過電流保護後可返回其初始電阻的聚合正溫度係數器件的製作方法

2023-04-25 02:22:21 3

專利名稱：過電流保護後可返回其初始電阻的聚合正溫度係數器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種聚合正溫度係數(PTC)器件，尤其涉及一種具有特定晶態結構，從而使晶態聚合物阻值在對其施加過電流後可大致返回其初始級的聚合PTC器件。
背景技術：
本發明的背景技術通常涉及聚合正溫度係數(PTC)器件，但為了說明，具體參照聚合PTC熱敏電阻進行描述。
通常聚合PTC器件(例如聚合PTC熱敏電阻)取決於溫度引起的組合聚合物材料的結構變化。由於置於組合聚合物材料中的導電粒子產生的許多低阻通路，該器件呈現低電阻。正常工作期間，聚合物具有緻密的晶態結構。當電流增大至一定程度(例如過流)時，自加熱使聚合物呈現非晶結構。然後分離的導電粒子使聚合物呈現急劇增大的電阻。過流情況消失時，聚合物恢復其晶態結構，且重聚的導電粒子再次提供電流通路。
通常，熱敏電阻是一種其阻值隨溫度迅速且可預計變化的電阻。有正溫度係數(PTC)的熱敏電阻通常稱為PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻是一種可重複使用無需頻繁更換的電路元件，用於防止(防護或阻斷)電路中的過大電流(過電流)。PTC熱敏電阻在阻斷過電流前具有初始阻值，而在阻斷過電流後具有後繼阻值。通常有兩類PTC熱敏電阻聚合物型和陶瓷型。
與陶瓷PTC熱敏電阻相比，常規聚合PTC熱敏電阻的優點是具有較低的初始阻值和較快的工作速度。但是，儘管常規聚合PTC熱敏電阻有某些優點，陶瓷PTC熱敏電阻仍用於需要高電壓和/或大電流的特定電路類型中。
製造常規聚合PTC熱敏電阻的方法，參照附圖敘述如下如圖1A所示，聚合物材料、導電填充材料(例如導電粒子)和其它粘結劑混合在一起構成組合聚合物，擠壓機(未圖示)用於把組合聚合物處理成聚合物層1。然後通過把金屬材料熱壓至聚合物層1的上下表面，在其上形成電極2，從而製成薄片。接著，如圖1B所示，向上述薄片照射電子束從而聚合物層1中的聚合鍵分子呈現三維交聯結構，接著對交聯片進行固定和/或固化。然後，如圖1C所示，切割交聯片以把它分成多個期望尺寸的樣品。最後，如圖1D所示，把引線3焊至電極2完成常規聚合PTC熱敏電阻。
由於聚合物層1中的導電粒子產生許多低電阻導流通路(即「導電通路」)，聚合PTC熱敏電阻呈現低阻值。在常規工作時，聚合物層1具有緻密的晶態結構。在聚合PTC熱敏電阻接收過電流時，其溫度升高，聚合物層1經受熱膨脹。導電通路的導電粒子分離時產生溫度引起的結構變化，使聚合物層1呈現非晶結構。接著，分離的導電粒子使聚合物層1呈現急劇增大的電阻。結果，聚合物層1中的導電粒子先前形成的導電通路被切斷，導電粒子的電阻增大，從而執行過電流阻斷操作。過流情況消失時，聚合物層1收縮，恢復晶態結構，聚合的導電粒子再次提供低阻導電通路。

發明內容
本發明的要點包含本申請的發明人認識到已有技術存在下述問題，參照圖1A至1D進行說明。
在常規製造過程中，由於含聚合物層1和其上電極2的片在固定和/或其硬化後被切割成期望尺寸的單元，在常規聚合PTC熱敏電阻中形成細微裂紋等的不規則處。這種不規則處和裂紋在常規聚合物PTC熱敏電阻工作在高壓和/或高電流條件下，會引起不希望的火花，從而降低聚合物PTC熱敏電阻的特性。
在已有技術中，還設想常規聚合物材料的固有特性必然使常規聚合物PTC熱敏電阻在高壓(和/或高電流)情況下不穩定，並必然阻止常規聚合物PTC熱敏電阻在其阻斷過電流工作後返回其大致初始阻值級。從而，陶瓷PTC熱敏電阻用於要求高電壓和/或大電流的電路中。更具體說來，一旦導電粒子(形成導電通路)分離並使聚合物層1呈現急劇增大的阻值，相信該導電粒子不能回復到其初始取向。例如，即使在過電流情況消失約1小時後，仍可觀察到聚合物層1的阻值顯著高於其初始阻值。從而，常規聚合物PTC熱敏電阻不能用於高電壓(和/或高電流)環境中的電子和/或半導體器件中，也不能用於電信裝置和設備所需的要求快速重複使用的器件中。
而且，對於應用多個PTC熱敏電阻元件，在各PTC熱敏電阻間要求恆定或特殊電壓降的電子電路，初始阻值限於一定範圍中，使各常規聚合物PTC熱敏電阻工作後每對常規聚合物PTC熱敏電阻間的阻值差最小。但是，即使初始阻值製成恆定或保持在特定程度，由於難於預料在阻斷過電流後，各常規聚合物PTC熱敏電阻的阻值實際上如何變化，在常規聚合物PTC熱敏電阻間建立等壓降受到限制。由於這些理由，常規聚合物PTC熱敏電阻不能用於某些技術領域，如電信領域。
為至少解決已有技術的上述問題，本發明開發了一種聚合正溫度係數(PTC)器件，它具有特定晶態結構，使對其施加過電流後，晶態聚合物的電阻率大致返回其初始級。聚合物經受交聯、加熱後的交聯聚合物處於其熔點以上的溫度並再次晶化該加熱過的聚合物，形成特定晶態結構。由此，晶態聚合物的交聯率最大，而其晶體尺寸最小。此外，在其上有電極的聚合物層在其固定(設定)和/或固化前被切割成期望尺寸的單元，從而把形成應力斷裂、細微裂紋之類的不規則處的可能性減至最小。


附圖提供對本發明的進一步理解並構成本申請揭示的一部分，

本發明的實施例並與說明書一起用於說明本發明的原理。
圖1A至1D表示常規聚合物PTC熱敏電阻的常規製造過程。
圖2A至2F表示根據本發明的聚合物(PTC)熱敏電阻的製造過程。
圖3表示根據本發明製成的最終聚合物PTC熱敏電阻產品的示例。
具體實施例方式
圖2A至2F表示根據本發明的聚合正溫度係數(PTC)熱敏電阻的製造過程。
如圖2A所示，聚合物材料、導電填充材料(例如導電粒子)和其它粘合劑均勻混合在一起形成組合聚合物。接著使用擠壓機(未圖示)把該組合聚合物處理成片狀的聚合物層10。
這裡，聚合物材料可選自聚乙烯、聚乙烯共聚物、聚丙烯、乙基/丙烯共聚物、聚丁二烯、丙烯酸酯、丙烯酸/乙烯共聚物、聚偏氟乙烯或兩種或兩種以上上述材料組合構成的組。導電填充材料(例如導電粒子)可選自鎳粉、金粉、銅粉、覆銀銅粉、合金粉、碳黑、碳粉、石墨或兩種或兩種以上上述材料的組合組成的組。其它粘結劑可包含非導電填充材料，選自抗氧化劑、鹽抑制劑、穩定劑、抗臭氧化劑、交聯劑、分散劑或兩種或兩種以上上述材料組合構成的組。
應注意，本領域技術人員理解，期望的聚合物材料、導電填充材料和粘結劑的特定類型和量取決於組合聚合物的期望特性。
在混合聚合物材料、導電填充材料和粘結劑時，混合必須均勻。還必須適當控制混合溫度和時間，從而在聚合物PTC熱敏電阻工作時，導電填充材料會均勻產生導電通路。如果混合時間過長，則會不希望地使大量導電填充物元素間的鍵破裂，從而不能在聚合物PTC熱敏電阻中有效建立導電通路且其初始阻值會不希望地高。希望均勻地形成導電通路，因為由此還能在過電流期間聚合物膨脹時防止內部起拱。
接著，通過把金屬材料熱壓至聚合物層10上下表面從而在其上形成電極20，製成片。這裡，必須仔細控制處理溫度。如果聚合物層10的表面溫度過低，則聚合物熔解粘性過低，會降低與電極20的連接性能。從而，聚合物層10的溫度應保持在某一溫度以上，以使電極20適當附於聚合物10的表面上。
接著，如圖2B所示，把薄片切割分成(如使用衝壓處理)期望尺寸的樣品。然後，進行樣品固定和/或固化處理。與常規方法不同，在樣品固定和/或固化前對薄片進行切割和分離。這樣做，與在固定和/或固化後時薄片進行切割和分離的常規方法相比，加至樣品的機械應力較小，從而根據本發明，可把細微裂紋和其它不規則處減至最小。
此後，如圖2C所示，進行第1加熱處理步驟。各自含聚合物層10和電極20的分離樣品進行加熱處理。進行該第1加熱處理以改進分離樣品的熱穩定性。尤其，該第1加熱處理步驟進一步把應力斷裂和其它不規則處減至最少。不管在固定和/或固化樣品前如何如上所述仔細控制溫度，會由於在聚合物層10上形成電極20期望聚合物層10膨脹和收縮，可能在聚合物層10和電極20間形成上述應力斷裂和其它不規則處。
這樣，分離樣品最好加熱至接進或超過聚合物層10的熔點，然後最好在約室溫下冷卻，使電極20附於聚合物層10。這裡，最好在接近於聚合物層10熔點或高於熔點約20℃、50℃或100℃的溫度進行加熱。此外室溫附近進行冷卻提供較慢的冷卻處理，因為快速冷卻由於在聚合物層10及電極20之間的快速膨脹和收縮，會在與電極20接觸的聚合物層10中形成裂縫和其它不規則處。
接著，如圖2D所示，向分離樣品照射高能電子束，使聚合物層10中的聚合鏈分子呈現三維交聯結構。為產生電子束，可設定電壓為1兆伏、電流為約10mA至40mA間，產生的輻射能量為約10兆拉德至250兆拉德。為交聯聚合鏈分子，可使用各種方法，包括化學交聯、γ射線照射等。但，為使聚合物PTC熱敏電阻工作並可經受高電壓，需要高交聯率，因而使用產生高能的電子束最有效。
最後，如圖2E所示，進行第2加熱處理。即，在交聯處理後，以接近或高於聚合物層10熔點的溫度對經交聯的樣品再加熱並然後快速冷卻。這裡，再加熱最好在接近聚合物層10熔點的溫度或高於熔點約30℃、50℃、100℃的溫度進行，從而聚合物熔解粘度足夠低以使聚合物鏈分子達到晶體生長點。該高溫再加熱步驟進一步使聚合物層10晶化並使附加在照射電子束期間未交聯的聚合鏈分子交聯，從而獲得更穩定的聚合物層10的晶態結構。如果在形成組合聚合物時包含交聯劑作為添加劑，則可進一步增強化學交聯並使聚合物層10更完善交聯結構，從而防止熱變形。
此外，高溫再加熱可使聚合物層10中形成的晶體尺寸儘可能小，從而整個聚合物的晶度做得均勻。與含較大尺寸晶體的常規聚合物相比，本發明的聚合物(具有較小晶體)在較低溫度就膨脹，從而聚合物PTC熱敏電阻可工作得更快且可在較低溫度下開始過流保護。從而，本發明使得在非晶態區域變成全非晶態前在某一溫度限制導電通路流，並便於晶態聚合物收縮和快速返回其初始狀態。
此外，還由於晶體體積減至最小，在聚合物層10中出現更大量較小晶體(與常規聚合物層1中較少量的較大晶體比較)，從而聚合物層10中晶態結構的密度大於常規聚合物層1。結果，減小了晶體間晶態區域，從而，即使在聚合物層10快速且連續進行膨脹和收縮時，分散在聚合物層10中的導電粒子更易於恢復其原來取向。
為獲得聚合物層10的最小晶態結構，需進行快速冷卻步驟。把先前設定的大致為聚合物層10熔點或高於熔點約30℃、50℃或100℃的溫度降低至約室溫，10℃或0℃，約5分、1分或10秒為周期。
圖2F顯示導線30電附於電極20以完成本發明的聚合物PTC熱敏電阻。如圖3所示，在聚合物PTC熱敏電阻主體周圍形成絕緣。圖3表示本發明聚合物PTC熱敏電阻最終產品的示例。形成環氧樹脂模件40以封裝電極20，在電極和模件間有聚合物層10，而導線30端從環氧樹脂模件40伸出並暴露於外。環氧樹脂模件40起絕緣保護層的作用且進一步增強本發明的聚合物PTC熱敏電阻。
進行實驗以比較常規聚合物PTC熱敏電阻與本發明聚合物PTC熱敏電阻的特性。表1表示過電流保護前後常規聚合物PTC熱敏電阻的電阻性能。表2表示過電流保護前後本發明較佳實施例的聚合物PTC熱敏電阻的電阻性能。
對10個常規聚合物PTC熱敏電阻和10個本發明聚合物PTC熱敏電阻樣品進行實驗。通過施加600V和3A(即施加高壓、過電流)，每個樣品通常在3秒中導通並在60秒後關斷。在高壓和過電流狀態前後測量電阻以獲得初始和後繼阻值。獲得初始值對於後繼阻值的阻值變化率的百分比。對每個樣品上述步驟重複50次，獲得初始阻值、後繼阻值和阻值變化率的平均值，如下表所示。
表1(已有技術)

表2(較佳實施例)

參照表2、樣品號1，本發明的聚合物PTC熱敏電阻在過流保護前後阻值變化率為1.99％，本發明10個樣品的平均阻值變化率為1.43％，而已有技術樣品為201.34％(參見表1)。值得注意的是，與已有技術的樣品相比，本發明樣品的阻值變化率可認為接近於不變化。
上述結果顯然可見，本發明的聚合物PTC熱敏電阻具有遠優於已有技術的電阻率。尤其，本發明的聚合物PTC熱敏電阻允許電阻在過電流保護後快速回復到接近於其初始電阻級。這樣，本發明的聚合物PTC熱敏電阻可用於各種技術領域，尤其是需要快速重複使用的電子和/或半導體裝置中，必要時也可用於電信裝置和設備中。例如，本發明的聚合物PTC熱敏電阻可在電信設備中用於所謂「塞環線」和「塞尖線」，由於本發明的特點，電路元件(即聚合物PTC熱敏電阻)間電阻差引起的壓降可減至最小。
雖然本發明以聚合物PTC熱敏電阻實施例進行了說明，但本領域技術人員理解，本發明可用於使用過電流保護的電路和/或半導體裝置的其它類型聚合PTC器件。
說明書敘述了本發明方法和器件的各種示例性實施例。要求的範圍試圖覆蓋說明書中敘述的示例性實施例的各種修改和等同配置。從而下述權利要求應符合合理寬的解釋以涵蓋與揭示的本發明精神和範圍一致的各種修改、等同結構和特點。
權利要求
1.一種聚合正溫度係數器件即PTC器件，其特徵在於，它包括含散布在其中的導電材料的組合聚合物；至少一對與所述組合聚合物電連接的電極；通過使所述組合聚合物經受交聯處理、以接近聚合物材料熔點或高於該熔點的溫度加熱經交聯聚合物及重新晶化加熱的聚合物，從所述組合聚合物形成特定晶態結構。
2.如權利要求1所述的器件，其特徵在於，在對其施加過電流後，所述組合聚合物電阻大致回復其初始級。
3.如權利要求1所述的器件，其特徵在於，所述組合聚合物具有初始電阻，且由於該聚合物特定的晶態結構，它還具有大致等於該初始電阻的接收過電流後的後繼電阻。
4.如權利要求1所述的器件，其特徵在於，所述組合聚合物包含聚合物材料、導電的填充材料和至少一種其它粘結劑。
5.如權利要求4所述的器件，其特徵在於，所述聚合物材料選自聚乙烯、聚乙烯共聚物、聚丙烯、乙基/丙烯共聚物、聚丁二烯、丙烯酸酯、丙烯酸/乙烯共聚物、聚偏氟乙烯或兩種或兩種以上上述材料組合構成的組。
6.如權利要求4所述的器件，其特徵在於，所述導電填充材料選自鎳粉、金粉、銅粉、覆銀銅粉、合金粉、碳黑、碳粉、石墨或兩種或兩種以上上述材料的組合組成的組。
7.如權利要求4所述的器件，其特徵在於，所述其它粘結劑包含非導電填充材料，選自由抗氧化劑、鹽抑制劑、穩定劑、抗臭氧化劑、交聯劑、分散劑或兩種或兩種以上述材料組合構成的組。
8.如權利要求1所述的器件，其特徵在於，所述聚合PTC器件是聚合PTC熱敏電阻。
9.如權利要求1所述的器件，其特徵在於，還包括封裝所述組合聚合物而暴露部分電極的絕緣部件。
10.一種具有正溫度係數電阻率的聚合物熱敏電阻，其特徵在於，它包括含散布在其中的導電材料的組合聚合物；至少一對與所述組合聚合物電連接的電極；通過交聯處理所述組合聚合物、以接近於或高於聚合物材料熔解溫度的溫度加熱經交聯的組合聚合物使其中晶體交聯率最大、冷卻經加熱的聚合物不大於5分鐘以把晶體尺寸減至最小，從而形成具有特定晶態結構的組合聚合物。
11.一種形成正溫度係數即PTC聚合器件的方法，其特徵在於，該方法包括下述步驟製備組合聚合物層；在所述聚合物層的上下表面上形成至少一對電極以獲得中間結構；把所述中間結構分成多個期望尺寸的樣品；使所述樣品經受交聯處理；再晶化所述樣品以形成聚合正溫度係數即PTC器件。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，還包括在交聯處理前對所述樣品進行第1次加熱處理的步驟。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述第1次加熱處理步驟包括下述步驟以約為該聚合物層熔點溫度及高於該熔點100℃範圍中的某一溫度進行加熱的步驟，以大約室溫相對慢地進行冷卻的步驟。
14.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，還包括在交聯處理後對所述樣品進行第2次加熱處理的步驟。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述第2次加熱處理步驟包括下述步驟以約為所述聚合物層熔點溫度及高於該熔點100℃範圍中的某一溫度進行加熱的步驟，和以約為室溫與0℃範圍中的某一溫度相對快速冷卻不大於5分鐘的步驟。
16.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述組合聚合物包含聚合物材料、導電的填充材料和至少一種其它粘結劑。
17.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，通過照射樣品和/或進行化學交聯處理獲得交聯。
18.如權利要求17所述的方法，其特徵在於，由電子束進行照射。
19.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，通過對所述樣品進行冷卻使晶體尺寸最小來進行再晶化。
20.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，形成的聚合PTC器件是聚合PTC熱敏電阻。
全文摘要
本發明揭示一種聚合正溫度係數即PTC熱敏電阻，它具有特定晶態結構，使對其施加過電流後晶態聚合物電阻率大致回復到其初始值。使聚合物經受交聯處理、以該聚合物熔點或高於該熔點的溫度加熱經交聯的聚合物、再晶化加熱後的聚合物以構成特定晶態結構。這樣做，可使晶態聚合物的交聯率最大且晶態聚合物中晶體尺寸最小。此外，在固定和/或固化前，把其上含電極的聚合物層切割成期望尺寸的單元，從而把形成應力斷裂、細微裂紋等的不規則處降低最少。
文檔編號H01C17/065GK1426071SQ02106630
公開日2003年6月25日 申請日期2002年2月27日 優先權日2001年10月12日
發明者樸景利, 秦秉秀, 成相俊, 金惟碩, 柳承政 申請人:株式會社Ceratech