TWI310955B - Over-current protection device - Google Patents

Description

1310955 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種過電流保護元件，更具體而言，係關 於一種具有高維持電流（hold current)之過電流保護元件。 【先前技術】 由於具有正溫度係數（Positive Temperature Coefficient ; PTC)特性之導電複合材料之電阻具有對溫度變化反應敏銳 的特性，可作為電流感測元件之材料，且目前已被廣泛應 用於過電流保護元件或電路元件上。由於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104〇hm以上），即所謂之觸發 (trip)，而將過量之電流反向抵銷，以達到保護電池或電路 元件之目的。 應用於高溫環境之過電流保護元件通常需符合以下兩種 特性：（1)至觸發時間（time to trip)不能太快，例如於30安 培、80°C的情況下必須大於2秒；以及（2)在室溫25°C、12 安培的情況下必須能夠觸發。一般而言，該等過電流保護 元件之尺寸較小，習知之使用碳黑作為導電填料之PTC元 件不易達到上述需求。亦曾有人使用鎳粉作為導電填料進 行試驗，然鎳粉與含氟之聚合物混合時於高溫時易產生氫 氟酸，而無法採用。 舉例而言，應用於汽車之過電流保護元件因常曝曬於強 1310955 烈陽光下，故需具備良好之散熱特性。傳統使用碳黑為導 電填料之元件的電阻較高，其維持電流ihcid較小，（維持電 流係於不觸發的情況下之最大電流），故無法有效增加散熱 效率。 綜上可知，如何增加過電流保護元件的散熱效率，而得 符合上述兩種特性，係亟需突破，以符合應用於例如汽車 等高溫環境之所需。 【發明内容】 本發明係提供一種過電流保護元件，藉由含氟之結晶性 高分子聚合物及導電陶瓷填料的加入，可有效增加過電流 保護元件之維持電流（即在該維持電流下’不會有觸發（trip) 發生），進而增加元件之散熱效率。藉此，本發明之具有高 維持電流之過電流保護元件可應用於汽車等易處於高溫之 環境。 本發明揭示一種過電流保護元件，其包含二金屬箔片、 一疊設於該二金屬箔片間之PTC材料層。該PTC材料層包 含：（1) 一高分子聚合物基材，其所佔體積百分比介於 3 5-60%，且包含一熔點高於150°C之含氟之結晶性高分子聚 合物（例如聚氟化亞乙浠（polyvinylidine fluoride ; PVDF)， 其熔點約1 65 °C );以及（2) —導電陶瓷填料（例如碳化鈦 (TiC))，其係散佈於該高分子聚合物基材中。該導電陶瓷填 料所佔體積百分比介於40-65%，且其體積電阻值小於 500μΩ-。!!!。該PTC材料層之體積電阻值小於Ο.ΙΩ-cm，且25 °C時之維持電流對PTC材料層面積之比率為介於0.05至 1310955 0.2A/mm2之間。 因導電陶瓷填料之電阻遠小於碳黑，故可有效提供元件 較高之維持電流。另外，該含氟之結晶性高分子聚合物因 相較於聚乙烯（PE)具有較高熔點，因此包含該含氟之結晶 性高分子聚合物之元件處於高溫環境時（例如車内溫度約 80°C時）仍可維持足夠的維持電流，而具迅速散熱的特性。 【實施方式】

以下將就添加不同比例之PVDF為例，藉以說明本發明之 導電性聚合物及由其組成之過電流保護元件之特性。 表一顯示各實驗組（Ex. 1至Ex.6)及對照組（Comp. 1及 Comp.2)以體積百分比顯示之配方成份，其中作為導電填料 之石炭黑係選用哥倫比亞化學公司（Columbian Chemical Company)所生產之型號RAVEN 430 ULTRA產品，作為導電 填料之碳_化鈦陶竟粉係選用Micron Metals, Inc.所生產之型 號TI-302產品；聚烯類聚合物基材之高密度聚乙烯（HDPE) 選用台塑化學公司（Formosa Plastics, Inc)所生產之型號 TAISOX HDPE-8010產品，PVDF則選自ATOFINA化學公司 之型號KYNAR741及KYNAR761產品。 表一 碳化鈦 TiC 碳黑 R430U PVDF 741 PVDF 761 HDPE Ex. 1 59.00% — 41.00% — — Ex. 2 52.00% — 48.00% — — Ex. 3 52.00% — 38.40% — 9.60% .1310955

Ex. 4 55.00% — 42.75% — 2.25% Ex. 5 52.00% — — 48.00% __ Ex. 6 50.00% 50.00 ----- Comp. 1 — 50.00% 50.00% ------ -----___ -—--- 48.〇〇〇/0 L----- Comp. 2 52.00% 上述之各實驗組及對照組以所示之體積百分比例加入 HAAKE公司生產之雙螺桿混練機中進行混練。混練之溫产 設定為215°C ’預混之時間為3分鐘，而混練之時間則:二 分鐘.。 經混練完成之導電性聚合物以熱壓機於2 1 〇 及1 5 〇 kg/cm2之麼力麼成厚度約1.〇至ι·9毫米（mm)之薄片。之後再 將該薄片切成約20公分χ20公分之正方形，並由熱壓機以 210°C之溫度及150kg/cm2之壓力將兩鍍鎳銅箔貼合至該薄 片之兩面’最後以沖床沖壓出如圖1所示之PTC晶片1 〇，其 即本發明之過電流保護元件。該PTC晶片10包含由該導電 性聚合物所組成之正溫度係數（PTC)材料層u及由該鍍鎳 銅猪所組成之一第一電極層12及一第二電極層13。圖2係圖 1之PTC晶片10之上視圖，該PTC晶片10之面積為 10mm，即 80mm2。 參照圖3，將該第一及第二電極層12、13之外表面塗上錫 膏，將兩片厚度為〇.5mm的銅片電極14、15分別置於第一 及第二電極層12、13之外表面的錫膏上，再將此組裝的元 件經300 C迴焊製程即得厚度1 9mni至2_9mm之PTC元件 1310955 20 ° 上述混合後之高分子聚合物基材（PVDF或PVDF加HDPE) 之體積百分比均介於35-60%之間。導電陶瓷填料碳化鈦所 佔體積百分比則介於40-65%，較佳之體積百分比則介於 50-60%。

該PTC元件20依不同之配方各取5個作為樣本進行下列 量測：（1)起始電阻Ri ; (2)元件總厚度；（3)80°C、12V、30A 之至觸發時間（time-to-trip) ; (4)25°C、12V時之維持電流； 及（5)15¥、35人、10次循環（〇11:10秒；（^£:60秒）之測試。表 二顯示各實驗組Ex. 1〜6及對照組Comp. 1〜2之測試結果。 表二

Ri (mQ) 厚度 (mm) 至觸發時間@80 °C/ 12 V/30A (sec) Ihold @ 12 V/ 25 °c ㈧ Ihold @ 12V/25〇C /面積mm (A/mm2) 循環測試 @ 15V/35A (10次循環) Ex. 1 4.3 2.90 4.6 >10 >0.15 i甬過 Ex. 2 4.3 2.90 3.2 >8 >0.1 i甬過 Ex. 3 4.1 1.95 2.9 >8 >0.1 i甬過 Ex. 4 5.5 1.92 2.2 >8 >0.1 i甬過 Ex. 5 4.0 2.02 4.3 >8 >0.1 i甬過 Ex. 6 6.2 1.98 2.1 >4 >0.05 il過 Comp. 1 80.0 2.90 < 1.0 <4 <0.05 失i甬過 Comp. 2 6.0 1.92 < 1.8 >6 >0.07 iS過 表二中可見添加碳化鈦者，其PTC材料層之起始體積電 阻值均遠小於0.1 Ω-cm，且其維持電流對PTC材料層面積的 比率係以介於0.05和0.15 A/mm2為佳。 1310955 對照組Comp. 1係採用碳黑作為導電填料，其初始電阻Ri 為80ιηΩ明顯大於其他添加碳化鈦作為導電陶瓷填料之實 驗組Ex. 1〜6及對照組Comp. 2，且其維持電流（IhQld)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元 件電阻且有效增加維持電流，而提昇元件之散熱效果。另， 採用碳化鈦作為導電陶瓷填料時，其添加之體積百分比可 超過50%甚至接近60%，例如實驗組Ex. 1之59%，而仍具有 良好之效果。 上述實驗組Ex. 1〜6於自動車鎖轉子（automotive lock rotor)80°C、12V、30A之測試條件下之至觸發時間介於2.1 至4.8秒之間，均符合至觸發時間大於2秒之需求，而該兩 對照組Comp. 1及Comp. 2之至觸發時間分別為小於1秒及 1.8秒，其均小於2秒而未通過測試。 實驗組Ex. 5及6和比較組Comp. 2之差異在於Ex. 5和Ex. 6之聚合物為PVDF，而Comp. 2為HDPE，Ex. 5和Εχ·6之至 觸發時間明顯較長。顯然選用PVDF可增加至觸發時間。另 外，一般而言，維持電流會隨溫度增加而降低，即所謂的 熱降（thermal derating)效應。因為HDPE之熔點較低約為130 °C，而PVDF之熔點較高約在165°C，故使用PVDF可減緩維 持電流下降之趨勢，而於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% 及2.25%之HDPE，雖然其至觸發時間略有下降為2.9秒及2.2 秒，但仍在需求範圍内。因此本發明中PTC材料層中之含 氟聚合物亦可混加其他聚乙烯（PE)，只要PVDF仍具足夠之 > 10- 1310955 比例而主導混合後聚合物之性質，其仍可得到良好之功效。 本發明之含氟結晶性聚合物係以選擇熔點大於150°C為 佳。而混合後之高分子聚合物基材之體積百分比以介於 35-60%為佳。該導電陶瓷填料所佔體積百分比介於 40-65%，且其體積電阻值小於500μΩ-(；ιη ;

本發明添加之含氟之結晶性高分子聚合物並不限定使用 PVDF，其他具有類似特性且熔點高於150°C之高分子聚合 物，亦為本發明所涵蓋。除了上述之材料選用外，導熱高 分子聚合物亦可選用聚四氟乙烯 (poly(tetrafluoroethylene) ; PTFE)、四氟乙稀-六氟丙烯共 聚物（tetrafluoroethylene-hexafluoro-propylene copolymer ; FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物（ethylene-tetrafluoroethylene copolymer ; PETFE)、 全氟烴氧改質四氟乙稀 (perfluoroalkoxy modified tetrafluoroethylenes; PFA)、聚（氣 三-氟四氟乙浠）（p〇ly(chlorotri-fluorotetrafluoroethylene); PCTFE)、二氟乙烯-四氣乙晞聚合物（vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer) ； VF-2-TFE)、聚二 氟乙烯（poly(vinylidene fluoride))、四氟乙烯-全氟間二氧雜 環戊稀共聚物（tetrafluoroethylene-perfluorodioxole copolymers)、二氟乙烯-六氟丙烯共聚物（vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer)、二敗乙烯-六氟丙 稀-四 氟乙婦 三聚物 （vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene terpolymer)、及四氟乙稀-全氟曱基乙稀基醚 1310955 (tetrafluoroethylene-perfluoromethylvinylether)力口 上固 4匕域 之單體三聚物（cure site monomer terpolymer)等。 導電陶瓷填料可選自體積電阻值小於500μΩ-οηι之（1)金 屬碳化物（例如：實施例中之碳化鈦（TiC)、碳化鎬（WC)、 碳化釩（VC)、碳化锆（ZrC)、碳化鈮（NbC)、碳化钽（TaC)、 碳化钥（MoC)、礙化給（HfC))、（2)金屬棚化物（例如：删化 鈦（TiB2)、硼化釩（VB2)、硼化锆（ZrB2)、硼化鈮（NbB2)、硼 化鉬（MoB2)、硼化銓（HfB2))或（3)金屬氮化物（例如：氮化 锆（ZrN))。 參照圖4，於兩電極14和15間設置兩PTC晶片10，而該兩 PTC晶片10間疊設一金屬散熱片16。藉此，可進一步增加 維持電流，而增加散熱效果。 圖4所示僅係本發明之一實施例，關於PTC晶片10及金屬 散熱片16之數量及設計，可依需求選擇搭配而成。 本發明之技術内容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本 項技術之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。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明一實施例之過電流保護元件之示意圖； 圖2係圖1之過電流保護元件之上視圖； 圖3係本發明另一實施例之過電流保護元件之示意圖；以 及 -12- 1310955 圖4係本發明又一實施例之過電流保護元件之示意圖。 【主要元件符號說明】 10 PTC晶片 11 PTC材料層 12 第一電極層 13 第二電極層 14 銅片電極 15 銅片電極 16 金屬散熱片 -13-

Claims (1)

1310955 十、申請專利範圍： 1. 一種過電流保護元件，包含： 二金屬箔片；以及 一正溫度係數（PTC)材料層，係疊設於該二金屬箔片之 間，其包含： (1) 一高分子聚合物基材，其所佔體積百分比介於 35-60%，且包含_熔點高於15〇。〇之含氟之結晶 性高分子聚合物；及 (2) —導電陶瓷填料，散佈於該高分子聚合物基材 中’該導電陶瓷填料所佔體積百分比介於 40-65%，且其體積電阻值小於5〇〇|iil_cm; 其中該ptc材料層之體積電阻值小於〇 1Ω_εηι，且25°c 時之維持電流對PTC材料層面積之比率為介於〇〇5至 〇.2A/mm2之間。 2. 根據請求項1之過電流保護元件，其中該含氟之結晶性高 分子聚合物係聚氟化亞乙烯（PVdF)或乙烯一四氟乙烯共 聚物（PETFE)。 3. 根據請求項1之過電流保護元件，其中該導電陶瓷填料係 選自金屬碳化物、金屬硼化物或金屬氮化物。 4. 根據凊求項1之過電流保護元件，其中該導電陶瓷填料係 選自碳化鈦、碳化鎢、碳化釩、碳化锆、碳化鈮、碳化 奴化銦、碳化給、蝴化鈦、棚化鈒、删化錯、ί朋化 銳' 爛化銦、硼化铪或氮化鍅中之至少一者。 根據請求項1之過電流保護元件，其另包含分別連接於該 5. 1310955 兩金屬猪片表面之兩電極。 6. —種過電流保護元件，包含： 二PTC元件，各PTC元件等同於請求項1之過電流保護 元件； 一金屬散熱片，疊設於該二PTC元件之間；以及 二電極，分別連接該二PTC元件。 7. 根據請求項6之過電流保護元件，其中該金屬散熱片連接 該二PTC元件之第一表面，該二電極連接該二PTC元件之 第二表面。