TW201407645A

TW201407645A - 過電流保護元件

Info

Publication number: TW201407645A
Application number: TW101143370A
Authority: TW
Inventors: Chun-Teng Tseng; David Shau-Chew Wang
Original assignee: Polytronics Technology Corp
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-02-16
Also published as: US20140049357A1; CN103594213A; TWI449060B; US9007166B2; CN103594213B

Abstract

一種過電流保護元件包括：PTC材料層、第一電極層及第二電極層。PTC材料層具有第一表面、第二表面、第一端面及第二端面。第二表面係位於該第一表面相對側，第二端面係位於第一端面之相對側。第一電極層物理接觸該PTC材料層之第一表面，並延伸至該第一端面。第二電極層物理接觸該PTC材料層之第一表面，並延伸該第二端面，且與該第一電極層間以第一間隔形成電氣隔離。該第一電極層和第二電極層形成實質上對稱之結構，且分別作為應用時電流流入過電流保護元件和流出過電流保護元件的界面。

Description

過電流保護元件

本發明係關於一種熱敏電阻，特別是關於一種過電流保護元件。

過電流保護元件被用於保護電路，使其免於因過熱或流經過量電流而損壞。過電流保護元件通常包含兩電極及位在兩電極間之電阻材料。此電阻材料具正溫度係數(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性，亦即在室溫時具低電阻值，而當溫度上升至一臨界溫度或電路上有過量電流產生時，其電阻值可立刻跳升數千倍以上，藉此抑制過量電流通過，以達到電路保護之目的。當溫度降回室溫後或電路上不再有過電流的狀況時，過電流保護元件可回復至低電阻狀態，而使電路重新正常操作。此種可重複使用的優點，使PTC過電流保護元件取代保險絲，而被更廣泛運用在高密度電子電路上。

未來的電子產品，將朝著具有輕、薄、短、小的趨勢發展，以使得電子產品能更趨於迷你化。例如以手機而言，過電流保護元件係設置於保護電路模組(Protective Circuit Module；PCM)上，其外接電極片將佔據一定的空間，因此薄型化之過電流保護元件有其強烈需求。在表面黏著元件(Surface mountable device；SMD)的過電流保護應用上，如何降低保護元件厚度，實為當今技術上的一大挑戰。

舉例而言，依照SMD0201的規格要求，長度為0.6±0.03mm，寬度為0.3±0.03mm，厚度為0.25±0.03mm。製作時長、寬尺寸較無問題，但厚度要求則不易達到。目前壓板線碳黑板材可壓至最薄為0.20mm，但在陶瓷粉板材則最薄為0.2~0.23mm，若仍採用含預浸玻纖材料(prepreg；PP層)及內、外層銅線路的設計(參我國專利公告號第415624號)，不僅厚度不符合要求，如果厚度接近或甚至大於寬度，後續生產包裝及客戶使用時，將出現因厚度過厚造成元件翻轉問題。另外，現有SMD產品的設計因包含雙層PP結構，且分為內層線路及外層線路(參美國專利US6,377,467)，在製作小尺寸產品時，易有內、外層線路對位不準確問題，生產良率將一併受到影響。

美國專利US8,044,763教導如何使用低電阻導電材料(如：金屬粉末或金屬碳化物)製備SMD元件，以突破碳黑導電填料的限制，並將元件之單位面積維持電流值(維持電流係不觸發下能承受的最大電流值)突破0.16A/mm²，甚至大幅提高至最高可達1A/mm²。但因行動裝置的突飛猛進，除了體積要求更輕更小，功能卻是要求越來越大，操作時所需的電流也越來越大。因此在PTC過電流保護的技術層面上，1A/mm²的極限值已經不能滿足新技術的需求。PTC裝置必須在技術上要更上一層樓，使元件擁有更高單位面積的維持電流，才能做出更小面積更大電流的元件。

因此，如何在元件逐漸小型化的情況下仍能製作出大電流的元件，同時兼顧元件結構之簡化以利減少製造工序及降低製作成本，實為產業界之一大挑戰。

本發明係關於一種過電流保護元件，其可符合薄型化之需求。另外，按本發明的設計，特別適用於小型過電流保護元件，而仍得以提供較大之單位面積維持電流。

根據本發明之一種過電流保護元件，其包括：PTC材料層、第一電極層及第二電極層。PTC材料層具有第一表面、第二表面、第一端面及第二端面。第二表面係位於該第一表面相對側，第二端面係位於第一端面之相對側。第一電極層物理接觸該PTC材料層之第一表面，並延伸至該第一端面。第二電極層物理接觸該PTC材料層之第一表面，並延伸該第二端面，且與該第一電極層間以第一間隔形成電氣隔離。該第一電極層和第二電極層形成實質上左右對稱之結構，且分別作為應用時電流流入過電流保護元件和流出過電流保護元件的界面。

一實施例中，過電流保護元件另包含第三電極層，其係形成於PTC材料層之第二表面。第三電極層於垂直方向上和第一電極層及第二電極層有重疊部分，藉此過電流保護元件可形成包含二PTC熱敏電阻之等效電路。

本發明可直接以PTC基板作設計，較佳地不需增加PP絕緣層及外層電極層，僅將其中一邊的電極面蝕刻隔離線，區分成左右電極即可。

一實施例中，電極層包含銅層，另外可將不需鍍錫部分以防焊層覆蓋，之後於未覆蓋部份鍍錫作為迴焊接合之界面。故本發明之設計的元件厚度除PTC材料層本身之厚度外，僅會增加鍍銅、鍍錫及防焊層厚度。因此，本發明之設計無需經過壓合製程且無內、外層線路之分，故無內、外層電極的對位問題，可提升生產良率。

一實施例中，過電流保護元件之單位PTC面積之維持電流值可大於1A/mm²，甚至可達約6.5A/mm²，而符合應用上大電流的需求。

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：圖1係本發明第一實施例之過電流保護元件之側面結構示意圖。過電流保護元件10包含一PTC材料層11，其具有第一表面111、第二表面112、第一端面113及第二端面114。第二表面112係位於該第一表面111相對側；第二端面114係位於第一端面113之相對側。第一電極層12物理接觸該PTC材料層11之第一表面111，並延伸至該第一端面113。第二電極層13物理接觸該PTC材料層11之第一表面111，並延伸該第二端面114，且與該第一電極層12間以第一間隔15形成電氣隔離。第三電極層14物理接觸第二表面112，且自第一端面113延伸至第二端面114。一實施例中，第一間隔15中係填入防焊層16，而第三電極層14表面亦覆蓋防焊層17，以避免元件短路。第一電極層12和第二電極層13約等長，且相較於第一間隔15形成實質上左右對稱結構。當過電流保護元件10通電應用時，第一電極層12和第二電極層13分別作為電流流入過電流保護元件10和流出過電流保護元件10的界面，且第一電極層12和第二電極層13可利用例如迴焊方式固定於保護電路模組(Protection Circuit Module；PCM)的表面。

PTC材料層11中含有結晶性高分子聚合物及體積電阻率小於500μΩ-cm之導電填料。PTC材料層11之體積電阻值小於0.2Ω-cm。適用之結晶性高分子聚合物材料包括：聚乙烯、聚丙烯、聚氟烯、前述之混合物及共聚合物等。導電填料可為金屬粒子、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬氮化物等。例如：導電填料中之金屬粉末可選自鎳、鈷、銅、鐵、錫、鉛、銀、金、鉑或其他金屬及其合金。導電填料中之導電陶瓷粉末可選自金屬碳化物，例如：碳化鈦(TiC)、碳化鵭(WC)、碳化釩(VC)、碳化鋯(ZrC)、碳化鈮(NbC)、碳化鉭(TaC)、碳化鉬(MoC)及碳化鉿(HfC)；或選自金屬硼化物，例如：硼化鈦(TiB₂)、硼化釩(VB₂)、硼化鋯(ZrB₂)、硼化鈮(NbB₂)、硼化鉬(MoB₂)及硼化鉿(HfB₂)；或選自金屬氮化物，例如：氮化鋯(ZrN)。申言之，本發明之導電填料可選自前述金屬或導電陶瓷之混合物、合金、硬質合金、固溶體(solid solution)或核殼體(core-shell)。

如表一所示之實施例，包含導電金屬及/或導電陶瓷之導電填料佔PTC材料層11組成成份之重量百分比介於70~96%之間，或較佳地介於75~95%之間。若導電填料中大部分為比重較重之碳化鎢，則整體導電填料佔PTC材料層組成成份之重量百分比介於85~95%之間。

表一之HDPE1係使用台灣塑膠TAISOX HDPE/9001高密度結晶性聚乙烯(密度：0.951g/cm³，熔點：130℃)，HDPE2係使用台灣塑膠TAISOX HDPE/8010高密度結晶性聚乙烯(密度：0.956g/cm³，熔點：134℃)；鎳粉係使用AEE(Atlantic Equipment Engineers)NI-102，3μm大小之片狀鎳粉(nickel flake)，其體積電阻值係介於6至15μΩ-cm；碳化鎢(WC)係使用AEE(Atlantic Equipment Engineers)WP-301導電填料，其體積電阻值約80μΩ-cm，粒徑約1-5μm；碳化鈦(TiC)係使用AEE(Atlantic Equipment Engineers)TI-301導電填料，其體積電阻值係介於180至250μΩ-cm，粒徑約1-5μm。較佳地，導電填料的粒徑大小介於0.01μm至30μm之間，尤以0.1μm至10μm為佳；而粒徑之主要縱橫比(aspect ratio)小於500，或特別是小於300。

第一電極層12和第二電極層13可由一平面金屬薄膜，經一般蝕刻方式(如Laser Trimming，化學蝕刻或機械方式)產生間隔15。上述第一電極層12和第二電極層13之材料可為鎳、銅、鋅、銀、金、及前述金屬所組成之合金或多層材料。此外，所述間隔15可為長方型、半圓形、三角形或不規則之形狀及圖案。

再者，按電流會朝電阻較小之路徑流動，故本實施例中電流流經路徑的順序依序為：第一電極層12、PTC材料層11、第三電極層14、PTC材料層11及第二電極層13。就電路結構而言，本實施例之過電流保護元件10之等效電路(equivalent circuit)相當於包含二個串聯之PTC熱敏電阻。

圖2係本發明第二實施例之過電流保護元件20之側面結構示意圖。本實施例類似圖1所示之結構，不同之處在於本實施例特定第一電極層12係包含銅層121及錫層122之複合材料，且第二電極層13係包含銅層131及錫層132之複合材料，以更加便於應用於表面黏著之迴焊製程。本實施例中，銅層121之長度大於錫層122之長度，而銅層 131之長度大於錫層132之長度。不過實務上銅層和錫層亦可等長。就電路結構而言，本實施例之過電流保護元件20之等效電路相當於包含二個串聯之PTC熱敏電阻。

圖3係本發明第三實施例之過電流保護元件30之側面結構示意圖。本實施例類似圖2所示之結構，不同之處在於本實施例之第三電極層14並非自第一端面113延伸至第二端面114，且未延伸之部分係以防焊層17填入覆蓋。必須注意的是，第三電極層14長度不能太小，必須和第一電極層12和第二電極層13於垂直方向有重疊之處，以提供電流導通路徑。該重疊部分的面積佔第三電極層14面積的比例介於50~90%。就電路結構而言，本實施例之過電流保護元件30之等效電路相當於包含二個串聯之PTC熱敏電阻。

圖4係本發明第四實施例之過電流保護元件40之側面結構示意圖。本實施例類似圖2所示之結構，不同之處在於本實施例省略圖2之第三電極層14，而將絕緣層42直接形成於PTC材料層11的第二表面112。該絕緣層42可為防焊層。或，另一實施例中絕緣層42可包含玻纖材料，例如使用prepreg製作，從而提供元件較佳的結構強度，以避免製作時造成元件的扭曲變形。本實施例之電流路徑將由第一電極層12經PTC材料層11流向第二電極層13。就電路結構而言，本實施例之過電流保護元件40之等效電路相當於包含一個PTC熱敏電阻。

圖5係本發明第五實施例之過電流保護元件50之側面結構示意圖。本實施例類似圖4所示之結構，不同之處在於另包含第三電極層14和第四電極層18。第三電極層14物理接觸該PTC材料層11之第二表面112，並延伸至該第一端面113。第四電極層18物理接觸該PTC材料層11之第二表面112，並延伸至該第二端面114，且與該第三電極層14間以第二間隔19形成電氣隔離。一實施例中，第二間隔19中可填入防焊層17。另外，本實施例中該防焊層17亦可利用包含玻纖材料之絕緣層替代。因為第三電極層14和第四電極層18間形成斷路，又因第三電極層14並未接電源，故電流不會從第一電極層12流向第三電極層14，而將流向連接電源之第二電極層13。因此，本實施例之電流路徑將類似於圖4所示者。本實施例之過電流保護元件50為上下左右均對稱之結構，所以使用時不需考慮方向性問題。就電路結構而言，本實施例之過電流保護元件50之等效電路相當於包含一個PTC熱敏電阻。

圖6係本發明第六實施例之過電流保護元件60 之側面結構示意圖。本實施例類似圖5所示之結構，不同之處在於另包含第一導通件21和第二導通件22。第一電極層12及第三電極層14係利用第一導通件21進行電氣連接，第二電極層13及第四電極層18則利用第二導通件22進行電氣連接。另外，本實施例中該防焊層17亦可利用包含玻纖材料之絕緣層替代。相較於圖5所示之元件50，本實施例之元件60中之電流相當於由第一和第三電極層12和14流向第二和第四電極層13和18，相當於增加了電極面積，而允許較大電流通過。該第一導通件21和第二導通件22可使用圓形導通孔、半圓形導通孔、1/4圓形導通孔、導電側平面或其他本領域技術人式所已知各種導通方式。

本發明可直接以PTC基板作設計，不需增加PP層及外層電極層，僅將其中一邊的電極面蝕刻隔離線，區分成左右電極即可。舉例而言，本發明之過電流保護元件的厚度可控制於小於等於0.28mm，或特別地小於等於0.26mm、0.24mm、0.22mm或0.20mm，而符合SMD0201規格的要求。藉由本發明之薄型化設計，可有效降低過電流保護元件的厚度，方便其於各式各樣小型化電子產品之應用。惟，本發明並不限制於過電流保護元件的規格(例如為0201)，因為本發明之過電流保護元件結構簡單，亦可應用於其他較大的規格尺寸的過電流保護元件，例如1210、1206、0805、0603、0402等規格。

以上實施例可作為SMD型式元件之應用。此外，前述過電流保護元件亦可連接外電極，延伸應用於軸型(axial type)或插件式(radial-leaded type)過電流保護元件。

圖7係本發明第七實施例之過電流保護元件70之示意圖。過電流保護元件70類似於將圖1之過電流保護元件10上下翻轉後連接外電極71和72。詳言之，外電極71連接第一電極層12，而外電極72連接第二電極層13。其中外電極71和第二外電極72彼此平行且朝相同方向延伸，構成插件式過電流保護元件70。

圖8係本發明第八實施例之過電流保護元件80之示意圖。類似於圖7，不同處在於外電極之延伸方向不同。詳言之，外電極81連接第一電極層12，而外電極82連接第二電極層13。其中外電極81和第二外電極82彼此平行且朝相反方向延伸，構成軸型(axial-type)過電流保護元件80。

圖9係本發明第九實施例之過電流保護元件90之示意圖。類似於圖8，不同處在於外電極之延伸方向不同。詳言之，外電極91連接第一電極層12，而外電極92連接第二電極層13。其中外電極91和第二外電極92在同一軸線上朝相反方向延伸，構成軸型過電流保護元件90。

前述連接外電極之實施例並不限定於使用過電流保護元件10，其他元件20、30、40、50或60亦可利用相同或類似方式連接外電極，作為不同型式元件的應用。

因SMD元件中之PTC材料層在通過電流時會因其阻抗而產生熱，產生熱的功能可以用元件中PTC層的面積(A_PTC)來表示。產生的熱從PTC材料層往外傳，隨著電極(electrode)或再加上金屬連結電路(electrical conductor)而傳導到元件的表面，最後再從元件的表面將熱傳至外部的環境。因此整個元件的散熱與元件中連結電路、電極的導熱的總表面積有關。連結電路及電極的導熱與PTC材料層產生熱之間的比例，可被定義為元件的散熱因數F，並可以用以下公式來表示：散熱因數F=(A1+A2)/A3，其中A1=電極的面積總和，A2=連結電路的面積總和，A3=PTC材料層的面積A_PTC的總和。

一般而言，A3即相當於A_PTC×PTC材料層的個數。以前述實施例而言，元件均僅含一層PTC材料層。

前述連結電路(如圖6所示之導通件21及22)係作為連接電極之連結電路，且同時可作導電及導熱通路。因此連結電路必須要能有效逸散該PTC材料層產生之熱能，而其導熱/散熱能力和連結電路的面積大小成正相關。

參照圖1至3，A1等於電極層12、13及14的面積總和，A3等於A_PTC。另外因為無連結電路，故A2=0。參照圖4，A1等於電極層12和13的面積總和，A3等於A_PTC，A2等於0。參照圖5，A1相當於電極層12、13、14和18的面積總和，A3相當於A_PTC，及A2=0。相較於圖5，圖6所示之過電流保護元件60另外包含兩導通件21和22，其分別連接電極層12和14，及電極層13和18。因此，A2相當於作為連結電路之導通件21和22的面積總和。連結電路的形狀雖可有較多變化，但實務上主要使用到的連結電路之面積依形狀不同，可以按以下公式計算：圓柱(包含全圓導電通孔)面積=π×圓柱直徑×圓柱長度(或元件厚度)。

部分圓柱(包含半圓或1/4圓導電通孔等)面積 =弧長×圓柱長度(或元件厚度)。

全側面導電端面之面積=元件寬度×元件厚度。

一實施例中，就圖2至6之電極層12和13為複合材料的情況而言，A1可以銅層121和131之面積計算。

單位PTC層面積之維持電流值R可由下式計算：R=維持電流/A_PTC。以0201規格元件而言，PTC材料層的面積A_PTC約等於0.02英吋×0.01英吋=0.508mm×0.254mm=0.129 mm²。

不同形狀因數之過電流保護元件之單位面積之維持電流值R如表二所示。其中PTC材料層所採用之材料係對應於表一所示者，而元件結構則採用圖2所示者。由表二可知，當散熱因數愈大時，表示散熱效果愈佳，因此可測得較大之單位面積之維持電流值。圖1至圖3所示之實施例均包含第一及第二電極12、13和另一側的第三電極14，其散熱因數約為1至2之間。圖4所示之元件結構因僅有單側之電極層12和13，散熱因數約介於0.6至0.9之間。圖6所示者因包含兩側電極層12、13、14及18，以及導通件21及22，可具有更大的散熱因數，約可達2.3。綜上，通常散熱因數必須大於0.6以獲得較佳的散熱效果，較佳地係介於0.6~2.3之間或介於1~2之間。散熱因數對於維持電流的影響以元件之形狀因數小於等於0603或0402時更為明顯。

一般維持電流的測試係將表面黏著型過電流保護元件設置於測試板上進行，如圖10所示。測試板100上有電路佈局，一側設有導電面101、102，且導電面101和102各具有延伸線路105分別連接至接點103和104。表面黏著型過電流保護元件110(可為前述實施例之任一者)於維持電流測試時係將其第一電極12和第二電極13分別連接(焊接)於接點103和104，而導電面101及102則供測試線夾固而提供測試電流。表二中實施例使用之測試板的測試線的線寬(即延伸線路105寬度)約介於10~30mil。

以下表三係以0201規格的過電流保護元件於不同寬度的測試線下所得之測試結果。

由表三可知，測試板線路的線寬愈大，其量測出來的維持電流及單位面積維持電流值R愈大。按此實驗結果，0201規格的元件以測試線路的線寬介於10mil(0.254mm)至100mil(2.54mm)間之測試板進行測試時，單位面積的維持電流值可達約6A/mm²。實際應用上，單位面積的維持電流值大約可介於1至6.5A/mm²之間，或較佳地介於1.5至6A/mm²之間。

本發明之設計結構簡單，無需經過壓合製程等複雜工序，且因無內、外層線路之分，故無內、外層電極的對位問題，可提升生產良率。另外，本發明應用於小型元件時，可提高單位PTC面積之維持電流值，而提供大電流應用的需求。

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、20、30、40、50、60‧‧‧過電流保護元件

11‧‧‧PTC材料層

12‧‧‧第一電極層

13‧‧‧第二電極層

14‧‧‧第三電極層

15‧‧‧第一間隔

16、17‧‧‧防焊層

18‧‧‧第四電極層

19‧‧‧第二間隔

21‧‧‧第一導通件

22‧‧‧第二導通件

42‧‧‧絕緣層

70、80、90‧‧‧過電流保護元件

71、72、81、82、91、92‧‧‧外電極

100‧‧‧測試板

101、102‧‧‧導電面

103、104‧‧‧接點

105‧‧‧線路

110‧‧‧過電流保護元件

111‧‧‧第一表面

112‧‧‧第二表面

113‧‧‧第一端面

114‧‧‧第二端面

121、131‧‧‧銅層

122、132‧‧‧錫層

圖1繪示本發明第一實施例之過電流保護元件示意圖。

圖2繪示本發明第二實施例之過電流保護元件示意圖。

圖3繪示本發明第三實施例之過電流保護元件示意圖。

圖4繪示本發明第四實施例之過電流保護元件示意圖。

圖5繪示本發明第五實施例之過電流保護元件示意圖。

圖6繪示本發明第六實施例之過電流保護元件示意圖。

圖7繪示本發明第七實施例之過電流保護元件示意圖。

圖8繪示本發明第八實施例之過電流保護元件示意圖。

圖9繪示本發明第九實施例之過電流保護元件示意圖。

圖10繪示本發明之過電流保護元件之維持電流測試示意圖。

20‧‧‧過電流保護元件