CN108447634A

CN108447634A - 表面贴装型热敏电阻组件

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Publication number: CN108447634A
Application number: CN201810081333.XA
Authority: CN
Inventors: 王绍裘
Original assignee: KUNSHAN JUDA ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: KUNSHAN JUDA ELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2018-08-24
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: CN108447634B

Abstract

本发明公开了一种表面贴装型热敏电阻组件，包括第一芯片、第二芯片、第一引脚和第二引脚，第一芯片包含第一PTC芯材和贴覆于第一PTC芯材上、下表面的两个金属电极层，第二芯片包含第二PTC芯材和贴覆于第二PTC芯材上、下表面的两个金属电极层，且第一芯片和第二芯片层状堆叠，第一引脚连接第一芯片的一个金属电极层和第二芯片的一个金属电极层，第二引脚连接第一芯片的另一个金属电极层和第二芯片的另一个金属电极层，第二引脚包含叠置于第一芯片和第二芯片之间的共享电极，从而第一芯片和第二芯片形成并联电路，第一PTC芯材包含导电陶瓷填料和碳黑，且第二PTC芯材包含碳黑。本发明可承受30V/40A的循环寿命测试300次而不致烧毁。

Description

表面贴装型热敏电阻组件

【技术领域】

本发明涉及一种热敏电阻组件，特别是涉及一种具有高耐电压和低电阻特性的表面贴装型热敏电阻组件。

【背景技术】

由于目前单一电池本身电压较低，如铅酸(Lead-Acid)2V、镍氢(Ni-MH)与镍镉(Ni-Cd)电池为1.2V，锂离子(Lithium Ion)电池为3.7V，因此在许多应用中，当负载所需电压高于单一电池的电压时，会以多颗电池串联的形式供电，达成提升电压的需求。

电池可以串接正温度系数(PTC)保护组件，而达到过电流的保护。传统的PTC保护组件仍以碳黑与高分子复合材料***为主，由于碳黑材料导电率不足，使得保护组件消耗过多能源，相对限制电池的可负载电流量，降低电池待机时间，但因其阻抗较高相对的耐电压可达到要求。如以较低阻值的陶瓷粉替换原有的碳黑材料，预期将可开发出低电阻复合材料，但因其低电阻的特性相对耐电压会有不足现象。传统的表面贴装型SMD保护组件受限于原始PCB制程设计、材料选择和固有结构，使得其耐电压仅可达约20V，当电池电压继续提高，则传统的已无法满足其保护要求。为了一举突破传统碳黑导电极限，以及低阻陶瓷材料的耐压不足问题，本发明将通过材料整合与新结构设计，有助提升产品的耐电压且同时达到低阻值的需求。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种表面贴装型热敏电阻组件，其具有优良的低电阻和耐电压特性，可以通过30V/40A的循环寿命测试300次循环而不烧毁，有效解决了低电阻和高耐电压不易同时兼顾的难题。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种表面贴装型热敏电阻组件包括第一芯片、第二芯片、第一引脚和第二引脚。该第一芯片包含第一PTC芯材和贴覆于该第一PTC芯材上、下表面的两个金属电极层。、该第二芯片包含第二PTC芯材和贴覆于该第二PTC芯材上、下表面的两个金属电极层，且该第一芯片和二芯片层状堆叠。该第一引脚连接该第一芯片的一个金属电极层和该第二芯片的一个金属电极层。该第二引脚连接该第一芯片的另一个金属电极层和该第二芯片的另一个金属电极层。该第二引脚包含叠置于该第一芯片和第二芯片之间的共享电极，从而该第一芯片和第二芯片形成并联电路。该第一PTC芯材包含导电陶瓷填料和碳黑，且该第二PTC芯材包含碳黑。该表面贴装型热敏电阻组件可承受30V/40A的循环寿命测试300次而不致烧毁。

一实施例中，该第一引脚包含分叉的第一水平部分和第二水平部分，且该第一水平部分和第二水平部分位于不同平面，从而分别连接该第一芯片的一个金属电极层和该第二芯片的一个金属电极层。

一实施例中，该第二引脚包含第三水平部分作为该共享电极。

一实施例中，该第一水平部分和第二水平部分的面积相同。

一实施例中，该第一引脚和第二引脚还包含用于表面贴装的焊接部。

一实施例中，该第一引脚和第二引脚均为一体成形。

一实施例中，该第一PTC芯材的导电陶瓷填料包含碳化钨。

一实施例中，该第一PTC芯材中碳化钨的体积百分比为30～45％，碳黑的体积百分比为2～20％。

一实施例中，该第二PTC芯材不包含导电陶瓷填料，或还包含体积百分比小于10％的导电陶瓷填料。

一实施例中，该金属电极层的厚度为50～90μm。

与现有技术相比，本发明的表面贴装型热敏电阻组件的有益效果在于：通过多个芯片的并联设计、导电陶瓷填料和碳黑的适当搭配、以及金属电极层的厚度的优化，可以同时达到低电阻和高耐电压的需求，使得耐电压达30V或60V以上。

【附图说明】

图1为本发明一实施例的表面贴装型热敏电阻组件的侧面结构示意图；

图2为本发明一实施例的表面贴装型热敏电阻组件的***结构示意图；

图3为本发明另一个实施例的表面贴装型热敏电阻组件的第一引脚的示意图。

附图标记说明：

10 表面贴装型热敏电阻组件

11 第一芯片

12 第一引脚

13 第二引脚

14 电极连接部

15 垂直部

16 焊接部

17 电极连接部

18 垂直部

19 焊接部

21 第二芯片

111 第一PTC芯材

112 金属电极层

211 第二PTC芯材

141 第一水平部分

142 第二水平部分

【具体实施方式】

下面请参照说明书附图，对本发明进一步描述。

图1显示本发明一个实施例的表面贴装型热敏电阻组件10的示意图，图2显示表面贴装型热敏电阻组件10的分解立体示意图。表面贴装型热敏电阻组件10包含层状堆叠的第一芯片11、第二芯片21、第一引脚12和第二引脚13。本实施例中，第一芯片11为包含PTC芯材111和贴覆于该PTC芯材111上下表面的金属电极层112的三明治结构。类似的，第二芯片21也是包含PTC芯材211和贴覆于该PTC芯材211上下表面的金属电极层112的三明治结构。该第一引脚12和第二引脚13为弯折形结构，其中弯折成多个部分，或特别是包含水平和垂直的部分，但并不以此为限。优选地，不论是该第一引脚12或第二引脚13都是一体成形的结构，也就是第一引脚12或第二引脚13中的整体都是来自同一金属电极片，可先行利用冲压制作成包含多个第一引脚12和第二引脚13的梳子状电极，并与第一芯片11、第二芯片21结合后经弯折切割而成多个表面贴装型热敏电阻组件10。第一芯片11中的一个金属电极层112和第二芯片21中的一个金属电极层112连接该第一引脚12形成电导通，第一芯片11中的另一个金属电极层112和第二芯片21中的另一个金属电极层112连接该第二引脚13形成电导通。本实施例中，该第二引脚13的一端形成水平部分，叠置于上、下的第一芯片11和第二芯片21之间，作为第一芯片11和第二芯片21的共享电极，从而该第一芯片11和第二芯片21形成并联电路。

本实施例中，第一引脚12包含电极连接部14、垂直部15和焊接部16，其中电极连接部14和焊接部16沿水平方向延伸，垂直部15沿垂直方向延伸且连接电极连接部14和焊接部16。电极连接部14连接第一芯片11的一个金属电极层112和第二芯片21的一个金属电极层112，该第一焊接部16作为表面黏着的焊接接口。特而言之，本实施例中，该电极连接部14包含分叉的第一水平部分141和第二水平部分142，且该第一水平部分141和第二水平部分142位于不同水平面。该第一水平部分141包含分布于上表面两侧的两电极条，且物理接触第一芯片11的上表面。第二水平部分142与第一水平部分141前后错开，且物理接触第二芯片21的下表面约中央部分。该第二水平部分142与第一水平部分141自同一板材(例如镍片)作出两条切割线后弯折形成。第一水平部分141和第二水平部分142的面积实质相同，也就是包含两电极条的第一水平部分141的面积约等于第二水平部分142的面积，从而提供相同的有效电极面积。一实施例中，第一水平部分141的各电极条的宽度约0.75mm，第二水平部分142的宽度约为1.5mm，从而提供上、下第一芯片11和第二芯片21等同的有效电极面积。

第二引脚13包含电极连接部17、垂直部18及焊接部19。该电极连接部17作为第三水平部分连接第一芯片11和第二芯片21的另一个金属电极层112，该第二垂直部18连接该电极连接部17和焊接部19。特别是，该电极连接部17物理接触该第一芯片11和第二芯片21相对面的金属电极层112，亦即，该电极连接部17叠设于第一芯片11和第二芯片21相邻的金属电极层112之间，作为该第一芯片11和第二芯片21的共享电极。该焊接部16和焊接部19弯折向内，且使得焊接部16和焊接部19位于同一平面，作为焊接面，以便表面贴装于一电路板。本实施例中该焊接部16自垂直部15弯折朝内，且该焊接部19自垂直部18弯折朝内。焊接部16和19的弯折方向可视实际需求调整，并不以此为限。

参照图3，第一引脚12也可以于同一板材中央作出一条切割线，之后弯折形成宽度相同且前后错开的第一水平部分141和第二水平部分142，例如宽度都是1.5mm，同样可提供上、下第一芯片11和第二芯片21等同的有效电极面积。因为图3的第一水平部分141不像图2分成两电极条，有更优的强度，且制作上也比较简单。

为了防止第一引脚12和第二引脚13不预期的短路问题，表面贴装型过电流保护组件10可另外包覆绝缘层，该绝缘层至少包覆该第一芯片11和第二芯片21及部分的第一引脚12和第二引脚13，特别是包覆该电极连接部14和电极连接部17，但必须至少露出该焊接部16和焊接部19，以供表面贴装之用。该绝缘层可选用热固型聚合物，其必须可耐受后续回焊(reflow soldering)制程的高温。除绝缘外，绝缘层可选择具备散热特性之材料，提供该第一芯片11和第二芯片21较佳的散热效果，以增加维持电流值。绝缘层的导热率可达1W/m·K、2W/m·K或4W/m·K，端视需求而定。该绝缘层可以利用射出成型、喷涂或以导热绝缘片材包覆等方式加以制作。

PTC芯材111和211包含结晶性高分子聚合物和散布其间的导电填料。结晶性高分子聚合物一般为聚烯烃类聚合物，例如：聚乙烯。该导电填料为碳黑、金属或导电陶瓷粉末。碳黑价格便宜，但其体积电阻值较高。金属和导电陶瓷粉末的体积电阻值较低，适合于组件小型化和低电阻场合的应用。导电填料的粒径大小介于0.01μm至30μm之间。金属粉末可选自镍、钴、铜、铁、锡、铅、银、金、铂或其他金属及其合金。导电填料中之导电陶瓷粉末可选自金属碳化物，例如：碳化钛(TiC)、碳化鵭(WC)、碳化钒(VC)、碳化锆(ZrC)、碳化铌(NbC)、碳化钽(TaC)、碳化钼(MoC)及碳化铪(HfC)；或选自金属硼化物，例如：硼化钛(TiB2)、硼化钒(VB₂)、硼化锆(ZrB₂)、硼化铌(NbB₂)、硼化钼(MoB₂)及硼化铪(HfB₂)；或选自金属氮化物，例如：氮化锆(ZrN)。本发明的导电填料可选自前述金属或导电陶瓷经物理或化学方式形成之混合物、合金、固溶体或核壳体。

总的来说，表面贴装型热敏电阻组件10通过以下步骤制作：(a)原材料处理：由于原先导电粉末颗粒大小不一，而过大的粉末尺寸都将使得材料的可靠度下降，因此需经过筛选，才可挑选出最适当之粒径分布与粒径大小。进而提升组件的回复性。(b)高分子与导电填充物掺混：藉由材料配方调整，寻找出最适当的材料配比，同时改变不同的掺混参数观察材料与电阻的相关性。此外在陶瓷粉末高分子掺混***的玻璃转移温度设定在90～140℃之间，高温高分子掺混***的玻璃转移温度设定在160～280℃之间。(c)材料与金属箔压合阶段：经由调整材料的流变特性与射出膜头的流道设计，并在设备精度等参数调控下，将可以产出厚度均匀性极佳的导电高分子复合材料。(d)成品组装阶段：完成压合后的板材，将加工为成品，并进行一系列的可靠度与环境验证，制作成方型电池用热敏电阻。

除了上述包含两个芯片的实施例外，本发明亦可应用于并联更多芯片的情况。例如并联三个芯片。根据相同方式，本发明可以制作出包含更多并联芯片的表面贴装型过电流保护组件，从而进一步降低整体的电阻值。

本发明的表面贴装型热敏电阻组件10进行耐电压循环寿命(cyclic life)测试，利用测试机台在短时间内组件瞬间通过超出产品规格的电流，测试材料在不断反复作动的状况下，其结构性是否会被破坏，造成组件烧毁，并且可仿真客户的产品在电流异常的情况下，组件保护产品的能力，为组件信赖度测试(reliability test)。

以下针对图1所示的表面贴装型过电流保护组件进行耐电压循环寿命的测试。组件均属2920大小的组件，PTC芯材表面的金属电极层选用2oz铜箔，亦即其厚度为70μm。待测组件施加30V/40A以进行循环寿命测试，量测经过不同触发(trip)次数或循环次数后的电阻值。表1显示使用两种不同材料配方的比较，一个实施例中的第一芯片的导电填料选用碳化钨(以W表示)和碳黑(以C表示)的混合物，第二芯片的导电填料纯粹使用碳黑，不包含导电陶瓷填料。表1中记载经过不同触发(trip)次数或循环次数后的电阻值，Ri为组件的启始电阻值，R₁、R₁₀、R₅₀、R₁₀₀、R₂₀₀和R₃₀₀分别表示循环1次、10次、50次、100次、200次和300次后的电阻值。另一个实施例则将第一芯片和第二芯片全部使用碳化钨和碳黑的混合物。相较之下，第一芯片的第一PTC芯材中导电填料选择W+C和第二芯片的的第二PTC芯材中导电填料选择C的实施例可以通过循环寿命300次测试而不致烧毁，然而第一芯片和第二芯片全部采用W+C的实施例，则无法通过循环寿命300次测试。也就是一个芯片选择导电陶瓷填料和碳黑混合物作为导电填料，另一个芯片的导电填料选择碳黑者，呈现出较佳的耐电压特性。由此可见，芯片选用的导电填料也会对于耐电压特性有所影响。实际操作上，第二PTC芯材只能包含少量的导电陶瓷填料，例如体积百分比必须小于10％。

表1

如图1所示的结构，包含的两个芯片的表面贴装型过电流保护组件，其中选用的金属电极层的厚度也会对于耐电压特性有所影响。如表2所示，两者组件均属2920大小的组件，且使用同样的碳化钨和碳黑混合物的配方，但上下表面的金属电极层的厚度分别选用1oz铜箔和2oz铜箔，亦即分别为35μm和70μm。1oz和2oz的实施例经30V/40A的循环寿命测试，其中1oz实施例经循环寿命300次测试后的电阻R₂₀₀明显高于2oz的实施例，且1oz实施例无法通过循环寿命300次测试而烧毁，1oz实施例通过循环寿命300次测试而无烧毁现象。金属电极层的厚度不能太薄，优选为50～90μm，例如60μm、70μm或80μm。

表2

如图1所示的包含的两个芯片的表面贴装型过电流保护组件(双层PTC)，以及包含单个芯片的传统型表面贴装型过电流保护组件(单层PTC)一并进行30V/40A的循环寿命测试，测试结果如表3所示。两者组件均属2920大小的组件，且使用同样的碳化钨和碳黑混合物的配方，上下表面的金属电极层的厚度同样选用2oz铜箔。由表3结果可知，单层PTC的实施例无法通过循环寿命50次测试而烧毁，双层PTC的实施例可通过循环寿命300次测试而无烧毁现象。显然双层PTC的实施例相较于单层PTC者可以大幅提高其耐电压特性。

表3

上述实施例所选用的碳化钨和碳黑混合物中的碳化钨的体积百分比为30～45％，或特别为35％或40％，碳黑的体积百分比为2～20％，或特别是5％、10％或15％。

总的来说，经不同电压下的循环寿命测试，传统型设计通常仅能承受约20V的电压，本发明的表面贴装型过电流保护组件则至少可承受达30V，甚至可进一步承受40V、或更高的60V电压。

本发明将开发可适用于高耐电压的方型锂离子电池的保护电流的保护组件材料，由新一代的陶瓷导电体与高分子复合材料做高耐电压的开发应用，相较前一代的碳黑***在同样电流的状况下，能够耐压至30V以上，而又能提供更高的保持电流，所以在应用上的发展不再局限于一般笔记本电脑等低电压电池模块的应用，可延伸至高电压应用端以及串并联电池的开发如电动车或发电设备所需的储能电池等做适当的过电流保护，尤其是电动交通工具等环保载具，同时都藉由此产品有了解决方案，更可以协助电池厂发展高容量电池及应用，以及电池组组装上有更多的选择，以配合提升整体产业发展所需。

本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域相关技术人员仍可能基于本发明的启示及公开而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所示，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为权利要求所涵盖。

Claims

1.一种表面贴装型热敏电阻组件，其特征在于：所述表面贴装型热敏电阻组件可承受30V/40A的循环寿命测试300次而不致烧毁，其包括

若干层状堆叠的第一芯片和第二芯片，该第一芯片包括第一PTC芯材和贴覆于该第一PTC芯材上、下表面的两个金属电极层，该第二芯片包括第二PTC芯材和贴覆于该第二PTC芯材上、下表面的两个金属电极层；

第一引脚，该第一引脚连接该第一芯片的一个金属电极层和该第二芯片的一个金属电极层；以及

第二引脚，该第二引脚连接该第一芯片的另一个金属电极层和该第二芯片的另一个金属电极层；

其中该第二引脚包含叠置于该第一芯片和第二芯片之间的共享电极，从而该第一芯片和第二芯片形成并联电路；

其中该第一PTC芯材包含导电陶瓷填料和碳黑，且该第二PTC芯材包含碳黑。

2.根据权利要求1所述的表面贴装型热敏电阻组件，其特征在于：该第一引脚包括分叉的且位于不同水平面上的第一水平部分和第二水平部分，该第一水平部分和第二水平部分分别连接该第一芯片的一个金属电极层和该第二芯片的一个金属电极层。

3.根据权利要求1所述的表面贴装型热敏电阻组件，其特征在于：该第二引脚包含第三水平部分作为该共享电极。

4.根据权利要求2所述的表面贴装型热敏电阻组件，其特征在于：该第一水平部分和第二水平部分的面积相同。

5.根据权利要求3所述的表面贴装型热敏电阻组件，其特征在于：该第一引脚和第二引脚还包含用于表面贴装的焊接部。

6.根据权利要求1所述的表面贴装型热敏电阻组件，其特征在于：该第一引脚和第二引脚均为一体成形结构。

7.根据权利要求1所述的表面贴装型热敏电阻组件，其特征在于：该第一PTC芯材的导电陶瓷填料包含碳化钨。

8.根据权利要求7所述的表面贴装型热敏电阻组件，其特征在于：该第一PTC芯材中碳化钨的体积百分比为30～45％，碳黑的体积百分比为2～20％。

9.根据权利要求1所述的表面贴装型热敏电阻组件，其特征在于：该第二PTC芯材不包含导电陶瓷填料，或还包含体积百分比小于10％的导电陶瓷填料。

10.根据权利要求1所述的表面贴装型热敏电阻组件，其特征在于：该金属电极层的厚度为50～90μm。