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CN1113369C - 包含正温度系数导电聚合物元件的电路保护器件和制造该器件的方法 - Google Patents

包含正温度系数导电聚合物元件的电路保护器件和制造该器件的方法 Download PDF

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CN1113369C
CN1113369C CN95193492.9A CN95193492A CN1113369C CN 1113369 C CN1113369 C CN 1113369C CN 95193492 A CN95193492 A CN 95193492A CN 1113369 C CN1113369 C CN 1113369C
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Abstract

电器件，特别是电路保护器件，包含导电聚合物元件，该元件的边缘是在不使用任何固体物质的情况下，沿所需路径折断导电聚合物元件而形成的。所产生的导电聚合物的内聚破坏形成特殊的断裂面。一种制备这类器件的方法包括：由两层金属片电极夹住PTC导电聚合物元件形成的薄板，在电极上腐蚀出断裂沟道，然后沿断裂沟道折断该板以形成单个器件。图中示出一个由该方法制备的电路保护器件。

Description

包含正温度系数导电聚合物元件的电路保护器件 和制造该器件的方法
技术领域
本发明涉及包含导电聚合物元件的器件，特别是诸如电路保护器件的电子器件，在这类电路保护器件中两电极间电流在导电聚合物元件中流过。
背景技术
制备包含聚合物成分和其中分散有导电微粒的组合物是众所周知的。微粒的类型和密度可使组合物在普通条件下导电，例如其电阻率在23℃小于106ohm-cm，或者组合物在23℃基本上是绝缘的，例如在23℃时其电阻率至少达109ohm-cm，但它的电压和电阻率之间存在非线性关系，当被加上足够高的电压时组合物就变为导体。术语“导电聚合物”在这里用来描述所有诸如此类的组合物。当聚合物成分包含晶态聚合物时，在刚低于聚合物晶体熔点的较窄温度范围中组合物的电阻率通常会急剧增加，这种组合物称为PTC组合物，缩写“PTC”代表正温度系数。电阻率的增加幅度在许多PTC组合物的应用中很重要，常被称为组合物的“热自动补偿幅度(autothemn hetght)”。PTC导电聚合物在电路保护器件和自调节加热器件中特别有用。导电聚合物可包含一种或多种聚合物，一种或多种导电填充物，以及有选择地加热一种或多种其他成分，比如惰性填料，稳定剂和反跟踪剂。用炭黑作为导电填充物获得了特别有用的结果。
关于已知的或已提出的导电聚合物以及包含导电聚合物的器件的详细情况，可参见以下“发明详述”中的文献，这些文献在此引入作为参考。
当经过熔炼，烧结或定形的导电聚合物元件要分成小片时，过去用的方法是剪切(也称为切割)导电聚合物元件。例如，许多电路保护器件是切割包含两层金属片和夹在金属片中的PTC导电聚合物薄片的叠层板制成的。
发明内容
根据本发明，我们发现：在许多情况下，把整个导电聚合物用以下方法分割为多个单元可获得重要优点。这种分割工艺中至少有一部分的实现方法是：在导电聚合物单元中沿断裂路径不使用任何固体物的情况下，使导电聚合物单元沿所需路径折断。所产生的导电聚合物的内聚破坏所形成的表面(这里称为“断裂面”)明显区别于切割过程形成的断面，后者必然由切割物体产生导电聚合物的变形。为了控制导电聚合物元件的断裂路径，我们优选在固定于导电聚合物上的一个或多个部件和/或导电聚合物上加工一个或多个不连续处，使导电聚合物沿与不连续处相关的所需路径断裂。
本发明优选使用的是在有沟道形状的物理性不连续处的金属元件中夹一个导电聚合物元件所形成的组件。当这种组件在沟道区弯曲时，导电聚合物元件会沿在金属元件沟道间的路径断裂。但是，本发明也包括其它类型的物理性不连续处和其它种类的不连续处，这些不连续处可和机械力或其它力相互作用致使导电聚合物沿所需的路径断裂。
我们发现，本发明对于由层状组件制造器件特别有用，该层状组件包含有夹在金属片中的PTC导电聚合物薄层。我们发现此类器件，特别是当它们较小时(例如面积小于0.05inch2(32mm2))，普遍都比由传统切割工艺制造的同类器件具有稍高的电阻率和高出很多的自动热补偿幅度。本发明对于制造在国际申请No.PCT/US94/10137(Publication No.WO 95/08176)中描述的器件特别有用。
在一个优选的方面，本发明提供了一种电路保护器件，包括：
(1)一种薄层导电聚合物元件，该元件
    (a)包含一种正温度系数导电聚合物组合物，该组合物包含(i)一种聚合物成分，和(ii)分散在所述聚合物中的导电微粒，其数量可以使所述组合物在23℃电阻率小于106ohm-cm，和
    (b)具有一个第一主表面，一个平行于所述第一主表面的第二主表面，以及至少一个连接至所述第一和第二主表面的横断面，而且该横断面主要由一个断裂面组成；
(2)一个第一薄层金属薄片电极，它具有(i)和所述导电聚合物元件的第一主表面接触的内表面和(ii)一个外表面；
(3)一个第二薄层金属薄片电极，它具有(i)和所述导电聚合物元件的第二主表面接触的内表面和(ii)一个外表面。
在另一个优选的方面，本发明提供了一种电路保护器件的制作方法，该方法包括：
(1)制造一种组件，该组件包含
    (a)一种元件，该元件包含一种薄层导电聚合物元件，该元件(i)包含一种正温度系数导电聚合物组合物，该组合物包括一种聚合物成分和分散于所述聚合物成分中的导电微粒，其数量可以使组合物在23℃时电阻率小于106ohm-cm，和(ii)具有一个第一主表面和一个平行于所述第一主表面的第二主表面；
    (b)多个上层薄层导电元件，每一个元件具有(a)与所述导电聚合物元件的所述第一主表面接触的内表面，和(b)一个外表面，所述上层导电元件和所述导电聚合物元件的中间部分限定多个上层断裂沟道；以及
    (c)多个下层薄层导电元件，每一个元件具有(a)与所述导电聚合物元件的所述第二主表面接触的内表面，和(b)一个外表面，所述下层导电元件和所述导电聚合物元件的中间部分限定多个下层断裂沟道；和
(2)通过一种处理将所述组件分离成两个或多个部分，该处理包括在所述组件上施加机械力，使所述导电聚合物元件沿多个路径断裂，每一个路径位于所述上层断裂沟道之一和所述下层断裂沟道之一之间。
以下是发明简述，将参照PTC电路保护器件，该器件包含PTC薄层元件，该元件包含导电聚合物和两个直接固定于PTC元件上的薄层电极；同时也参照该器件的制造方法，其中具有表面不连续处的薄层元件受机械力作用而弯曲，从而使导电聚合物内聚破坏。但是应该知道，在条件许可的情况下，这些说明可用于其它包含导电聚合物元件的电子器件和其它方法。
本发明有许多有用的特殊性质，正如下面描述和权利要求的，和附图表示的，以及在此引入作为参考的文献中进一步描述和图示的。当这样一个性质在一个特定范围或作为一个特定组合中的一部分中被公开，它也能用于其它范围和其它组合，例如包括两个或多个这类性质的其他组合。
任何导电聚合物都能用于本发明，只要由它制成的元件可以被施加机械力或其它力，使元件经历内聚破坏而产生断裂面。导电聚合物越脆，结果越容易得到。我们使用炭黑含量高的导电聚合物，例如炭黑的重量比至少为40％，获得了优异的结果。当导电聚合物不易折断时，可用各种临时方法来帮助获得所需的结果。例如，可重定组份，使组合物包含一些可使之变脆的成分，或者用别的方法使组合物定形成元件。温度越低，导电聚合物越脆，一些情况下有意在折断聚合物元件之前冷却元件至低于环境温度，例如把它通过液氮。如组合物中的聚合物成分基本上由一种或多种晶态聚合物组成，那么该组合物通常不难在基本低于晶体熔点的温度下被折断。如果聚合物成分包含大量的非晶聚合物或由非晶聚合物组成，元件优选地在低于非晶聚合物的璃态转变点的温度下被折断。聚合物的交联会使它多少有些变脆这取决于聚合物成分的性质，交联方法的类型以及交联程度。聚合物中炭黑或其它导电填充物的量必须达到一定程度，以使组合物的电阻率达到特定器件的要求。通常，对于电路保护电路器件，电阻率应尽量低，例如低于10ohm-cm，优选地低于5ohm-cm，特别情况下低于2ohm-cm，而对于加热器件电阻率应更大，如102-108，优选地103-106ohm-cm。
适用的导电聚合物组合物在下列专利中公开：U.S.Patent Nos.4,237,441(Van Konynenburg等)，4,388,607(Toy等)，4,470,898(Penneck等)，4,534,889(Horsma，等)，4,545,926(Fouts等)，4,560,498(Horsma等)，4,591,700(Sopory)，4,724,417(Au等)，4,774,024(Deep等)，4,775,778(VanKonynenburg等)，4,859,836(Lunk等)，4,934,156(Van Konynenburg等)，5,049,850(Evans等)，5,178,797(Evans等)，5,250,226(Oswal等)，5,250,228(Baigrie等)，和5,378,407(Chandler等)。
导电聚合物的优选形状为薄层元件，有两互相平行的主表面，其上优选有金属元件。多数情况下，金属元件是金属薄片。特别适合的金属薄片在U.S.Patents Nos.4,689,475(Matthiesen)和4,800,253(Kleiner等)中公开。导电聚合物薄层元件可以是能被折断的任意厚度，但是优选的厚度小于0.25inch(6.35mm)，特别的小于0.1inch(2.5mm)，极特殊的小于0.05inch(1.25mm)。
本发明组件上的不连续处优选地在固定于导电聚合物元件主表面上的元件上，这样，在由组件制备的器件中，导电聚合物元件的横断面基本上由断裂面组成。优选地，不连续处是腐蚀金属元件产生的连续沟道，使金属元件被分割为不同的部分，在沟道底部有导电聚合物露出来。但是，本发明包括使用以下不连续处：完全在导电聚合物里面或表面上形成的不连续处，或从固定于导电聚合物上的元件扩展至导电聚合物所形成的不连续处，例如沟道穿过金属元件并部分进入它所附着的导电聚合物，在这种情况下，横断面将是部分切割和部分断裂的。
当导电聚合物只有一个主表面上固定有金属元件时，不连续处只需位于组件的一侧。当两个主表面上都固定有金属元件时，每个金属元件上都需要有不连续处，其位置使导电聚合物沿不连续处之间的路径断裂。不连续处可以直接相时，这样断裂横断面与主表面成直角。不连续点也可有偏移，这时断裂横断面与一个主表面成角小于90°，例如30°到90°之间，优选角度为45°到90°之间，特别的是60°到90°之间，而与另一主表面成大于90°的补角，例如90°到150°。路径长度的增加会影响器件的电学性质。
本发明能用于制备各种各样的器件，但对制备小型器件特别有效，因为小型器件中导电聚合物的边缘性质比在大型器件中起更重要的作用。本发明对制造电路保护器件尤其有用，例如在下列专利中公开的器件：U.S.Patent Nos.4,238,812(Middeman等)，4,255,798(Simon)，4,272,471(Walker)，4,315,237(Middleman等)，4,317,027(Middleman等)，4,329,726(Middleman等)，4,330,703(Horsma等)，4,426,633(Taylor)，4,475,138(Middleman等)，4,472,417(Au等)，4,689,475(Matthiesen)，4,780,598(Fshey等)，4,800,253(Kleiner，等)4,845,838(Jacobs等)，4,857,880(Au等)，4,907,340(Fang等)，4,924,074(Fang等)，4,967,176(Horsma等)，5,064,997(Fang等)，5,089,688(Fang等)，5,089,801(Chan等)，5,148,005(Fang等)5,166,658(Fang等)，和国际申请Nos.PCT/US93/06480和PCT/US94/10137(Pablication Nos.94/101876和94/08176)。
其它可制造的器件是加热器，特别是片状加热器，包括两类加热器，一类其中电流垂直于导电聚合物元件平面流动，另一类其中电流在导电聚合物元件平面之中流动。加热器的实例可见于美国专利Nos.4,761,541(Batliwalla等)，和4,882,466(Friel)。
本发明器件内的导电聚合物元件可有一个弯曲的横断面，比如器件是圆形或椭圆形的，或者有一组横断面，比如器件是三角形、正方形、矩形、平行四边形、梯形、六边形、或“T”形的，所有这些形状的优点是：可通过适当的不连续处图案来产生这些形状而不会浪费材料。圆形和椭圆形通过本发明也能获得，但断裂工艺后的剩余物通常是无用的。
当导电聚合物元件在元件平面内不同方向上有不同的电学性质时，就可以通过相对于电学性质不同的方向改变不连续处的定位来获得性质差异很大的器件。
附图说明
本发明由附图说明，其中为清楚起见孔径和沟道尺寸以及元件厚度有所放大。
图1是一个示意平面图；
图2和图3是相互成直角的部分剖面的示意图，示出能够通过本发明的方法转换成本发明的器件的本发明的组件；
图4至6是局部剖面示意图，示出处于用于生产器件的工艺的顺序的阶段的组件，其中边缘是断裂的而非剪切的；
图7至10是本发明的器件的剖面示意图；
图11至13是本发明的组件的平面示意图，示出可用于制造具有不同形状的器件的不同图案的断裂沟道。
具体实施方式
图1-3显示一个准备沿间断线分割成一组器件的组件。组件包括片状PTC元件7，该元件包含PTC导电聚合物，且其第一主表面上附有上层金属片元件组30，第二主表面上附有下层金属片元件组50。上层元件被沿某一方向的上层断裂沟道301和与之垂直的上层断裂沟道302相应分开。下层元件被沿某一方向的下层断裂沟道501和与之垂直的下层断裂沟道502相互分开。
图4至图6是叠层板的部分示意剖面图，该叠层板被制成一个组件，该组件可沿间断线及与之垂直的线(图中未标出)折断以分成一组本发明的单个器件。
图4显示的组件包括含有PTC导电聚合物的片状PTC元件7，元件7的第一主表面上附有上层金属片元件30，第二主表面上附有下层金属片元件50。一组规则排列的圆孔穿过组件。一层电镀金属在圆孔表面形成交差横跨导体1，以及在元件30和50外表面上形成金属层2。金属片元件由如图1-3所示的窄断裂沟道301，302，501，502(图中只标出了沟道302和502)，以及平行于沟道302和502的较宽沟道306和506相互分开。图5显示图4中的组件在通过光刻胶工艺，形成(a)一组平行的隔离单元8，单元8填充了沟道306和506，并掩盖了相邻元件30和50外表面的一部分，和(b)一组平行的掩膜单元9，单元9填充了断裂沟道，并使相邻的隔离和掩膜单元及PTC元件7决定了一组接触区域之后的情形。图6显示图5中的组件经电镀焊料后，在接触区域上形成焊料层61和62，也在交叉导体上和没有填充掩膜单元的沟道中形成焊料层之后的情形。可以看出，接触区域的安排可使得在分离组件制备单个器件时，焊料层只覆盖在交叉导体的附近，这样如果在安装器件时，有任何焊料从器件顶部流向底部，它也不会接触到第二个电极的焊料层。
图7显示沿断裂沟道折断图1-3所示组件而获得的器件，该器件有4个横断面71(其中两个在图7中标出)，每个横断面都是断裂面。
图8显示一个与图7相似的器件，只是其中每个横断面72和一个主表面形成的角度小于90°而与另一个主表面形成的角度大于90°。这种器件可由图1-7中的组件使其上层和下层断裂沟道相互错开而制得。
图9显示类似于图8中的器件，只是PTC导电聚合物薄层单元有三层，外层76由具有某一电阻率的PTC导电聚合物组成，而中间层77则由具有更高电阻率的PTC导电聚合物组成。
图10显示沿断裂沟道折断图6所示组件而获得的器件。图10中的器件包含薄层PTC元件17，元件17含有附有第一金属片电极13的第一主表面，附有第二金属片电极5的第二主表面，以及四个横向断裂面71(图10中只标出其中两个)。PTC元件第二主表面上还粘有附加金属片导电元件49，该元件49与电极15之间没有电学连接。横交叉导体51位于由第一电极13，PTC元件17和附加单元49所决定的小孔中。交叉导体是通过电镀工艺形成的空管，电镀过程中暴露在外的电极13、电极15和附加单元49的表面上分别形成电镀层52、53和54。另外，焊料层64、65、66和67分别位于(a)交叉导体51区域中的第一电极13上，(b)附加单元49上，(c)第二电极15上，和(d)交叉导体51上。
图11-13分别显示可用于制造六角形，平行四边形和T形器件的断裂沟道图案。
实施例
导电聚合物组合物由以下布置制得：预混和重量比例为48.6％的高密度聚乙烯(PetrotheneTM LB 832，USI提供)和重量比例为51.4％的炭黑(RavenTM4.30，Columbiar Chemicals提供)，将混合物用BarburyTM混合器混合，然后把合成物压制成小丸，再用3.8cm(1.5inch)挤压机把小丸压制成厚度为0.25mm(0.010inch)的薄片。压制成的薄片被切成0.31×0.41m(12×16inch)的小片，每一片夹在两块厚为0.025mm(0.001inch)的电镀镍金属片(Fukuda提供)中。整块板在加热和压力下形成厚度大约为0.25mm(0.010inch)的薄板。薄板被10Mrad辐射，然后通过下列过程制成大量器件。
直径0.25mm(0.010inch)的孔按规则排列在薄板上钻通，每一个器件有一个孔。将孔清洁干净，然后处理薄板，使金属片和孔的暴露表面上先化学镀铜，然后电解镀厚度大约为0.076mm(0.003inch)的铜。
将镀铜后的薄板清洁干净后，在电镀金属层上用光刻胶产生掩膜，不覆盖的部分是：器件中附加导电单元和第二电极之间的间隙所对应的平行条，以及对应于所制备器件边缘的宽约为0.004inch(0.1mm)的条形暴露的条形被腐蚀去除其中的电镀金属层，然后去掉掩膜。这样腐蚀步骤在金属层中在附加导电单元与第二电极之间形成沟道，并形成上层以及下层断裂沟道。
将腐蚀过的电镀板清洁干净后，板的一面被网板印刷上掩膜材料，并进行固化(tack-cured)，然后板的另一面也被网板印刷上掩膜材料，并进行粘性固化。网板印刷的掩膜材料接近所需的最终图案，但尺寸稍大。最终图案由以下过程获得：通过掩膜精确地使掩膜材料上所需部分被先固化(photo-curing)，然后除掉没有完全固化的掩膜材料。板的每个面上完全固化的材料覆盖着：(a)每个器件中对应于第一电极的区域，包含交叉导体的条形除外，(b)腐蚀后的条形，(c)第二电极对应的区域，交叉导体远端的条形除外，以及(d)附加导电单元对应的区域，邻近交叉导体的条形除外。
通过网板印刷油墨，并随后固化油墨，可在第一电板对应的区域上(提供安装器件的上表面)对掩膜材料做上标记(例如用电学参数和/或许多数字)。
板上没有覆盖掩膜材料的区域再电镀上锡/铅(63/37)焊料，厚度大约为0.025mm(0.001inch)。
在加上掩膜材料和焊料后，板子通过以下方法分离成单个器件：把板子夹在两片硅橡胶之间，把所得到的组合物放在桌面上，然后用滚子在组合物上沿与一组断裂沟道对应的方向滚压，再沿与第一次方向垂直的方向滚压。把组合物的另一面冲上放于桌面上，重复上述过程。当组合物打开时，大多数器件已完全与它们相邻的器件分离，少量未完全分离的器件可用于轻易分开。

Claims (8)

1.一种电路保护器件，包括：
(1)一种薄层导电聚合物元件，该元件
    (a)包含一种正温度系数导电聚合物组合物，该组合物包含(i)一种聚合物成分，和(ii)分散在所述聚合物中的导电微粒，其数量可以使所述组合物在23℃电阻率小于106ohm-cm，和
    (b)具有一个第一主表面，一个平行于所述第一主表面的第二主表面，以及至少一个连接至所述第一和第二主表面的横断面，而且该横断面主要由一个断裂面组成；
(2)一个第一薄层金属薄片电极，它具有(i)和所述导电聚合物元件的第一主表面接触的内表面和(ii)一个外表面；
(3)一个第二薄层金属薄片电极，它具有(i)和所述导电聚合物元件的第二主表面接触的内表面和(ii)一个外表面。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述导电聚合物元件的边缘由多于一个的横断面组成，每一个横断面介于所述第一和第二主表面之间并且主要由一个断裂面组成。
3.根据权利要求2所述的器件，其特征在于，所述边缘由四个基本平直的横断面组成，每一个横断面都与所述主表面成45°至135°角。
4.根据权利要求2所述的器件，其特征在于，所述边缘由四个基本平直的横断面组成，每一个横断面都与所述主表面基本上成90°角。
5.根据权利要求1至4的其中任一权利要求所述的器件，其特征在于，所述导电聚合物元件由PTC导电聚合物单层组成，该PTC导电聚合物在23℃电阻率小于10ohm-cm。
6.根据权利要求1至4的其中任一权利要求所述的器件，其特征在于，进一步包括：
(4)一个附加金属薄片导电元件，该元件
    (a)具有(i)与所述PTC元件的第二主表面接触的内表面，和(ii)一个外表面，以及
    (b)与所述第二电极分离放置；所述PTC元件、所述第一电极和所述附加导电元件限定一个介于所述第一电极和所述附加导电元件之间的、并穿过所述PTC元件的孔；
(5)一个交叉导体，该交叉导体
    (a)由金属组成，
    (b)位于所述孔中，以及
    (c)机械地和电气地与所述第一电极和所述附加导电元件连接。
7.根据权利要求6所述的器件，其特征在于，进一步包括：
(6)一个固定于所述附加导电元件的所述外表面的第一层焊料；
(7)一个固定于所述第二电极的所述外表面的第二层焊料；
(8)一个分离元件，该元件
    (a)包含固态不导电物质，
    (b)位于所述第一和第二层焊料之间，以及
    (c)在所述焊料层已熔化的温度下仍保持固态；
(9)一个固定于所述交叉导体外围的第一电极外表面上的第三层焊料；以及
(10)一个掩膜元件，该元件
    (a)由固态物质组成，并且
    (b)固定于第三层焊料附近的第一电极外表面上。
8.一种根据权利要求1至7的其中任一权利要求所述的电路保护器件的制作方法，该方法包括：
(1)制造一种组件，该组件包含
    (a)一种元件，该元件包含一种薄层导电聚合物元件，该元件(i)包含一种正温度系数导电聚合物组合物，该组合物包括一种聚合物成分和分散于所述聚合物成分中的导电微粒，其数量可以使组合物在23℃时电阻率小于106ohm-cm，和(ii)具有一个第一主表面和一个平行于所述第一主表面的第二主表面；
    (b)多个上层薄层导电元件，每一个元件具有(a)与所述导电聚合物元件的所述第一主表面接触的内表面，和(b)一个外表面，所述上层导电元件和所述导电聚合物元件的中间部分限定多个上层断裂沟道；以及
    (c)多个下层薄层导电元件，每一个元件具有(a)与所述导电聚合物元件的所述第二主表面接触的内表面，和(b)一个外表面，所述下层导电元件和所述导电聚合物元件的中间部分限定多个下层断裂沟道；和
(2)通过一种处理将所述组件分离成两个或多个部分，该处理包括在所述组件上施加机械力，使所述导电聚合物元件沿多个路径断裂，每一个路径位于所述上层断裂沟道之一和所述下层断裂沟道之一之间。
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