限于實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明的替換和修飾，并為以下的權利要求書所涵蓋。權利要求1.一種過電流保護組件，包含二金屬箔片；以及一正溫度系數(PTC)材料層，是疊設于所述二金屬箔片之間，其包含(1)一高分子聚合物基材，其所占體積百分比介于35-60％，且包含一熔點高于150℃的含氟的結晶性高分子聚合物；及(2)一導電陶瓷填料，散布于所述高分子聚合物基材中，所述導電陶瓷填料所占體積百分比介于40-65％，且其體積電阻值小于500μΩ-cm；其中所述PTC材料層的體積電阻值小于0.1Ω-cm，且25℃時的維持電流對PTC材料層面積的比率為介于0.05至0.2A/mm2之間。2.根據權利要求l所述的過電流保護組件，其特征在于所述含氟的結晶性高分子聚合物是聚氟化亞乙烯(PVDF)或乙烯-四氟乙烯共聚物(PETFE)。3.根據權利要求l所述的過電流保護組件，其特征在于所述導電陶瓷填料是選自金屬碳化物、金屬硼化物或金屬氮化物。4.根據權利要求l所述的過電流保護組件，其特征在于所述導電陶瓷填料是選自碳化鈦、碳化鎢、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、硼化鉿或氮化鋯中的至少一者。5.根據權利要求l所述的過電流保護組件，其特征在于另包含分別連接于所述兩金屬箔片表面的兩電極。6.—種過電流保護組件，包含二PTC組件，各PTC組件等同于如權利要求1所述的過電流保護組件；一金屬散熱片，疊設于所述二PTC組件之間；以及二電極，分別連接所述二PTC組件。7.根據權利要求6所述的過電流保護組件，其特征在于所述金屬散熱片連接所述二PTC組件的第一表面，所述二電極連接所述二PTC組件的第二表面。全文摘要本發明揭示一種過電流保護組件，其包含二金屬箔片、一疊設于所述二金屬箔片間的正溫度系數(PTC)材料層。所述PTC材料層包含(1)一高分子聚合物基材，其所占體積百分比介于35-60％，且包含一熔點高于150℃的含氟的結晶性高分子聚合物(例如聚氟化亞乙烯(polyvinylidinefluoride；PVDF))；以及(2)一散布于所述高分子聚合物基材中的導電陶瓷填料(例如碳化鈦)。所述導電陶瓷填料所占體積百分比介于40-65％，且其體積電阻值小于500μΩ-cm。所述PTC材料層的體積電阻值小于0.1Ω-cm，且于25℃時的維持電流對PTC材料層面積的比率為介于0.05至0.2A/mm²之間。文檔編號H01C7/13GK101162632SQ20061014960公開日2008年4月16日申請日期2006年10月10日優先權日2006年10月10日發明者游志明,王紹裘申請人:聚鼎科技股份有限公司