一種可提高維持電流的高穩定性PTC熱敏組件的制作方法

本發明涉及一種可提高維持電流的高穩定性PTC熱敏元件，其通過堆疊并聯增加正溫度系數效應芯材的有效面積，從而降低PTC組件的電阻提高維持電流；同時絕緣材料包覆正溫度系數效應芯材，一方面利用絕緣材料隔絕空氣和濕氣，另一方面限制正溫度系數效應的材料層膨脹從而提高其穩定性。因而可以滿足各種極端環境的應用后維持低電阻，增長了PTC的使用壽命。

背景技術：

具有電阻正溫度系數的導電復合材料在正常溫度下可維持極低的電阻值，且具有對溫度變化反應敏銳的特性，即當電路中發生過電流或過高溫現象時，其電阻會瞬間增加到一高阻值，使電路處于斷路狀態，以達到保護電路元件的目的。因此可把具有電阻正溫度系數的導電復合材料連接到電路中，作為電流傳感元件的材料。此類材料已被廣泛應用于電子線路保護元器件上。

圖1所示的現有電阻正溫度效應的芯材常用結構，由具有正溫度系數效應的芯片11的上、下表面的電極箔12上而組成。圖2顯示的是現有的過流保護的PTC熱敏組件，其是將兩金屬引腳13一端分別焊接在具有正溫度系數效應的芯片11的上、下表面的電極箔12上而組成。金屬引腳用來連接需保護的電氣產品。圖2所示的結構PTC熱敏組件具有導熱快，保護反應迅速及時的特點。

隨著智能手機的普及，手機電芯容量也越來越大，手機APP軟件應用對放電電流多樣性，快充的流行都對過流保護PTC熱敏元件要求也越來越高，期望其降低初始電阻，提高可維持電流，同時能夠適應各種脈沖電流，即在脈沖電流下PTC仍具有較高的穩定性，不發生誤動作。同時，隨著手機內置處理的高端化，內置硬件發熱也遠高于功能手機，因而PTC在手機端經歷復雜的溫度沖擊下發生升阻而產生誤動作保護。故智能手機電池應用急需高穩定性的PTC熱敏組件，提高客戶的體驗感。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于提供一種高穩定性PTC的熱敏組件，其具有有效增大PTC芯材的面積，降低初始電阻低的特性，提高PTC的可維持電流，同時在多次溫度沖擊或電流沖擊下，仍能夠保持低電阻特性，滿足電池的正常充放電需要。

本發明解決上述技術問題所采取的技術方案是高穩定性PTC熱敏組件，其特征在于：包含：

（1）具有電阻正溫度效應的芯材，芯材由上電極箔、下電極箔及緊密夾固在上下電極箔間的具有電阻正溫度效應的材料層；其中：電阻正溫度效應復合材料層包含至少一種結晶性高分子材料和至少一種分散于該結晶性高分子材料的導電填料，導電填料的體積電阻率低于200μΩ.cm，熱導率大于10W/(m.K)，粒徑大小介于0.1μm至30μm，且D₅₀不大于20μm；電極箔基材為金屬或金屬合金，其體積電阻率低于10μΩ.cm，熱導率不低于100W/(m.K)；

（2）將兩張具有電阻正溫度效應的芯材通過圖形轉移蝕刻技術使第一個復合片芯材的第二導電電極和第二個復合片芯材的第一導電電極蝕刻出絕緣槽，然后將絕緣層疊放于完成蝕刻的兩復合片材之間，并與兩片材的蝕刻面貼合，進行高溫壓合。壓合后的基板經過后續的鉆孔、沉銅、鍍銅,并對壓合后的最外層導電電極做外層蝕刻，蝕刻出絕緣槽，即為堆疊的并聯結構的內置芯材；

（3）絕緣材料框：其框內尺寸與厚度同PTC芯材尺寸相近，在框厚、框內長、寬均較PTC芯材對應尺寸均不大于2mm；

（4）絕緣半固化樹脂材料：具有固化粘結性能，固化后能與絕緣樹脂框和電極箔粘結；

（5）電極箔：基材為金屬或金屬合金，其體積電阻率低于10μΩ.cm，熱導率不低于100W/(m.K)；

（6）盲孔：孔內采用導電金屬填滿，連接最外表面端電極箔通過盲孔與PTC芯材表面的電極箔，導電金屬體積電阻率低于10μΩ.cm，熱導率不低于100W/(m.K)；

在上述方案的基礎上的PTC熱敏組件，其特征在于：所述的PTC熱敏組件總厚度介于0.2~5.0mm 之間。

在上述方案的基礎上的PTC熱敏組件，其特征在于：所述的具有電阻正溫度效應的芯片的面積介于2~500mm²之間。

在上述方案的基礎上的PTC熱敏組件，其特征在于：所述的絕緣樹脂框的厚度介于0.15~4.8mm，絕緣樹脂框外圈面積介于2.1~600 mm²之間，絕緣樹脂框內圈面積介于2~500mm²之間。

在上述方案的基礎上的PTC熱敏組件，其特征在于：所述的半固化絕緣材料的厚度介于10~1000um，面積至少可以全覆蓋絕緣樹脂框內圈面積。

在上述方案的基礎上的PTC熱敏組件，其特征在于：所述的電極箔的基材為金、銀、銅、鋅、鎳及其合金，且可在金屬電極箔表面鍍有其他金屬層，其金屬層可以為鎳、錫、鋅、鎢、銀、金、鉑及它們的合金，鍍層的厚度在1.0um~100um;，較優選擇1.0~50.0um；最優選擇1.0~25.0um；

在上述方案的基礎上的PTC熱敏組件，其特征在于：所述的盲孔導電孔的數量至少為1個，盲孔的總面積≥0.002mm²；

本發明的高穩定性的PTC熱敏元件中PTC芯材面積具有較低的初始電阻，且在具有較大維持電流的同時具有高穩定特性。在惡劣環境老化測試中仍具有較低的電阻，可滿足智能手機終端的復雜應用條件而不會發生誤保護現象。此外，本發明的高穩定PTC熱敏元件不僅可以通過點焊加工，還可以通過回流焊加工，加工方式更多元化。

附圖說明

圖1為現有的常規的PTC熱敏組件的結構示意圖。

圖2為現有的常規的PTC熱敏元件的結構示意圖。

圖3為高穩定性PTC熱敏組件結構示意圖。

圖4為高穩定性PTC熱敏組件內部結構示意圖。

圖5為高穩定性可點焊加工的PTC熱敏元件的結構示意圖。

圖6為本發明的堆疊的并聯結構的內置芯材

圖7 為本發明的可提高維持電流的高穩定性PTC熱敏組件的結構示意圖

1－具有電阻正溫度效應的材料層

2－電極箔

3－金屬引腳

4—絕緣框

5—絕緣樹脂層

6—盲孔

7—電極蝕刻區

8—導電端

9—堆疊的并聯結構內置芯材絕緣層。

具體實施方式

以下通過具體的實施例對本發明作進一步的詳細說明。

以下通過具體的實施例對本發明作進一步的詳細說明。

對比例

制備PTC熱敏元件的導電復合材料PTC的組成為：

（a）聚合物體積分數為42%，熔融溫度為135℃和密度為0.952g/cm³的高密度聚乙烯；

（b）導電填料為導電炭黑，體積分數為58%，其粒徑小于44μm，熱導率為129W/(m.K)，體積電阻率800~1300μΩ.cm；

（c）電極箔基材為純鎳，熱導率為88W/(m.K)，電阻率為6.84μΩ·cm；

（d）引腳為純鎳導電金屬引腳，鎳的熱導率為88W/(m.K)，電阻率為6.84μΩ·cm；

將轉矩流變儀溫度設定在180℃，轉速為30轉/分鐘，先加入聚合物和氧化鎂密煉1分鐘后，加入導電填料，然后繼續密煉20分鐘，得到導電復合材料，將熔融混合好的導電復合材料通過開煉機薄通拉片，得到厚度為0.20～0.25mm的導電復合材料1。

PTC熱敏元件的制備過程如下：

請參閱圖1（本發明的具有電阻正溫度效應復合材料芯片的示意圖），將導電復合材料11置于上下對稱的兩純鎳金屬箔片21，22之間，純鎳金屬箔片21，22具有至少一粗糙表面，且所述粗糙表面與導電復合材料1直接接觸。再通過熱壓合的方法將導電復合材料1和金屬箔片21，22緊密結合在一起，熱壓合的溫度為180℃，先預熱5分鐘，然后以5MPa的壓力微壓3分鐘，再以12MPa的壓力熱壓10分鐘，然后在冷壓機上冷壓8分鐘，以模具將其沖切成3.0×4.0mm的單個元片，為所述的具有電阻正溫度效應復合材料芯片，即PTC芯片0。最后通過回流焊的方法將兩個純鎳金屬引腳31，32連接在兩個純鎳金屬箔片21，22表面，形成PTC熱敏元件。

實施例一

制備導電復合材料及PTC熱敏元件的步驟與對比例相同，但導電填料由石墨替換為碳化鈦固熔體，其粒徑小于10μm，體積電阻率42μΩ.cm，熱導率為18W/(m.K)。

實施例二

制備導電復合材料及PTC熱敏元件的步驟與實施例2相同，但在實施例一的基礎上將純鎳電極箔更換為純銅電極箔、電阻率1.7μΩ.cm，熱導率為380 W/(m.K)；

實施例三

制備導電復合材料及PTC熱敏元件的步驟與實施例3相同，但在實施例二的基礎上將正溫度系數芯片尺寸沖切成2.4*3.6mm單個元片；

實施例四

制備導電復合材料及PTC熱敏元件的步驟與實施例3相同，但在實施例三的基礎上將沖切成2.4*3.6mm單個元片植入FR-4框內，通過半固化絕緣樹脂材料將銅箔復合在FR-4框的兩面，通過PCB加工加工盲孔沉銅，連接最外表面端電極箔通過盲孔與PTC芯材表面的電極箔，實現通路結構，以此作為PTC組件，兩面焊接純鎳金屬引腳131，132連接在兩個純鎳金屬箔片121，122表面，形成PTC熱敏元件。

實施例五

制備導電復合材料及PTC熱敏元件的步驟與對比例相同，但將導電復合材料芯片采用印制線路板工藝制成表面貼裝型高分子PTC過電流保護元件。在線路板工藝制造過程中，疊層工藝采用本發明特殊設計，將過電流保護元件最外層的其中一個導電電極蝕刻，剩余電極留作連接盲孔，此時即為堆疊的并聯結構內置芯材。將并聯結構內置芯材植入FR-4框內，通過半固化絕緣樹脂材料將銅箔復合在FR-4框的兩面，通過PCB加工加工盲孔沉銅，連接最外表面端電極箔通過盲孔與PTC芯材表面的電極箔，實現通路結構，以此作為PTC組件，兩面焊接純鎳金屬引腳131，132連接在兩個純鎳金屬箔片121，122表面，形成PTC熱敏元件。即為所述的可提高維持電流的高穩定性PTC組件。

表1為由本發明的導電復合材料制備的PTC元件在85℃/85% RH的條件下放置500hr和85℃/-40℃，1hr循環沖擊100cycle后在25℃的溫度環境里放置1小時后的電阻測試數據，以及環境放置后再Trip 1次后在25℃的溫度環境里放置1小時后的電阻測試數據。

表1中的R表示通過回流焊在PTC元件的兩個金屬箔片12，12’表面上焊上兩個金屬引腳13，13’之前PTC元件的電阻；

R0表示所述PTC熱敏元件的成品電阻；

Ihold表示所述的PTC熱敏組件可維持的最大電流；

Trip表示所述的PTC熱敏組件發生Trip的最小電流；

R(85℃/85%RH)表示所述PTC元件在85℃/85% RH條件下放置500小時后，然后在25℃的溫度環境里放置1小時后所測得的電阻值；

R(85℃/85%RH)+Trip表示所述PTC元件在85℃/85% RH條件下放置500小時后在6V/50A條件下Trip一次，然后在25℃的溫度環境里放置1小時后所測得的電阻值；

R(85℃/-40℃，1hr)表示所述PTC元件在85℃，1hr/-40℃，1hr循環100次，然后在25℃的溫度環境里放置1小時后所測得的電阻值；

R(85℃/-40℃，1hr)+ Trip表示所述PTC元件在85℃，1hr/-40℃，1hr循環100次后在6V/50A條件下Trip一次，然后在25℃的溫度環境里放置1小時后所測得的電阻值。

本發明的內容和特點已揭示如上，然而前面敘述的本發明僅僅簡要地或只涉及本發明的特定部分，本發明的特征可能比在此公開的內容涉及的更多。因此，本發明的保護范圍應不限于實施例所揭示的內容，而應該包括在不同部分中所體現的所有內容的組合，以及各種不背離本發明的替換和修飾，并為本發明的權利要求書所涵蓋。