DE10112801C2 - Verfahren zur Herstellung eines Elektrischen Bauelements und dessen Verwendung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements mit einer Funktionseinheit (1), die einen Grundkörper (2) mit einer Kontaktfläche (3) und ein Kontaktelement (4) umfaßt, und mit einem Gehäuse (5) aus kunststoffhaltigem Material, das unter Zugspannung steht und das Kontaktelement (4) auf die Kontaktfläche (3) drückt. Das Gehäuse wird als thermisch härtbarer Kunststoff durch Tauchen aufgebracht. Dadurch verbessert sich die Feuchtestabilität des Bauelements. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des Bauelements.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einer Funktionseinheit, die einen Grundkörper mit einer Kontaktflä­ che und ein Kontaktelement umfaßt, wobei das Kontaktelement die Kontaktfläche kontaktiert.

Aus der Druckschrift DE 198 51 869 A1 sind elektrische Bau­ elemente der eingangs genannten Art bekannt, die einen Heiß­ leiter-Temperaturfühler mit einem keramischen Werkstoff als Grundkörper darstellen. Neben am Grundkörper angelöteten An­ schlußdrähten besitzt der Temperaturfühler eine Epoxidharz- Umhüllung, die eine Zusatzkomponente mit hydrophoben Eigen­ schaften enthält.

Das bekannte elektrische Bauelement hat den Nachteil, daß es empfindlich ist gegenüber Feuchte. Obwohl es eine hydrophobe Umhüllung aus Epoxidharz besitzt, die beispielsweise durch Eintauchen hergestellt werden kann, können unter Einwirkung von Feuchte und/oder Wasser in Folge von Migrationseffekten Ausfälle auftreten. Durch die bei dem Betrieb des Bauelements anliegende Spannung besteht nämlich zwischen den beiden elek­ trischen Polen des Keramikelements, an denen die Anschluß­ drähte befestigt sind, eine Potentialdifferenz. Wenn sich un­ ter den Einsatzbedingungen bei feuchter Umgebung ein ge­ schlossener Wasserfilm zwischen den Elektroden ausbildet, so startet ein Materialtransport (z. B. von Silber, Zinn und Blei von dem beim Anlöten der Anschlußdrähte verwendeten Lot) von der Anode zur Kathode. Dabei bilden sich metallische Fil­ me, die geeignet sind, ähnlich wie Leiterbahnen auf der Ober­ fläche der Keramik zu fungieren. Dadurch nimmt der Widerstand des Sensors derart stark ab, daß es unter ungünstigen Umstän­ den durch einen Kurzschluß sogar zu einem Totalausfall des Heißleiter-Temperaturfühlers kommen kann. Derartige Heißlei­ ter-Temperaturfühler dürfen deshalb nur für Anwendungsgebiete vorgesehen werden, bei denen eine Betauung beziehungsweise Wassereinwirkung am Temperaturfühler nicht erfolgt.

Zur Umgehung des geschilderten Problems ist es aus dem Stand der Technik bekannt, den Heißleiter-Temperaturfühler mit ei­ ner Glasumhüllung zu versehen. Bei dieser Konstruktion können allerdings aufgrund der hohen Prozeßtemperaturen keine iso­ lierten Anschlußdrähte eingesetzt werden. Außerdem besteht hier die Gefahr, daß bei entsprechenden Anwendungsbedingungen Schädigungen durch elektrochemische Korrosion der Drähte oder Migration über den Glaskörper auftreten können.

Das bekannte Bauelement hat zudem den Nachteil, daß das für die Befestigung der Anschlußdrähte am Grundkörper benötigte Lot Blei enthält. Blei ist aufgrund seiner Giftigkeit und seiner Umweltschädlichkeit ein Material, das in Zukunft nicht mehr verwendet werden soll.

Desweiteren hat das bekannte Bauelement den Nachteil, daß die Temperatur, bei der das Bauelement betrieben werden kann, nach oben hin durch die Schmelztemperatur des verwendeten Lots begrenzt ist. Demgegenüber besteht vielfach die Forde­ rung nach Anwendungstemperaturen, die größer sind, als dies von gelöteten Bauelementen zugelassen wird.

Aus der Druckschrift DE 29 48 592 C3 ist ein PTC-Bauelement bekannt, bei dem die Kontaktkraft zwischen dem PTC- Bauelementkörper und Kontaktflächen durch Einpressen der Kom­ bination aus PTC-Bauelement und Kontaktblechen in eine ela­ stische Hülle erzielt wird. Aus der Druckschrift US 3,214,719 ist ein Termistor bekannt, bei dem außen am Termistorkörper anliegende Kontaktdrähte mittels eines Schrumpfschlauchs um­ schrumpft sind der den Kontaktdruck aufbaut. Die bekannten Bauelemente haben den Nachteil, daß sie sehr aufwendig in der Herstellung sind.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Kontaktierung des Kontaktelements mit der Kontaktfläche des Grundkörpers auf einfacher Art und Wei­ se erfolgt.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Pa­ tentanspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er­ findung sowie die Verwendung der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Es wird ein elektrisches Bauelement angegeben, das eine Funk­ tionseinheit aufweist, welche einen Grundkörper und eine Kontaktfläche enthält. Darüber hinaus enthält die Funktions­ einheit ein Kontaktelement. Das Bauelement weist ein Gehäuse aus kunststoffhaltigem Material auf, das unter Zugspannung steht und das Kontaktelement auf die Kontaktfläche drückt.

Das Bauelement hat den Vorteil, daß aufgrund des Gehäuses, das das Kontaktelement auf die Kontaktfläche drückt, auf eine Lötverbindung zur Kontaktierung des Bauelements verzichtet werden kann. Insbesondere kann auf Lot und auf das darin ent­ haltene Blei verzichtet werden.

Da nun keine Verbindungsmasse zur Kontaktierung des Bauele­ ments mehr notwendig ist, weist das erfindungsgemäße Bauele­ ment auch keine migrierbaren Metalle mehr auf, so daß die Feuchtebeständigkeit des erfindungsgemäßen Bauelements ver­ bessert ist.

Das Gehäuse kann einen Schrumpfschlauch umfassen, der auf die Funktionseinheit aufgeschrumpft ist. Durch die thermische Be­ handlung des Schrumpfschlauchs während des Aufschrumpfens auf die Funktionseinheit wird der Innendurchmesser des Schrumpf­ schlauchs so weit verkleinert, daß dadurch ein Druck in Rich­ tung auf die Funktionseinheit aufgebaut wird, der das Kontak­ telement auf die Kontaktfläche drückt, wodurch eine dauerhaf­ te elektrische Verbindung hergestellt werden kann.

Als Schrumpfschlauch kann beispielsweise ein Schrumpfschlauch aus Polytetrafluorethylen verwendet werden, der bei einer Temperatur von etwa 350°C aufgeschrumpft wird. Entsprechend hoch ist auch die maximale Betriebstemperatur, bei der das erfindungsgemäße Bauelement betrieben werden kann.

Die Verwendung eines Schrumpfschlauchs als Gehäuse hat über­ dies den Vorteil, daß miniaturisierte Bauelemente mit sehr kleinen äußeren Abmessungen hergestellt werden können. Insbe­ sondere werden Bauelemente ermöglicht, deren Funktionseinheit kleiner ist als ein Quader mit den Abmessungen 5 × 5 × 2,5 mm.

Weiterhin kann das Gehäuse ein Becher sein, dessen innere Ab­ messungen so gewählt sind, daß durch Anordnen der Funktions­ einheit im Becher die erforderliche Zugspannung entsteht. We­ sentlich ist dabei, daß die Toleranzen, sowohl des Gehäuses als auch der Funktionseinheit möglichst klein sind. Daher werden vorzugsweise die etablierten Herstellverfahren zur Er­ zielung kleiner geometrischer Toleranzen bei deren Herstel­ lung verwendet. Insbesondere kommen als Kunststoff für die Kunststoffbecher alle spritzgußfähigen Materialien in Be­ tracht. Beispiele hierfür sind Polyolefine oder auch Polye­ theretherketone. Bezüglich der Materialwahl ist jedoch zu be­ achten, daß im vorgesehenen Arbeitstemperaturbereich das Kon­ taktelement auf die Kontaktflächen gedrückt wird (abgestimmte Ausdehnungskoeffizienten). Das Anordnen der Funktionseinheit im Becher kann beispielsweise durch Einschieben erfolgen.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren angegeben, wobei das Ge­ häuse aus einem flüssigen, thermisch härtbaren Kunststoff hergestellt wird.

Hierfür kann insbesondere vorteilhaft ein Tauchverfahren ver­ wendet werden, wobei die Funktionseinheit in den flüssigen, thermisch härtbaren Kunststoff eingetaucht wird und so ein Tropfen auf der Oberfläche der Funktionseinheit haften bleibt. Anschließend wird der Kunststoff thermisch vernetzt, wodurch dieser hart wird. Beim anschließenden Abkühlen schrumpft der Kunststoff und die erforderliche Zugspannung entsteht.

Das Tauchverfahren zur Aufbringung des thermisch härtbaren Kunststoffs hat den Vorteil, daß es leicht durchzuführen ist und daß es dazu geeignet ist, den Kunststoff in einer Dicke auf die Funktionseinheit aufzubringen, die nicht über das er­ forderliche Maß hinausgeht. Dadurch kann das von dem Bauele­ ment beanspruchte Volumen reduziert werden.

Bei der Wahl des thermisch härtbaren Kunststoffs ist zu be­ rücksichtigen, daß im gesamten Arbeitstemperaturbereich des Bauelements ein Druck auf das Kontaktelement wirken soll. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines Epoxidharzes erreicht werden, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizi­ enten als die Funktionseinheit aufweist und das bei einer Temperatur gehärtet wird, die oberhalb der größten Betrieb­ stemperatur des Bauelements liegt. Zur Steigerung der Bestän­ digkeit des Bauelements bei Temperaturwechselbelastung kann die Flexibilität des Kunststoffs durch geeignete Additive ge­ zielt erhöht werden.

Als geeignete thermisch härtbare Kunststoffe kommen neben Epoxidharzen z. B. auch Polyuretane oder Polyimide in Be­ tracht.

In einer für alle Ausführungsformen der Erfindung geltenden vorteilhaften Ausgestaltung ist das Material das Gehäuses so gewählt, daß der Druck in einem für den Betrieb des Bauele­ ments vorgesehen Temperaturintervall ausreichend groß ist, um einen sicheren elektrischen Kontakt zwischen dem Kontaktele­ ment und der Kontaktfläche zu gewährleisten.

Daraus ergibt sich der Vorteil einer zuverlässigen Funktion des Bauelements.

Desweiteren ist ein Verfahren vorteilhaft, bei dem das Kon­ taktelement ein mit einer Isolierhülle versehener Draht ist und bei dem das Material des Gehäuses so gewählt ist, daß es bei einer Temperatur verarbeitet werden kann, die kleiner ist als die Schmelztemperatur der Isolierhülle. Dadurch kann das Gehäuse verarbeitet werden, ohne die Isolierhülle zu beschä­ digen. Beispielsweise kann die Isolierhülle aus PEEK beste­ hen, während das Gehäuse aus PTFE besteht.

Die Verwendung von Kontaktelementen, die eine Isolierhülle aufweisen, hat den Vorteil, daß beispielsweise isolierte Drähte verwendet werden können. Dadurch wird das Anwendungs­ spektrum des erfindungsgemäßen Bauelements erweitert, da bei­ spielsweise durch Verwendung von isolierten Drähten, bei de­ nen die Isolation bis unter die Kunststoffhülle reicht, ein nach außen hin vollständig isoliertes Bauelement realisiert werden kann, bei dem Störungen, die beispielsweise durch Kurzschlüsse mit anderen elektrisch leitenden Komponenten hervorgerufen werden, wirksam vermindert werden können.

Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn bei dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren ein Bauelement hergestellt wird, bei dem auf der der Kontaktfläche gegenüber liegenden Seite des Grundkör­ pers eine zweite Kontaktfläche angeordnet ist, welche mit ei­ nem weiteren Kontaktelement kontaktiert ist. Dadurch kann die gebräuchliche Form von mit Drähten kontaktierten miniaturi­ sierten Temperaturfühlern realisiert werden.

Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn die offenen Stellen des Gehäuses durch eine Schutzumhüllung abgedichtet werden. Da­ durch kann das Eindringen von Feuchte in das Bauelement redu­ ziert werden, wodurch die Störanfälligkeit des Bauelements vermindert wird.

Bei Verwendung eines Schrumpfschlauchs als Gehäuse kommt bei­ spielsweise eine äußere Schutzlackierung oder auch eine Schutzumhüllung in Betracht, die beispielsweise aus Siegel­ lack bestehen kann. Bei Verwendung eines Bechers als Gehäuse kann die Becheröffnung nach dem Einbau der Funktionseinheit abschließend mit einem geeignete Klebstoff verklebt werden.

Desweiteren ist ein Verfahren vorteilhaft, bei dem der Grund­ körper eine Keramik enthält, deren ohmscher Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Ein solches Bau­ element hat den Vorteil, daß es als NTC-Temperatursensor verwendet werden kann. Gerade bei diesen miniaturisierten Temperatursensoren ist das Problem der Migration besonders ernst und die Erfindung kann hier besonders vorteilhaft zum Einsatz kommen.

Aufgrund der Verwendung von Gehäusematerialien, die bei sehr hohen Temperaturen verarbeitet werden, wie z. B. Epoxidharze oder auch Polyimide, kann das mit dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren hergestellte Bauelement besonders vorteilhaft in einem Temperaturbereich von -55°C bis mehr als 155°C und unter feuchten Umgebungsbedingungen als NTC-Temperatursensor ver­ wendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher er­ läutert.

Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Bauelement im schematischen Querschnitt.

Fig. 2 zeigt beispielhaft ein weiteres Bauelement im schema­ tischen Querschnitt.

Fig. 1 zeigt ein Bauelement mit einer Funktionseinheit 1, die einen Grundkörper 2 mit auf der Oberfläche angeordneten Kontaktflächen 3, 7 umfaßt. Der Grundkörper 2 besteht aus ei­ ner NTC-Keramik, beispielsweise einem Mangan-Nickel-System, das ein Spinell-System ist. Die Kontaktflächen 3, 7 sind als Einbrandelektroden ausgeführt, die beispielsweise aus Silber, Gold oder auch einer Silber-Paladium-Legierung bestehen kön­ nen. Vorteilhaft ist es, wenn die Einbrandelektroden keine migrierbaren Metalle enthalten.

Als Gehäuse 5 weist das Bauelement einen Schrumpfschlauch auf, der die Funktionseinheit umfaßt. Mittels des Schrumpf­ schlauchs sind Kontaktelemente 4, 8 von außen mit den Kon­ taktflächen 3, 7 kontaktiert. Dabei sind auf gegenüberliegen­ den Seitenflächen des Grundkörpers 2 Kontaktflächen 3, 7 an­ gebracht und entsprechend mit einander gegenüberliegenden Kontaktelementen 4, 8 kontaktiert. Der Schrumpfschlauch steht unter Zugspannung und drückt die Kontaktelemente 4, 8 auf die betreffende Kontaktfläche 3, 7. Die Kontaktelemente 4, 8 wer­ den also von entgegengesetzten Richtungen her auf den Grund­ körper 2 gedrückt. Die Kontaktelemente 4, 8 sind vorzugsweise konventionelle Runddrähte, die eine Isolationshülle 6 aus Kunststoff aufweisen.

Das in Fig. 1 dargestellte Bauelement ist zusätzlich zum Schrumpfschlauch von einer Schutzumhüllung 9 umgeben, die beispielsweise ein Siegellack sein kann und die den Schrumpf­ schlauch und die aus dem Schrumpfschlauch herausragenden Ab­ schnitte der Kontaktelemente 4, 8 umhüllt.

Fig. 2 zeigt ein Bauelement mit einer Funktionseinheit 1, die genau so aufgebaut ist, wie die Funktionseinheit 1, die in Fig. 1 dargestellt ist. Im Unterschied zu Fig. 1 ist das Gehäuse 5 ein Kunststoffbecher, wobei die Becherinnenabmes­ sung d so gewählt ist, daß durch Anordnen der Funktionsein­ heit 1 im Becher die für die Kontaktierung erforderliche Druckspannung entsteht.

Die Becheröffnung des in Fig. 2 dargestellten Bauelements ist von einer Schutzumhüllung 9 bedeckt. Sie kann beispiels­ weise mittels eines Klebers verschlossen sein.

Die in Fig. 2 dargestellten Bezugszeichen haben dieselbe Be­ deutung wie die in Fig. 1 dargestellten Bezugszeichen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements mit einer Funktionseinheit (1), die einen Grundkörper (2) mit einer Kontaktfläche (3) und ein Kontaktelement (4) umfaßt, wobei in einem ersten Schritt mittels eines Tauchverfahrens ein Gehäuse (5) aus einem flüssigen, thermisch härtbaren Kunststoff auf den Grundkörper (2) aufgebracht wird, und wo­ bei in einem darauffolgenden zweiten Schritt der Kunststoff thermisch so ausgehärtet wird, daß das Gehäuse (5) unter Zugspannung steht und das Kontaktelement (4) auf die Kontakt­ fläche (3) drückt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Funktionseinheit (1) verwendet wird, die kleiner ist als ein Quader mit den Abmessungen 5 × 5 × 2,5 mm.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Material des Gehäuses (5) einen größeren Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten als die Funktionseinheit (1) aufweist und wobei der thermisch härtbare Kunststoff bei einer Tempe­ ratur gehärtet wird, die größer ist als die höchste für den Betrieb des Bauelements vorgesehene Temperatur.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Kontaktelement (4) ein mit einer Isolierhülle (6) versehener Draht ist und wobei das Material des Gehäuses (5) so gewählt wird, daß es bei einer Temperatur verarbeitet wer­ den kann, die kleiner ist als die Schmelztemperatur der Iso­ lierhülle (6).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei auf der der Kontaktfläche (3) gegenüberliegenden Seite eine zweite Kontaktfläche (7) angeordnet ist, und wobei ein zweites Kontaktelement (8) zur Kontaktierung der zweiten Kon­ taktfläche (7) vorgesehen ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei offene Stellen des Gehäuses (5) durch eine Schutzumhül­ lung (9) abgedichtet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der verwendete Grundkörper (2) eine Keramik enthält, deren ohmscher Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizi­ enten aufweist.

8. Verwendung eines Bauelements, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als NTC-Temperatursensor unter feuchten Um­ gebungsbedingungen.