專利名稱：含有導(dǎo)電聚合物的電器件的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及到包括導(dǎo)電聚合物組分的電器件以及包含這種器件的電路。發(fā)明介紹包括導(dǎo)電聚合物組分的電器件是眾所周知的。這種器件包括一個(gè)包含導(dǎo)電聚合物的元件。這個(gè)元件在物理上以及電學(xué)上和至少一個(gè)適合于與電源連接的電極相連。決定所采用電極類型的因素包括具體的應(yīng)用、器件結(jié)構(gòu)，器件安裝的表面以及導(dǎo)電聚合物的特性。在那些已使用的電極類型中有實(shí)心絞合線、金屬箔、多孔延展金屬片、以及導(dǎo)電油墨和顏料。當(dāng)導(dǎo)電聚合物元件是片狀的或?qū)訝钤r(shí)，用金屬箔電極直接貼在導(dǎo)電聚合物表面，將上述元件夾在中間是特別優(yōu)選的。這種器件的實(shí)例可參見(jiàn)美國(guó)專利No.s.4，426,633(Taylon)，4,689,475(Mattliesen)，4,800,233(Kekleiner等)，4,857,880(Au等)，4,907,340(Fang等)以及4,924,074(Fang等)，其公開(kāi)內(nèi)容在此引入作為參考。
正如美國(guó)專利No.s 4,689,475(Mattliesen)以及4,800,253(Kleiner et al)所公開(kāi)的，具有特定特性的微觀粗糙的金屬膜當(dāng)作為與導(dǎo)電聚合物相接觸的電極時(shí)，得到了極好的結(jié)果。美國(guó)專利No.4,689,475中公開(kāi)了表面具有不規(guī)則物的金屬箔的使用，例如具有不規(guī)則球粒，它從表面伸出0.1到100微米，并且至少有一個(gè)和表面平行的維度，其大小最多為100微米。美國(guó)專利No.4,800,253公開(kāi)了具有微觀粗糙表面的金屬箔的使用，微觀粗糙表面包括本身包含有微小不規(guī)則球粒的大球粒。其他資料公開(kāi)了具有粗糙表面的金屬箔的使用，但沒(méi)有象美國(guó)專利No.s4,689,473和4,800,253那樣公開(kāi)金屬箔的特性，這些資料有日本專利Kokai No.62-113402(Murata，1987)、日本專利KoKoKu H4-18681(Idemitsu，Kosan，1992)，以及德國(guó)專利申請(qǐng)No.3707494A(Nippon Mektron Ltd)。這些美國(guó)、日本以及德國(guó)資料的公開(kāi)內(nèi)容都在此引入作為參考。
發(fā)明概述我們發(fā)現(xiàn)對(duì)和導(dǎo)電聚合物相接觸的電極可以得到更好的結(jié)果，只要所使用的粗糙表面金屬箔具有一個(gè)或兩個(gè)在過(guò)去已使用或準(zhǔn)備使用的金屬箔中不具備的特性，這些特性是(1)金屬箔表面的突起有某一特定的最小平均高度(并且優(yōu)選地有一個(gè)特定的最大平均高度)，用被稱為“中心線平均粗糙度(center line average roughess)”的值來(lái)表示，它的測(cè)量將在以下說(shuō)明。另外，箔表面的突起有一個(gè)特定的最小不規(guī)則度(或“結(jié)構(gòu)”)，用稱為“反射密度”的值來(lái)表示，它的測(cè)量也將在以下說(shuō)明。
(2)箔的基層包括第一金屬，而箔表面的突起包括第二金屬。所選用的第一金屬應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，并且最好易于以較低的成本制造。另外，第一金屬通常比第二金屬更容易引起導(dǎo)電聚合物的劣化。突起的折斷可由器件的熱循環(huán)以及/或高溫下金屬的散熱引起，它使第二金屬暴露出來(lái)，而不是第一金屬。
我們認(rèn)為特性(1)很重要，因?yàn)樗ＷC導(dǎo)電聚合物充分滲入箔表面以形成良好的機(jī)械連接。但是，如果突起的高度太大，聚合物將不能完全填滿突起間的間隙，留下空氣間隙，它會(huì)引起導(dǎo)電聚合物加速老化以及/或空氣間隙周?chē)木酆衔?金屬界面被迅速侵蝕。特性(2)基于我們的發(fā)現(xiàn)由于導(dǎo)電聚合物和箔的熱膨脹特性不同，器件的熱循環(huán)會(huì)引起一些突起折斷，所以這些折斷不把導(dǎo)電聚合物暴露于金屬是很重要的，因?yàn)榻饘贂?huì)加快聚合物的劣化。另外，與導(dǎo)電聚合物相接觸的第二金屬有足夠的厚度是很重要的，這樣既使在高溫下如果第一金屬擴(kuò)散到第二金屬，第一金屬也幾乎沒(méi)有接觸導(dǎo)電聚合物的機(jī)會(huì)。
在第一方面，本發(fā)明公開(kāi)了一種電器件，它包括(A)一個(gè)包含導(dǎo)電聚合物的元件，以及(B)至少一個(gè)金屬箔電極，它(1)包括(a)基層，包括第一金屬，(b)中間金屬層，它(i)位于基層和表面層之間，和(ii)包括和第一金屬不同的金屬，以及
(c)表面層，它(i)包括第二金屬(ii)其中心線平均粗糙度Ra至少為1.3，和(iii)其反射密度Rd至少為0.60，以及(2)放置使得表面層和導(dǎo)電聚合物元件在物理上直接接觸。
在第二方面，本發(fā)明提供了一種電路保護(hù)器件，它包括(A)一個(gè)含有表現(xiàn)出PTC特性的導(dǎo)電聚合物的元件；以及(B)置于導(dǎo)電聚合物元件兩邊的兩個(gè)金屬箔電極，每個(gè)電極包括(1)基層，包含有銅，(2)中間層，它(a)和基層相鄰，并且(b)含有鎳，以及(3)表面層，它(a)含有鎳，(b)其中心線平均粗糙度Ra至少為1.3，最多為2.5(c)其反射密度Rd至少為0.60，以及(d)和導(dǎo)電體聚合物單元在物理上直接相接觸。
在第三方面，本發(fā)明提供了一種電路，包括(A)電源(B)負(fù)載；以及(C)本發(fā)明第一方面的電器件，例如電路保護(hù)器件。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是本發(fā)明的器件平面圖。
圖2是傳統(tǒng)金屬箔的截面圖，以及圖3是本發(fā)明器件中所用的金屬箔的截面圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明的電器件是由一個(gè)含有導(dǎo)電聚合物組分的元件制成的。導(dǎo)電聚合物組分結(jié)構(gòu)中有微粒導(dǎo)電填充物擴(kuò)散或分布在聚合物成分中。這種組合物一般表現(xiàn)出正溫度系數(shù)(PTC)特性，即它在較小的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出電阻率隨溫度增加明顯增大，盡管在某些應(yīng)用中，這種組合物表現(xiàn)出零溫度系數(shù)(ZTC)特性。在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“PTC”用來(lái)表示一種組合物或器件，其R14值至少為2.5，并且/或R100值至少為10；而且該組合物或器件最好具有R30值至少為6其中R14是14℃范圍內(nèi)起止點(diǎn)的電阻率比，R100是100℃范圍內(nèi)起止點(diǎn)的電阻率比，以及R30是30℃范圍內(nèi)起止點(diǎn)的電阻率比。一般地，在本發(fā)明器件中使用的表現(xiàn)出PTC特性的組合物所具有的電阻率增加量比上述最小值大得多。
該組合物的聚合物成分最好采用晶體有機(jī)聚合物。合適的晶體聚合物包括一種或多種烯的聚合物，特別是聚乙烯；由至少一種烯與至少一種單體共聚而成的共聚物，例如乙烯/丙烯酸，乙烯/乙基丙烯酸鹽，乙烯/乙烯基乙酸鹽，以及乙烯/丁基丙烯酸鹽的共聚物；可熔塑的含氟聚合物，例如聚氟乙烯和乙烯/四氟乙烯共聚物(包括三元共聚物)；以及兩種或多種這類聚合物的混合物。在有些應(yīng)用中，可能希望將一種晶體聚合物和另一種聚合物如合成橡膠、非晶態(tài)塑性聚合物或另一種晶體聚合物加以混合，以獲得特定的物理或熱學(xué)特性，如彈性或最大暴露溫度(exposure temperature)。當(dāng)導(dǎo)電聚合物組合物包括聚烯烴時(shí)，本發(fā)明的電器件特別有用，因?yàn)槭箓鹘y(tǒng)的金屬箔電極和非極性聚烯烴鍵合是很困難的。在將此組合物應(yīng)用于電路保護(hù)器件中時(shí)，晶體聚合物最好包括聚乙烯，特別是高密度聚乙烯，以及/或乙烯共聚物。在整個(gè)結(jié)構(gòu)體積中，聚合物成分一般占體積的40％到90％，優(yōu)選地占體積的45％到80％，特別是占體積的50％到75％。
分散在聚合物元件中的微粒導(dǎo)電填充物可以是任何合適的材料，包括炭黑、石墨、金屬、金屬氧化物、鍍導(dǎo)電膜的玻璃或陶瓷條，微粒導(dǎo)電聚合物或這些材料的組合，這些填充物可以是粉末，小球、小片、纖維或任何其他合適的形狀，所需的導(dǎo)電填充物的量依賴于組合物所需要的電阻率以及導(dǎo)電填充物本身的電阻率。對(duì)于許多組合物，導(dǎo)電填充物在整個(gè)結(jié)構(gòu)的體積中占體積的10％到60％，優(yōu)選地占體積的20％到55％，特別是占體積的25％到50％。在用于電路保護(hù)器件時(shí)，導(dǎo)電聚合物組合物20℃時(shí)的電阻率ρ20小于10Ω·cm，優(yōu)選地小于7Ohm-cm，特別是小于5Ohm-cm，尤其是小于3Ohm-cm，例如0.005到2Ohm-cm。當(dāng)電器件是加熱器時(shí)，導(dǎo)電聚合物組合物的電阻率最好高一些，例如102到105Ohm-cm，優(yōu)選地為102到104Ohm-cm。
導(dǎo)電聚合物組合物可以包括其他成分，例如抗氧化劑、惰性填充物、非導(dǎo)電的填充物、輻射交聯(lián)劑(通常稱為Prorads或交聯(lián)增強(qiáng)劑)、穩(wěn)定劑、彌散劑、耦合劑、酸清除劑(例如CaCO3)或其他成分。通常這些成分最多占整個(gè)結(jié)構(gòu)體積的20％。
導(dǎo)電填充物和其他成分的擴(kuò)散可以用熔化工藝、溶解混合或任何其他合適的混合方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。混合之后該結(jié)構(gòu)可以用任何合適的方法熔化定型，以形成元件。合適的方法包括熔化擠壓、注模、壓模以及燒結(jié)。在許多應(yīng)用中，希望將合成物擠壓成片，元件可以從中切割、切塊或取下。元件可以是任意形狀，如長(zhǎng)方形、正方形或圓形。依賴于最終的用途，在成形后，該組合物可以用各種工藝處理，例如交聯(lián)或熱處理。交聯(lián)可以采用化學(xué)方式或輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)(如使用電子束或Co60)輻射源，可以在和電極連接之前或之后進(jìn)行。
導(dǎo)電聚合物元件可以包括一層或多層導(dǎo)電聚合物組合物。在一些應(yīng)用中，比如需要控制位置時(shí)，這些位置上的熱線(hot line)或熱區(qū)(hotzone)與大電流密度區(qū)域相對(duì)應(yīng)，希望采用具有不同電阻率的導(dǎo)電聚合物層來(lái)制備元件?；蛘?，在元件的表面加導(dǎo)電帶層以增強(qiáng)和電極的連接是十分有益的。
合適的導(dǎo)電聚合物組合物公開(kāi)于美國(guó)專利No.s4,237,441(VanKonynenbury等)，4,388,607(Toy等)，4,534,889(VanKonynenbury等)，4,545,926(Fouts等)，4,560,498(Horsma等)，4,591,700(Sepony)，4,724,417(Au等)，4,774,024(Deep等)，4,935,156(Van Konynenbury等)，5,049,850(Evans等)及5,250,228(Baigrie等)中以及正在進(jìn)行的美國(guó)申請(qǐng)No.s 07/894,119(Chandler等提交于6月5日，1992)，08/085,859(chu等，提交于6月29日，1993)，08/173,444(chancller等，提交于12月23日，1993)以及08/255,497(chu等，提交于6月8日，1995)。這些專利和申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容都在此引入作為參考。
本發(fā)明的器件包括至少一個(gè)電極，該電極在物理上直接和導(dǎo)電聚合物元件接觸，通常是直接鍵合在導(dǎo)電聚合物元件上。本發(fā)明的多種器件，有兩個(gè)電極，導(dǎo)電聚合物元件夾在其中。電極通常采用實(shí)心金屬片，例如金屬箔，盡管在有些應(yīng)用中，電極可以是多孔的，例如含有洞和切口。電極至少包括兩層，即含有第一金屬的基層，以及含有第二金屬的表面層。另外，如下面要討論的，可以有一層或多層中間金屬，每一層都在基層和表面層之間。
在基層中使用的第一金屬可以是任何適合的材料，如鎳、銅、鋁、黃銅或鋅，但最常用的是銅。銅是優(yōu)選的材料，因?yàn)樗哂袃?yōu)良的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，可使器件內(nèi)電流均勻分布；及生產(chǎn)工藝的可重復(fù)性；易于制造，可以使產(chǎn)品在連續(xù)長(zhǎng)度內(nèi)沒(méi)有缺陷；以及較低的成本?；鶎涌梢杂萌魏魏线m的方法制備。比如，銅可以用滾壓和電鍍的方法制備。在一些應(yīng)用中，可優(yōu)選采用滾壓的鎳作用基層，它由粉末冶金工藝制造。由于提高了純度，這種鎳比用傳統(tǒng)電鍍方法制備的鎳的導(dǎo)電性更好。
基層的表面可以比較平滑或是微觀粗糙的。微觀粗糙表面通常含有不規(guī)則物或不規(guī)則球粒，從表面突起至少0.03微米，優(yōu)選地至少0.1微米，特別是0.1到100微米，并且至少有一個(gè)和表面平行的維度，其大小最多為500微米，優(yōu)選地最多為100微米，特別是最多為10微米，該維度大小最好至少0.03微米，特別是至少為0.1微米。每個(gè)不規(guī)則物或不規(guī)則球?？梢杂筛〉牟灰?guī)則球粒組成，例如象一串葡萄的形狀。這樣的微觀粗糙物通常用電鍍的方法產(chǎn)生，在電鍍中金屬箔露在電解液中。不過(guò)微觀粗糙表面的產(chǎn)生方法也可以用從光滑表面上去掉材料，例如刻蝕；光滑表面的化學(xué)反應(yīng)，例如電鍍淀積；或?qū)⒐饣砻婧陀谢y表面相接觸，例如滾壓、沖壓、壓花等。通常如果其中心線平均粗糙度Ra小于1.0，金屬箔就被認(rèn)為是光滑表面，如果Ra大于1.0，被認(rèn)為是微觀粗糙表面。通常在基層上和其相鄰的中間層相接觸的表面Ra值小于1.0是優(yōu)選的，最好小于0.9，特別小于0.8，尤其小于0.7。具有這種平滑表面的金屬箔通常很難和導(dǎo)電聚合物組合物相連，特別是如果導(dǎo)電聚合物組合物具有很高的填充度和/或包括非極化聚合物的情況下。Ra定義為當(dāng)用具有粒徑為5微米探針的表面光度儀測(cè)量時(shí)，表面中線或中心線上粗糙輪廓絕對(duì)值的算術(shù)平均誤差。中心線的值是當(dāng)以垂直角度觀察(金屬)箔時(shí)，中心線以上所有輪廓區(qū)域的總和等于中心線以下所有區(qū)域的總和。合適的測(cè)量方法可以使用Tencor p-2表面光度計(jì)，由Tencor提供。這樣，Ra是(金屬)箔表面突起高度的標(biāo)準(zhǔn)。
表面層可以在物理上直接和基層接觸，或者優(yōu)選地通過(guò)一層或多層中間導(dǎo)電層，(優(yōu)選是金屬)和基層分開(kāi)。表面層包含和第一金屬不同的第二金屬。適當(dāng)?shù)牡诙饘侔ㄦ嚒~、黃銅或鋅，但是在本發(fā)明的多種器件中，第二金屬最常用的是鎳或含鎳的材料，例如鋅鎳合全。鎳是優(yōu)選的，因?yàn)樗梢詾殂~基層提供擴(kuò)散阻擋層。這樣可使銅擴(kuò)散出來(lái)和聚合物接觸從而引起聚合物退化的速度降至最低。另外，鎳表面層會(huì)自然地形成很薄的鎳氧化物覆蓋層，它在潮濕條件下是穩(wěn)定的。表面層在物理上直接和導(dǎo)電聚合物元件接觸。為了增加和導(dǎo)電聚合物元件的結(jié)合度，表面層具有微觀粗糙表面，即中心線平均粗糙度Ra至少為1.3，最好至少為1.4特別至少為1.5。雖然希望表面的突起應(yīng)足夠高，以使聚合物充分滲透到間隙內(nèi)，從而形成良好的機(jī)械連接，但并不希望突起的高度太高，以至于聚合物不能完全填滿間隙。當(dāng)器件受到高溫或所加電壓的影響時(shí)，這樣的空氣間隙會(huì)產(chǎn)生劣質(zhì)的老化性能。所以，Ra最好最大為2.5，優(yōu)選地最大為2.2，特別是最大為2.0。
我們發(fā)現(xiàn)除了對(duì)Ra有要求外，表面層還必須有特定的反射密度Rd。反射密度被定義為當(dāng)可見(jiàn)光(即200nm到700nm)照射到表面上時(shí)，(1/％反射光)的對(duì)數(shù)。并算出在4mm2面積上進(jìn)行的每次測(cè)量的平均值。適當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法可以使用Macbeth型1130彩色檢測(cè)儀，在自動(dòng)濾光選擇模式“L”，當(dāng)在測(cè)量前，把黑色標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)為1.61。對(duì)于全反射表面，Rd的值為0；Rd值隨著被吸收光多少的增加而增加。較高的值說(shuō)明表面上突起的結(jié)構(gòu)較大。對(duì)于本發(fā)明的器件，Rd值至少為0.60，最好至少為0.65，特別至少為0.70，尤其至少為0.75，最特別至少為0.80。
優(yōu)選地，當(dāng)存在中間層，它可以含有第二金屬或第三金屬。中間層的金屬可以和第一金屬不同。中間層含有第二金屬是優(yōu)選的。在優(yōu)選實(shí)施方案中，中間層包括一個(gè)基本光滑層和基層相連。這樣中間層作為基底，在其上制備微觀粗糙表面層，例如，如果基層是銅，中間層可以是基本光滑的鎳層，在其上可以通過(guò)電鍍產(chǎn)生鎳的不規(guī)則球粒，以形成表面層。
金屬電極可以通過(guò)任意適當(dāng)?shù)姆椒ê蛯?dǎo)電聚合物元件連接，例如壓?；蚪灰訅?。依據(jù)導(dǎo)電聚合物的粘合度和層壓的情況可適當(dāng)采用不同的金屬箔類型和厚度。為了提供足夠的彈性和粘合度，金屬箔的厚度優(yōu)選小于50微米(0.002英寸)，特別是小于44微米(0.00175英寸)，尤其是小于38微米(0.0015英寸)，最特別是小于32微米(0.00125英寸)。通?；鶎拥暮穸仁?0到45微米(0.0004到0.0018英寸)，最好為10到40微米(0.0004到0.0017英寸)。表面層的厚度通常為0.5到20微米(0.00002到0.0008英寸)，最好為0.5到15微米(0.000012到0.0006英寸)，特別為0.7到10微米(0.00003到0.004英寸)。如果有中間層，它通常的厚度為0.5到20微米(0.00002到0.0008英寸)，最好為0.8到15微米(0.00003到0.0006英寸)。當(dāng)上述包括微觀粗糙表面時(shí)，術(shù)語(yǔ)“厚度”指不規(guī)則球粒的平均高度。
金屬電極和導(dǎo)電聚合物組合物的連接充分性的一種測(cè)量方法是測(cè)量剝離強(qiáng)度。剝離強(qiáng)度，如下所述，是這樣測(cè)量的將樣品的一端夾在測(cè)式設(shè)備的夾頭上，然后，以固定的速度127mm/分鐘(5英寸/分鐘)和以90°角(即和樣品的表面垂直)剝離金屬箔。將箔從導(dǎo)電聚合物上剝離所需的力的大小以磅/線性英寸(pli)為單位記錄下來(lái)。優(yōu)選當(dāng)電極粘到導(dǎo)電聚合物組合物上時(shí)，其剝離強(qiáng)度至少為30pli，最好至少為3.5pli，特別至少為4.0pli。
本發(fā)明的電器件可以包括電路保護(hù)器件、加熱器、傳感器或電阻器。電路保護(hù)器件的電阻值通常小于100歐姆，最好小于50歐姆，特別是小于30歐姆，尤其是小于20歐姆，最特別是小于10歐姆。在很多應(yīng)用中，電路保護(hù)器件的電阻值小于1歐姆，例如0.010到0.500歐姆。加熱器的電阻值通常至少為100歐姆，最好至少250歐姆，特別是至少500歐姆。
本發(fā)明的電器件通常被用于包括電源，負(fù)載(例如一個(gè)或多個(gè)電阻)以及該器件的電子電路中。為了將本發(fā)明的電器件和電路中的其他元件相連，可能需要在金屬箔電極上接入一個(gè)或多個(gè)附加的金屬引線，比如以電線或連接片的形式。另外，可以采用用于控制器件熱輸出的元件，即一個(gè)或多個(gè)傳熱端。這些端頭可以采用金屬片(例如鋼、銅或黃銅)或散熱的形式，它們被直接或通過(guò)中間層(如焊料或?qū)щ娬澈蟿?連接到電極上。例如，可參照美國(guó)專利No.5,089,801(chan等)，以及正在進(jìn)行的美國(guó)申請(qǐng)No.07/837,327(chan等)提交于2月18日，1992)。對(duì)于有些應(yīng)用，將器件直接接在電路板上是優(yōu)選的。這種粘接技術(shù)的實(shí)例可參見(jiàn)美國(guó)申請(qǐng)No.s 07/910,950(Graves等，提交于7月9日，1992)，081/121,717(Siden等，提交于9月15日1993)和08/242,916(zhang等。提交于5月13日1994)以及國(guó)際申請(qǐng)No.PCT/us9306480(Raychem Corporation)。提交于7月8日，1993)。這些專利和申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容都在此引入做為參考。
本發(fā)明用附圖進(jìn)行了說(shuō)明，其中圖1是本發(fā)明電器件1的平面圖，其中金屬箔電極3、5直接接在PTC導(dǎo)電聚合物元件7上。元件7可以包括單層，如圖示，或者包括相同或不同組合物的兩層或多層。
圖2是用作電極3、5的傳統(tǒng)金屬箔的截面圖?；鶎?包括第一金屬，例如銅，并具有最好用電鍍產(chǎn)生的微觀粗糙表面。包含微觀粗糙表面的不規(guī)則球粒11由第一金屬制成。第二金屬(如鎳)形成的表面層13覆蓋在不規(guī)則球粒11上。
圖3是本發(fā)明器件中作為電極3、5的金屬箔的截面圖。包括第一金屬(如銅)的基層9和包括第二金屬(如鎳)的中間層15直接接觸。中間層的表面形成了具有微粗糙表面的表面層17的基底。如圖3所示，組成表面層17的不規(guī)則球粒由第二金屬制成。
本發(fā)明將由以下的樣品1到9進(jìn)行說(shuō)明，其中樣品1、2、4、7、8是比較樣品。
組合物對(duì)組合物A和B，其成分列于表一中，這些成分在Henschel混合器中預(yù)混合，然后在Buss Condux攪拌器中混合。該混合物被制成球狀，并再在模片中擠壓，使片的尺寸大約為0.30m×0.25mm(12×0.010英寸)表I組合物的重量百分比
金屬箔類型樣品中使用的金屬箔的特性在表二中給出。每個(gè)金屬箔的厚度大約為35微米。
表II金屬箔特性
器件制備采用一定壓力下的壓模(C)方法或交咬層壓方法(N)，將擠壓片層壓在金屬箔上。在壓模過(guò)程中，擠壓片被切成尺寸為0.30×0.41m(12×16英寸)的片，并且?jiàn)A在兩片箔之間。吸收壓力的硅酮片放在全屬箔上，在壓力為188psi，175℃下加熱5.5分鐘，再在188psi 25℃下冷卻6分鐘，金屬箔就被粘上從而形成片狀。在交咬層壓過(guò)程中，擠壓片在177-198℃(350～390°F)的溫度下層壓在兩個(gè)金屬箔之間。層壓片被切成0.30×0.41m(12×16英寸)的片。這兩種過(guò)程制備的板用3.5Mev的電子束以10Mrad進(jìn)行輻射。單個(gè)器件從被輻射過(guò)的板上切下來(lái)。為了解扣耐用度(trip endurance)和周期壽命的測(cè)試，這些器件是環(huán)狀盤(pán)，其外直徑為13.6mm(0.537英寸)，內(nèi)直徑為4.4mm(0.172英寸)。為了濕度測(cè)試，器件的尺寸為12.7×12.7mm(0.5×1.5英寸)。每個(gè)器件都經(jīng)過(guò)-40℃-+80℃的溫度循環(huán)六次，在每個(gè)溫度下，器件保持30分鐘。
解扣耐用度器件進(jìn)行了解扣耐用度測(cè)試，所采用的電路包括串聯(lián)有開(kāi)關(guān)的本器件、15V直流電源以及固定電阻，使初始電流限制在40A。先測(cè)量器件在25℃的初始電阻值Ri。然后把器件插入電路，解扣(tripped)，再將解扣的狀態(tài)保持一定的時(shí)間周期。定期將器件從電路中撥下，冷卻到25℃，測(cè)出在25℃的最終電阻值Rf。周期壽命測(cè)試器件進(jìn)行了周期壽命的測(cè)試，所采用電路包括串聯(lián)有開(kāi)關(guān)的本器件，15V直流電源以及固定電阻，將初始電流限制在50A。測(cè)試前，先測(cè)量在25℃的阻值Ri。測(cè)試包括一系列測(cè)試周期。每個(gè)周期包括合上開(kāi)關(guān)3秒鐘，使器件斷路，然后打開(kāi)開(kāi)關(guān)，將器件冷卻60秒，在每個(gè)周期后記錄下最終阻值Rf。濕度測(cè)試在測(cè)量25℃下的初始值值Ri之后，器件被插入爐中，保持85℃以及85℃的濕度。按時(shí)定期將器件以爐中取出，冷卻到25℃，并測(cè)量最終阻值Rf。Rf/Ri的比值就被確定了。剝離強(qiáng)度剝離強(qiáng)度通過(guò)把粘在金屬箔上的擠壓片切成25.4×254mm(1×10英寸)的樣品來(lái)進(jìn)行測(cè)試。樣品的一端夾在TimiusOlsen測(cè)試儀上。在另一端，金屬箔以90°角和127mm/分鐘(5英寸/分鐘)的速率從導(dǎo)電聚合物上剝離。將金屬箔與導(dǎo)電聚合物分離所需的力的大小以磅/線性英寸為單位記錄下來(lái)。
表III
解扣耐用度(Rf/Ri15VDC數(shù)小時(shí)后)
周期壽命(Rf/Ri15VDC/50A幾次周期后)
濕度(Rf/Ri 85℃/85％數(shù)小時(shí)后)*
*樣品2在85℃/90％濕度情況下測(cè)試樣品8和9在以上過(guò)程之后，通過(guò)在185℃下采用交咬/層壓工藝，制備出器件，制成該器件的組合物包括占重量28.5％的Enathene EK 705乙烯/丁基丙烯酸鹽共聚物，占重量23.4％的Petrothene LB 832高密度聚乙烯，以及占重量48.1％的Raven 430炭黑。器件如上所述進(jìn)行解扣耐用度、周期壽命和濕度測(cè)試。附加的測(cè)試在進(jìn)行了3500次周期測(cè)試并在室溫(25℃)下存放大約3個(gè)月后進(jìn)行。在15VDC和40A條件下，進(jìn)行了3500次周期測(cè)試后，每種類型取十個(gè)器件，放入循環(huán)空氣爐中，在100℃下老化600小時(shí)，或在85℃/85％濕度條件下老化600小時(shí)。按時(shí)將器件冷卻到25℃，并且測(cè)量其電阻值。本發(fā)明器件(樣品9)，其中不規(guī)則球粒是鎳比用傳統(tǒng)金屬箔電極制備的器件(樣品8)(其中不規(guī)則球粒是銅)表現(xiàn)出更好的老化特性。結(jié)果在表四中給出。在樣品8和9中各取一個(gè)器件，在100℃下老化了170小時(shí)后，其一個(gè)電極從聚合物元件上剝離下來(lái)，并對(duì)和導(dǎo)電聚合物組合物結(jié)構(gòu)接觸的表面用ZSCA進(jìn)行分析，以確定表面的基本結(jié)構(gòu)(即上層10nm)。表面上兩個(gè)不同區(qū)域的測(cè)量平均值由表五組出。作為對(duì)照，用于制備電極的金屬箔樣品在200℃空氣中老化24小時(shí)，以模擬在工藝和測(cè)試中金屬箔受到的熱影響。結(jié)果在表五中給出。儀器的測(cè)量極限為0.1原子百分比。
表IV
解扣耐用度(Rf/Ri15vDC數(shù)小時(shí)后)
周期壽命(Rf/Ri 15VDC/50A數(shù)周期后)
25℃3500周期/3月之后老化數(shù)據(jù)(Rf/Ri 100℃數(shù)小時(shí)后)
濕度(Rf/Ri 85℃/85％數(shù)小時(shí)后)
25℃3500周期/3月后濕度數(shù)據(jù)(1Rf/Ri 85℃/85％數(shù)小時(shí)后)
表VZSCA測(cè)試結(jié)果
*小于0.1原子％
權(quán)利要求
1.一種電器件(1)，包括(A)由導(dǎo)電聚合物組成的元件(7)；以及(B)至少一個(gè)金屬箔電極(3)，它(1)包括(a)基層(9)，含有第一金屬，(b)中間金屬層(15)，它(i)在基層(9)和表面層(17)之間，(ii)含有與第一金屬不同的金屬，以及(c)表面層(17)，它(i)含有第二金屬(ii)中心線平均粗糙度Ra至少為1.3，和(iii)反射密度Rd至少為0.60，以及(2)放置使表面層(17)和導(dǎo)電聚合物元件(7)在物理上直接接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中第一金屬是銅或黃銅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的器件，其中第二金屬是鎳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的器件，其中中間層(15)的金屬與表面層(17)的金屬相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的器件，其中Ra最大為2.5。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的器件，其中基層(9)包括一個(gè)表面，該表面(a)中心線平均粗糙度Ra小于1.0，以及(b)和中間層相接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的器件，其中導(dǎo)電聚合物(a)表現(xiàn)PTC特性，以及(b)包括聚烯烴或含氟聚合物，其中分散微粒狀的導(dǎo)電填充物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的器件，它包括兩個(gè)金屬箔電極(3、5)，并且是(a)電路保護(hù)器件，其電阻值小于50歐，或(b)加熱器，其電阻值至少為100歐。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的器件，其中表面層(17)由不規(guī)則球粒(11)組成，每個(gè)不規(guī)則球粒由多個(gè)更小的不規(guī)則球粒組成。
10.一種電路，包括(A)電源；(B)負(fù)載；以及(C)根據(jù)權(quán)利要求1的電路保護(hù)器件。
全文摘要
電器件(1)，其中由導(dǎo)電聚合物組成的元件(7)和一個(gè)或多個(gè)金屬電極(3、5)的表面層相接觸。金屬電極包括基層(9)，它包含第一金屬；中間金屬層(15)，它所包括的金屬與第一金屬不同；以及表面層(17)，它(i)包括第二金屬，(ii)中心線平均粗糙度Ra至少為1.3，和(iii)反射密度Rd至少為0.60。導(dǎo)電聚合物組分最好表現(xiàn)出PTC特性。該電器件可以是，例如，電路保護(hù)器件或加熱器，其改進(jìn)后的熱性能和電學(xué)性能超過(guò)了由不滿足中心線平均粗糙度和反射密度的電極制備的器件。
文檔編號(hào)H01C7/02GK1149928SQ95193467
公開(kāi)日1997年5月14日 申請(qǐng)日期1995年6月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月8日
發(fā)明者D·A·錢(qián)德勒, M·馬蒂恩森, D·萊昂 申請(qǐng)人:雷伊化學(xué)公司