高分子PTC过流保护元器件项目可行性研究报告
一、项目实施的背景和意义
1.1项目背景
传统的电路保护中装置主要是采用采用金属熔断器或电子保护电路来实现电路的安全保护，这
些方法对电路的保护作用的缺点是可恢复性差、电路设计复杂，以及成本较高，因此目前很多电子产品制造商为了追求利润，往往就舍去电路保护装置、或采用熔断器式的保护装置来实现电路保护功能，这样给产品的维护使用带来了相应的麻烦，特别是对于一些民用产品，设计生产厂家为了保证其安全性，不得不采用比较复杂的电子电路来保护其产品的安全，这样不仅使其成本提高，而且给电子产品生产厂商的服务带来诸多不便。
聚合物基正温度系数材料是利用导电粒子与结晶或半结晶的聚合物复合制得的一种新型功能材
料，其最主要的功能为电流及温度的过载保护，应用范围相当广泛，包括电脑与周边设备、电池、
汽车、通讯、玩具及家电等领域均会使用到PPTC，起对于电流及温度之高度敏感，充分运用在各类
电子产品上，不论是半导体、IC元件、印刷电路板、电源器材、连接器及线路系统之保护极为有用，特别在高密度电路整合系统中，PPTC之电路保护功能，是传统保险丝无法取代的。PPTC属智能型
材料科技产品具可重复性，体积轻薄，而成为主要保护元件之重要发展趋势。
随着人们生活水平不断提高，家用电子产品广泛地应用我们的日常生活当中。不仅如此，工业、
军事各个领域电子产品比比皆是。如手机、计算机、汽车电器、传真机、DVD、VCD、Modem 、
无绳电话、电视机、电冰箱等等家用电器已经普遍应用与每一个家庭。而所有这些家用电器都与电源及电路有关，因而电源及电路保护是其安全使用的保证。便携消费电子发展的趋势越来越小型化，
设计工程人员十分渴求其所用的元器件尺寸小、阻值低，因此PPTC产品的低阻小型化是重要发展
方向。然而目前这类尖端产品的技术，主要掌握在美国和日本的少数国际大公司手中，如日本藤昌电线公司和世界最大的电气、电子元件制造商和服务商美国泰科电子（TYCO）。
1.2预期实现的经济和社会效益
适合PPTC产品应用的电路保护市场非常广阔，产品的应用领域也非常多，其中电池的保护是
最大也是最前沿的市场，新型高性能锂离子电池和聚合物电池对保护元器件提出更高了要求，这两类高能电池在受热高温以及短路情况下容易发生爆炸事故，对其提供短路过流的保护十分必要，是本项目产品针对的主要市场。据报道，随着全球电信的发展，2008年全球手机用户数达到40亿，
专业资料
其中中国用户超 6 亿的使用量猛增至世界的第一位，据工信部统计2008 年上半年仅手机产量就达到了 2.95 部，再加上使用锂离子和聚合物电池做电源的MP3 、MP4 、数码相机、导航仪、手提电脑等便携设备的用量，移动便携设备电池及其充电器的用量是相当可观的，据统计2006 年我国锂电和镍氢电池产量已经突破
25 亿只左右，那么不包括电池电路和电池充电器上PPTC 的用量，那么仅封装在电池组内部用的电池保护片的用量就在20 亿左右。深圳是全国甚至是全球手机、MP3 等移动便携产品的生产基地及贸易集散地；这里有完善的电子产业链，有为移动设备生产提供能源的众多电池生产企业，其中就有全国最大锂离子电池生产商比亚迪、比克电池、德赛电池和聚合物锂电池厂家TCL。因此高性能PPTC电池保护片具有广阔的市场前景，项目很好的融合到了深圳的电子企业产业链中，具有显著的企业协同效益和社会效益。然而由于高导电、高PTC 强度，高耐压性
能的高分子PTC 复合材料新技术为美国和日本的少数几家大企业垄断，生产成本为0.1 元左右的产品售价达到了 1.0-1.5 元，比一般产品高出3-5 倍，国内企业的采购成本十分高昂。项目研发成功按0.5-0.8元/pcs价格销售，能很好的打破国外公司的技术垄断，降低国内电子企业采购PPTC产品成
本，增强我国电子企业的国际上竞争力，此外产品售价高利润高，产品量产后，按初期年产2000万只，预计销售收入1000-1500 万，利润800-1200 万，经济效益十分显著。
、技术发展趋势及国内外发展现状
2.1 技术发展趋势
PTC 材料是指某种具有很大的正电阻温度系数(Positive temperature coefficient , PTC) 的材料。由于这种材料能在很窄的温度范围内使其电阻发生几个数量级的变化，故具有热敏开关的特性，
可广泛用于制作自控温加热电缆、过电流保护元件及热敏传感器等。目前，国内外使用的PTC 材料大体上可分为两大类:一类是以陶瓷类PTC 材料，另一类是由有机高分子聚合物与导电材料组成的新型有机复合PTC 材料。由于陶瓷热敏材料性脆，生产工艺较复杂，室温电阻很难做得很低，加工和成型都较困难，制造成本高，故价格较贵。而聚合物基PTC 复合热敏材料，由于具有质软、可挠曲、易加工成型、制造成本较低、可以在较低的温度下使用等优点正日益受到重视。它是利用导电粒子与结晶或半结晶的聚合物复合制得的一种新型功能材料。PPTC 材料不仅原料易得、价格便宜、加工成型工艺简单，还具有高分子材料的许多优异性能。
随着移动科技的发展和人们生活水平不断提高，移动便携产品普及到人们的生活中。小型、多功能，高集成是便携消费电子发展的主要趋势，因此工程人员在设计产品时十分注重元器件的尺寸，而对于PPTC 电路保护产品来说，低阻小型化是顺应市场需求的重要技术发展方向。然而绝大多数的聚合物PTC 材料的室温电阻都比较高，PPTC 材料存在低室温体积电阻率和高PTC 强度之间的矛盾，以及降低产品电阻同保持耐压性能之间的矛盾。因此开发低室温体积电阻、PTC 强度的PPTC 复
合材料体系是PTC 材料研发的重要发展，具有尺寸小、内阻低等特点过流保护元件，是高分子PTC 元器件发展的趋势。目前这类尖端产品的技术，主要掌握在美国和日本的少数国际大公司手中，如日本藤昌电线公司和世界最大的电气、电子元件制造商和服务商美国泰科电子(TYCO) 。
2.2 国内外发展现状
PPTC 材料以美国的研究开发水平居国际领先地位，上世纪80 年代美国首先开发成实用型PPTC 材料，以美国泰科电子为代表的一些企业，制得的聚合物基PTC 过电流保护元件在医疗、计算机、程控电话交换机、手机电池、汽车配件、家电产品、工业仪表、运载火箭、火灾报警等领域得到了广泛的应用。由于高分子基PTC 材料技术含量高,应用广泛,利润丰厚,故各国都投入大量的资金进行研究开发。
国内外近十年来，聚合物PTC 复合材料研究和开发的进度明显加快，体现在相关的期刊文献报道迅速增多，相关专利数目急剧膨胀。国外出现了如Bourns 、Littlefuse 等聚合物PTC 过流保护元件的新公司。国内在这方面起步较晚, 对PTC 材料的研究起始于八十年代后期，中国科技大学在八十年代末开始了自限温加热带的研发，而聚合物PTC 材料做为电路过流保护元件使用时要求PTC 材料具有低的室温体积电阻率、高的
PTC 强度以及一定的循环稳定性，由于技术难度较高，直到九十
年代初才有较多的研究报道。近几年国内陆续出现生产聚合物基PTC 过电流保护元件的企业主要集中在上海、深圳，但多是一些小企业。国内真正有实力能自主开发并生产聚合物基PTC 过电流保护元件的企业不多，主要有深圳金瑞电子材料有限公司、上海维安电热材料有限公司、上海科特电子材料有限公司。无论是在企业规模，市场占有率，研发实力，同国际电路保护巨头泰科、TDK 等都有较大的差距。但这个差距正的缩小，虽然国际企业在新产品的开发和推出上仍处于领先地位，但国内企业已经能以较短的时间紧跟趋势推出产品；随着用户对PPTC 产品使用的增多，特性的熟悉，它们越来越倾向于选择性价比高的国内企业的产品，国内生产企业市场占有率也在稳步提升。
三、项目主要研究内容
项目开发的PPTC 复合材料不仅体积电阻率低，而且PTC 强度也高，以其为芯材生产的产品外形尺寸是普通产品的1/4 ，内阻是普通产品的1/5 ，具有尺寸小、内阻低、采用绿油封装的特点。特别适用于高性能锂离子和聚合物电池的保护，有很好的市场前景，是高分子PTC 元器件发展的趋势。
3.1 项目拟解决的关键技术问题
该项目目前面临的挑战是：绝大多数的聚合物PTC 材料的室温电阻都比较高，PPTC 材料存在低室温体积电阻率和高PTC 强度之间的矛盾，以及降低产品电阻同保持耐压性能之间的矛盾。本项目拟解决的关键技术问题是：
(1) PTC 复合材料的组分选择是该项目研发的重点和难点
目前PTC 产品应用比较成熟的是HDPE/CB 的配方体系，该体系经过20 多年的开发应用，使用十分广
泛。但现在随便携消费电子发展的趋势越来越小型化，要求元件的尺寸和电阻的要求越来越小，当前的HDPE/CB 的配方体系无论是阻值还是电性能已经不能满足新需求，限制了产品更加广泛的应用。因此，本项目将在前期研究的基础上开拓新的思路，需开发新的高分子PTC 材料配方体系，降低电阻提高电性能，并通过设计和实验相结合的方法开发出尺寸小至3x4mm，电阻在
4-12m Q 产品。
(2)探索出一套适合新配方体系的工业化生产复合工艺，是保证产品性能一致性的关键。对于高分子材料的复合，我们已经在实验阶段研究过多种方法可以解决导电粒子和微量添加剂在基体材料中的均匀分布问题，但在大批生产中的效果确不够理想。此外不同的聚合物和导电粒子自己的相容性差异较大，同样的加工工艺复合得到效果不一样。我们必须探索出有效率的工艺结合适合的设备，改善材料性能的一致性。
( 3)电极膜的处理，改善产品长期稳定性能，优化性能。
高分子PTC热敏电阻器其结构是由高分子聚合物基体和分散在其中的导电填料、阻燃填料等构
成的芯材与金属电极，通过高温热压复合的方法粘合在一起的。金属电极是由经粗化的铜箔构成，由于金属和非金属界面膨胀系数差异较大，如果金属电极与芯材粘接不牢、剥离强度差、界面空隙大，接触电阻就高，PTC热敏电阻器电性能就变差，易打火、烧片，表面易起泡变形。铜箔与芯材的直接接触，在电场和高温下由铜引起的高分子聚合物催化分解，影响产品的长期稳定性。因此，需要对铜箔进行相应处理，拟采取的方法是：铜箔一面镀一层2?3um的Ni —C复合镀层，另一面镀
一层普通镍，通过合适的工艺控制来提高复合镀层中固体微粒碳黑与镍离子的共沉积，提高镀层的含碳量，提高电极膜同芯材的粘接强度。
3.2 课题的技术原理、技术方法、技术路线以及工艺流程
( 1 )首先以HDPE 为高分子基体，选用不同形状尺寸的高导电金属、非金属粒子，通过调节配
方组成、优化混炼复合工艺进行芯材料的制备，
(2)对铜膜进行镀碳处理，与芯材热压复合，以获得电极芯材结合牢固，转变温度在125 C,室温电在7m Q左右，芯片尺寸3 x 4mm，耐压6V，具有良好电阻温度系数的样品。
( 3)研究PPTC 元件在不同服役状态下的性能稳定性等综合性能，如耐压、耐电流冲击、抗老化等；调整和优化配方工艺，获得综合性能良好的PTC 高分子电流保护元件。
( 4)在课题开展的过程中，对不同研究阶段进行小结和总结，完成产品TUV、UL 等安全认证，利用研究结果申请国家发明专利和撰写学术论文。
( 5)研究成果的中试，和批量生产销售实现效益。
本项目所述的PPTC元件制造工艺流程如下：
A、将复合材料各组分(高分子聚合物、导电填料和其它填料及加工助剂)在190 C温度下于密
炼机中混炼均匀，然后用模压或挤出的方法制成芯材。
B、将芯材夹在两层经过镀炭处理过的铜箔之间，放于压模中，在25t平板硫化机压片，压制成型条
件:预热5min，热压3min，热压压力15MPa，热压温度160 C,片材厚度2mm。
C、将压好的片材，冲成需要的半成品尺寸形状、同过回流焊在覆有铜膜的两面分别焊上引出
镍电极，而后在烘箱中热处理，将焊好的样品用丫射线(Co60)辐照交联。
D、最后在PPTC元件表面涂上绝缘绿油，并进行紫外线或热固化。
其制造工艺流程见图3-1。
图3-1 PPTC过流保护元件制造流程图
3.3项目特色和创新点
(1)开发低体积电阻率高PTC强度的高分子复合材料，是当前高分子热敏元件发展的必然趋势和要求。
一般而言导电填料的填充量越多，复合材料的导电性能越好，但耐压性能却越差。另外高填充量影响了复合材料的力学性能和加工性能，增加生产成本，限制了材料的应用范围。绝大多数的聚合物PTC材料的室温电阻都比较高，一般要达到12V耐压要求的产品电阻值都在30毫欧左右，而
信息技术和微电子工业的发展迫切要求有低室温电阻高PTC强度的聚合物PTC材料，因此低阻值产
品的开发势在必行。项目开发的产品外形尺寸是普通产品的1/4 ,内阻是普通产品的1/5 ,具有尺寸
小、内阻低的特点。
(2)选择适合工业化生产的复合工艺，对保证产品性能一致性有重要意义。
研究表明，要降低材料体系电阻可能选择多种形状的填料(纤维、片状，纳米尺寸)这些导电填
料在高分子基体中的分散有一定难度，如果其中还添加了不同的金属导电粒子制得材料均匀性更加难控制。影响材料的电导率和元件的性能一致性。因此该项目的第二个创新点就是研究适合不同材料配方体系工业化生产的混炼复合工艺。
（3）电极膜的处理，改善产品长期性能和动作后电阻变化率。
高分子PTC热敏电阻器其结构是由高分子PTC芯材与金属电极，通过高温热压复合的方法粘合在一起的。金属电极是由经粗化的铜箔构成，由于金属和非金属界面膨胀系数差异较大，金属电极与芯材粘接不牢接触电阻高，产品表面易起泡变形，易打火、烧片。铜箔与芯材的直接接触，在电场和高温下由铜引起的高分子
聚合物催化分解，影响产品的长期稳定性。因此，需要对铜箔进行相应处理，在铜箔一面镀一层2?3um的Ni —C复合镀层，提高电极膜同芯材的粘接强度。因而电极膜的处理是产品的第二个特色。
（4）使用绝缘绿油封装小尺寸产品随便携消费电子发展的趋势越来越小型化，要求元件的尺寸越来越小，但用生产现有产品的工艺生产小尺寸产品效率不高。目前电池保护片产品的外部封装都是采取贴绝缘标贴的方法，当产品尺寸小到一定程度后，对产品贴标效率极低不适合规模生产。采用外涂绿油，而后再紫外线固化封装，不仅生产效率高，而且产品更加美观，外部绝缘效果更好，可以更好的防止产品打火的情况的出现，此工艺特别时候小尺寸产品的生产，是该项目的第四个创新点。
四、项目预期目标
项目产品的主要技术指标：
研制出出具有正温度系数效应、室温电阻率在10-2Q .cm、PTC强度大于7个数量级的高分子
PTC 复合材料配方体系，并通过完成配方体系的设计，制备出用于手机等便携电子产品电路保护用的超小尺寸，超低电阻的PPTC 产品。在PPTC 材料产品的小尺寸和低阻化应用方面跨出实质性一步，打破国外元件厂商的技术垄断，降低国内电子企业的采购成本。
主要技术指标：
试样芯片尺寸3.0 x 4.0mm，焊镍电极测试
电极膜同芯材粘接良好
室温（25C）电阻R25<14 m Q
升阻比丫=Log （R max /R min ）》7；
耐电压》6V
耐老化 1 分钟通电+1 分钟断电循环疲劳1000 次，不烧不裂
预期成果和经济指标：
该系列产品芯片尺寸小至 3.0 x 4.0mm，电阻4-14m Q，耐压6V，使用电流从1.2-3.5A连续
可变。系列包含JK-D120M 、JK-D170M 、JK-D190M 、JK-D250M 、JK-D350M 几大产品。项目将完成产业化生产试验，实现销售创造效益。产品量产后，打破国外公司的技术垄断，降低国内电子企业采购PPTC 产品成本，在国际上增强我国电子企业的竞争力；按年产2500 万只，预计销售收入1500 万，创造利润900 万，具有很好的企业经济效应和产业协同效应。
五、项目研究实施方案
5.1 项目实施方案
该项目实施，由广东省深圳市金瑞电子材料有限公司组织项目小组，由技术部经理田宗谦高级工程师带领
技术部项目组成员做产品开发，并联合公司生产、质检部门进行研发成果的中试和产业化。
（1）前期技术部研发小组，进行配方设计和实验，通过调节配方组成、优化混炼复合工艺进行芯材料的制备，对铜膜进行镀碳处理，与芯材热压复合，以获得电极芯材结合牢固，转变温度在125 C,室温电在7m Q 左右，芯片尺寸 3 X4mm，耐压6V，具有良好电阻温度系数的样品
（ 2 ）在前期工作基础上，联合生产、质检部门进行产品生产中试，各部门及时反馈相关信息，对生产相关工艺和技术进行总结，调整，改进，实现中试的最终成功。在此基础上确定确定生产工艺流程、技术标准、检验标准，实现新材料的产业化。
（3）后期产品形成销售后，不断吸收市场反馈的新情况，根据市场需求扩宽、改进产品的型号，完善产品线和性能，更好的满足客户要求。
公司现有高分子PTC 各种项目试验及测试分析设备，可以满足项目研发需要。公司拥有多年的PPTC 产品生产经验，本研发项目试产成功、实现产业化提供了坚实的基础。同时企业在PPTC 电路保护市场多年耕耘，建立了的强大销售网络，拥有一批具有丰富市场销售经验的营销人员；小尺寸低电阻新产品的开发后，通过已有的销售通道，打开销售。并在销售的过程中不断接受市场反馈的信息，完善和推出各种新型号的产品。
六、现有研究开发基础和条件
6.1 公司总体情况
深圳市金瑞电子材料有限公司是国家认定的高新技术企业，专业从事高新技术产品高分子PTC 新型功能材料研发、生产、销售。10 年高新技术产品销售营业收入2200 万，比上年度增长29 ％，产品毛利率58％，利润874 万，上缴利税527 万。金瑞公司开发的高分子PTC 过流保护元件是依托中国科学院沈阳金属研究所，集中了强大的科研力量和各种丰富的PTC 生产经验以及设备力量的优势。公司共有研发人员14 人,其中高级工程师1 名,硕士研究生4 名,本科学历8 名，大专学历2 名,占总人数的11%，公司预算2011 年投入研发资金300 万元，占公司年度收入的6％。
公司办公生产面积4460 平方米，现有高分子PTC 生产和测试的成套设备如双螺杆物料混炼机，真空液压成型设备，先进的高低温循环处理工艺设备，低阻测试仪、耐压测试仪、循环测试仪、PTC 曲线测试仪等。各种项目试验及测试分析设备，可以满足项目研发需要。公司拥有多年的PPTC 产品生产经验，本研发项目试产成功即可用现有生产设备实现产业化。同时企业在PPTC 电路保护市场多年耕耘，建立了的强大销售网络，拥有一批具有丰富市场销售经验的营销人员，长期供货于国内几家大型锂离子电池、玩具生产企业（如深圳比亚迪、欣旺达、德赛电池、东莞豪鹏、广州梁氏、天津力神、福州飞毛腿电池、深圳孩之宝玩具）；小尺寸低电阻新产品的开发必能迅速打开销售通道，给企业带来利润，为社会增加效益。
公司自成立以来根据市场需求，紧跟行业技术发展趋势，不断开发出新产品。2002 年研发完成多股线型的插件PTC 过流保护元件，在此基础上自主研发了贴片式的插件PTC ，在短短的几年中相