电源设备如果不故障可提供电子设备所需的电能,但过电压、过电流都有可能损坏原本完好的设备,像行动电话、通讯设备、电脑等产品,但利用一颗PTC热敏电阻却可避免上述设备受到过电流的危害。
PTC简介
热敏电阻是一种电阻值对温度极为敏感的半导体元件,而正温度系数热敏电阻(Positive Temperature Coefficient Thermistors;以下简称PTC热敏电阻)为随着温度升高,电阻值增加的热敏电阻。依其所使用原料可分为陶瓷正温度系数热敏电阻(Ceramic Positive Temperature Coefficient Thermistors;以下简称CPTC热敏电阻)与高分子正温度系数热敏电阻(Polymeric Positive Temperature Coefficient Thermistor;以下简称PPTC热敏电阻)。
CPTC
CPTC热敏电阻是由钛酸钡、二氧化钛等材料添加少量稀土元素经高温烧结制成,此种元件在温度上升至材料居里温度时,其阻值会以指数型态增加,通常阻值对温度的变化率在20%~40%之间,居里温度点可经由调整材料配方或制程来控制。
PPTC
PPTC热敏电阻主要是由聚乙稀(Polyethylene)及导体(主要成分为碳黑(Carbon Black))所制成。此种元件在正常的操作温度下,聚乙稀紧密的将导体束缚在结晶状的结构内,而形成一条低组抗的导电通路。当元件温度超过其动作温度时,导体上所产生的热能便会将聚乙稀由结晶状变成胶状(Amorphous),在此种情况下,被束缚的导体便会分离,导致元件阻抗迅速提高,如(图一)所示。
《图一 PPTC热敏电阻动作原理》 | 数据源:Source:Raychem |
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应用范畴
PTC热敏电阻自1952年Hayman于钛酸钡半导体发现至今,已有50多年的历史,应用范围相当的广泛,其主要的功能可分为:祛磁器(Degausses)、过电流保护(Over-Current Protectors)与温度控制或侦测(Temperature Sensor)三大类。
PTC热敏电阻之祛磁器功能主要作为阴极射线管之自动消磁,广泛应用于彩色电视机或CRT显示器。另于通讯、汽车、消费性电子产品、电子安定器(Ballast)、电脑及周边产品、家用/工业用马达等产品, PTC热敏电阻扮演过电流保护功能。在温度控制或侦测方面,主要应用于汽车、家用马达、工业用马达、火警设备、电脑及其周边设备等领域,PTC热敏电阻应用领域详见(表一)所示。
表一 PTC热敏电阻应用领域
功能 |
应用领域 |
产品 |
去磁器 |
阴极射线管自动消磁 |
彩色电视机或CRT显示器 |
过电流保护 |
通讯 |
局用交换机、传真机、电话、数据机、总配线架保安单位等产品 |
汽车 |
马达、齿轮箱 |
消费性电子产品 |
VCD、CD-Player、扬声器、锂电池等产品 |
电子安定器 |
日光灯 |
家用/工业用马达 |
吹风机、风扇、电冰箱等家电产品 |
电脑及周边产品 |
DC/DC Converter、PC Card、Disk Drive、CD-ROM、CPU
、Modem、VGA/CRT、Keyboard、Mouse、USB、IEEE1394等产品 |
温度控制或侦测 |
汽车 |
车用空调等 |
家用/工业用马达 |
吹风机、风扇、电冰箱等家电产品 |
火警设备 |
火警感应器 |
电脑及其周边设备 |
电源供应器 |
资料来源:Source:工研院经资中心(2002)
市场规模分析
PTC热敏电阻具有温度感测精度高、互换性好、可靠性高等特点,在温度测量、控制、补偿等方面应用十分广泛。根据Paumanok调查资料资料显示,1999年至2005年全球PTC热敏电阻的复合成长率达6%。 (图二)
《图二 全球PTC热敏电阻市场规模》 | 数据源:Source:Paumanok;工研院经资中心(2002) |
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1999年前,我国PTC热敏电阻以生产CPTC热敏电阻为主,产品多应用于家电产品之恒温发热体与彩色电视机或CRT显示器之祛磁器。近年来我国CPTC热敏电阻产业,在恒温发热体市场面临中国大陆厂商强大的价格竞争压力,以及TFT-LCD显示器对CRT显示器的替代效果所导致祛磁器需求减缓的双重影响下,产值呈现逐年衰退。反观PPTC热敏电阻自2000年起因生产厂商扩增,市场开拓成功等因素,导致产值大幅成长。
2001年我国PTC热敏电阻产业,因PPTC热敏电阻产值较2000年大幅成长而逆势成长13%为新台币6.2亿元左右。在产品比例上CPTC热敏电阻与PPTC热敏电阻产值比重约1:1(图三),预测2002年PPTC热敏电阻将超越CPTC热敏电阻成为我国PTC热敏电阻主要的产品项。
《图三 我国CPTC热敏电阻与PPTC热敏电阻生产比重-依产值区分》 | 数据源:Source:工研院经资中心(2002) |
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PTC热敏电阻器市场规模较小,属于利基型市场,因此投入的厂商也较少。生产CPTC热敏电阻有永臻、晋铨、华新科、钡泰等厂商,其中永臻与华新科主要以生产祛磁器用CPTC热敏电阻为主,钡泰主力产品为加热片用CPTC热敏电阻,各家厂商为求降低生产成本、提高产品价格竞争力,已逐渐将后段测试包装制程移往中国大陆及东南亚等地生产,亦有厂商准备将全制程的生产线移往中国大陆生产。
市场评估
PPTC热敏电阻生产厂商有聚鼎、富致、陆海、宝电通等厂商,其中聚鼎为我国最早生产的厂商,富致、宝电通与陆海为近两年加入市场的新进厂商。另外,尚有数家厂商看好该产品未来成长潜力,准备进入此一市场。除了国内厂商外,美商Raychem与Bourns在我国亦设有生产基地,其中Raychem以后段测试包装为主,Bourns则是设立全制程的生产线。
我国PTC热敏电阻产值在全球市场的市占率低,以目前产品单价持续下跌与我国厂商的价格竞争力分析,我国业者未来具有相当大的发展潜力。预测2002年我国PTC热敏电阻器的产值将较2001年成长,其中PPTC热敏电阻将因新进厂商产能逐渐开出,使其成长率高于产业平均数。反观,CPTC热敏电阻恐因祛磁器市场规模缩减与产品单价下跌影响,产值将呈现小幅衰退。
未来发展趋势
纵观PTC产品,预期未来发展将有五大趋势:产品朝向晶片化、小型化、低阻值趋势发展、PPTC热敏电阻市场竞争转趋激烈、产品单价持续下跌,将促使国际大厂将生产线外移或外包、2003年PPTC热敏电阻市占率将超越CPTC热敏电阻的现象及PPTC热敏电阻专利诉讼暗涛汹涌等问题,下文将进一步分析。
晶片化、小型化、低阻值趋势
PTC热敏电阻依产品外型可分为晶片型与插脚型两大类。插脚型的产品在突波耐量等特性上,较晶片型产品具有优势,且在某些下游产品应用上,如电源供应器,由于其无产品体积的限制,且使用功率较高,在短期内插脚型的产品仍为其应用主流。不过在主机板、通讯、消费性电子产品等市场,晶片型产品体积符合其轻薄短小的发展趋势,且SMD型的产品也较传统插脚型的产品更具量产优势,因此已成为应用主流。
未来在市场潮流的影响下,为达成PTC热敏电阻小型化的发展目标,开发粒度更小钛酸钡(BaTiO3)与碳黑(Carbon)原料是当务之急。除了在产品外型朝向小型化发展外,在产品特性上则朝向降低产品阻抗,以因应系统产品轻薄短小及省电化发展趋势,及提高产品隔离阻抗(Insulation Resistance),以提高产品突波耐量的方向发展。
PPTC市场竞争激烈
PPTC热敏电阻为1980年代由Raychem公司推出,由于相关材料与制程技术都由Raychem公司所掌握,再加上专利保护,使Raychem公司享有相当长时间的独占利益,目前该公司在全球市场占有率仍高达五成以上。
1998年随着Raychem公司专利过期,包括Bourns、Littelfuse等国际电子元件大厂及台湾厂商均进入此一市场,甚至于中国大陆也有厂商投入,PPTC热敏电阻市场的竞争将更加激烈,厂商间恶性杀价竞争情况将更加普遍,以SMD型产品为例,2000年平均价格约为新台币3元/每颗;2001年受到世界经济不景气以及厂商间的竞争行为的影响,平均单价已降至新台币2元/每颗,目前平均单价更已降至1.5元/每颗。
国际大厂外包求低单价
就零组件产业特性分析,由于购买者的集中程度高、采取直接采购方式、采购量大、移转成本低等因素,造成购买者的议价能力相对零组件供应商为高,除非市场供需产生供不应求的情况,在购买者的主导下,零组件平均单价将呈现逐年下跌的趋势。 (图四)
《图四 全球PTC热敏电阻平均价格变化》 | 数据源:Source:Paumanok;工研院经资中心(2002) |
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PTC热敏电阻产品单价跌跌不休,将促使国际大厂加速生产线外移或寻求外包厂商,尤其在CPTC热敏电阻生产厂商,多数厂商仍于高生产成本国家生产(EPCOS于澳洲生产、Thermometerics于美国生产、BC Component于比利时生产),导致其产品平均单价高于PPTC热敏电阻,使产品竞争力下降,影响其市场占有率,未来上述厂商为了确保产品竞争力,很有可能将生产线外移或将产能外包至低生产成本国家生产。
PPTC有超越CPTC之象
过电流保护为PTC热敏电阻主要的应用市场,约占整体销售量七成左右。在此一市场应用中,PPTC热敏电阻相较于CPTC热敏电阻具有反应速度快、低常态电阻值、元件发热量小、消耗功率低等优势,详见(表二),再加上其低压产品平均单价较低,目前在低压应用领域中,PPTC热敏电阻已逐渐取代CPTC热敏电阻成为市场主流。在高压应用领域中,虽然PTC热敏电阻已有高耐压的产品问世,但在产品可靠度与价格都尚无法与CPTC热敏电阻竞争,此一市场仍以CPTC热敏电阻为主。
表二 CPTC热敏电阻器与PPTC热敏电阻器于过电流保护特性比较
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NTC热敏电阻器 |
NTC热敏电阻器 |
优势 |
■可重复使用,不需更换过载保护装置
■元件发热量小,消耗功率低
■低常态电阻值 |
■可重复使用,不需更换过载保护装置
■适用于高压或高电流电路 |
劣势 |
■有泄漏电流(Leakage Current) 产生
■耐压低 |
■反应速度较慢
■元件发热量大,消耗功率高 |
资料来源:Source:工研院经资中心ITIS计画(2001)