DE102006033691A1

DE102006033691A1 - Widerstandselement mit PTC-Eigenschaften und hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit

Info

Publication number: DE102006033691A1
Application number: DE102006033691A
Authority: DE
Inventors: Werner Kahr
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2008-01-31
Also published as: JP2009544160A; EP2047486B1; US7902958B2; EP2047486A1; DE502007006682D1; WO2008009280A1; US20090179730A1

Abstract

Es wird ein Widerstandselement mit einem Keramikkörper (1) angegeben, der PTC-Eigenschaften aufweist. Mindestens eine Hauptfläche des Keramikkörpers (1) weist eine Anordnung von Vertiefungen (21, 22) auf.

Description

Eine Anordnung mit Körnchen aus PTC-Material, die in einem Bindemittel verteilt sind, ist aus der Druckschrift DE 3107290 A1 bekannt. Aus DE 8309023 U1 ist ein flexibles Element in Bandform bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Widerstandselement anzugeben, das sich durch eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit auszeichnet.
Es wird ein Widerstandselement mit einem Keramikkörper aus Keramik angegeben, die PTC-Eigenschaften aufweist. Die Abkürzung PTC steht für Positive Temperature Coefficient. Mindestens eine Hauptfläche des Keramikkörpers weist eine Anordnung von Vertiefungen auf.
Vorzugsweise weist die erste Hauptfläche des Keramikkörpers eine Anordnung von ersten Vertiefungen und die zweite Hauptfläche des Keramikkörpers eine Anordnung von zweiten Vertiefungen auf.
Die Hauptflächen des Keramikkörpers, inklusive der Oberfläche der Vertiefungen, sind vorzugsweise mit einer Elektrodenschicht bedeckt. Jede Elektrodenschicht bildet eine Elektrodenfläche. Der Widerstand des Widerstandselements ist um so niedriger, je größer die Elektrodenfläche und je kleiner der Abstand zwischen den Elektrodenschichten ist. Diese Parameter hängen unmittelbar mit den geometrischen Parametern wie z. B. Tiefe, Breite der Vertiefungen und Abstand zwischen den Ver tiefungen zusammen. Durch eine nachstehend erläuterte Einstellung der Elektrodenfläche und des Abstands zwischen den Elektrodenschichten gelingt es, einen vorgegebenen Widerstandswert bei der vorgegebenen Größe des Widerstandselements zu erreichen.
Durch die Vertiefungen gelingt es insbesondere, eine wirksame Elektrodenfläche des Keramikkörpers zu vergrößern und somit den Widerstandswert des Widerstandselements gegenüber der Ausführung ohne Vertiefungen zu senken. Durch die Vertiefungen gelingt außerdem eine Verringerung des Abstands zwischen zwei gegenüber liegenden Elektrodenflächen des Widerstandselements. Durch die Vergrößerung der Elektrodenfläche ist es auch möglich, ein besonders kleines Widerstandselement mit einer hohen Wärmeabgabe zu erzielen. Niedrige Widerstände und hohe Wärmeabgabe werden auch durch kleine Abstände der Vertiefungen erreicht.
Die ersten (und zweiten) Vertiefungen haben vorzugsweise die Form von Spalten oder Rillen, die parallel zueinander verlaufen. Die Vertiefungen können aber auch als Sacklöcher ausgebildet sein. Eine regelmäßige Anordnung von gleichartig ausgebildeten Vertiefungen ist bevorzugt.
Die zweiten Vertiefungen können parallel zu den ersten Vertiefungen verlaufen. Die zweiten Vertiefungen können aber auch quer, insbesondere senkrecht oder schräg zu den ersten Vertiefungen verlaufen.
Die Vertiefungen können einen beliebigen Querschnitt aufweisen. Insbesondere können die Seitenwände der Vertiefungen senkrecht oder schräg zu den Hauptflächen des Widerstandsele ments verlaufen oder gekrümmt sein. Die Vertiefungen können auch Stufen aufweisen.
Die Tiefe der Vertiefungen übersteigt vorzugsweise deren Breite. Die Tiefe der Vertiefungen kann beispielsweise mindestens das Doppelte deren Breite betragen. Die Tiefe der Vertiefungen beträgt vorzugsweise mindestens 20% der Dicke des Keramikkörpers. Die Tiefe der Vertiefungen kann auch 50% der Dicke des Keramikkörpers übersteigen. Die ersten und zweiten Vertiefungen können die gleiche Tiefe aufweisen. Sie können aber im Prinzip auch voneinander unterschiedliche Dicken aufweisen.
Die zweiten Vertiefungen sind in einer vorteilhaften Variante gegenüber den ersten Vertiefungen versetzt angeordnet (in einer Draufsicht). In diesem Fall weist der Keramikkörper einen schlangenförmigen Querschnitt auf. In dieser Variante gelingt es, besonders tiefe Vertiefungen auszubilden, deren Tiefe die Hälfte der Dicke des Keramikkörpers übersteigen kann.
Die versetzt angeordneten ersten und zweiten Vertiefungen können bezüglich der Dickenrichtung des Keramikkörpers (in einer Seitenansicht) derart überlappen, dass sie in einem Mittelbereich des Keramikkörpers ineinander greifen. Die ersten und zweiten Vertiefungen sind dabei im Mittelbereich des Keramikkörpers abwechselnd angeordnet. In diesem Fall übersteigt die Tiefe der Vertiefungen die Hälfte der Dicke des Keramikkörpers.
Die zweiten Vertiefungen können in einer weiteren Variante (in einer Draufsicht) gegenüber den ersten Vertiefungen liegen. In diesem Fall ist die Tiefe der ersten und der zweiten Vertiefungen kleiner als die Hälfte der Dicke des Keramikkörpers.
Die Vertiefungen können zumindest teilweise mit einem Füllmaterial gefüllt sein, dessen Wärmeleitfähigkeit diejenige des Materials des Keramikkörpers übersteigt. Somit gelingt es, im Keramikkörper Wärmesenken zu schaffen, welche die Wärmeabgabe des Widerstandselements an die Umgebung, z. B. an ein Objekt verbessern.
Das Füllmaterial kann elektrisch isolierend sein. Das Füllmaterial kann aber auch elektrisch leitend sein.
Der Keramikkörper ist vorzugsweise ein massiver, starrer Sinterkörper. Als Grundmaterial für den Keramikkörper ist BaTiO₃ geeignet. Der Keramikkörper ist vorzugsweise als eine Platte bereitgestellt. Die Vertiefungen können in einem gesinterten Keramikkörper als Einschnitte erzeugt werden. Die Hauptflächen des Keramikkörpers werden nach dem Ausbilden der Vertiefungen zur Bildung von Elektrodenschichten metallisiert. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Vertiefungen in einem noch nicht gesinterten Keramikkörper anzuordnen und den Keramikkörper mit den vorgeformten Vertiefungen dem Sintern zu unterziehen.
Die Elektrodenschichten können jeweils z. B. in einem galvanischen Verfahren aufgetragen werden. Sie können auch durch Sputtern, Bedampfen oder als eine Metallpaste aufgetragen und eingebrannt werden. Auch Kombination dieser Elektrodentechnologien zur Erzeugung spezieller Schichtfolgen sind möglich.
Derart konfektionierte Widerstandselemente sind vorzugsweise mit elektrischen Anschlüssen für die Stromeinleitung verse hen, wobei die mechanische Ausführung jener von radial kontaktierten oder SMD fähigen Bauelementen entsprechen kann. Die Konfektionierung dieser Elemente kann auch eine Umhüllung mit isolierenden Materialien, Kapselung in Kunststoffen beinhalten. Dabei können mehrere Widerstandselemente gemeinsam verkapselt sein. Diese Widerstandselemente können auch mit mindestens einer flächig anliegenden Abdeckschicht verbunden sein, deren Wärmeleitfähigkeit diejenige des Materials des Keramikkörpers vorzugsweise übersteigt. Diese Abdeckschicht kann elektrisch leitend sein und als Kontaktierung für die Stromeinleitung geeignet sein. Die Abdeckschicht kann auch als ein Verbund ausgebildet sein, der eine elektrisch leitende Teilschicht und eine elektrisch isolierende Teilschicht umfasst.
Die Widerstandselemente können auch ohne vorkonfektionierte Verbindung zu Abdeckschichten derart angeordnet sein, dass die elektrische und thermische Kontaktierung zu dieser auch nachträglich erfolgen kann. Mehrere mechanisch miteinander verbundene Widerstandselemente können gemeinsam in einer Anordnung eingesetzt werden. Diese Widerstandselemente sind vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden.
Das angegebene Widerstandselement wird nun anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:
1 ein Widerstandselement mit einer Anordnung von Vertiefungen auf den beiden Hauptflächen des Keramikkörpers;
2 das Widerstandselement gemäß 1 mit durch einen Füllstoff ausgefüllten Vertiefungen;
3 das Widerstandselement gemäß 2, das zwischen zwei Abdeckschichten angeordnet ist;
4 das Widerstandselement gemäß 2 in SMD-Ausführung;
5 verschiedene Beispiele zur Ausgestaltung von Vertiefungen.
In 1 ist ein Widerstandselement mit einem Keramikkörper 1 gezeigt. Der Keramikkörper 1 weist erste Vertiefungen 21 auf, die auf seiner ersten Hauptfläche (Oberseite) angeordnet sind, und zweite Vertiefungen 22, die auf seiner zweiten Hauptfläche (Unterseite) angeordnet sind. Diese Vertiefungen sind vorzugsweise, wie in der Variante gemäß der 2, mit einem Füllmaterial 3 gefüllt, das eine bessere thermische Leitfähigkeit als der Keramikkörper 1 aufweist.
Auf der Oberseite des Keramikkörpers ist eine erste Elektrodenschicht 61 und auf dessen Unterseite eine zweite Elektrodenschicht 62 angeordnet. Die Elektrodenschichten 61, 62 bedecken auch die Oberfläche der Vertiefungen 21, 22.
Die zweiten Vertiefungen 22 sind gegenüber den ersten Vertiefungen 21 lateral versetzt. Die ersten und zweiten Vertiefungen 21, 22 sind nicht miteinander verbunden. Die Tiefe der in den 1 bis 3 gezeigten Vertiefungen 21, 22 beträgt ungefähr die Hälfte der Dicke des Keramikkörpers 1. Eine derart tiefe Ausgestaltung der Vertiefungen 21, 22 ist insbesondere möglich, wenn

a) der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden ersten Vertiefungen größer ist als die Breite der zweiten Vertiefungen, und
b) der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden zweiten Vertiefungen größer ist als die Breite der ersten Vertiefungen. Weitere Varianten der Vertiefungen 21, 22 bezüglich deren Tiefe und deren Form sind in den 5A bis 5F erläutert.

Der Keramikkörper 1 ist in der Variante gemäß der 3 zwischen zwei Abdeckschichten 41, 42 angeordnet. Der Keramikkörper 1 ist vorzugsweise mit den Abdeckschichten 41, 42 fest verbunden, beispielsweise verklebt.
Das in 1 bis 3 gezeigte Widerstandselement ist beispielsweise als Heizelement geeignet.
In 4 ist das Widerstandselement gemäß der 2 gezeigt, das zur Unterseite des Widerstandselements herausgeführte elektrische Anschlüsse 51, 52 aufweist. Ein solches Widerstandselement ist ein oberflächenmontierbares Bauelement oder SMD-Bauelement. Die Abkürzung SMD steht für Surface Mounted Device. Das in 4 gezeigte Widerstandselement kann auf einer Leiterplatte montiert werden und kommt insbesondere für Stromschutzanwendungen in Betracht.
Das Widerstandselement kann alternativ als ein bedrahtetes Bauelement, d. h. mit Drahtanschlüssen, ausgebildet sein.
Die Tiefe der in 5A gezeigten Vertiefungen 21, 22 übersteigt die Hälfte der Dicke des Keramikkörpers 1, so dass die ersten Vertiefungen teilweise ineinander greifen und überlappen in einem Mittelbereich 10 des Keramikkörpers. Wie in der Variante gemäß der 1 weist der Keramikkörper 1 einen schlangenförmigen Querschnitt auf.
Besonders tief ausgebildete Vertiefungen 21, 22 haben den Vorteil, dass dadurch ein besonders kleiner Abstand zwischen den Elektrodenschichten 61, 62 eingestellt und somit der Widerstand des Widerstandselements verringert werden kann.
Die Tiefe der in den 5B und 5C gezeigten Vertiefungen 21, 22 ist kleiner eingestellt als die Hälfte der Dicke des Keramikkörpers 1. In 5C liegen die zweiten Vertiefungen 22 direkt gegenüber den ersten Vertiefungen 21. Die Restdicke des Keramikkörpers zwischen den Vertiefungen 21, 22 ist so gewählt, dass sie für die Stabilität des Widerstandselements ausreichend ist.
In 5D ist ein Widerstandselement vorgestellt, das nur auf einer Seite eine Anordnung von Vertiefungen 21 aufweist.
Die Vertiefungen 21, 22 der in den 1 bis 5C gezeigten Widerstandselemente weisen einen rechteckigen Querschnitt auf. Der Querschnitt der Vertiefungen 21, 22 kann alternativ wie in 5D abgerundet, wie in 5E mit schräg verlaufenden Seitenwänden oder wie in 5F V-förmig sein.

1, 1a, 1b: Keramikkörper
10: Mittelbereich des Keramikkörpers
21: erste Vertiefungen
22: zweite Vertiefungen
3: Füllmaterial
41: erste Abdeckschicht
42: zweite Abdeckschicht
51, 52: elektrischer Anschluss
61: erste Elektrodenschicht
62: zweite Elektrodenschicht

Claims

Widerstandselement – mit einem Keramikkörper (1), der PTC-Eigenschaften aufweist, – wobei eine erste Hauptfläche des Keramikkörpers (1) eine Anordnung von ersten Vertiefungen (21) aufweist.
Widerstandselement nach Anspruch 1, – wobei eine zweite Hauptfläche des Keramikkörpers (1) eine Anordnung von zweiten Vertiefungen (22) aufweist.
Widerstandselement nach Anspruch 2, – wobei die zweiten Vertiefungen (22) gegenüber den ersten Vertiefungen (21) versetzt angeordnet sind.
Widerstandselement nach Anspruch 3, – wobei die ersten und zweiten Vertiefungen (21, 22) bezüglich der Dickenrichtung des Keramikkörpers (1) derart überlappen, dass sie ineinander greifen.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, – wobei die Tiefe der Vertiefungen (21, 22) mindestens 20% der Dicke des Keramikkörpers (1) beträgt.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, – wobei die Hauptflächen des Keramikkörpers (1) inklusive der Oberfläche der Vertiefungen (21, 22) mit einer Elektrodenschicht (61, 62) bedeckt sind.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, – wobei die Vertiefungen (21, 22) mit einem Füllmaterial (3) gefüllt sind, dessen Wärmeleitfähigkeit diejenige des Materi als des Keramikkörpers (1) übersteigt.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, – wobei mindestens eine Hauptfläche des Keramikkörpers (1) mit einer Abdeckschicht (41, 42) verbunden ist, deren Wärmeleitfähigkeit diejenige des Materials des Keramikkörpers (1) übersteigt.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, – wobei mindestens eine Hauptfläche des Keramikkörpers (1) mit einem elektrischen Anschluss (51, 52) fest verbunden ist.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, – wobei der Keramikkörper (1) mit den an ihn angeschlossenen elektrischen Anschlüssen (51, 52) durch eine Abdeckschicht umhüllt ist.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, – das mit mindestens einem weiteren Widerstandselement mechanisch und elektrisch verbunden ist.