DE3707504A1 - Ptc-bauelement und dessen herstellung - Google Patents

Ptc-bauelement und dessen herstellung

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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.
Beispiele
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.
Beispiel 1
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%
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.
Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)
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.
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