[發明專利]一種低電阻率高電壓PPTC材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110688343.1
• 申請日: 2021-06-21
• 公開（公告）號: CN113410015B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 陳緒煌;陶佳健
• 申請（專利權）人: 北京復通電子科技有限責任公司
• 主分類號: H01C7/02
• 分類號: H01C7/02;H01C17/00
• 代理公司: 上海世圓知識產權代理有限公司 31320
• 代理人: 王賀玲

本發明提供了一種低電阻率高電壓PPTC材料及其制備方法和應用，包括：高分子聚合物基體，分散在所述高分子聚合物基體中的導電填料和非導電填料；所述非導電填料為納米二氧化硅與無機阻燃填料的組合物。本發明的PPTC材料加工方便，生產出的PPTC片材具有電阻率低（電阻率可以低至約0.03ohm?cm且同時滿足過電流保護元件低電阻（芯片面積為6mm²條件下，電阻低于10mohm，）和高耐電壓（20V/15A）的要求，具有電弧抑制能力強、高阻燃等優點。

技術領域

本發明屬于過電流保護電子元器件材料技術領域，具體涉及一種低電阻率高電壓PPTC材料及其制備方法和在過電流保護電子元器件方面的應用。

背景技術

具有正溫度系數特性的聚合物導電復合材料(PPTC)對電流和溫度具有快速的響應，其廣泛用于電路保護。在常溫條件下，電阻處于低電阻狀態，但電路發生過電流或過溫時，其電阻會以毫秒級速度從低電阻轉換到高電阻狀態(高電阻/低電阻的對數比為4以上，其也稱為PPTC強度)，電壓全部加載到PPTC上，從而到達保護電路元件的目的。

PPTC材料由一種或一種以上具有結晶特性的高分子材料、導電填料和非導電填料組成。填料均勻分散在高分子材料中。高分子材料通常為聚烯烴(如：聚乙烯)、含氟聚烯烴(如：聚偏氟乙烯)等。導電填料常為炭黑、金屬粉末(如：銅、鎳等)或金屬陶瓷粉末(如：碳化鈦或碳化鎢)。

PPTC材料的電阻率直接與導電填料的種類及添加量有關。炭黑是PPTC最常用的導電填料，其對溫度和濕度的極佳穩定性賦予炭黑基PPTC優異的可恢復特性和電阻再現性，但其高的常溫電阻率不能滿足器件日益小型化對PPTC電阻的要求。采用金屬填料(例如鎳粉、銅粉)取代炭黑可以顯著降低電阻率，例如：專利文獻CN103436197A采用金屬粉末做導電填料，制備電阻率極低的PPTC器件。但金屬粉末在升高溫度的條件下容易氧化，漸進氧化的金屬粉在導電通路上形成了高電阻的界面，其導致元件在服役過程中電阻緩慢升高，從而導致器件特性改變，影響器件的使用。為了防止材料氧化，這類文獻通常會采用特殊的氧氣阻隔材料來封裝器件，但氧氣阻隔材料及封裝工藝成本都很高，導致產品逐漸失去市場競爭力。如今電路保護市場上常采用導電陶瓷粉如碳化物粉末作為填料，制備高性價比的低電阻元件。但以導電陶瓷粉末為填充的PPTC體系中，器件的額定電壓通常在6V，在更高的工作電壓下，元件在動作過程中易燒毀。

通用串行總線(USB)Type-C^TM推出了一種緊湊型、可反轉的數據和電源連接器，同時支持USB功率輸送(USB PD)。USB PD支持功率高達100W(20V/5A)，除通用功能外，并因其支持鋰電池快速充電功能，從而推動了USB Type-C的迅速普及。然而，靜電放電會對USBType-C系統的敏感硅器件構成風險；高功率輸送、緊湊的連接器、消費者連接不合規的電纜都增加了USB Type-C技術的過壓故障概率。此外，USB Type-C連接器的引腳間距僅是TypeA連接器的四分之一。當引腳間距減小后，在高電流/電壓條件下，扭轉電纜或拔下連接器時會導致災難性短路概率增大，連接器內的碎屑堆積可能造成類似的災難性后果；緊湊型連接器的機械應力、碎屑和不合規電纜，以及高電流/電壓增加了USB Type-C系統短路的風險。如果連接器的相鄰引腳VBUS和CC或SBU之間發生短路，下游電路可能會受到20V浪涌電壓的損壞，因此可靠的電路保護至關重要。

采用PPTC對USB Type-C的端口保護是解決方案之一。為了提高產品的耐電壓能力，通常在PPTC材料的配方中添加高含量的無機填料如氫氧化鎂、氫氧化鋁等助劑。但在PPTC材料配方中添加體積比低于10％的氫氧化物時，器件耐電壓能力提升效果不顯著；但如果提高無機填料的添加量，則PPTC的電阻率將顯著上升(如體積比高于10％時)。故對PPTC低電阻率和高耐電壓的要求是矛盾的。舉例來說，對形狀因子1206的器件來說，電阻要低于10mohm同時PPTC材料的耐壓等級達到20V是比較困難的。

發明內容