DE10062293A1 - Elektrisches Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einem Grundkörper (1), wenigstens zwei mit dem Grundkörper (1) verbundenen Anschlußelementen (4, 5), einer auf der Oberfläche des Grundkörpers (1) angeordneten Zwischenschicht (6) und einer auf der Zwischenschicht (6) angeordneten Schutzschicht (7), bei dem die Zwischenschicht (6) und die Schutzschicht (7) jeweils aus demselben, ein Lösungsmittel enthaltenden Ausgangsmaterial hergestellt sind und bei dem die Zwischenschicht (6) einen kleineren Gehalt an Lösungsmittel aufweist als die Schutzschicht (7). Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements. Die Zwischenschicht (6) kann besonders vorteilhaft durch Aufsprühen auf den geheizten Grundkörper (1) des Bauelements aufgebracht werden. Dadurch erhöht sich die Spannungslagerungsstabilität des PCT-Widerstands.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einem Grundkörper, wenigstens zwei mit dem Grundkörper verbundenen Anschlußelementen sowie mit einer Schutzschicht. Darüber hin­ aus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements.

Es sind elektrische Bauelemente der eingangs genannten Art bekannt, deren Grundkörper aus einem keramischen Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des ohmschen Wider­ stands hergestellt sind. Darüber hinaus ist der Grundkörper der bekannten Bauelemente mit einer organische Bestandteile enthaltenden Schutzschicht umhüllt. Solche Bauelemente werden üblicherweise als PCT-Widerstand verwendet. Dabei kommt als keramisches Material zum Beispiel Donatoren- und Akzeptordo­ tiertes Bariumtitanat zum Einsatz. Die Schutzschicht ist üb­ licherweise ein durch ein Tauchlackierverfahren auf den Grundkörper aufgebrachter, getrockneter Lack, der organische Lösungsmittel, wie z. B. Xylol oder Acetolester und organische Bindemittel enthält.

Die PTC-Widerstände werden hinsichtlich ihrer Qualität unter anderem durch ihre Spannungslagerungsstabilität beurteilt. Die Spannungslagerungsstabilität sagt aus, welche elektrische Spannung der PTC-Widerstand über einen längeren Zeitraum, beispielsweise 24 Stunden, aushält, ohne seine charakteristi­ schen Eigenschaften zu verlieren. Aufgrund der angelegten Spannung fließt ein Strom durch den PTC-Widerstand, der ihn aufheizt. Somit ist die Spannungslagerungsstabilität des PTC- Widerstands eng mit seiner Temperaturstabilität verknüpft. Da für die Beurteilung der Stabilität eines PTC-Widerstands un­ ter anderem chemische Prozesse mit beachtlichen Zeitkonstan­ ten eine Rolle spielen, ist eine lediglich über einen kurzen Zeitraum angelegte elektrische Spannung zur Beurteilung der Stabilität nicht aussagekräftig.

Die bekannten Bauelemente haben den Nachteil, daß der als Schutzschicht aufgebrachte Lack aufgrund des Tauchlackierver­ fahrens eine relativ hohe Schichtdicke zwischen 10 und 500 µm aufweist. Daher entstehen beim Trocknen des Lacks an der Oberfläche verkrustete Flächen, während im Innern des Lacks noch ein Anteil von organischen Bestandteilen vorhanden ist, der im weiteren Verlauf des Trocknungsprozesses durch die verkrusteten Oberflächen am vollständigen Verlassen des Lacks gehindert wird.

Daher enthält die Schutzschicht der bekannten Bauelemente ei­ nen Rest an organischen Bestandteilen. Diese Bestandteile können zum Grundkörper gelangen und dort, falls die Tempera­ tur des Bauelements aufgrund einer hohen angelegten Spannung 220°C übersteigt, zu einer chemischen Reaktion führen, die die Korngrenzen der Keramik depolarisiert. Dadurch wird der PTC-Effekt der Keramik zerstört, wodurch sich das Bauelement bei weiterhin angelegter Spannung überhitzt und somit zer­ stört wird. Deswegen weisen die bekannten Bauelemente eine schlechte Spannungslagerungsstabilität auf.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauelement bereitzustellen, das eine hohe Spannungslagerungsstabilität aufweist. Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelementes anzugeben.

Diese Ziele werden erfindungsgemäß durch ein Bauelement gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach Patentan­ spruch 8 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung gibt ein elektrisches Bauelement an, das einen Grundkörper und wenigstens zwei mit dem Grundkörper verbunde­ nen Anschlußelementen aufweist. Auf der Oberfläche des Grundkörpers ist eine Zwischenschicht angeordnet, auf deren Ober­ fläche sich eine Schutzschicht befindet. Die Zwischenschicht und die Schutzschicht sind dabei jeweils aus demselben, ein Lösungsmittel enthaltenden Material hergestellt. Zudem weist die Zwischenschicht einen kleineren Gehalt an Lösungsmittel auf als die Schutzschicht.

Das erfindungsgemäße Bauelement hat den Vorteil, daß die bei­ den auf der Oberfläche des Grundkörpers angeordneten. Schich­ ten aus demselben Material hergestellt sind, wodurch auf die Verwendung unterschiedlicher Materialien mit dem Effekt der Kosteneinsparung verzichtet werden kann. Desweiteren hat das erfindungsgemäße Bauelement den Vorteil, daß die direkt auf der Oberfläche des Grundkörpers anliegende Zwischenschicht einen kleineren Gehalt an Lösungsmittel aufweist, als die Schutzschicht. Dadurch kommt der Grundkörper des Bauelements, der beispielsweise aus einem keramischen Material bestehen kann, mit weniger Lösungsmittel in Berührung, wodurch die eingangs beschriebenen negativen Auswirkungen des Lösungsmit­ tels verringert werden können.

Die auf der Oberfläche des Grundkörpers angeordnete Zwischen­ schicht kann so auf dem Grundkörper aufgebracht werden, daß dieser während des Aufbringens der Zwischenschicht erhitzt ist. Dadurch wird der Vorteil erreicht, daß wenigstens ein Teil des im Ausgangsmaterial enthaltenden Lösungsmittel wäh­ rend des Aufbringens der Zwischenschicht verdampfen kann und die Zwischenschicht auf der Oberfläche schnell aufgetrocknet ist. Dadurch wird der Gehalt an Lösungsmittel der Zwischen­ schicht gegenüber der Schutzschicht wirksam vermindert.

Besonders vorteilhaft kann das Erhitzen des Grundkörpers durch Hervorrufen eines elektrischen Stroms erfolgen. Dafür sind insbesondere Kaltleiterkeramiken als Material für den Grundkörper geeignet, da diese für die Belastung mit hohen Strömen ausgelegt sind.

Desweiteren kann als Ausgangsmaterial für die Zwischenschicht beziehungsweise die Schutzschicht ein Lack verwendet werden, der ein organisches Lösungsmittel enthält. Solche Lacke wer­ den üblicherweise als Schutzschicht für mit Hilfe von Kalt­ leiterkeramiken aufgebauten PCT-Widerständen verwendet. Die organischen Bestandteile können unter anderem aromatische Lö­ sungsmittel, wie zum Beispiel Xylol, Acetolester, Ethylenben­ zol oder auch Butanol, oder organische Bindemittel, wie zum Beispiel Silikatkautschuk, sein. Aus solchen Stoffen herge­ stellte Schutzschichten schützen das Bauelement vor Um­ welteinflüssen und weisen ausreichend isolierende Eigenschaf­ ten auf, so daß durch die Schichten kein Kurzschluß zwischen den Anschlußelementen entsteht. Als Material für die Schich­ ten kommen insbesondere Lacke in Betracht, die die oben be­ schriebenen organischen Bestandteile sowie anorganische Füll­ stoffe, wie beispielsweise SiO₂ enthalten.

Die Schutzschicht kann vorteilhaft durch Tauchen des Grund­ körpers in eine Flüssigkeit hergestellt sein, da sich durch einen solchen Prozeß auf einfache Weise eine äußere Schutz­ schicht mit der für das Bauelement geeigneten Dicke herstel­ len läßt.

Eine solche geeignete Dicke, die für die Schutzfunktion der Schutzschicht notwendig ist, liegt zwischen 10 und 500 µm. Eine geeignete Schichtdicke für die Zwischenschicht liegt im Bereich zwischen 5 und 100 µm.

Desweiteren gibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements an, wobei das Bauelement einen Grundkörper umfaßt, der mit wenigstens zwei Anschlußelementen kontaktiert ist und auf seiner Oberfläche eine aus einem lö­ sungsmittelhaltigen Ausgangsmaterial hergestellte Zwischen­ schicht aufweist und wobei der Grundkörper während des Auf­ bringens der Zwischenschicht mittels eines durch ihn fließen­ den elektrischen Stroms geheizt wird.

Das Heizen des Grundkörpers während des Aufbringens der Zwi­ schenschicht hat den Vorteil, daß das im Ausgangsmaterial enthaltenen Lösungsmittel sich leicht verflüchtigen kann, wo­ durch der Lösungsmittelgehalt der Zwischenschicht und damit auch die Auswirkungen des Lösungsmittels auf der Oberfläche des Grundkörpers vermindert werden können.

Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstel­ lung der Zwischenschicht des erfindungsgemäßen Bauelements geeignet.

Das Ausgangsmaterial kann zur Herstellung der Zwischenschicht auf der Oberfläche des Grundkörpers besonders vorteilhaft durch Sprühen aufgebracht werden. Dabei sind alle gängigen Sprühverfahren denkbar, beispielsweise auch Air-Brush. Das Sprühen des Ausgangsmaterials ermöglicht einen kontinuierli­ chen, dünnen Auftrag der Zwischenschicht, wobei insbesondere auch ein Schichtauftrag mit homogener Schichtdicke möglich ist. Dadurch, daß die Zwischenschicht beim Auftrag durch Sprühen sehr langsam wächst, kann der Gehalt an Lösungsmittel leicht während des Aufbringens der Zwischenschicht verdamp­ fen.

Desweiteren ist es durch Aufbringen der Zwischenschicht mit­ tels Sprühen leicht möglich, den Grundkörper des Bauelements allseitig mit der Zwischenschicht zu umschließen, wodurch der Zutritt von Feuchte beziehungsweise von Lösungsmittel einer auf der Zwischenschicht angeordneten Schutzschicht zum Grund­ körper wirksam vermindert wird.

Bei dem Aufbringen der Zwischenschicht mittels Sprühen ist es besonders vorteilhaft, wenn der Grundkörper auf eine Tempera­ tur geheizt wird, die bewirkt, daß wenigstens 90% des Lö­ sungsmittelanteils des Ausgangsmaterials während des Aufbrin­ gens der Zwischenschicht verdampfen. Dadurch wird gewährlei­ stet, daß die Zwischenschicht nur einen sehr geringen Anteil an Lösungsmittel enthält.

Eine Vergleichmäßigung des Schichtauftrags kann erfolgen, in­ dem die Ist-Temperatur des Grundkörpers während des Aufbrin­ gens der Zwischenschicht so stabilisiert wird, daß sie um we­ niger als 10% von einer geeigneten Soll-Temperatur abweicht. Dadurch wird gewährleistet, daß zu jedem Zeitpunkt des Schichtauftrags die Temperatur des Grundkörpers einerseits so hoch ist, daß ausreichend viel Lösungsmittel verdampft und andererseits die Temperatur so niedrig ist, daß die Zwischen­ schicht beziehungsweise der Grundkörper nicht thermisch be­ schädigt wird.

Es kann bei dem Verfahren vorteilhaft ein Grundkörper verwen­ det werden, dessen U-I-Kennlinie wenigstens ein Maximum auf­ weist. Dann nämlich ist es möglich, den durch den Grundkörper fließenden elektrischen Strom durch Anlegen einer elektri­ schen Spannung an die Anschlußelemente hervorzurufen, die in einem Bereich negativer Steigung der U-I-Kennlinie liegt. Aufgrund der negativen Steigung der Kennlinie bewirkt ein An­ steigen der Spannung ein Absinken des im Bauelement fließen­ den Stromes, was einen stabilisierenden Effekt auf die umge­ setzte elektrische Leistung P und somit auch auf die Tempera­ tur des Bauelements beziehungsweise des Grundkörpers hat.

Als Grundkörper, dessen U-I-Kennlinie wenigstens ein. Maximum aufweist, kommt beispielsweise ein Grundkörper aus einer Kaltleiterkeramik in Betracht. Das Wählen einer elektrischen Spannung, die in einem Bereich negativer Steigung der U-I-Kennlinie liegt, ist bei Kaltleitern unter dem Begriff "Kippen" bekannt.

Als geeignetes Material für die Keramik mit positivem Tempe­ raturkoeffizienten kommt beispielsweise Donatoren-dotiertes Bariumtitanat oder auch eine (V,Cr)₂O₃-Keramik in Betracht.

Bei Verwendung eines Grundkörpers aus einer Kaltleiterkeramik kann der Grundkörper durch einen Strom zwischen 1 und 2A auf eine Temperatur zwischen 140 und 150°C geheizt werden. Eine solche Temperatur ist beispielsweise geeignet zum Aufsprühen einer Schicht aus Silikatlack.

Auf die Zwischenschicht kann aus demselben Ausgangsmaterial eine Schutzschicht mit einem anderen Verfahren, beispielswei­ se Tauchen, aufgebracht werden. Eine solche Schutzschicht kann dicker als die Zwischenschicht ausgeführt sein und ist dann als Schutzschicht gegenüber äußeren Einflüssen geeignet.

Durch das Sprühen des Ausgangsmaterials auf den Grundkörper kann die Zwischenschicht insbesondere allseitig umschließend auf den Grundkörper aufgebracht werden und so den Grundkörper wirksam vor weiteren lösungsmittelhaltigen äußeren Schichten schützen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen und den dazu gehörigen Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt beispielhaft ein erfindungsgemäßes Bauelement im schematischen Querschnitt.

Fig. 2 zeigt beispielhaft die U-I-Kennlinie des Bauele­ ments aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt beispielhaft ein Bauelement während des Auf­ bringens einer Schicht mit Hilfe des erfindungsge­ mäßen Verfahrens im schematischen Querschnitt.

Die Fig. 1 zeigt einen PTC-Widerstand mit einem scheibenför­ migen Grundkörper 1, der aus einer geeigneten Keramik be­ steht. Auf der Unterseite des Grundkörpers 1 ist ein erster Kontaktbereich 2 vorgesehen, der beispielsweise aus einer Silber-Einbrennpaste bestehen kann. An dem ersten Kontaktbe­ reich 2 ist ein erstes Anschlußelement 4 befestigt, wobei es sich beispielsweise um einen Draht handeln kann. Die Befesti­ gung des Drahtes am ersten Kontaktbereich 2 erfolgt vorzugsweise durch Löten. Auf der Oberseite des Grundkörpers 1 ist ein zweiter Kontaktbereich 3 angeordnet, der wiederum aus ei­ ner Silber-Einbrennpaste bestehen kann. In gleicher Weise wie auf dem ersten Kontaktbereich 2 ist auch auf dem zweiten Kon­ taktbereich 3 ein zweites Anschlußelement 5 in Form eines an­ gelöteten Drahtes befestigt.

Der Grundkörper 1 ist umhüllt von einer Schutzschicht 6, die eine Dicke von 10 bis 500 µm aufweist und die aus einem lö­ sungsmittelhaltigen Lack besteht. Ferner ist der Grundkörper 1 von einer innerhalb der Schutzschicht 6 angeordneten Zwi­ schenschicht 7 umhüllt, die zwischen 5 und 20 µm dick ist und die nur einen sehr geringen Anteil an Lösungsmittel aufweist. Die Anschlußelemente 4, 5 weisen Endabschnitte 8, 9 auf, die von keiner der beiden Schichten 6, 7 umhüllt sind, so daß sie zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements dienen können.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde eine Stück­ zahl von 20 der in der Fig. 1 dargestellten Bauelemente wie folgt hergestellt: Es wurde ein PTC-Bauelement durch einen Strom von 1 bis 2 A auf eine Temperatur zwischen 140 und 150°C geheizt. Nach Stabilisierung der Temperatur wurde eine Zwischenschicht 6 durch Aufsprühen von Silikatlack mit Hilfe von Air-Brush aufgebracht. Anschließend wurde eine Schutz­ schicht 7 durch Eintauchen des mittlerweile wieder abgekühl­ ten PTC in Silikatlack sowie anschließendes Trocknen erzeugt.

Es wurden ferner als Vergleichsproben 20 Bauelemente gemäß der Fig. 1, jedoch ohne Zwischenschicht hergestellt.

Sowohl für die Ausführungsbeispiele der Erfindung als auch für die Vergleichsproben wurde zur Herstellung der Schutz­ schicht der Silikatlack der Firma Reichold verwendet, der die Spannungslagerungsstabilität erfahrungsgemäß in besonderem Ausmaß erniedrigt.

Es wurde die Lagerung Bauelemente bei 20 V Wechselspannung für eine Dauer von 24 Stunden getestet. Bei den erfindungsge­ mäßen Bauelementen konnten nach diesem Spannungslagerungstest keine Ausfälle beobachtet werden, während bei den Bauelemen­ ten ohne Zwischenschicht sieben Ausfälle beobachtet wurden. Dies zeigt den deutlich den positiven Effekt der erfindungs­ gemäßen Zwischenschicht.

Die U-I-Kennlinie gemäß Fig. 2 weist ein Maximum bei einer Kipp-Spannung U_K auf. Für Spannungen U < U_K kann der Kaltlei­ ter "gekippt" werden, was bedeutet, daß bei steigender Span­ nung U der durch den Kaltleiter fließende Strom I abnimmt und somit die im Bauelement umgesetzte elektrische Leistung sta­ bilisiert werden kann.

Fig. 3 zeigt die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens, wobei ein Grundkörper 1 aus einer Kaltleiterkeramik, der mit Anschlußelementen 4 und 5 versehen ist, von einem elektrischen Strom I durchflossen wird. Dieser elektrische Strom I heizt den Grundkörper 1 auf eine Temperatur oberhalb der Zimmertemperatur auf. Mittels einer Düse 11 kann nun Si­ likatlack auf die Oberfläche des Grundkörpers 1 aufgesprüht werden, so daß eine Schicht 10 entsteht, die aufgrund der Verdunstung nur sehr wenig Lösungsmittel enthält.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern wird in ihrer allgemeinsten Form durch Patentanspruch 1 und Patentanspruch 8 definiert.

Claims (17)

1. Elektrisches Bauelement mit
einem Grundkörper (1),
wenigstens zwei mit dem Grundkörper (1) verbundenen Anschlußelementen (4, 5),
einer auf der Oberfläche des Grundkörpers (1) angeord­ neten Zwischenschicht (6) und
einer auf der Zwischenschicht (6) angeordneten Schutz­ schicht (7),
bei dem die Zwischenschicht (6) und die Schutzschicht (7) jeweils aus demselben, ein Lösungsmittel enthalten­ den Ausgangsmaterial hergestellt sind und
bei dem die Zwischenschicht (6) einen kleineren Gehalt an Lösungsmittel aufweist als die Schutzschicht (7).

2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Zwischenschicht (6) durch Erhitzen des Grund­ körpers (1) auf die Oberfläche des Grundkörpers (1) auf­ getrocknet ist.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Grundkörper (1) eine Kaltleiterkeramik um­ faßt.

4. Bauelement nach Anspruch 1 bis 4, bei dem die Zwischenschicht (6) und die Schutzschicht (7) aus einem Lack hergestellt sind, der ein organisches Lö­ sungsmittel enthält.

5. Bauelement nach Anspruch 1 bis 4, bei dem die Schutzschicht (7) durch Tauchen des Grundkör­ pers (1) in eine Flüssigkeit hergestellt ist.

6. Bauelement nach Anspruch 1 bis 5, bei dem die Dicke der Zwischenschicht (6) zwischen 5 und 100 µm beträgt.

7. Bauelement nach Anspruch 1 bis 6, bei dem die Dicke der Schutzschicht (7) zwischen 10 und 500 µm beträgt.

8. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements mit einem Grundkörper (1), der mit wenigstens zwei An­ schlußelementen (4, 5) kontaktiert ist und auf seiner Oberfläche eine aus einem lösungsmittelhaltigen Ausgangs­ material hergestellte Schicht (10) aufweist, wobei der Grundkörper (1) während des Aufbringens der Schicht mit­ tels eines durch ihn fließenden elektrischen Stroms (I) geheizt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Ausgangsmaterial durch Sprühen auf den Grund­ körper (1) aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Grundkörper (1) auf eine Temperatur geheizt wird, die bewirkt, daß wenigstens 90% des Lösungsmit­ telanteils des Ausgangsmaterials während des Aufbringens der Schicht (10) verdampfen.

11. Verfahren nach Anspruch 8 bis 10, wobei die Ist-Temperatur des Grundkörpers (1) während des Aufbringens der Schicht (10) so stabilisiert wird, daß sie um weniger als 10% von einer Soll-Temperatur ab­ weicht

12. Verfahren nach Anspruch 8 bis 11, wobei ein Grundkörper (1) verwendet wird, dessen U-I- Kennlinie wenigstens ein Maximum aufweist und wobei der durch den Grundkörper (1) fließende elektrische Strom (I) durch Anlegen einer elektrischen Spannung (U) hervorgeru­ fen wird, die in einem Bereich negativer Steigung der U- I-Kennlinie liegt.

13. Verfahren nach Anspruch 8 bis 12, wobei ein Grundkörper (1) verwendet wird, der eine Kalt­ leiterkeramik umfaßt und wobei der Grundkörper (1) auf eine Temperatur zwischen 140 und 150°C geheizt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 8 bis 13, wobei als Ausgangsmaterial ein Lack verwendet wird, der ein organisches Lösungsmittel enthält.

15. Verfahren nach Anspruch 8 bis 14, wobei nach dem Aufbringen der Schicht (10) eine weitere Schicht aus demselben Ausgangsmaterial aufgebracht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die weitere Schicht durch Tauchen in eine Flüssig­ keit aufgebracht wird.

17. Verfahren nach Anspruch 8 bis 16, wobei die Schicht (10) so aufgebracht wird, daß sie den Grundkörper (1) allseitig umschließt.