DE19947602A1 - NTC-Thermistorbauelement - Google Patents

Abstract

Ein NTC-Thermistorbauelement weist Elektroden auf, die einen Ohmschen Kontakt mit einem Thermistorkörper bilden, der einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Die Elektroden weisen Silber als Hauptbestandteil auf, und ein elektrisch leitfähiger Anschluß, wie z. B. eine Verbindungsleitung, der kein Blei enthält, ist an die Elektroden unter Verwendung eines Lötmittels gelötet, das Zinn als Hauptbestandteil desselben aufweist und Ni in einer Menge von 0,05-1,0 Gewichtsprozent enthält.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Thermistorbauelemente mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC; NTC = Negative Tem­ perature Coefficient). Diese Erfindung bezieht sich insbe­ sondere auf NTC-Thermistorbauelemente mit elektrisch leit­ fähigen Anschlüssen, die an die Elektroden an einem Thermi­ storkörper gelötet sind.

Ein NTC-Thermistorbauelement dieser Art kann als einen plat­ tenförmigen Thermistorkörper aufweisend beschreiben werden, der einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist und der eine Elektrode, die einen Ohmschen Kontakt bildet, auf jeder der Hauptoberflächen desselben aufweist. Jede dieser Elek­ troden weist eine Verbindungsleitung auf, die an dieselbe gelötet ist und die als ein elektrisch leitfähiger Anschluß dient, und der Thermistorkörper ist als Gesamtes mit einem Harzmaterial mit einer Widerstandsfähigkeit gegenüber Feuch­ tigkeit und Wärme bedeckt. Es werden üblicherweise Elektro­ den mit Silber als Hauptbestandteil derselben verwendet, und wenn das Thermistorbauelement dem Zweck der Unterdrückung von Spitzenströmen dient, wird üblicherweise Lot oder Löt­ mittel mit einem großen Zinngehalt oder mit Zinn als Haupt­ bestandteil desselben verwendet, da eine große Wärmemenge zu dem Zeitpunkt der Anwendung des Bauelements erzeugt wird und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärme erforderlich ist.

Wenn ein derartiges Bauelement, das Elektroden mit Silber als Hauptbestandteil derselben und Lötmittel mit Zinn als Hauptbestandteil desselben aufweist, in einer Hochtempera­ turumgebung für eine relativ lange Zeitdauer belassen wird, wird das Zinn, das in dem Lötmittel enthalten ist, einer Festphasendiffusion in die Elektroden unterworfen, was un­ günstig die Verbindung zwischen den Elektroden und dem Ther­ mistorkörper beeinflußt und eine Festphasendiffusion des Silbers, das in den Elektroden enthalten ist, in das Löt­ mittel bewirkt. Als ein Resultat reagiert das Silber in den Elektroden mit dem Zinn, um Ag₃Sn zu erzeugen. Dies wird den Ohmschen Kontakt zwischen den Elektroden und dem Thermistor­ körper schwächen und dadurch allmählich den Widerstandswert des Thermistorbauelements erhöhen.

Die Hochtemperaturbedingung, die die Erzeugung von Ag₃Sn be­ wirkt, kann dann, wenn die Verbindungsdrahtleitungen an die Elektroden gelötet werden, oder später während der Ver­ wendung des Bauelements, entstehen. Die Rate, mit der Ag₃Sn erzeugt wird, wird bei der Anwendung des Bauelements in der Hochtemperaturumgebung erhöht. Dieses Problem wird insbeson­ dere bei Temperaturen über 140°C wesentlich.

Obwohl folglich ein Lötmittel mit einem erhöhten Zinngehalt verwendet wird, wenn das Thermistorbauelement zur Unter­ drückung von Spitzenströmen verwendet wird, derart, daß die Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen verbessert wird, fließt konstant ein Strom durch das Thermistorbauele­ ment, und da sich das Thermistorbauelement immer in einem wärmeerzeugenden Zustand befindet, ist das vorher beschrie­ bene Problem ein ernstes Problem. Ähnliche Probleme sind ferner vorhanden, wenn das Thermistorbauelement als ein Hochtemperatursensor verwendet wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein NTC-Thermistorbauelement zu schaffen, das verbesserte Eigen­ schaften bei hohen Temperaturen aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein NTC-Thermistorbauelement gemäß Anspruch 1 gelöst.

Einfach ausgedrückt bezieht sich die Erfindung auf die Ver­ wendung eines verbesserten Lötmittels zum Befestigen eines Anschlußbauglieds, wie z. B. einer leitfähigen Verbindungs­ drahtleitung, an der Elektrode eines NTC-Thermistors ein­ schließlich der Auswahl der Zusammensetzung des Materials für das Anschlußbauglied selbst. Detaillierter erklärt ent­ hält das Lötmittel, das zum Befestigen der Anschlußbauglie­ der an den Elektroden verwendet werden soll, Zinn als Haupt­ bestandteil desselben, das Lötmittel enthält jedoch ferner Nickel in einer Menge von 0,05-1.0 Gewichtsprozent, derart, daß die Diffusion von Zinn in die Silberelektrode und daher die Erzeugung von Ag₃Sn unterdrückt wird. Da dies ferner Blei eliminiert, das dazu tendiert, ungünstig den Effekt des Hinzufügens von Nickel zu beeinflussen, um die Diffusion von Zinn in die Elektrode zu unterdrücken, sind die Anschlüsse gemäß dieser Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß dieselben ein Metallmaterial aufweisen, das kein Blei enthält. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird Lötmittel, das Zinn, Silber und Nickel aufweist, verwendet. Anschlußbauglieder können Drahtleitungen, einen Drahtan­ schluß, der aus einer Metallplatte besteht, oder eine An­ schlußplatte aufweisen. Wenn Drahtleitungen verwendet wer­ den, können vorzugsweise Silberleitungen, Kupferleitungen, zinnplattierte Eisenleitungen, zinnplattierte Leitungen aus rostfreiem Stahl und zinnplattierte Kupferleitungen verwen­ det werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines NTC-Thermi­ storbauelements, das diese Erfindung darstellt;

Fig. 2 eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines Abschnitts des Thermistorbauelements von Fig. 1, um zu zeigen, wie die Diffusion von Zinn unterdrückt wird; und

Fig. 3 eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines bekannten Thermistorbauelements, das wie in Fig. 1 gezeigt strukturiert ist, bei dem jedoch herkömmliche Materialien verwendet werden, wobei die Ansicht ferner zeigt, wie die Diffusion von Zinn in die Elektrode des Bauelements stattfindet.

Ähnliche oder äquivalente Komponenten sind hierin gesamt durch die gleichen Ziffern selbst dort bezeichnet, wo die Komponenten Komponenten von unterschiedlichen Thermistorbau­ elementen sind, und dieselben werden, um die Offenbarung zu vereinfachen, nicht notwendigerweise wiederholt beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein NTC-Thermistorbauelement, das diese Erfin­ dung darstellt und das einen plattenförmigen NTC-Thermistor­ körper 2 mit einer Elektrode 3 aufweist, die auf jeder der gegenseitig gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Ther­ mistorkörpers gebildet ist und die einen Ohmschen Kontakt mit demselben bildet. Verbindungsleitungen 5, die als elek­ trisch leitfähige Anschlüsse dienen, sind einzeln durch Lö­ ten derselben an diese Elektroden 3 befestigt, wobei das Lötmittel durch die Ziffer 4 bezeichnet ist. Gemäß dem Bei­ spiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, ist die gesamte Struktur innerhalb einer Abdeckung 6 eingekapselt, die aus einem Ma­ terial mit einer ausreichenden Widerstandsfähigkeit gegen­ über Wärme und Feuchtigkeit, wie z. B. Silikonharz, besteht.

Der Hauptbestandteil dieser Elektroden 3 ist Silber. Das Lötmittel 4 zum Befestigen der Verbindungsleitungen 5 an den Elektroden 3 durch Löten ist nicht nur von einem Typ, der Zinn als Hauptbestandteil desselben aufweist, sondern das Lötmittel ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe zusätzlich Nickel in einer Menge von 0,05-1,0 Gewichts­ prozent enthält. Es kann beispielsweise ein Lötmittel ver­ wendet werden, das Zinn, Silber und Nickel enthält.

Unter Verwendung eines derartigen Lötmittels, das Nickel in einer Menge von 0,05-1,0 Gewichtsprozent zusätzlich zu Zinn als Hauptbestandteil desselben enthält, kann ein Eindringen oder eine Diffusion des Zinns von dem Lötmittel 4 in die Elektroden 3 unterdrückt werden. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann darüber nachgedacht werden, eine stabile Dreielementschicht oder eine Ag-Sn-Ni-Schicht 7 zwischen dem Lötmaterial 4, das Zinn als Hauptbestandteil desselben aufweist, und der Elek­ trode 3, die Silber als Hauptbestandteil derselben enthält, zu bilden, wenn die Leitung 5 an die Elektrode 3 gelötet wird, wodurch die Festphasendiffusion des Zinns des Löt­ mittels 4 in die Elektrode 3 unterdrückt wird. Als ein Re­ sultat wird der Ohmsche Kontakt zwischen der Elektrode 3 und der Oberfläche des Thermistorkörpers 2 nicht ungünstig be­ einflußt, und das Phänomen der allmählichen Zunahme des Wi­ derstandswerts in einer Hochtemperaturumgebung kann wesent­ lich reduziert werden. Wenn der Gehalt von Nickel kleiner als 0,05 Gewichtsprozent ist, ist der Effekt der Unter­ drückung des Eindringens oder der Diffusion von Zinn in die Elektrode 3 klein. Wenn auf der anderen Seite der Nickelge­ halt 1.0 Gewichtsprozent überschreitet, bleibt der Effekt der Unterdrückung des Eindringens und der Diffusion von Zinn in die Elektrode 3 durch die Anwesenheit von Ni groß, es be­ steht jedoch eine Tendenz, daß sich Risse auf der Oberfläche des Lötmittels 4 bilden, und daher ist dies aus praktischer Sicht nicht vorteilhaft nutzbar.

Es wurde ferner entdeckt, daß der vorher erwähnte Effekt von Nickel zur Unterdrückung des Eindringens und der Diffusion von Zinn ungünstig durch die Anwesenheit von Blei beeinflußt wird. Folglich werden Metallmaterialien, die frei von Blei sind, nicht nur als das Basismaterial für die Erzeugung der Verbindungsleitungen 5 sondern ferner für die Oberflächenbe­ handlung derselben verwendet. Silberleitungen, Kupferleitun­ gen, zinnplattierte Eisenleitungen, zinnplattierte Leitungen aus rostfreiem Stahl und zinnplattierte Kupferleitungen wer­ den vorzugsweise als die Verbindungsleitungen 5 dieser Er­ findung verwendet.

Als nächstes wird die Erfindung mittels Test- und Ver­ gleichs-Experimenten, die durch die Erfinder ausgeführt wurden, beschrieben. Geformte Objekte, die Oxide von Mn, Ni, Cu, Fe, La, Co und Cr enthalten, werden gesintert, um NTC- Thermistorkörper zu erhalten, wie es bei 2 in Fig. 1 gezeigt ist. Eine elektrisch leitfähige Paste, die Silber als Haupt­ bestandteil derselben enthält, wird an den Oberflächen die­ ser Thermistorkörper durch Drucken und dann Brennen bei 800-850°C angebracht, um die Elektroden 3 auf denselben zu bilden.

Als nächstes werden Lötmittel 4, die Ag mit 3,5 Gewichts­ prozent und Ni in Mengen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, enthalten, wobei der Rest Sn ist, vorbereitet. Verbinderlei­ tungen unterschiedlicher Typen, wie in Tabelle 1 gezeigt, werden ferner vorbereitet, um die Proben, die in Tabelle 1 gezeigt sind, zu erzeugen.

Tabelle 1

Jede dieser Proben wird durch Anbringen des Lötmittels 4 an den Verbindungsleitungen 5 durch Tauchen und dann durch Löten dieser Verbindungsleitungen 5 an die Elektroden 3 durch ein Aufschmelzverfahren erzeugt. Als nächstes werden die Thermistorkörper 2 vollständig in ein Harzmaterial mit einer ausreichenden Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärme und Feuchtigkeit getaucht, um die Harzabdeckung 6 zu erzeugen, um die Proben des NTC-Thermistorbauelements 1 zu erhalten. In Tabelle 1 sind die Proben, die nicht dieser Erfindung entsprechen (d. h. Vergleichsbeispiele) durch einen Stern (*) bezeichnet.

Jede dieser Proben wird für 1000 Stunden in einer Hochtempe­ raturumgebung von 160°C belassen, und die Widerstandswerte vorher und nachher werden verglichen. Die Resultate sind ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt.

Die Proben 1-6 sind Vergleichsbeispiele dahingehend, daß die Verbindungsleitungen derselben Pb enthalten, oder daß Sn/Pb-plattierte Cu-Leitungen verwendet werden. Selbst unter diesen Vergleichsbeispielen ist sichtbar, daß die Bruch­ teilsänderung des Widerstandswerts bei den Proben 2-6, die Ni mit 0,05-1,0 Gewichtsprozent enthalten, kleiner wird als bei der Probe 1, die kein Ni enthält, was anzeigt, daß Ni dazu dient, die Festphasendiffusion von Sn in dem Lötmittel 4 in die Elektroden 3 zu unterdrücken.

Obwohl der Effekt von Ni aus den Proben 1-6 offensichtlich ist, ist die kleinste Änderung des Widerstandswerts dennoch 7,8% bei der Probe 6. Die Proben 7-18 sind dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungsleitungen 5 derselben kein Pb enthalten. Unter diesen Proben sind die Proben der vorlie­ genden Erfindung die Proben 7-10 und 13-17, deren Ni-Gehalt innerhalb des Bereichs von 0,05-1,0 Gewichtsprozent liegt. Die Tabelle 1 zeigt klar, daß diese Proben, bei denen der Ni-Gehalt innerhalb des Bereichs liegt, der gemäß dieser Er­ findung bestimmt ist, eine kleinere Bruchteilsänderung des Widerstandswerts aufweisen, was überlegene Effekte beim Re­ duzieren der Widerstandswertänderungen zeigt. Ein Vergleich zwischen den Proben 2-6 und den Proben 7-10 und 13-17 zeigt klar, daß ferner die Anwesenheit von Pb einen sehr ungünsti­ gen Effekt auf die Unterdrückung der Diffusion von Sn durch die Anwesenheit von Ni aufweist. Die Probe 18 zeigt, auf­ grund des höheren Gehalts von Ni von mehr als 1,0 Gewichts­ prozent in dem Lötmittel, tatsächlich den ungünstigen Effekt des Entwickelns von Rissen auf der Oberfläche des Lötmittels 4.

Zusammenfassend erfordert die vorliegende Erfindung die Ver­ wendung eines Lötmittels mit Zinn als Hauptbestandteil und mit Ni in einer Menge von 0,05-1,0 Gewichtsprozent, um ein leitfähiges Anschlußbauglied, wie z. B. einen Verbindungs­ draht, der Silber als Hauptbestandteil desselben aufweist, zu befestigen, derart, daß die Entwicklung von Ag₃Sn sogar in einer Hochtemperaturumgebung derart unterdrückt werden kann, daß ungünstige Effekte auf den Ohmschen Kontakt der Elektroden auf der Oberfläche des Thermistorkörpers verhin­ dert werden können. Zusätzlich sind die Anschlußbauglieder lediglich aus Materialien gebildet, die kein Pb enthalten, derart, daß die Effekte von Ni, um die Diffusion von Sn zu unterdrücken, nicht ungünstig durch die Anwesenheit von Pb beeinflußt werden.

Die Offenbarung soll breit interpretiert werden. Der Aus­ druck "Hauptbestandteil" soll derart aufgefaßt werden, daß der Gehalt mindestens 50 Gewichtsprozent ist, wobei offen­ sichtlich sein sollte, daß der Gehalt von Zinn in den Test­ proben 95 Gewichtsprozent oder größer ist.

Claims (4)

1. NTC-Thermistorbauelement (1) mit folgenden Merkmalen:
einem Thermistorkörper (2) mit einem negativen Tempera­ turkoeffizienten;
einer Elektrode (3), die einen Ohmschen Kontakt mit dem Thermistorkörper (2) bildet, wobei die Elektrode (3) Silber als Hauptbestandteil aufweist;
einem elektrisch leitfähigen Anschluß (5), der an die Elektrode (3) mittels eines spezifizierten Lötmittels (4) gelötet ist, wobei der leitfähige Anschluß (5) aus einem Metallmaterial besteht, das kein Blei enthält, und wobei das Lötmittel (4) Zinn als Hauptbestandteil aufweist und Ni in einer Menge von 0,05-1,0 Gewichts­ prozent enthält.

2. NTC-Thermistorbauelement (1) gemäß Anspruch 1, bei dem das Lötmittel (4) Zinn, Silber und Nickel enthält.

3. NTC-Thermistorbauelement (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Anschluß (5) leitfähige Drahtleitungen auf­ weist, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Silberleitungen, Kupferleitungen, zinnplattierten Eisenleitungen, zinnplattierten Leitungen aus rostfrei­ em Stahl und zinnplattierten Kupferleitungen besteht.

4. NTC-Thermistorbauelement (1) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Lötmittel (4) Zinn mit 95 Gewichts­ prozent oder mehr enthält.