阅读说明：本技术 过电流保护装置 (Overcurrent protection device ) 是由 陈继圣 江长鸿 于 2019-01-30 设计创作，主要内容包括：一种过电流保护装置包含第一电极、第二电极,及设置在该第一电极及该第二电极间的正温度系数(PTC)多层结构。该正温度系数多层结构包括接合该第一电极的第一聚合物层、接合该第一聚合物层且包括第二聚合物层的中间层状单元(intermediate layered unit),及接合并设置在该中间层状单元及该第二电极间的第三聚合物层。该第一聚合物层、该第二聚合物层及该第三聚合物层分别具有第一体积电阻率、第二体积电阻率及第三体积电阻率,且该第二体积电阻率高于该第一体积电阻率及该第三体积电阻率,借此,使本发明的过电流保护装置表现出良好的电性质。(An over-current protection device includes a first electrode, a second electrode, and a Positive Temperature Coefficient (PTC) multilayer structure disposed between the first electrode and the second electrode. The PTC multilayer structure includes a first polymer layer coupled to the first electrode, a middle layer unit (interlayer laminated unit) coupled to the first polymer layer and including a second polymer layer, and a third polymer layer coupled to and disposed between the middle layer unit and the second electrode. The first polymer layer, the second polymer layer and the third polymer layer respectively have a first volume resistivity, a second volume resistivity and a third volume resistivity, and the second volume resistivity is higher than the first volume resistivity and the third volume resistivity, so that the overcurrent protection device of the invention has good electrical properties.)

过电流保护装置

技术领域

本发明涉及一种过电流保护装置，特别是涉及一种包含三层聚合物层的过电流保护装置，且其中一个聚合物层夹设在另两层聚合物层间，并具有高于另两层聚合物层的体积电阻率的体积电阻率。

背景技术

一种正温度系数(positive temperature coefficient，简称PTC)过电流保护装置呈现出PTC效应，而该PTC效应使得该正温度系数过电流保护装置利于作为一电路保护装置。参阅图1，以往电路保护装置1包括PTC聚合物层11，及两个连接该PTC聚合物层11的两个相反面的电极12。该PTC聚合物层11包含一包括一结晶区及一非结晶区的聚合物基质，及一分散在该聚合物基质的非结晶区域内并形成一连续的导电通路以电导通所述电极12的粒状导电填料。该PTC效应是一种现象，即当该聚合物基质的温度升高至其熔点时，在该结晶区域内的晶体开始熔化并造成一新的非晶区域产生。随着该新的非晶区域增加至某一程度且与原始非晶区域融合，该粒状导电填料的导电通路将变得不连续，且该PTC聚合物材料的电阻将迅速增加，从而导致所述电极间不电连接。

该电路保护装置1用于保护电子设备，并且该PTC聚合物层11的聚合物基质是依据该电子设备的工作电流和工作电压来选择。该PTC聚合物层11的聚合物基质通常由聚乙烯系组成物所制成。然而，由于该PTC聚合物层11与所述电极12间的黏着性相当差，使得该电路保护装置1可能不具有期望的导电性。

美国专利公告第6238598号揭示一种PTC聚合物共混组合物及一电路保护装置。该PTC聚合物共混组合物包括一未接枝聚烯烃、一接枝聚烯烃及一颗粒导电材料。该电路保护装置包括一具有该PTC聚合物共混组合物的PTC元件，及两个分别连接该PTC元件的两个相反侧的电极。随着在该PTC聚合物共混组合物中的接枝聚烯烃的纳入，该电路保护装置具有相当好的电稳定性，且该PTC元件与所述电极间的黏着性良好。

然而，该美国专利案所揭示的电路保护装置的某些电特性(例如体积电阻率、耐受电压等)可以进一步地改进，以满足工业要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以克服上述背景技术的至少一个缺点的过电流保护装置。

本发明过电流保护装置包含第一电极、第二电极，及正温度系数(positivetemperature coefficient，简称PTC)多层结构。该正温度系数多层结构设置在该第一电极与该第二电极间，且包括第一聚合物层、中间层状单元，及第三聚合物层。该第一聚合物层接合该第一电极，且包括第一聚合物基质及分散在该第一聚合物基质内的第一颗粒状导电填料。该第一聚合物基质由第一聚合物混合物所制成。该中间层状单元接合该第一聚合物层，且包括第二聚合物层。该第二聚合物层包括第二聚合物基质及分散在第二聚合物基质内的第二颗粒状导电填料。第二聚合物基质由第二聚合物混合物所制成。第三聚合物层接合并设置在该中间层状单元与该第二电极间，且包括第三聚合物基质及分散在该第三聚合物基质内的第三颗粒状导电填料。该第三聚合物基质由第三聚合物混合物所制成。该第一聚合物层、该第二聚合物层，及该第三聚合物层分别具有第一体积电阻率(volume resistivity)、第二体积电阻率及第三体积电阻率，且该第二体积电阻率高于该第一体积电阻率及该第三体积电阻率。

在本发明的过电流保护装置中，该第二体积电阻率高于该第一体积电阻率及该第三体积电阻率至少1.4倍。

在本发明的过电流保护装置中，该第一聚合物混合物、该第二聚合物混合物及该第三聚合物混合物中的每一个独立地包含未接枝烯烃系聚合物及接枝烯烃系聚合物。

在本发明的过电流保护装置中，以该第一聚合物混合物及该第一颗粒状导电填料的总量计，该第一聚合物混合物的接枝烯烃系聚合物的含量范围为19wt％至23wt％，且以该第三聚合物混合物及该第三颗粒状导电填料的总量计，该第三聚合物混合物的接枝烯烃系聚合物的含量范围为19wt％至23wt％。

在本发明的过电流保护装置中，以该第二聚合物混合物及该第二颗粒状导电填料的总量计，该第二聚合物混合物的接枝烯烃系聚合物的含量范围为22wt％至25wt％。

在本发明的过电流保护装置中，该第一聚合物混合物、该第二聚合物混合物及该第三聚合物混合物中的每一个的未接枝烯烃系聚合物是高密度聚乙烯。

在本发明的过电流保护装置中，该第一聚合物混合物、该第二聚合物混合物及该第三聚合物混合物中的每一个的接枝烯烃系聚合物包括不饱和羧酸接枝聚烯烃。

在本发明的过电流保护装置中，该第一颗粒状导电填料、该第二颗粒状导电填料及该第三颗粒状导电填料独立地选自于碳黑、金属粉末、导电陶瓷粉末，或上述任意的组合。

在本发明的过电流保护装置中，该第一颗粒状导电填料、该第二颗粒状导电填料及该第三颗粒状导电填料为碳黑。

在本发明的过电流保护装置中，该中间层状单元还包括第四聚合物层。

在本发明的过电流保护装置中，该中间层状单元还包括第五聚合物层，该第二聚合物层设置在该第四聚合物层及该第五聚合物层间。

在本发明的过电流保护装置中，该中间层状单元还包括第五聚合物层，该第五聚合物层设置在该第二聚合物层及该第四聚合物层间。

在本发明的过电流保护装置中，该中间层状单元还包括第五聚合物层，该第四聚合物层设置在该第二聚合物层及该第五聚合物层间。

在本发明的过电流保护装置中，该中间层状单元还包括具有第四体积电阻率的第四聚合物层，及具有第五体积电阻率的第五聚合物层，该第二体积电阻率高于该第四体积电阻率及该第五体积电阻率中的至少一者。

在本发明的过电流保护装置中，该第二体积电阻率高于该第四体积电阻率及该第五体积电阻率中的至少一者至少1.4倍。

在本发明的过电流保护装置中，该第二体积电阻率高于该第四体积电阻率及该第五体积电阻率至少1.4倍，且该第四体积电阻率及该第五体积电阻率高于该第一体积电阻率及该第三体积电阻率至少1.4倍。

本发明的有益效果在于：借由控制该第二聚合物层的体积电阻率高于该第一聚合物层及该第三聚合物层的体积电阻率，本发明的过电流保护装置表现出良好的电性质。

附图说明

图1是以往过电流保护装置的一立体图；

图2是本发明过电流保护装置的第一实施例的一立体图；

图3是本发明过电流保护装置的第二实施例的一立体图；及

图4是本发明过电流保护装置的第二实施例的一变化态样的立体图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

参照图2，本发明过电流保护装置的一第一实施例包括一第一电极2、一第二电极4，及一设置在该第一电极2及该第二电极4间的正温度系数(positive temperaturecoefficient，简称PTC)多层结构3。

该正温度系数多层结构3包括一第一聚合物层31、一中间层状单元30，及一第三聚合物层33。

该第一聚合物层31接合该第一电极2，且包括一第一聚合物基质及一分散在该第一聚合物基质内的第一颗粒状导电填料。该第一聚合物基质由一第一聚合物混合物所制成。

该中间层状单元30接合该第一聚合物层31，且包括一第二聚合物层32。该第二聚合物层32包括一第二聚合物基质及一分散在第二聚合物基质内的第二颗粒状导电填料。该第二聚合物基质由一第二聚合物混合物所制成。

该第三聚合物层33接合并设置在该中间层状单元30及该第二电极4间。该第三聚合物层33包括一第三聚合物基质及一分散在该第三聚合物基质内的第三颗粒状导电填料。该第三聚合物基质由一第三聚合物混合物所制成。

该第一聚合物层31、该第二聚合物层32，及该第三聚合物层33分别具有一第一体积电阻率、一第二体积电阻率及一第三体积电阻率，且该第二体积电阻率高于该第一体积电阻率及该第三体积电阻率。

在某些实施例中，该第二体积电阻率高于该第一体积电阻率及该第三体积电阻率至少1.4倍。

在本发明中，该第一聚合物混合物、该第二聚合物混合物及该第三聚合物混合物中的每一者独立地包含一未接枝烯烃系聚合物及一接枝烯烃系聚合物。

该第一聚合物混合物、该第二聚合物混合物及该第三聚合物混合物中的每一者的未接枝烯烃系聚合物是高密度聚乙烯。该第一聚合物混合物、该第二聚合物混合物及该第三聚合物混合物中的每一者的接枝烯烃系聚合物包括一不饱和羧酸接枝聚烯烃。

在某些实施例中，以该第一聚合物混合物及该第一颗粒状导电填料的总量计，该第一聚合物混合物的接枝烯烃系聚合物的含量范围为19wt％至23wt％。以该第三聚合物混合物及该第三颗粒状导电填料的总量计，该第三聚合物混合物的接枝烯烃系聚合物的含量范围为19wt％至23wt％。

在某些实施例中，以该第二聚合物混合物及该第二颗粒状导电填料的总量计，该第二聚合物混合物的接枝烯烃系聚合物的含量范围为22wt％至25wt％。

该第一颗粒状导电填料、该第二颗粒状导电填料及该第三颗粒状导电填料中每一者例如但不限于碳黑、金属粉末、导电陶瓷粉末，或上述任意的组合。

在某些实施例中，该第一颗粒状导电填料、该第二颗粒状导电填料及该第三颗粒状导电填料为碳黑。

参阅图3，说明本发明过电流保护装置的第二实施例。本发明过电流保护装置的第二实施例具有与该第一实施例类似的结构，不同处在于，在该第二实施例中，该中间层状单元30还包括两个额外的聚合物层，也就是，一第四聚合物层34及一第五聚合物层35。

在某些实施例中，该第二聚合物层32设置在该第四聚合物层34及该第五聚合物层35间，但是这些聚合物层32,34,35的排列并不限于此。在该第二实施例的一变化态样中，该第四聚合物层34设置在该第二聚合物层32及该第五聚合物层35间(参阅图4)。在该第二实施例的另一变化态样中，该第五聚合物层35设置在该第二聚合物层32及该第四聚合物层34间。

该第四聚合物层34及该第五聚合物层35中的每一者包括一由一聚合物混合物所制成的聚合物基质，及一分散在该聚合物基质内的颗粒状导电填料。该第四聚合物层34及该第五聚合物层35的聚合物混合物及颗粒状导电填料的合适成分可参考该第一聚合物混合物、该第二聚合物混合物及该第三聚合物混合物，以及该第一颗粒状导电填料、该第二颗粒状导电填料及该第三颗粒状导电填料所定义的，因此为了简洁起见，所以不再赘述。

该第四聚合物层34及该第五聚合物层35分别具有一第四体积电阻率及一第五体积电阻率。该第四体积电阻率及该第五体积电阻率可以高于或低于该第一体积电阻率、该第二体积电阻率及该第三体积电阻率，只要该第二体积电阻率高于该第一体积电阻率及该第三体积电阻率即可。

在某些实施例中，该第二体积电阻率高于该第四体积电阻率及该第五体积电阻率中的至少一者。在一示范的实施例中，该第二体积电阻率高于该第四体积电阻率及该第五体积电阻率中的至少一者至少1.4倍。

在其它的实施例中，该第四体积电阻率及该第五体积电阻率中的每一者都高于该第一体积电阻率及该第三体积电阻率。在一示范的实施例中，该第二体积电阻率高于该第四体积电阻率及该第五体积电阻率中的每一者至少1.4倍，且该第四体积电阻率及该第五体积电阻率高于该第一体积电阻率及该第三体积电阻率至少1.4倍。

值得注意的是，在该中间层状单元30中的聚合物层的数量可根据实际需求而变化。举例来说，除了该第二聚合物层32外，该中间层状单元30可以仅进一步包括设置在该第一聚合物层31及该第二聚合物层32间的该第四聚合物层34，或包括设置在该第二聚合物层32及该第三聚合物层33间的该第四聚合物层34。

本发明将就以下实施例来作进一步说明，但应了解的是，所述实施例仅为例示说明用，而不应被解释为本发明实施的限制。

聚合物共混组合物的制备

以下实施例所使用的三种聚合物共混组合物(也就是，R-H、R-M及R-L)是利用作为颗粒状导电填料的碳黑(简称CB)及聚合物混合物来制备。其中，该碳黑购自ColumbianChemicals Company、型号为Raven 430UB，且具有0.95的DBP/D及0.53g/cm³的堆积密度；该聚合物混合物包括作为未接枝烯烃系聚合物的高密度聚乙烯(简称HDPE，购自FormosaPlastics Corp.且型号为HDPE9002)及作为接枝烯烃系聚合物的不饱和羧酸接枝聚烯烃。该不饱和羧酸接枝聚烯烃为马来酸酐接枝-高密度聚乙烯(简称MA-G-HDPE)且购自Dupont，及型号为MB100D。该三种聚合物共混组合物中的每一者的HDPE、MA-G-HDPE及CB的重量百分比如表1所示。

将碳黑及聚合物混合物分别在Brabender混合器中配混。该配混的温度为200℃、搅拌速度为30rpm，且配混时间为10分钟，以获得三种聚合物共混组合物(也就是R-H、R-M及R-L)。将所述聚合物共混组合物中的每一者置于一模具中，然后，在200℃及80kg/cm²的压力下热压4分钟，以形成一片材。将该片材移出并放置在两个厚度为0.43mm的镀镍铜箔间。然后利用上述热压的条件将该片材及所述镀镍铜箔组合在一起，形成一个厚度为0.5mm的薄板。将该薄板切割成多个芯片，且每个芯片的面积为64cm²。利用钴-60伽马射线照射由各聚合共混组合物制成的芯片，而该钴-60伽马射线是由一台辐射器产生且具有150kGy的总辐射剂量。使用微欧姆计测量每个芯片在25℃的温度下的初始电阻。由各聚合物共混组合物制成的芯片的电阻的平均值及体积电阻率显示于表1中。如表1所示，该聚合物共混组合物R-H的体积电阻率高于该聚合物共混组合物R-M的体积电阻率，且该聚合物共混组合物R-M的体积电阻率高于该聚合物共混组合物R-L的体积电阻率。

表1

电路保护装置的制备

实施例1至12及比较例1至18中的每一者的电路保护装置是使用上述三种聚合物共混组合物R-H、R-M及R-L中至少一者来制备，以形成单层结构或多层结构(参见表2)。制备每个实施例的电路保护装置的详细步骤及条件描述如下。

表2

<实施例1>

首先，将聚合物共混组合物R-M置于一模具中，然后，将该聚合物共混组合物R-H及该聚合物共混组合物R-M依次堆叠，也就是，将该聚合物共混组合物R-H夹设在两种聚合物共混组合物R-M间。在200℃及80kg/cm²下热压4分钟后，该两种聚合物共混组合物R-M形成一第一聚合物层31及一第三聚合物层33，且该聚合物共混组合物R-H形成一中间层状单元30(也就是，第二聚合物层32)，而该中间层状单元30连接至该第一聚合物层31及该第三聚合物层33，如图2所示。该第一聚合物层31、该第二聚合物层32及该第三聚合物层33的厚度为0.64mm。

接着，将两个镀镍铜箔片(作为该第一电极2及该第二电极4)分别连接相反于该第二聚合物层32的该第一聚合物层31及该第三聚合物层33，并在200℃及80kg/cm²下持续热压4分钟，形成厚度为2mm的PTC聚合物积层板。将该PTC聚合物积层板切割成多个芯片，且每个芯片的面积尺寸为8mm×8mm。利用钴-60伽马射线照射所述芯片，且该钴-60伽马射线是由一辐射器产生并具有150kGy的总辐射剂量，从而形成实施例1的多个测试电路保护装置。

<实施例2至4>

制备实施例2至4的测试电路保护装置的步骤及条件与该实施例1类似，而不同在于使用于该第一聚合物层31、该第二聚合物层32及该第三聚合物层33的聚合物共混组合物。应当注意的是，在实施例1至实施例4的每一者中，该第二聚合物层32的体积电阻率高于该第一聚合物层31及该第三聚合物层33的体积电阻率。

<实施例5至12>

制备实施例5至12的测试电路保护装置的步骤及条件与该实施例1类似，而不同在于实施例5至12中的每一者的中间层状单元30包括一第四聚合物层34及一第五聚合物层35。此外，在该实施例5中，该第二聚合物层32设置在该第四聚合物层34及该第五聚合物层35间，而该第四聚合物层34及该第五聚合物层35分别连接该第一聚合物层31及该第三聚合物层33(参阅图3)。在该实施例6至实施例12中，该第四聚合物层34设置在该第二聚合物层32及该第五聚合物层35间，而该第二聚合物层32及该第五聚合物层35分别连接该第一聚合物层31及该第三聚合物层33(参阅图4)。

该第一聚合物层31、该第二聚合物层32、该第三聚合物层33、该第四聚合物层34，及该第五聚合物层35中的每一者由表2中列出的聚合物共混组合物所制成，且具有0.39mm的厚度。

<比较例1、比较例4及比较例7>

制备比较例1、比较例4及比较例7的测试电路保护装置的步骤及条件与该实施例1类似，而不同在于该比较例1、比较例4及比较例7不具有该第二聚合物层32及该三聚合物层33(也就是，单层结构)，且两个镀镍铜箔片分别连接该第一聚合物层31的两个相反面上(参阅图1)。此外，该第一聚合物层31的厚度为1.93mm，且由表2中列出的聚合物共混组合物所制成。

<比较例2、比较例5、比较例8及比较例10至12>

制备比较例2、比较例5、比较例8及比较例10至12的测试电路保护装置的步骤及条件与该实施例1类似，而不同在于比较例2、比较例5、比较例8及比较例10至12的测试电路保护装置不具有该第二聚合物层32(也就是，双层结构)，且该第一聚合物层31及该第三聚合物层33中的每一者具有0.97mm的厚度并由表2中列出的聚合物共混组合物所制成。

<比较例3、比较例6、比较例9及比较例13至16>

制备比较例3、比较例6、比较例9及比较例13至16的测试电路保护装置的步骤及条件与该实施例1类似，而不同在于比较例3、比较例6、比较例9及比较例13至16的第二聚合物层32的体积电阻率低于该第一聚合物层31及该第三聚合物层33的体积电阻率。所述比较例的该第一聚合物层31及该第三聚合物层33中的每一者是由表2中列出的聚合物共混组合物所制成。

<比较例17至18>

制备比较例17至18的测试电路保护装置的步骤及条件与该实施例6类似，而不同在于比较例17至18的第二聚合物层32、第四聚合物层34及第五聚合物层35中的每一者的体积电阻率低于该第一聚合物层31及该第三聚合物层33的体积电阻率。比较例17至18的该第一聚合物层31、该第二聚合物层32、该第三聚合物层33、该第四聚合物层34，及该第五聚合物层35中的每一者由表2中列出的聚合物共混组合物所制成。

性能测试

[初始电阻测试](于室温下的电阻)

使用一微欧姆表对实施例1至12及比较例1至18中的每一个测试电路保护装置进行电阻测试。

实施例1至12及比较例1至18中的每一个测试电路保护装置的初始电阻是在25℃进行测量。实施例1至12及比较例1至18中的每一个测试电路保护装置的初始电阻的平均值及体积电阻率如表3所示。该体积电阻率是利用初始电阻及电阻定律计算出来的。

[击穿测试(Breakdown Test)]

对实施例1至12及比较例1至18中的每一个测试电路保护装置进行击穿测试，并计算出通过该击穿测试而未烧毁的所述测试电路保护装置的通过率。该击穿测试以10个循环来进行。每个循环是对测试电路保护装置施予一定DC电压(100V、150V及200V)及一定电流(3A、5A及7A)60秒，然后，停止施予该定DC电压及该定电流60秒。

该击穿测试的结果(n/10×100％，n表示通过击穿测试而未烧毁的测试电路保护装置的数量)如表3所示。

表3

从表3可以看出，比较例1至3、比较例4至6及比较例7至9的测试电路保护装置表现出实质上相同的初始电阻及相同的体积电阻率，此表示，使用相同的聚合物共混组合物来形成单层结构或多层结构，并不会改变所得到的电路保护装置的电阻。

此外，几乎所有实施例1至12的测试电路保护装置都通过了击穿测试。比较例1至18的测试电路保护装置在200Vdc的高电压下具有相当低的通过率(范围从0％至80％)，此表示，比较例1至18的测试电路保护装置容易在高压下损坏或烧毁。

详细地说，相较于比较例1至3的测试电路保护装置，实施例1至3的测试电路保护装置(也就是，该第二聚合物层32夹设在具有相当低电阻的第一聚合物层31及第三聚合物33间)具有相当低的体积电阻率，及相当高的击穿测试的通过率，特别是在高压下。在实施例4及比较例4至9的测试电路保护装置可以观察到类似的结果。此外，相较于实施例1至4，比较例13至16的测试电路保护装置(包含夹设在该第一聚合物层与该第三聚合物层间的该第二聚合物层)因该第一聚合物层31及该第三聚合物层33的体积电阻率高于该第二聚合物层32，而导致易于被破坏。然而，借由纳入具有体积电阻率高于该第一聚合物层31及该第三聚合物层33的体积电阻率的第二聚合物层32，该过电流保护装置可以有效地承受击穿。本发明申请人认为当具有相当高电阻的聚合物层在高电压及高电流下直接接合到电极(例如，比较例10至16)时，可能发生不期望的电弧(electric arc)及闪络(flashover)，从而导致过电流保护装置的损坏或烧毁。然而，在本内容中，由于每个具有相当高电阻的聚合物层没有直接接触所述电极，因此可以显著避免不期望的电弧及闪络现象。

关于具有五层结构的测试电路保护装置(即实施例5至12及比较例17至18)，实施例5至12的测试电路保护装置在200Vdc的高电压下具有相当高的通过率，而比较例17至18的测试电路保护装置只有10％至50％的通过率，此表示，当该中间层状单元30的第二聚合物层32的体积电阻率高于该第一聚合物层31及该第三聚合物层33的体积电阻率，该实施例5至12的测试电路保护装置的击穿测试的通过率可以显著地增加。

综上所述，借由控制该第二聚合物层32的体积电阻率高于该第一聚合物层31及该第三聚合物层33的体积电阻率，本发明的过电流保护装置表现出良好的电性质。