DE10315220A1 - Dickschichtpaste zur Herstellung von elektrischen Bauteilen - Google Patents

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Abstract

Beschrieben wird eine erfindungsgemäße Dickschichtpaste zur Herstellung von elektrischen Bauteilen, wie beispielsweise Heizelementen. Die Dickschichtpaste enthält eine Glasphase und ist keramisch. Des weiteren enthält sie Barium und/oder Titan als PTC-Keramikpulver, wodurch das elektrische Bauteil eine nichtlineare Sprungcharakteristik des Widerstands über der Temperatur aufweist. Ein beispielhaftes Material ist dotiertes Barium-Titanat.

Description

  • Anwendungsgebiet und Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Dickschichtpaste zur Herstellung elektrischer Bauteile gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung solcher Bauteile gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 sowie ein Bauteil selber. Derartige Bauteile können beispielsweise Widerstände oder Heizelemente sein.
  • Es ist bekannt, beispielsweise aus der WO 01/58212, Keramiken mit PTC-Eigenschaften in massiver Form, beispielsweise als Heizstab, herzustellen. Eine Möglichkeit für eine solche PTC-Keramik ist Barium-Titanat. Dieses weist einen Sprungeffekt des spezifisch elektrischen Widerstandes im Bereich einer bestimmten Temperatur auf. Damit ist eine beinahe ebenso starke sprungartige Temperaturbegrenzung eines massiven, beispielsweise stabförmigen Heizelementes möglich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Dickschichtpaste, ein Verfahren zur Herstellung eines Dickschicht-Bauteils sowie ein solches Dickschicht-Bauteil zu schaffen, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können und insbesondere eine vielseitige Anwendbarkeit mit vorteilhaften Eigenschaften gewährleistet ist.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Dickschichtpaste mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Dickschicht-Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie ein Dickschicht-Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird dabei durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
  • Erfindungsgemäß weisen die Bauteile aus der Dickschichtpaste eine nichtlineare Sprungcharakteristik des Widerstands über der Temperatur auf. Dies bedeutet, dass bei einer bestimmten Temperatur bzw. in einem bestimmten Temperaturbereich der Widerstand sehr schnell bzw. mit geringer Temperaturzunahme sehr stark zunimmt. Dieses wird auch als Sprungcharakteristik bezeichnet. Somit ist es möglich, relativ genau ab einer bestimmten Temperatur den Widerstandsanstieg herbeizuführen. Somit kann beispielsweise bei Heizelementen die daraus resultierende Heizleistungsreduzierung herbeigeführt werden.
  • Eine weitere Anwendungsmöglichkeit sind einfach gebaute Temperaturfühler, welche durch den Anstieg des Widerstands eine bestimmte Temperatur bzw. das Erreichen eines bestimmten Temperaturbereichs signifikant anzeigen können.
  • Physikalisch gesehen wird der Widerstandsanstieg der PTC-Keramikwerkstoffe durch elektrische Potentialbarrieren an den Korngrenzen hervorgerufen. Dieser Potentialbarrieren werden durch Strukturumwandlungen im Inneren der Keramik beeinflusst. Nebeneffekte, die sich aus der Wirkung dieser Potentialbarrieren ergeben, sind Spannungs- und Frequenzabhängigkeit der Widerstands-Temperatur-Kennlinien der Bauteile bei geringer Temperatur.
  • Dazu kann die Dickschichtpaste Barium oder Titan oder vorteilhaft Bariumtitanat enthalten, welches als Keramikpulver beigemischt ist und im folgenden als PTC-Keramikpulver bezeichnet wird.
  • Beispielsweise kann als Sprungcharakteristik vorgesehen sein, dass sich bei einem Anstieg der Temperatur um ca. 30°C der Widerstand verzehnfacht. Die Temperatur, ab der die Sprungcharakteristik vorliegt, kann in einem weiten Bereich gewählt werden, beispielsweise zwischen 50°C und 250°C.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann ein PTC-Keramikpulver bzw. die Dickschichtpaste Barium-Titanat aufweisen. Dieses weist besonders vorteilhafte Eigenschaften bezüglich der Sprungcharakteristik auf. Besonders bevorzugt wird dotiertes Barium-Titanat verwendet.
  • Unter Umständen kann der Effekt auftreten, dass sich im Temperaturbereich der nichtlinearen Sprungcharakteristik die Keramik räumlich ausdehnt. Um diese Eigenschaften in den Hintergrund treten zu lassen, kann das PTC-Keramikpulver in nanoskaliger Form verwendet werden.
  • Des weiteren kann der elektrisch leitfähige PTC-Keramikpulveranteil am Feststoffanteil der Dickschichtpaste in einem weiten Bereich variieren.
  • Vorteilhaft kann er höher als 80% liegen. Besonders vorteilhaft sind es noch mehr, insbesondere bis ungefähr 95 %.
  • Es ist möglich, der Dickschichtpaste Widerstandspaste oder Widerstandspartikel oder Leitpaste beizufügen. Dadurch kann die PTC-Charakteristik beeinflusst werden, insbesondere die Sprungcharakteristik. Des weiteren kann dadurch der Kaltwiderstand, also der Widerstand vor Erreichen der Sprungcharakteristik, beeinflusst werden. Dieser Widerstand kann ebenso über die Korngrößenverteilung des PTC-Keramikpulvers beeinflusst werden.
  • Als PTC-Keramikpulver kann als konkrete Zusammensetzung eines aus der folgenden Gruppe ausgewählt werden: (Ba1-xPbx)TiO3+Nb/Ta (Ba1-x-ySByPbx)TiO+BaCO3/SiO2/BN/TiO2 (Bi1-aAa)(Ti1-bBb)xOy 2 wobei gilt: A=Sr/Ca/Ba; B=Nb/Ta/Sb.
  • Man kann sagen, dass beispielsweise Blei-Titanat technisch zwar hervorragend geeignet ist, aber wohl eher nicht ausgewählt werden wird, da hier ein Stoffverbot wegen des Bleigehalts zu erwarten ist.
  • Eine Curie-Temperatur für ein Dickschicht-Bauteil in Form eines elektrischen Heizelements kann zwischen 80°C und 440°C liegen. Hier kann also die nichtlineare Sprungcharakteristik beginnen. Insbesondere kann eine Curie-Temperatur bei ca. 300°C–350°C liegen.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sieht vor, dass ein Dickschicht-Bauteil durch Sieb- oder Schablonendruck der Dickschichtpaste, beispielsweise einer vorgenannten Dick schichtpaste, auf ein Substrat, vorzugsweise eine Aluminium-Oxid-Keramik, hergestellt wird.
  • Die Dicke der Dickschicht kann in einem geringen Bereich liegen, beispielsweise weitaus kleiner als 1 mm. Vorteilhafte Ausgestaltungen sehen eine Dicke von weniger als 0,3 mm vor, beispielsweise ca. 0,1 mm. Grundsätzlich ist es vorteilhaft möglich, darauf zu achten, dass der Arbeitswiderstand nicht im hochohmigen Bereich der Widerstandstemperatur-Charakteristik liegt. Hierzu können vor allem geringe Dicken der Dickschicht-Bauteile verwendet werden, wodurch auch eine ausreichende Wärmeabführung von der Oberfläche der Dickschicht-Bauteile gewährleistet werden kann.
  • Die Dickschicht-Bauteile werden vorteilhaft nach dem Siebdrucken gesintert. Die Temperaturen können hier bei ca. 850°C–1500°C liegen. Diese Sinterdauer kann vorteilhaft mehr als 0,5 h betragen, besonders vorteilhaft bis zu 2 h betragen. Eine Sinterung kann, muss aber nicht bei oxidierender Atmosphäre erfolgen.
  • Als eine vorteilhafte Möglichkeit zur Anbringung von elektrischen Kontakten an einem solchen Dickschicht-Bauteil kann es vorgesehen sein, eine Lötung vorzunehmen mit sogenanntem Aktivlot. Hier kann zum Beispiel CuTiAg verwendet werden. Eine vorteilhafte Löttemperatur kann bei ca. 700°C liegen. Des weiteren ist es möglich, auf Aktivlot-Pads Punktschweißungen vorzunehmen.
  • Des weiteren kann der Dickschichtpaste zusätzlich zu dem PTC-Keramikpulver ein Binder zugefügt werden. Dessen Anteil kann bei ca. 10%– 20% liegen, vorteilhaft bei ca. 15%.
  • Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
  • In der 1 ist beispielhaft dargestellt, wie sich der Widerstand von erfindungsgemäßen elektrischen Bauteilen aus der vorbeschriebenen Dickschichtpaste über der Temperatur ändert. Dargestellt sind fünf Kurven des elektrischen Widerstandes. Dieser liegt bei Raumtemperatur bei ca. 700–800 Ohm. Bei den Kurven weiter rechts fällt sogar auf, dass der elektrische Widerstand von Raumtemperatur ausgehend mit steigender Temperatur erst einmal geringer wird. Derartige Effekte sind beeinflussbar. Bei der Kurve ganz links kann gesagt werden, dass ab etwa 50°C der elektrische Widertand stark ansteigt. Bei der Kurve ganz rechts liegt diese Temperatur bei ca. 220°C.
  • Des weiteren ist aus den Kurven zu entnehmen, dass der Anstieg bei sämtlichen dargestellten Kurven im steilen Bereich in etwa ähnlich ist. Auch diese Eigenschaften können jedoch über die Zusammensetzung der Dickschichtpaste, insbesondere Beimengungen von Widerstandspartikeln oder Widerstandspaste, beeinflusst werden.
  • Auf die Darstellung beispielhafter elektrischer Bauteile in Folienform oder dergleichen, welche aus einer erfindungsgemäßen Dickschichtpaste hergestellt sind, wird an dieser Stelle verzichtet. Die zahllosen möglichen Anwendungsfälle ergeben sich für den Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung.

Claims (14)

  1. Dickschichtpaste zur Herstellung von elektrischen Bauteilen, wie beispielsweise Widerständen oder Heizelementen, die eine Glasphase enthält und keramisch ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile eine nichtlineare Sprungcharakteristik des Widerstands über der Temperatur aufweisen, wobei die Dickschichtpaste Bariumtitanat als PTC-Keramikpulver enthält.
  2. Dickschichtpaste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Barium-Titanat als PTC-Keramikpulver beigefügt ist, wobei vorzugsweise das Barium-Titanat dotiert ist.
  3. Dickschichtpaste nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC-Keramikpulver in nanoskaliger Form vorliegt.
  4. Dickschichtpaste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen elektrisch leitfähigen Pulveranteil an PTC-Keramikpulver mit mehr als 10%, vorzugsweise mehr als 70%.
  5. Dickschichtpaste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Widerstandspaste oder Widerstandspartikel beigefügt sind.
  6. Dickschichtpaste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC-Keramikpulver eines aus der folgenden Gruppe ist: (Ba1-xPbx)TiO3+Nb/Ta (Ba1-x-ySByPbx)TiO+BaCO3/SiO2/BN/TiO2 (Bi1-aAa)(Ti1-bBb)xOy 2 wobei gilt: A=Sr/Ca/Ba; B=Nb/Ta/Sb
  7. Verfahren zur Herstellung eines Dickschicht-Bauteils aus einer Dickschichtpaste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickschichtpaste gedruckt wird zu dem Dickschicht-Bauteil, vorzugsweise mittels Siebdruck oder Schablonendruck.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Dickschicht weitaus kleiner als 0,1 mm ist, vorzugsweise kleiner als 50 μm und insbesondere ca. 20 μm beträgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Siebdruck eine Sinterung bei ca. 850°C bis 1500°C erfolgt, insbesondere für mehr als 0,5 h, vorzugsweise für 0,5 h bis 2 h.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine Sinterung nach dem Siebdrucken bei nicht oxidierender Atmosphäre.
  11. Dickschicht-Bauteil, hergestellt aus einer Dickschichtpaste nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dickschicht-Bauteil ein elektrisches Heizelement ist mit einer Curie-Temperatur zwischen 80°C und 440°C für eine nichtlineare Sprungcharakteristik.
  12. Dickschicht-Bauteil nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine elektrische Kontaktierung mittels Löten mit CuTiAg, vorzugsweise bei ca. 700°C.
  13. Dickschicht-Bauteil nach Anspruche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass es Barium-Titanat enthält, wobei vorzugsweise das Barium-Titanat dotiert ist.
  14. Dickschicht-Bauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprungcharakteristik derart ist, dass sich der Widerstand im Anstieg während des Sprungs bei einer Temperaturzunahme um ca. 30°C mindestens verzehnfacht.
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