低維持電流pptc過流保護器及其制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種低維持電流PPTC過流保護器，包括兩個金屬箔片及一疊設于所述兩個金屬箔片中間的PPTC導電材料層，所述兩個金屬箔片表面各焊接有一個金屬電極；所述PPTC材料層外露部分、金屬箔片外表面及金屬電極上焊接部分的表面都包覆有絕緣層。所述PPTC導電材料層按重量計，包括40～50%的結晶性聚合物，0.5～10%的界面相容劑，40～55%的導電炭黑和1～10%的耐電壓增強劑；所述PPTC導電材料層的體積電阻率小于2.0Ω.cm；PPTC過流保護器的電阻值小于1.0Ω。本發明提供的PPTC過流器件具有優良的電阻穩定性，可以滿足電阻較小、維持電流較低的電路的過流保護要求。
【專利說明】低維持電流PPTC過流保護器及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種正溫度系數(Positivetemperature coefficient, PTC)可恢復過流保護器件領域，具體是指一種小尺寸、低阻值、低維持電流、快動作的PPTC過流保護器及其制造方法。
【背景技術】
[0002]高分子PTC過流保護器件(簡稱PPTC)，是指一種利用通過熱膨脹而使導電性發生變化的導電性聚合物的電阻正溫度特性，來接通與斷開電路的元件。其中具有正溫度特性的導電材料一般由導電介質填充于結晶性的聚烯烴而制成。PPTC器件在通常狀態下電阻基本保持恒定，當電路故障引起較大電流通過PPTC器件時，根據焦耳定律，PPTC自身發熱，當PPTC產生的熱量大于散發的熱量時，PPTC溫度升高阻值也隨之上升，隨著熱量的積累，PPTC內部溫度升至臨界轉變溫度附近時，這時PPTC電阻突然增大，發生幾個數量級的轉變，從而限制電路中電流的通過，保護設備免于破壞。而當故障排除后，PPTC器件溫度下降，其電阻值重新恢復到低阻值狀態。
[0003]PPTC器件因其具有良好的自恢復特性，而廣泛應用于家電、計算機、通信、消費電子、玩具、汽車微電機等領域。隨著科技與市場的不斷發展，電子設備的功能不斷增強的同時體積越做越小，導致內部元器件密度不斷上升，這就要求PPTC過流保護元件不斷向小型化與低功耗方向發展，即在相同的工作電流下，PPTC能以更較小的尺寸和較低的電阻值來滿足電路保護的要求。目前市售的維持電流250毫安以下的PPTC阻值均在I歐姆以上，原因在于:市售PPTC基本上是使用高密度聚乙烯作為PPTC導電材料的基材，但是高密度聚乙烯的熔點一般高于130°c，致使PPTC的動作溫度較高；如果將維持電流250毫安以下的PPTC器件的阻值做到I歐姆以下，則會導致PTC器件動作較慢甚至無法動作。這顯然已不能滿足當前市場上出現的較低維持電流下更低阻值的應用領域以及PPTC元器件低功耗化的整體發展趨勢。因而需要開發一種具有較低動作溫度的PPTC過流保護器件，使其能夠在低于250毫安的較低維持電流下，具有較小尺寸兼具較低的阻值，并能夠快速動作，以適應市場的發展。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于:提供一種低維持電流的PPTC過流保護器件。
[0005]本發明的再一目的在于:提供一種低維持電流的具有小尺寸、低阻值、快動作的PPTC過流保護器件的制造方法。
[0006]本發明的技術方案為一種低維持電流PPTC過流保護器，包括兩個金屬箔片及一疊設于所述兩個金屬箔片中間的PPTC導電材料層,所述兩個金屬箔片表面各焊接有一個金屬電極，所述PPTC材料層外露部分、金屬箔片外表面及金屬電極上焊接部分表面都包覆有絕緣層；所述PPTC導電材料層按重量計，包括40?50%的結晶性聚合物，0.5?10%的界面相容劑，40?55%的導電炭黑和I?10%的耐電壓增強劑，所述PPTC導電材料層中各材料的組分之和為100% ;所述PPTC導電材料層的體積電阻率小于2.0 Ω.cm ；PPTC過流保護器的電阻值小于1.0Ω。
[0007]進一步地，所述結晶性聚合物為結晶性烯烴聚合物，熔點低于115°C。
[0008]進一步地，所述界面相容劑為極性基團接枝烯烴聚合物，熔點低于115°C。
[0009]進一步地，所述導電炭黑，平均粒徑介于20?120nm之間，吸油值介于40cm3/100g ?150cm3/100g 之間。
[0010]進一步地，所述耐電壓增強劑，為金屬氧化物或金屬氫氧化物，選自氧化鋅、氧化鎂、氧化鋁、氫氧化鎂、氫氧化鋁的一種或幾種。
[0011]進一步地，所述的結晶性烯烴聚合物選自低密度聚乙烯(LDPE)、線型低密度聚乙烯(LLDPE)、極低密度聚乙烯(VLDPE)、超低密度聚乙烯(ULDPE)及乙烯-α烯烴共聚物(POE)中的一種或幾種。
[0012]進一步地，所述極性基團接枝烯烴聚合物，為馬來酸酐接枝烯烴聚合物，選自馬來酸酐接枝低密度聚乙烯、馬來酸酐接枝線型低密度聚乙烯、馬來酸酐接枝乙烯- α烯烴共聚物中的至少一種。
[0013]進一步地，兩個金屬箔片及疊設于所述兩個金屬箔片中間的PPTC導電材料層共同構成PPTC芯片，其PPTC芯片的面積小于20mm2。
[0014]進一步地，所述金屬箔片厚度介于0.15?0.35 μ m。
[0015]進一步地，所述金屬箔片選自銅箔、鎳箔、鍍鎳銅箔中的一種。
[0016]進一步地，為改善金屬箔片與所述有機聚合物間的附著強度，所述金屬箔片的其中一面經過粗化處理。
[0017]本發明的另一種技術方案為一種低維持電流PPTC過流保護器的制造方法，包括以下步驟:
[0018]a.將所述結晶性聚合物、所述界面相容劑、所述導電炭黑和所述耐電壓增強劑按照40?50%:0.5?10%:40?55%:1?10%的重量比加入到密煉機中，在所述結晶性聚合物的熔點以上10?60°C下密煉10?20min，得到PPTC導電材料，再經開煉機拉片，熱壓機模壓，得到厚度為0.15?0.20mm的PPTC導電材料層；
[0019]b.將上述PPTC導電材料層放入模具，同時兩張金屬箔片分別放在PPTC材料層的上下表面，經熱壓機壓合，得到PPTC導電材料層與金屬箔片的復合體；
[0020]C.將所述PPTC材料與金屬箔片復合體沖切成PPTC芯片，然后對PPTC芯片退火熱處理，條件是在所述結晶性聚合物的熔點以上10?60°C放置60分鐘，然后緩慢冷卻到室溫;
[0021]d.熱處理后的所述PPTC芯片通過高能電子束或Y射線輻照進行交聯，輻照劑量為 5 到 30Mrads。
[0022]進一步地，在焊錫爐或回流焊設備中將輻照好的PPTC芯片上下表面焊接兩個金屬電極，經超聲波清洗，所述PPTC材料層外露部分、金屬箔片外表面及金屬電極上焊接部分表面都包覆有絕緣層，制成PPTC過流保護器。
[0023]進一步地，所述絕緣層材料為環氧樹脂。
[0024]進一步地，在步驟a中，所述密煉機的溫度設定高于所述的結晶聚合物的熔點10 ?60。。。[0025]進一步地，在步驟b中，所述PPTC導電材料層與金屬箔片的復合在熱壓機上進行，所述熱壓機的溫度高于所述的結晶聚合物的熔點10?60°C。
[0026]進一步地，在步驟c中，冷卻速率低于40°C /min。
[0027]進一步地，在步驟d中，所述輻照劑量為5到15Mrads。
[0028]本發明的有益效果在于:本發明的低維持電流PPTC過流保護器的PPTC芯片是本發明的PPTC導電材料層經過輻照交聯形成的。由該PPTC導電材料層制備的一種低維持電流PPTC過流保護器具有小于20mm2的芯片尺寸、低于1.0Ω的電阻值、低于250毫安的維持電流。本發明提供的PPTC過流器件具有優良的電阻穩定性，可以滿足電阻較小、維持電流較低的電路的過流保護要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明的PPTC器件芯片示意圖；
[0030]圖2為本發明的PPTC過流保護器示意圖。
[0031]附圖標記=1-PPTC導電材料層；2-金屬箔片；3_PPTC芯片；4_金屬電極；5_PPTC器件。
【具體實施方式】
[0032]為了能夠更清楚地理解本發明的技術內容，特舉以下實施例詳細說明本發明PPTC過流器件的組成成份及制作過程。
[0033]實施例1
[0034]本實施例的PPTC導電材料的成份及重量比如下:
[0035]47.8wt%的低密度聚乙烯(LDPE,燕山石化LD104,熔指1.7?2.3g/10min,密度
0.923?0.927g/cm3，熔點110°C)、2.9wt%的馬來酸酐接枝聚乙烯(Grafted-PE，寧波能之光MC509，接枝率1.0wt%，熔指1.2g/10min，熔點105°C)、43.5wt%的導電炭黑(炭黑-1:3030B，粒徑 55nm，DBP 值 130cm3/100g，三菱碳素)、2.9wt% 的氫氧化鎂(Mg (OH) 2，HT-206，粒度2 μ m，濟南泰星化工)、2.9wt%的氧化鋅(ZnO，ZHZn-O I，粒徑40nm，無錫輝澤化工)。
[0036]按照質量比稱重，依順序，將LDPE和Grafted-PE加入到設定溫度為130°C、轉速30r/min的密煉機中，密煉4分鐘至熔化，然后加入炭黑密煉8分鐘，最后加入氫氧化鎂、氧化鋅密煉5分鐘，得到具有PTC特性的PPTC導電材料。
[0037]將上述PPTC導電材料在開煉機拉片，開煉機設定溫度為95°C，制成厚度為0.15?
0.20mm，長和寬為120mm的PPTC導電材料層I ;將PPTC導電材料層I放入模具，同時在PPTC導電材料層I的上下表面放兩張厚度為35 μ m的金屬箔片2，將模具放入熱壓機中，壓機溫度設定150度，壓力設定15MPa，熱壓IOmin得到PPTC導電材料層I與金屬箔片2的復合體；對PPTC導電材料層I與金屬箔片2的復合體退火熱處理，熱處理條件為90°C /4小時，然后用高能電子束輻照交聯，劑量lOMrad。
[0038]將輻照后好的PPTC導電材料層I與金屬箔復合體板沖切成3.0X4.5mm的PPTC芯片3。
[0039]通過焊錫爐設備在PPTC芯片3上下表面焊接一對金屬電極4，經超聲波清洗，然后在PPTC芯片3和金屬電極4焊接部分外側包覆環氧樹脂絕緣層，制成PPTC過流保護器。[0040]測定其在25°C時的電阻(Rtl),測試PPTC過流保護器在25°C時的維持電流(Ih()ld)及2倍維持電流下的動作時間(Ttaip)。測試PPTC器件5在16V/5A下電流沖擊循環50次后電阻值變化率和16V電壓下耐壓I小時后的電阻值變化率。PPTC器件5的物理性能測試數據列于表2中。
[0041]實施例2
[0042]按照和實施例1中所述相同的方法制造PPTC器件5，但將導電炭黑(炭黑-1，3030B)的含量由 43.5wt% 變為 45.8wt%, LDPE (LD104)的含量由 47.8wt% 變為 45.8wt%,Grafted-PE (MC509)的含量由 2.9wt% 變為 2.8wt%,Mg (OH)2 (HT-206)的含量由 2.9wt% 變為2.8wt%，ZnO (ZHZn-Ol)的含量由2.9wt%變為2.8wt%。按照和實施例1中所述相同的方式測試PPTC器件5的物理性能，結果列于表2中。
[0043]實施例3
[0044]按照和實施例1中所述相同的方法制造PPTC過流保護器，但將導電炭黑(炭黑-1，3030B)的含量由 43.5wt% 變為 48.lwt%, LDPE (LD104)的含量由 47.8wt% 變為 44.0wt%,Grafted-PE (MC509)的含量由 2.9wt% 變為 2.8wt%,Mg (OH)2 (HT-206)的含量由 2.9wt% 變為2.6wt%，ZnO (ZHZn-Ol)的含量由2.9wt%變為2.6wt%。按照和實施例1中所述相同的方式測試PPTC器件5的物理性能，結果列于表2中。
[0045]實施例4
[0046]按照和實施例1中所述相同的方法制造PPTC過流保護器，但用48.4被％的導電炭黑(炭黑-2, Raven410,粒徑 IOlnm, DBP 值 65cm3/100g, Columbian 公司)代替實施例1 中43.5wt% 的導電炭黑(炭黑-1，3030B)，將 LDPE (LD104)的含量由 47.8wt% 變為 43.8wt%,Grafted-PE (MC509)的含量由 2.9wt% 變為 2.6wt%，Mg (OH)2 (HT-206)的含量由 2.9wt% 變為2.6wt%，ZnO (ZHZn-Ol)的含量由2.9wt%變為2.6wt%。按照和實施例1中所述相同的方式測試PPTC過流保護器的物理性能，結果列于表2中。
[0047]實施例5
[0048]按照和實施例1中所述相同的方法制造PPTC過流保護器，但用52.8wt%的導電炭黑(炭黑-2, Raven410,粒徑 IOlnm, DBP 值 65cm3/100g, Columbian 公司)代替實施例1 中43.5wt% 的導電炭黑(炭黑-1，3030B)，將 LDPE (LD104)的含量由 47.8wt% 變為 40.0wt%,Grafted-PE (MC509)的含量由 2.9wt% 變為 2.4wt%，Mg (OH)2 (HT-206)的含量由 2.9wt% 變為2.4wt%，ZnO (ZHZn-Ol)的含量由2.9wt%變為2.4wt%。按照和實施例1中所述相同的方式測試PPTC過流保護器的物理性能，結果列于表2中。
[0049]實施例6
[0050]按照和實施例1中所述相同的方法制造PPTC過流保護器，但用46.5wt%的線型低密度聚乙烯(LLDPE,瑞普曼SP1020，熔指2.0g/10min,密度0.909g/cm3,熔點111 °C )代替實施例I中47.8wt%的LDPE (LD104)，將導電炭黑(炭黑-1，3030B)的含量由43.5wt%變為45.lwt%, Grafted-PE (MC509)的含量由 2.9wt% 變為 2.8wt%, Mg(OH)2 (HT-206)的含量由2.9wt%變為2.8wt%, ZnO (ZHZn-Ol)的含量由2.9wt%變為2.8wt%。按照和實施例1中所述相同的方式測試PPTC過流保護器的物理性能，結果列于表2中。
[0051]實施例7
[0052]按照和實施例1中所述相同的方法制造PPTC過流保護器，但用44.6被％的線型低密度聚乙烯(LLDPE,瑞普曼SP1020，熔指2.0g/10min,密度0.909g/cm3,熔點111 °C )代替實施例I中47.8wt%的LDPE (LD104)，將導電炭黑(炭黑-1，3030B)的含量由43.5wt%變為47.3wt%, Grafted-PE (MC509)的含量由 2.9wt% 變為 2.7wt%, Mg(OH)2 (HT-206)的含量由2.9wt%變為2.7wt%, ZnO (ZHZn-Ol)的含量由2.9wt%變為2.7wt%。按照和實施例1中所述相同的方式測試PPTC過流保護器的物理性能，結果列于表2中。
[0053]實施例8
[0054]按照和實施例1中所述相同的方法制造PPTC過流保護器，但用46.5wt%的極低密度聚乙烯(VLDPE，埃克森美孚4027，熔指，4.0g/10min,密度0.895g/cm3,熔點103°C )代替實施例1中47.8wt%的LDPE (LD104)，將導電炭黑(炭黑_1，3030B)的含量由43.5wt%變為
45.lwt%, Grafted-PE (MC509)的含量由 2.9wt% 變為 2.8wt%, Mg(OH)2 (HT-206)的含量由2.9wt%變為2.8wt%, ZnO (ZHZn-Ol)的含量由2.9wt%變為2.8wt%。按照和實施例1中所述相同的方式測試PPTC過流保護器的物理性能，結果列于表2中。
[0055]實施例9
[0056]按照和實施例1中所述相同的方法制造PPTC過流保護器,但用42.6wt%的極低密度聚乙烯(VLDPE，埃克森美孚4027，熔指，4.0g/10min,密度0.895g/cm3,熔點103°C )代替實施例1中47.8wt%的LDPE (LD104)，用49.6wt%的導電炭黑(炭黑_2，Raven410，粒徑IOlnm,DBP值65cm3/100g, Columbian公司)代替實施例1中43.5wt%的導電炭黑(炭黑-1,3030B),并將 Grafted-PE (MC509)的含量由 2.9wt% 變為 2.6wt%, Mg(OH)2 (HT-206)的含量由2.9wt%變為2.6wt%, ZnO (ZHZn-Ol)的含量由2.9wt%變為2.6wt%。按照和實施例1中所述相同的方式測試PPTC過流保護器的物理性能，結果列于表2中。
[0057]比較例I
[0058]按照和實施例4中所述相同的方法制造PPTC過流保護器，但刪除實施例1中PPTC材料配方的馬來酸酐接枝聚乙烯組分，將LDPE (LD104)的含量由43.8wt%變為46.4wt%，其他成分及含量與實施例1相同。按照和實施例1中所述相同的方式測試PPTC過流保護器的物理性能，結果列于表2中。
[0059]比較例2
[0060]按照和實施例4中所述相同的方法制造PPTC過流保護器，但刪除實施例1中PPTC材料配方的氫氧化鎂和氧化鋅組分，同時將LDPE (LD104)的含量由43.8wt%變為46.0wt%,導電炭黑(炭黑 _2，Raven410)的含量由 48.4wt% 變為 50.7wt%, Grafted-PE (MC509)的含量由2.6wt%變為3.3wt%0按照和實施例1中所述相同的方式測試PPTC過流保護器的物理性能，結果列于表2中。
[0061]比較例3
[0062]按照和實施例1中所述相同的方法制造PPTC過流保護器，但將PPTC材料配方的組成和比例調整為:43.4wt%的高密度聚乙烯(HDPE，大林工業EHM6007，熔指0.7g/10min,密度0.964g/cm3，熔點135°C)、2.6wt%的馬來酸酐接枝聚乙烯(Grafted-PE，寧波能之光MC509)、48.8wt% 的導電炭黑(炭黑 _2，Raven410)、2.6wt% 的氫氧化鎂(Mg (OH) 2，HT-206)、
2.6wt% 的氧化鋅(ZnO，ZHZn-Ol)。
[0063]按照和實施例1中所述相同的方式測試PPTC過流保護器的物理性能，結果列于表2中。[0064]本實施例PPTC過流保護器所使用的PPTC導電組合物的成份及重量，如表一所示。
[0065]表1
【權利要求】
1.一種低維持電流PPTC過流保護器，包括兩個金屬箔片及一疊設于所述兩個金屬箔片中間的PPTC導電材料層，其特征在于:所述兩個金屬箔片表面各焊接有一個引出金屬電極，所述PPTC材料層外露部分、金屬箔外表面及金屬電極上焊接部分表面都包覆有絕緣層；所述PPTC導電材料層按重量計，包括40~50%的結晶性聚合物，0.5~10%的界面相容劑，40~55%的導電炭黑和I~10%的耐電壓增強劑，所述PPTC導電材料層中各材料的組分之和為100% ;所述PPTC導電材料層的體積電阻率小于2.0 Ω.cm ；PPTC過流保護器的電阻值小于1.0Ω。
2.根據權利要求1所述的低維持電流PPTC過流保護器，其特征在于:所述結晶性聚合物為結晶性烯烴聚合物，熔點低于115°C。
3.根據權利要求1所述的低維持電流PPTC過流保護器，其特征在于:所述界面相容劑為極性基團接枝烯烴聚合物，熔點低于115°C。
4.根據權利要求1所述的低維持電流PPTC過流保護器，其特征在于:所述導電炭黑，平均粒徑介于2(Tl20nm之間，吸油值介于40cm3/100g~150cm3/100g之間。
5.根據權利要求1所述的低維持電流PTC過流保護器，其特征在于:所述耐電壓增強齊?，為金屬氧化物或金屬氫氧化物，選自氧化鋅、氧化鎂、氧化鋁、氫氧化鎂、氫氧化鋁的一種或幾種。
6.根據權利要求2所述的低維持電流PPTC過流保護器，其特征在于:所述的結晶性烯烴聚合物選自低密度聚乙烯、線型低密度聚乙烯、極低密度聚乙烯、超低密度聚乙烯及乙烯-α烯烴共聚物中的一種或幾種。
7.根據權利要求3所述的低維持電流PPTC過流保護器，其特征在于:所述極性基團接枝烯烴聚合物，為馬來酸酐接枝烯烴聚合物，選自馬來酸酐接枝低密度聚乙烯、馬來酸酐接枝線型低密度聚乙烯、馬來酸酐接枝乙烯-α烯烴共聚物中的至少一種。
8.根據權利要求1所述的低維持電流PPTC過流保護器，其特征在于:兩個金屬箔片及疊設于所述兩個金屬箔片中間的PPTC導電材料層共同構成PPTC芯片，其PPTC芯片的面積小于20mm2。
9.一種根據權利要求1所述的低維持電流PPTC過流保護器的制造方法，其特征在于:包括以下步驟: a.將所述結晶性聚合物、所述界面相容劑、所述導電炭黑和所述耐電壓增強劑按照40~50%:0.5~10%:40~55%:1~10%的重量比加入到密煉機中，在所述結晶性聚合物的熔點以上1(T60°C下密煉l(T20min，得到PPTC導電材料，再經開煉機拉片，熱壓機模壓，得到厚度為0.15~0.20mm的PPTC導電材料層； b.將上述PPTC導電材料層放入模具，同時兩張金屬箔片分別放在PPTC材料層的上下表面，經熱壓機壓合，得到PPTC導電材料層與金屬箔片的復合體； C.將所述PPTC材料與金屬箔片復合體沖切成PPTC芯片，然后對PPTC芯片退火熱處理，條件是在所述結晶性聚合物的熔點以上10~50°C放置60分鐘，然后緩慢冷卻到室溫； d.熱處理后的所述PPTC芯片通過高能電子束或Y射線輻照進行交聯，輻照劑量為5到 30Mradso
10.根據權利要求9所述的低維持電流PPTC過流保護器的制造方法，其特征在于:在回流焊或焊錫爐設備中將輻照好的PPTC芯片上下表面焊接兩個金屬電極，經超聲波清洗，然 后在PPTC芯片上下表面和側面露出PPTC材料的部分、以及金屬電極的焊接部分表面包覆絕緣層，制成PPTC過流保護器。
【文檔編號】H01C7/13GK103762052SQ201310749761
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月30日 優先權日:2013年12月30日
【發明者】徐行濤, 李大軍, 朱建娟 申請人:深圳市慧瑞電子材料有限公司