DE3707504A1 - Ptc-bauelement und dessen herstellung - Google Patents
Ptc-bauelement und dessen herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstands-
Bauelement, insbesondere ein Widerstandsbauelement
mit der speziellen Eigenschaft, daß bei zunehmender
Temperatur der elektrische Widerstand des Bauelements
innerhalb eines relativ engen Temperaturbereichs steil
ansteigt. Ein solches Bauelement nennt man auch PTC-
Bauelement oder Kaltleiter. Das Bauelement hat eine
typische PTC-Kennlinie (PTC=positive temperature
coefficient).
Stoffe mit PTC-Kennlinie lassen sich in verschiedensten
Geräten und für verschiedenste Zwecke einsetzen: in
einem Steuergerät, in welchem die Wärmeerzeugung beendet
wird, wenn eine Heizvorrichtung eine hohe Temperatur
erreicht; in einem PTC-Thermistor; in einem wärme
empfindlichen Sensor; und in einer Schutzvorrichtung, in
der, wenn in einer Schaltung z.B. aufgrund eines Kurz
schlusses ein übermäßig starker Strom fließt, der stark
zunehmende Strom eine Selbstaufheizung mit Entwicklung
Joule′scher Wärme bewirkt, wodurch der Widerstand zunimmt
und der Strom auf oder unter einen vorbestimmten Wert
beschränkt wird. Wenn bei einer solchen Vorrichtung der
Kurzschluß beseitigt ist, nimmt die Schaltung selbsttätig
ihren Betrieb wieder auf. Als Stoffe mit PTC-Kennlinie
wurden unterschiedlichste Materialien entwickelt, z.B.
ein keramischer Stoff mit BaTiO3, in den einwertiges oder
dreiwertiges Metalloxid eingebracht ist, sowie ein Polymer-
Material mit einem Polymer wie z.B. Polyethylen, in welchem
ein elektrisch leitendes Material, z.B. Ruß, dispergiert
ist.
Wie Fig. 3 zeigt, umfaßt ein PTC-Bauelement im allge
meinen ein PTC-Eigenschaften aufweisendes Material 2,
bestehend aus einem Polymer mit darin dispergiertem
elektrisch leitendem Material (also eine PTC-Zusammen
setzung), metallische Elektrodenplatten 3 a und 3 b,
zwischen denen die PTC-Zusammensetzung sandwichartig
eingeschlossen ist, und Leiterplatten 4 a und 4 b, die
an die Elektrodenplatten 3 a und 3 b angeschlossen sind.
Jede Elektrodenplatte ist über die zugehörige Leiter
platte an ein anderes Bauelement, eine Maschine, einen
Netzanschluß od.dgl. angeschlossen.
Das PTC-Bauelement erhält man dadurch, daß man zunächst
eine PTC-Zusammensetzung herstellt, diese PTC-Zusammen
setzung zu einer Schicht formt, ein Laminat bildet,
indem man auf die obere und die untere Oberfläche der
Schicht durch Warmpressen metallische Folien-Elektroden
aufbringt, das Laminat in der gewünschten Größe zu
schneidet und auf der Oberfläche jeder der Elektroden
durch Löten, Schweißen od.dgl. eine Leiterplatte an
bringt. Das Verbinden der PTC-Zusammensetzung mit den
Elektrodenplatten geschieht durch Warmpressen der PTC-
Zusammensetzung an die Elektrodenplatten bei einer
Temperatur in der Nähe des Schmelzpunkts der PTC-Zu
sammensetzung.
Man ist bestrebt, daß das PTC-Bauelement bei Zimmertempe
ratur einen möglichst niedrigen Widerstandswert (einen
Zimmertemperatur-Widerstand) und bei einer hohen Tempe
ratur einen möglichst hohen Widerstandswert (Spitzen
widerstand) aufweist. Der Zimmertemperatur-Widerstand
hängt in erster Linie von dem Typ der PTC-Zusammensetzung
und der Haftung zwischen der PTC-Zusammensetzung und
der Oberfläche jeder der Elektroden ab. Um den Zimmer
temperaturwiderstand herabzusetzen, kann man die Menge
der elektrisch leitenden Partikel, die in die PTC-
Zusammensetzung eingebracht werden, erhöhen. In diesem
Fall jedoch nimmt der Spitzenwiderstand ab, so daß es
nicht möglich ist, ein großes Verhältnis von Spitzen
widerstand zu Zimmertemperaturwiderstand zu erreichen.
Um die Haftung zwischen der PTC-Zusammensetzung und
der Oberfläche jeder der Elektroden zu verbessern, wurde
ein Verfahren zum Herabsetzen des Kontaktwiderstands
zwischen der PTC-Zusammensetzung und jeder der Elektroden
vorgeschlagen (US-PS′en 42 38 812 und 44 26 339).
Beim elektrischen Verbinden der Leiterplatten mit der
zugehörigen Elektrode des PTC-Bauelements durch Löten,
Schweißen od.dgl. wird das gesamte PTC-Bauelement er
wärmt und ein Teil der PTC-Zusammensetzung wird durch die
entstehende Hitze pyrolisiert, so daß sich Überhitzungs
schäden zeigen, z.B. eine Gasentwicklung, eine durch
Hitze bedingte Zerstörung oder ein Lösen des Übergangs
zwischen der PTC-Zusammensetzung und den Elektrodenplatten.
Aufgrund dieser Hitzeschäden wird das Haftvermögen zwischen
der PTC-Zusammensetzung und den Elektroden abträglich be
einflußt, und damit geht eine Erhöhung des Kontaktwider
stands zwischen diesen Teilen einher.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein PTC-Bau
element mit relativ niedrigem Zimmertemperatur-Wider
stand zu schaffen, während gleichzeitig ein hoher Spitzen
widerstand beibehalten wird. Außerdem soll ein Verfahren
zum Herstellen eines qualitativ hochstehenden PTC-Bauelements
mit geringem Zimmertemperatur-Widerstand geschaffen werden,
bei dem die durch die Hitze hervorgerufene Beschädigung
beim Schweißvorgang der Elektrodenplatten und der Leiter
platten des Bauelements vermieden und dadurch der Kon
taktwiderstand herabgesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch fol
gende Schritte aus:
- - Es wird ein Laminat hergestellt, bestehend aus einer PTC-Zusammensetzung und mindestens zwei Elektroden platten, zwischen denen die PTC-Zusammensetzung einge schlossen ist,
- - der Oberseite jeder Elektrodenplatte gegenüber wird die Oberfläche einer mit der Elektrodenplatte des Laminats elektrisch zu verbindenden Leiterplatte unter Bildung einer schmalen Kontaktfläche angeordnet, und
- - zwischen der Elektrode und dem Leiter wird über die schmale Kontaktfläche ein Strom geführt, um die beiden Teile zu verschweißen.
Das erfindungsgemäße PTC-Bauelement umfaßt eine PTC-
Zusammensetzung, mindestens zwei Elektrodenplatten, zwischen
denen die PTC-Zusammensetzung sandwichartig eingeschlossen
ist, und mit denen die Zusammensetzung innig verbunden ist,
und mit einer Leiterplatte für jeweils eine Elektrode, die
mit der Elektrodenplatte verbunden ist. Dieses PTC-Bau
element besitzt an der Verbindungs-Grenzfläche zwischen
jeweils einer Elektrodenplatte und der dazugehörigen Lei
terplatte ein Klümpchen, welches durch Verschmelzen der
beiden Platten gebildet ist.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an
hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht, die zur Veranschaulichung
des erfindungsgemäßen Verfahrens dient,
Fig. 2 eine Schnittansicht einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen PTC-Bauelements, und
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines PTC-Bau
elements.
Ein erfindungsgemäßes PTC-Bauelement umfaßt mindestens zwei
Elektroden, eine zwischen den Elektroden befindliche PTC-
Zusammensetzung sowie Leiter, die an den Elektroden festge
legt sind. Beispiele für solche PTC-Zusammensetzungen sind
BaTiO3 mit einem darin befindlichen einwertigen oder
dreiwertigen Metalloxid, sowie ein Gemisch eines Polymers
und elektrisch leitender Partikel.
Beispiele für Polymere, die im Rahmen der Erfindung ein
gesetzt werden können, sind: Polyethylen, Polyethylenoxid,
Polybutadien, Polyethylenacrylate, Ethylen-Acrylsäureethylesther-
Copolymere, Ethylen-Acrylsäure-Copolymere, Polyester,
Polyamide, Polyäther, Polycaprolactam, fluorierte Ethylen-
Propylen-Copolymere, chloriertes Polyethylen, sulfochlo
riertes Polyethylen, Ethylvinylacetat-Copolymere, Poly
propylen, Polystyrol, Styrol-Acrylnitril-Copolymere,
Polyvinylchlorid, Polycarbonate, Polyacetale, Polyalkylen
oxide, Polyphenylenoxid, Polysulfone, Fluorkunststoffe und
Mischpolymere aus mindestens zwei der oben angegebenen
Polymere. Im Rahmen der Erfindung können der Typ der Poly
mere und die Zusammensetzungsverhältnisse abhängig von
der gewünschten Funktionsweise, dem Anwendungsfall u.dgl.
variiert werden.
Beispiele für im Rahmen der Erfindung einsetzbare elektrisch
leitende Partikel, die in dem Polymer dispergiert sind,
sind Partikel aus elektrisch leitenden Stoffen wie Ruß,
Graphit, Zinn, Silber, Gold und Kupfer.
Beim Herstellen der PTC-Zusammensetzung können zusätzlich
zu dem Polymer und den elektrisch leitenden Partikel wahl
weise verschiedene Additive eingesetzt werden. Solche
Additive sind feuerhemmende Mittel, wie z.B. antimonhaltige
Verbindungen, phosphorhaltige Verbindungen, chlorierte
Verbindungen und bromierte Verbindungen, Antioxidiermittel
und Stabilisatoren.
Die erfindungsgemäße PTC-Zusammensetzung wird hergestellt,
indem ihre Rohstoffe, nämlich das Polymer, die elektrisch
leitenden Partikel und weitere Additive in vorbestimmten
Verhältnissen gemischt und geknetet werden.
Das erfindungsgemäße PTC-Bauelement umfaßt die oben näher
beschriebene PTC-Zusammensetzung und mindestens zwei
Elektroden, die mit der Zusammensetzung in Kontakt stehen.
Stoffe für die Elektroden, die im Rahmen der Erfindung
eingesetzt werden können, sind Metalle, wie sie für her
kömmliche Elektroden üblich sind, z.B. Elektroden-Materialien
wie Nickel, Kobalt, Aluminium, Chrom, Zinn, Kupfer, Silber,
Eisen (einschließlich Eisenlegierungen wie rostfreier Stahl),
Zink, Gold, Blei und Platin. Form und Größe der Elektroden
lassen sich nach Wunsch variieren, abhängig vom Verwen
dungszweck des PTC-Bauelements und anderen Parametern. Er
findungsgemäß kann die Oberfläche der metallischen Elektrode
durch elektrolytisches Abscheiden od.dgl. behandelt werden,
um eine rauhe Oberfläche mit einer Anzahl feiner Vorsprünge
auf der Oberfläche zu schaffen. Solche Vorsprünge werden
an mindestens einer Oberfläche der Elektrode vorgesehen,
nämlich an derjenigen, die in Berührung mit der PTC-Zusammen
setzung kommt.
Im folgenden wird eine Ausführungsform eines Verfahrens
zum Herstellen eines PTC-Bauelements beschrieben.
Das PTC-Bauelement läßt sich herstellen, indem man das
Zusammensetzungs-Material beispielsweise zu einem Film verar
beitet, auf die Oberseite und die Unterseite des Films durch
Warmpressen metallische Elektroden aufbringt, um ein Laminat
zu erhalten, dieses Laminat nach Größe zuschneidet und an
jeder der Elektroden durch Punktschweißung einen Leiter be
festigt.
Beim erfindungsgemäßen Verbinden der Elektroden und der
Leiter wird die Fläche einer Leiterplatte, die elektrisch
mit der dazugehörigen Elektrode zu verbinden ist, gegenüber
der Oberfläche der betreffenden Elektrodenplatte des Laminats,
welches die PTC-Zusammensetzung und mindestens zwei Elektro
denplatten mit dazwischenliegender PTC-Zusammensetzung um
faßt, angeordnet, während in einem schmalen Flächenbereich
eine Berührung erfolgt. Dann wird ein Strom über die schmale
Kontaktfläche zwischen Elektrode und Leiter geleitet, um die
beiden Teile zu verschweißen. Erfindungsgemäß läßt sich die
Kontaktgabel in einem schmalen Flächenbereich in verschiede
ner Weise erreichen. Beispiele für diese verschiedenen
Möglichkeiten sind: in einem für den Leiter vorgesehenen
Plattenmaterial werden ein oder mehrere Vorsprünge z.B.
durch Stanzen od.dgl. ausgebildet, wobei diese Vorsprünge
dann mit der Oberfläche der Elektrode in Berührung gebracht
werden; ein oder zwei Vorsprünge werden in der Elektroden
platte ausgebildet und diese Vorsprünge werden dann in Be
rührung mit der Oberfläche der Leiterplatte gebracht;
zwischen die Elektrodenplatte und die Leiterplatte werden
Schweißmaterial-Stückchen gebracht. Bei diesem Verbindungs
verfahren ist es wünschenswert, daß auf die Leiterplatte
in Richtung auf die Seite der Elektrodenplatte Druck auf
gebracht wird, während ein Strom fließt. Diese Aus
führungsform führt zu einer sicheren Verbindung zwischen
der Leiterplatte und der Elektrodenplatte.
Das Verbinden der Elektrodenplatte und der Leiterplatte
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im folgenden
anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Ein Laminat,
bestehend aus einer PTC-Zusammensetzung 2 und zwei die
Zusammensetzung sandwichartig einschließenden Elektroden
platten 3 a und 3 b werden vorbereitet, und es wird eine
Schweißelektrode 6 mit einer breiten Kontaktfläche in
Berührung mit der Oberseite der oberen Elektrodenplatte
3 a des Laminats gebracht. Andererseits wurde durch eine
Stanzvorrichtung od.dgl. zuvor ein Vorsprung 7 an der
Unterseite der Leiterplatte 4 a gebildet, und die Spitze
des Vorsprungs 3 wird in Berührung mit der Elektroden
platte 3 gebracht. Die Leiterplatte 4 a wird durch eine
Schweißelektrode 5 nach unten gedrückt. In diesem Zustand
wird ein Strom durch die Schweißelektroden 5 und 6 ge
leitet, damit ein starker Strom (z.B. 100 bis 2000A)
kurzfristig durch den Vorsprung 7 fließt. Der Vorsprung 7
wird durch Entwicklung joule′scher Wärme quer zur
Elektrodenplatte 3 a und zur Leiterplatte 4 a geschmolzen.
Wenn der geschmolzene Abschnitt verfestigt ist, ist,
wie in Fig. 2 dargestellt, ein Klümpchen 8 gebildet. Da
mit sind die Elektrodenplatte 3 a und die Leiterplatte 4 a
miteinander verbunden.
Da das Schweißen in einem schmalen Kontaktflächenbereich
durchgeführt wird, wird auf diesen schmalen Bereich ein
starker Strom konzentriert, und nur dieser schmale Bereich
wird innerhalb einer kurzen Zeitspanne geschmolzen. Die
in diesem Zeitraum entwickelte Wärme wird für den
Schweißvorgang effektiv ausgenutzt. Nach dem Schweißen
kann die Wärme rasch abgeleitet werden, so daß es mög
lich ist, die während des Schweißvorgangs eintretende
hitzebedingte Beschädigung zu minimieren.
Im Rahmen der Erfindung läßt sich wahlweise eine Kunst
harzschicht auf der Oberfläche des PTC-Bauelements aus
bilden. Beispiele für in Frage kommende Harze für die
Schicht sind Epoxyharze, Phenolharze, Polyethylen, Poly
propylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyvinylacetat,
Polyvinylalkohol, Acrylharze, Fluorkunststoffe, Polyamid
harze, Polycarbonatharze, Polyacetalharze, Polyalkylen
oxide, gesättigte Polyesterharze, Polyphenylenoxid, Poly
sulfone, Poly-Paraxylol, Polyimide, Polyamid-Imide, Polyester
imide, Polybenzimidazol, Polyphenylensulfide, Silikonharze,
Harnstoff-Formaldehyd-Kunstharze, Melaminharze, Furanharze,
Alkydharze, ungesättigte Polyesterharze, Diallylphtalat
harze, Polyurethanharze, Mischpolymere aus diesen Stoffen
sowie modifizierte Harze, wobei die genannten Harze modifi
ziert werden durch die Reaktion des Harzes mit einem
chemischen Reaktionsmittel, durch Vernetzung mittels
Strahlung, durch Copolymerisation od.dgl. Von den
genannten Harzen sind Epoxyharze sowie Phenolharze be
vorzugte Stoffe. Verschiedene Additive wie Weichmacher,
Härter, Vernetzungsmittel, Antioxidiermittel, Füll
stoffe, Antistatik-Mittel und feuerhemmende Mittel können
in die Harze eingebracht werden. Die im Rahmen der Er
findung verwendeten Harze besitzen zumindest elektrische
Isolierfähigkeit und haben Haftungsvermögen bezüglich
der Oberfläche des PTC-Bauelements. Hinsichtlich der
Harz-Beschichtungsverfahren sind keine Einschränkungen
gegeben, das Beschichten kann durch Sprühen, Auftragen,
Tauchen od.dgl. geschehen. Nach dem Beschichten mit dem
Kunstharz kann z.B. durch chemische Behandlung, durch
Erwärmung oder durch Bestrahlung das Harz ausgehärtet
werden. Das Aushärt-Verfahren läßt sich abhängig vom
Typ des Harzes variieren.
Im folgenden werden spezielle Beispiele für die Erfindung
näher erläutert. Die Beispiele haben keinerlei be
schränkenden Charakter. Sämtliche Prozentangaben sind,
wenn nicht anders angegeben, als Gewichtsprozent-Angaben
zu verstehen.
Es wurde eine PTC-Zusammensetzung mit folgenden Kompo
nenten hergestellt:
Komponente
Polymer:
hochdichtes Polyethylen
(Handelsbezeichnung Niporan Hard
5100 von der Firma Tokyo Soda Co.)60% Elektrisch leitende Partikel:
Ruß (Handelsbezeichnung STERLING V
von der Firma Cabot Co.)38% Additiv:
Antioxidiermittel (Irganox 1010) 2%
hochdichtes Polyethylen
(Handelsbezeichnung Niporan Hard
5100 von der Firma Tokyo Soda Co.)60% Elektrisch leitende Partikel:
Ruß (Handelsbezeichnung STERLING V
von der Firma Cabot Co.)38% Additiv:
Antioxidiermittel (Irganox 1010) 2%
Diese Zusammensetzung wurde mit einer Doppelwalzenmühle
geknetet und mit Hilfe einer Extrudiermaschine (alterna
tiv mit einer Walzmaschine) zu einem Film mit einer
Dicke von 300 µm verarbeitet. Auf die Oberseite und die
Unterseite des Films wurden Nickelfolien-Elektroden mit
einer Dicke von 60 µm durch Warmpressen aufgebracht, um
ein Laminat zu bilden. Die Oberfläche der Elektroden
wurde aufgerauht. Das Laminat wurde nach Größe zuge
schnitten (Stück von 10×10×0,40 mm).
Es wurde eine Nickelplatte mit einer Dicke von etwa
100 µm hergenommen, und es wurden mit Hilfe einer Stanz
vorrichtung zwei Vorsprünge mit einem Durchmesser von
jeweils 0,1-0,2 mm in der Nickelplatte ausgebildet.
Die Vorsprünge wurden auf der PTC-Elektrode angeordnet,
und auf die Leiterplatte wurde eine Schweißelektrode
mit einer breiten Kontaktfläche aufgebracht. Wie Fig. 1
zeigt, wurde eine separate Schweißelektrode auf der
PTC-Elektrode derart angeordnet, daß sie nicht in Be
rührung mit der Leiterplatte kam. In diesem Zustand wurde
das Schweißen unter folgenden Schweißbedingungen durch
geführt: Die elektrische Ausgangsleitung für den Schweiß
vorgang betrug 5 Ws, der Elektrodendruck betrug 2 kp,
und die Strom-Durchgangszeit betrug 0,5-2,0 ms.
Vor dem Schweißvorgang wurde ein Zimmertemperatur-Wider
stand des PTC-Bauelements von 50 mΩ gemessen, nach dem
Schweißvorgang betrug der Zimmertemperatur-Widerstand
55 mΩ. Die Zunahme des Zimmertemperatur-Widerstands
konnte also in einem so kleinen Bereich wie 5 mΩ ge
halten werden.
Es wurde wie in Beispiel 1 ein PTC-Bauelement herge
stellt, allerdings wurde die Verbindung zwischen jeder
Leiterplatte und der zugehörigen Elektrodenplatte durch
Löten hergestellt. Der Zimmertemperatur-Widerstand des
so hergestellten PTC-Bauelements erhöhte sich von 50 mΩ
(vor dem Schweißen) auf einen sehr hohen Wert von 254 mΩ
(nach dem Schweißen).
Claims (5)
1. Verfahren zum Herstellen eines PTC-Bauelements,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- - Es wird ein Laminat hergestellt, bestehend aus einer PTC-Zusammensetzung und mindestens zwei Elektroden platten, zwischen denen die PTC-Zusammensetzung einge schlossen ist,
- - der Oberseite jeder Elektrodenplatte gegenüber wird die Oberfläche einer mit der Elektrodenplatte des Laminats elektrisch zu verbindenden Leiterplatte unter Bildung einer schmalen Kontaktfläche angeordnet, und
- - zwischen der Elektrode und dem Leiter wird über die schmale Kontaktfläche ein Strom geführt, um die beiden Teile zu verschweißen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem auf jede Leiter
platte in Richtung der Seite jeder Elektrodenplatte ein
Druck ausgeübt wird, während ein Strom fließt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens
an einer Oberfläche jeder Leiterplatte vor dem Schweiß
vorgang ein Vorsprung (7) ausgebildet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem vor dem
Schweißen mindestens ein Vorsprung an der Oberfläche jeder
Elektrodenplatte ausgebildet ist.
5. PTC-Bauelement, mit mindestens zwei Elektroden
platten (3 a, 3 b), zwischen denen eine PTC-Zusammensetzung
(2) eingeschlossen ist, die mit den Elektrodenplatten in
innigem Kontakt steht, und jeweils einer Leiterplatte
(4 a, 4 b), die mit der Oberfläche je einer der Elektroden
platten verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Bauelement
an einem Abschnitt der Verbindungsfläche zwischen jeder
der Elektrodenplatten und den Leiterplatten ein durch Ver
schmelzen der beiden Platten gebildetes Klümpchen (8)
besitzt.
Applications Claiming Priority (1)
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ID=13526580
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