DE69130059T2

DE69130059T2 - Verbindungsbauteil für widerstandselemente und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69130059T2
Application number: DE69130059T
Authority: DE
Inventors: Chi-Ming Cupertino Ca 95014 Chan; Daniel Palo Alto Ca 94306 Chandler; Vijay K. Fremont Ca 94536 Dhingra; Shou-Mean Union City Ca 94587 Fang
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1990-02-14
Filing date: 1991-02-14
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2011-02-15
Also published as: ATE170324T1; EP0515558A4; DE69130059D1; JP2954348B2; US5122775A; EP0515558B1; WO1991012616A1; CA2076000A1; EP0515558A1; JPH05504657A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft elektrische Vorrichtungen, die ein Widerstandselement und ein daran angebrachtes Verbindungselement aufweisen.

Einführung in die Erfindung

Viele elektrische Vorrichtungen weisen ein Widerstandselement und wenigstens ein Verbindungselement auf, wobei das Verbindungselement folgendes aufweist: (a) einen ersten Bereich, der unmittelbar an dem Widerstandselement angebracht, beispielsweise darin eingebettet ist, und (b) einen zweiten Bereich, der sich von dem Widerstandselement nach außen erstreckt und der mit der übrigen Schaltung verbunden ist. Gewöhnlich sind zwei solche Verbindungselemente mit identischen Eigenschaften vorhanden.
Es ist eine Reihe von Verfahren zur Herstellung solcher Vorrichtungen verwendet oder vorgeschlagen worden. Diese Verfahren weisen Arbeitsvorgänge auf, bei denen das Widerstandselement gebildet wird, indem ein geeignetes Material zu einem fortlaufenden Streifen oder Flächenkörper geformt und dann der Streifen oder Flächenkörper in diskrete Elemente geschnitten wird. Bei einem solchen Verfahren wird das Verbindungselement an dem Widerstandsmaterial angebracht, nachdem es geformt worden ist, und zwar entweder vor oder nach dem Schneiden des geformten Widerstandsmaterials in diskrete Elemente.
Bei einem anderen Verfahren wird das Widerstandsmaterial um ein langgestrecktes Vorverbindungselement herum geformt, beispielsweise durch Extrudieren eines leitfähigen Polymers über ein Paar von Drähten; das Extrudat wird in diskrete Längen geschnitten; ein Teil des Widerstandsmaterials wird dann entfernt, um das Verbindungselement freizulegen. Bei einem anderen Verfahren wird das Widerstandsmaterial in Anlage an ein oder mehrere Verbindungselemente geformt, beispielsweise wird ein leitfähiges Polymer als Flächenkörper zwischen zwei Metallfolien laminiert; das resultierende Produkt wird in diskrete Teile geschnitten, und Leitungen (die zu dem zweiten Bereich des Verbindungselements werden) werden an den freigelegten Teilen des Verbindungselements befestigt.
Bei einem anderen Verfahren wird das Widerstandsmaterial in Anlage an ein oder mehrere Vorverbindungselemente geformt, die sich von dem geformten Material nach außen erstrecken; das resultierende Produkt wird dann in diskrete Teile geschnitten, wobei sich die Verbindungselemente von dem Widerstandsmaterial aus erstrecken. Es kann beispielsweise Bezug genommen werden auf die US-Patente 3 311 862 (Rees), 3 351 882 (Kohler et al.), 3 387 248 (Rees), 4 238 812 (Middleman et al.), 4 272 471 (Walker), 4 317 027 (Middleman et al.), 4 327 351 (Walker), 4 329 726 (Middleman et al.), 4 352 083 (Middleman et al.), 4 413 301 (Middleman et al.), 4 426 633 (Taylor), 4 445 026 (Walker), 4 481 498 (McTavish et al.), 4 685 025 (Carlomagno), 4 689 475 (Matthiesen) und 4 800 253 (Kleiner et al.).
Bei sämtlichen oben genannten Verfahren treten ernsthafte Probleme auf, beispielsweise eines oder mehrere der folgenden: Fehlen wirtschaftlich attraktiver Verfahren, um einen guten Kontakt zwischen dem Widerstandsmaterial und dem Verbindungselement herzustellen; Fehlen wirtschaftlich attraktiver Verfahren, um einen guten Kontakt zwischen der Leitung und dem ersten Bereich des Verbindungselements herzustellen; Mangel an erforderlichen Eigenschaften des zweiten Bereichs des Verbindungselements zum Verbinden mit anderen Teilen einer Schaltung, beispielsweise ausreichende Steifigkeit zum Einsetzen in eine gedruckte Leiterplatte; und unerwünschte Auswirkungen des Verbin dungselements auf die Eigenschaften des Widerstandselements, beispielsweise übermäßige physische Beschränkung eines PTCleitfähigen Polymer-Widerstandselements.
Ein Typ einer elektrischer Vorrichtung von besonderem Interesse ist eine Schaltungschutzvorrichtung, bei der das Widerstandselement ein leitfähiges Polymer aufweist. Solche Vorrichtungen, die ein Verhalten mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC- Verhalten) zeigen, sind besonders geeignet, um einen Schutz vor Überstrom- oder Übertemperatur-Störungen in einer elektrischen Schaltung zu bieten. Unter Normalbedingungen hat die Vorrichtung einen niedrigen Widerstandswert, der zuläßt, daß der Normalstrom in der Schaltung fließt. Wenn jedoch die Vorrichtung einer hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt ist oder Joulesche Erwärmung erfährt, die aus einem Fehlerstrom (beispielsweise einer Spannungsspitze) resultiert, steigt der Widerstandswert der Vorrichtung und unterbricht den Stromfluß. Wenn der Fehlerzustand beseitigt ist, kühlt die Vorrichtung ab, der Widerstandswert fällt, und der normale Schaltungsbetrieb wird wieder aufgenommen.
Wenn die Vorrichtung in ihrem Hochwiderstandszustand ist, sagt man, daß sie "geschaltet" oder "ausgelöst" worden ist. Dabei dient die "Schalttemperatur" Ts dazu, die Temperatur an dem Schnittpunkt von Verlängerungen der im wesentlichen geraden Bereiche einer aufgetragenen Charakteristik des logarithmischen Widerstandswerts der Vorrichtung als Funktion der Temperatur anzugeben, die auf beiden Seiten des Kurvenbereichs liegen, der eine starke Änderung des Anstiegs zeigt.
Eine elektrische Verbindung mit der Schaltungsschutzvorrichtung wird mit Hilfe von Verbindungselementen hergestellt, die Elektroden sind, d. h. elektrisch leitfähige Leitungen oder Sammelschienen, die an dem PTC-Element, das das leitfähige Polymer aufweist, elektrisch angebracht sind. Wenn es erwünscht ist, daß die Schaltungschutzvorrichtung maschinell in eine Leiter platte einsetzbar ist, dann wird bevorzugt, daß wenigstens ein Bereich der Elektrode ein Volldraht und nicht ein Litzendraht ist. Volldraht mit einem gegebenen Durchmesser ist im allgemeinen steifer als Litzendraht mit dem gleichen Durchmesser, ein Merkmal, das das Einsetzen in ein Loch in einer Platte unterstützt.
Außerdem unterliegt Volldraht nicht veränderlichen Dimensionen, die aus ungleichmäßigem Verlitzen resultieren, und auch keinem Ausfasern von Litzen oder keiner "Vogelkäfigbildung" ("birdcaging"), d. h. dem Entlitzen von Draht, das auftritt, wenn auf das Ende eines Litzendrahts ein ungleichmäßiger Druck aufgebracht wird. Volldraht kann jedoch so steif sein, daß die Ausdehnung des leitfähigen Polymers in dem PTC-Element beim Auslösen begrenzt sein kann, was zu einem Ausfall der Vorrichtung führt; es kann sein, daß der Draht nicht ausreichend "nachgibt", um wiederholten elektrischen Wechselbeanspruchungen, insbesondere bei hohen Spannungen, beispielsweise von mehr als 120 V, standzuhalten.
Im Vergleich zu einem Litzendraht ist es außerdem möglich, daß die Fläche eines Volldrahts nicht ausreichend groß ist, um ein angemessenes Haften des leitfähigen Polymers an der Elektrode zu ermöglichen. Die resultierende Vorrichtung hat also Bereiche schlechten Kontakts mit der Elektrode; der Kontakt verschlechtert sich mit jedem Zyklus, was letztendlich zu einem Ausfall der Vorrichtung führt.
Die DE-A-20 25 757 beschreibt eine elektronische Komponente, die eine Öffnung aufweist, die zum Einsetzen einer elektrischen Leitung geeignet ist. Die Öffnung, die in Form eines Hohlraums mit einem geschlossenen Ende ausgebildet ist, enthält eine Hülse in Form eines Rohrs, in der die Leitung positioniert werden kann. Die Leitung wird durch Lot befestigt.
Die FR-A-2456453 beschreibt ein Bandheizelement, in dem eingebettete Metallelektroden zunächst von einer ZTC-Schicht aus hochleitfähigem Polymer und dann von einer PTC- leitfähigen Polymerzusammensetzung umgeben sind. Die ZTC-Schicht dient dazu, die Haftung der Drahtelektroden an dem PTC-Material zu verbessern.
Die US-A-4421582 beschreibt einen wärmerückstellbaren leitfähigen Polymergegenstand, bei dem eine verformbare Elektroden eingebettet ist. Bei einer Ausführungsform weist die Elektrode eine metallische Umflechtung auf, die einen leitfähigen Polymerkern umgibt.
Bei der Herstellung von Schaltungschutzvorrichtungen der in dem US-Patent 4 685 025 (Carlomagno) beschriebenen Art wird ein Widerstandselement gebildet, indem ein PTC-leitfähiges Polymer kontinuierlich über ein Paar von Drähten schmelzextrudiert, das Extrudat in diskrete Längen geschnitten und ein Teil des leitfähigen Polymers von jeder der diskreten Längen entfernt wird, um die Leiter freizulegen.
Bei der Weiterentwicklung solcher Verfahren haben wir erkannt, daß die Notwendigkeit, einen Teil des leitfähigen Polymers zu entfernen, eliminiert werden kann, indem anstelle herkömmlicher Drähte, langgestreckte Leiter verwendet werden, die hohl sind oder die entfernbare Kerne haben oder die sonst eine Konfiguration haben oder nach dem Schneidvorgang so behandelt werden können, daß sie eine Konfiguration, beispielsweise einen Hohlraum, haben, die es ermöglicht, daß ein zweites Verbindungselement an dem Verbindungselement, das in das leitfähige Polymer eingebettet ist, befestigt wird.
Dies eliminiert nicht nur den Abfall und Aufwand, der mit dem Entfernen des leitfähigen Polymers von jeder abgeschnittenen Länge verbunden ist, sondern ermöglicht es auch, ein zweites Verbindungselement mit gewünschten Eigenschaften beispielsweise zum Einsetzen in eine gedruckte Leiterplatte zu verwenden.
Wir haben ferner erkannt, daß bei der vorliegenden Erfindung solche Verbindungselemente auch bei vielen verschiedenen anderen Verfahren mit großem Nutzen dazu verwendet werden können, elektrische Vorrichtungen herzustellen, die das Formen von verformbarem Isolier- oder Widerstandsmaterialien in Kontakt mit Verbindungselementen oder Vorverbindungselementen umfassen. Die Erfindung ist bei kontinuierlichen Verfahren der in der Einleitung zu der Erfindung erwähnten Art (einschließlich derjenigen, die in den oben genannten US-Patenten beschrieben sind) besonders brauchbar, um die verschiedenen erwähnten Probleme zu lösen oder zu mildern.
Die Erfindung ist auch bei Verfahren brauchbar, bei denen jede Vorrichtung separat, beispielsweise durch Spritzformen, hergestellt wird, um die Schritte des Verfahrens und/oder die Komplexität der Form oder sonstigen Einrichtung zu vereinfachen. Die Erfindung ist für Vorrichtungen, bei denen das erste Verbindungselement mit einem Widerstandselement in Kontakt ist, besonders brauchbar (und wird hier hauptsächlich unter Bezugnahme darauf beschrieben). Der hier verwendete Begriff "Widerstandselement" soll Elemente, die einen Widerstandswert, aber im wesentlichen keine Reaktanz haben, sowie solche Elemente umfassen, die sowohl einen Widerstandswert als auch eine Reaktanz haben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird also eine elektrische Vorrichtung bereitgestellt, die folgendes aufweist:
(1) ein Widerstandselement, das aus einem ersten Material besteht, das bei 23ºC einen spezifischen Widerstand von 10&supmin;³ bis 10&sup9; Ohm · cm hat;
(2) zwei erste Verbindungselemente, die voneinander beabstandet sind und von denen jedes
(a) aus einem zweiten Material besteht, das bei 23ºC einen spezifischen Widerstand von weniger als 10&supmin;³ Ohm · cm hat,
(b) einen Hohlraum bildet, in den, wenn der Hohlraum leer ist, ein zweites Verbindungselement eingesetzt werden kann, so daß es (i) teilweise innerhalb des Hohlraums ist, (ii) einen physischen und elektrischen Kontakt mit dem ersten Verbindungselement herstellt und (iii) aus dem Hohlraum vorsteht,
(c) in elektrischem Kontakt mit dem Widerstandselement ist,
(d) in das Widerstandselement eingebettet ist,
(e) sich über die Länge des Widerstandselements erstreckt und
(f) eine Vielzahl von Metalldrähten aufweist; und
(3) zwei entfernbare Elemente, von denen jedes
(a) aus einem dritten Material besteht, das bei 23ºC ein Feststoff ist,
(b) innerhalb des Hohlraums liegt, der von einem der ersten Verbindungselemente gebildet ist,
(c) aus dem Hohlraum entfernt werden kann und
(d) ein Metalldraht ist.
Der hier verwendete Begriff "einen Hohlraum bildet" bedeutet, daß das erste Verbindungselement entweder für sich oder in Kombination mit dem Widerstandselement oder in Kombination mit dem Widerstandselement und/oder einem anderen Element, beispiels weise einem nichtleitfähigen Element, eine Konfiguration von einem entweder offenen oder geschlossenen Querschnitt bildet, mit der das zweite Verbindungselement zusammenwirken kann, um eine gewünschte physische und elektrische Beziehung mit dem ersten Verbindungselement zu schaffen.
Wenn hier davon gesprochen wird, daß der Hohlraum ein Hohlraum ist, in den ein zweites Verbindungselement eingesetzt werden kann, "wenn der Hohlraum leer ist", bedeutet dies nicht, daß der Hohlraum notwendigerweise zu dem Zeitpunkt leer ist, in dem ein zweites Verbindungselement tatsächlich eingesetzt wird. Wie nachstehend weiter beschrieben wird, umfaßt die Erfindung beispielsweise Vorgänge, bei denen das zweite Verbindungselement in einen Hohlraum, der einen Feststoff enthält (aber nicht notwendigerweise damit ausgefüllt ist) geschoben, geschraubt oder anderweitig eingesetzt wird, so daß wenigstens ein Teil des Feststoffs verdrängt wird. Außerdem umfaßt die Erfindung auch solche Vorgänge, bei denen das Entfernen des Feststoffs ohne ein Einsetzen des zweiten Verbindungselements zu einem Hohlraum führen würde, der leer wäre, aber eine Änderung, beispielsweise eine Querschnittsänderung, erfahren hätte, was das Einsetzen des zweiten Verbindungselements unmöglich machen würde.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Vorrichtung bereitgestellt, die folgendes aufweist:
(1) ein Widerstandselement, das aus einem ersten Material besteht, das bei 23ºC einen spezifischen Widerstand von 10&supmin;³ bis 10&sup9; Ohm · cm hat; und
(2) zwei erste Verbindungselemente, die voneinander beabstandet sind und von denen jedes
(a) aus einem zweiten Material besteht, das bei 23ºC einen spezifischen Widerstand von weniger als 10&supmin;³ Ohm cm hat,
(b) einen Hohlraum bildet, in den, wenn der Hohlraum leer ist, ein zweites Verbindungselement eingeführt werden kann, so daß es (i) teilweise innerhalb des Hohlraums ist, (ii) einen physischen und elektrischen Kontakt mit dem ersten Verbindungselement herstellt und (iii) aus dem Hohlraum vorsteht,
(c) in elektrischem Kontakt mit dem Widerstandselement ist,
(d) in dem Widerstandselement eingebettet ist,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
(A) ein verformbares Material wird einer Behandlung unterzogen, die es in physischen und elektrischen Kontakt mit einem Vorverbindungselement bringt, das aus dem zweiten Material besteht und das einen Hohlraum bildet, wobei das verformbare Material, nachdem es der Behandlung unterzogen worden ist, das erste Material ist; und
(B) das Produkt aus dem Schritt (A) wird so abgeschnitten, daß der Hohlraum, wenn er leer ist, für das Einsetzen des zweiten Verbindungselements in den Hohlraum zugänglich ist.
Der Begriff "Vorverbindungslement" bedeutet ein Element, von dem wenigstens ein Teil nach dem Abschneiden das erste Verbindungselement wird.
Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird eine Anordnung bereitgestellt, die folgendes aufweist:
(A) eine Leiterplatte und
(B) eine elektrische Vorrichtung, die an der Leiterplatte angebracht ist, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
(1) ein Widerstandselement, das aus einem ersten Material besteht, das bei 23ºC einen spezifischen Widerstand von 10&supmin;³ bis 10&sup9; Ohm · cm hat;
(2) zwei erste Verbindungselemente, die voneinander beabstandet sind und von denen jedes
(a) aus einem zweiten Material besteht, das bei 23ºC einen spezifischen Widerstand von weniger als 10&supmin;³ Ohm · cm hat,
(b) einen Hohlraum bildet, in den, wenn der Hohlraum leer ist, ein zweites Verbindungselement eingesetzt werden kann, so daß es (i) teilweise innerhalb des Hohlraums ist, (ii) einen physischen und elektrischen Kontakt mit dem ersten Verbindungselement herstellt und (iii) aus dem Hohlraum vorsteht,
(c) in elektrischem Kontakt mit dem Widerstandselement ist,
(d) in das Widerstandselement eingebettet ist; und
(3) zwei zweite Verbindungselemente, von denen jedes
(a) einen physischen und elektrischen Kontakt mit einem ersten Verbindungselement herstellt,
(b) aus einem vierten Material besteht, das bei 23ºC einen spezifischen Widerstand von weniger als 10&supmin;³ Ohm · cm hat,
(c) teilweise innerhalb des Hohlraums liegt, der von einem der ersten Verbindungselemente gebildet ist, und
(d) aus dem Hohlraum vorsteht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 eine Perspektivansicht einer elektrischen Vorrichtung der Erfindung;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer anderen elektrischen Vorrichtung der Erfindung;
Fig. 3 eine Perspektivansicht der elektrischen Vorrichtung von Fig. 2 nach dem Einsetzen eines zweiten Verbindungselements nach einem Verfahren der Erfindung;
Fig. 4 eine Perspektivansicht einer elektrischen Vorrichtung der Erfindung während ihrer Herstellung;
Fig. 5 einen Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 6 eine Perspektivansicht einer Anordnung der Erfindung zeigt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die elektrische Vorrichtung weist ein Widerstandselement auf, das aus einem ersten Material besteht. Das erste Material ist ein leitfähiges Material, d. h. ein Material, das einen spezifischen Widerstand von 1 · 10&supmin;³ bis 1 · 10&sup9; Ohm · cm hat. Es wird besonders bevorzugt, daß das erste Material ein verformbares Material ist, das geformt, extrudiert oder anderweitig in eine gewünschte Form gebracht werden kann. Geeignete Materialien weisen Polymere, Metalloxide und Keramik auf.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das erste Material eine leitfähige Polymerzusammensetzung, d. h. eine Zusammensetzung, die aus einer polymeren Komponente besteht, und in der polymeren Komponente dispergiert oder anderweitig verteilt einen teilchenförmigen leitfähigen Füllstoff. Die polymere Komponente ist bevorzugt ein kristallines organisches Polymer.
Geeignete kristalline Polymere weisen auf: Polymere von einem oder mehreren Olefinen, insbesondere Polyethylen; Copolymere von wenigstens einem Olefin und wenigstens einem Monomer, das damit copolymerisierbar ist, wie etwa Ethylen-Acrylsäure-, Ethylen-Ethylacrylat- und Ethylen-Vinylacetat-Copolymere; schmelzformbare Fluorpolymere, wie etwa Polyvinylidenfluorid- und Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymere (einschließlich Terpolymere); und Gemische aus zwei oder mehreren solchen Polymeren.
Für manche Anwendungen kann es erwünscht sein, ein kristallines Polymer mit einem anderen Polymer, beispielsweise einem Elastomer oder amorphen thermoplastischen Polymer zu vermischen, um spezielle physikalische oder thermische Eigenschaften, beispielsweise Flexibilität oder maximale Expositionstemperatur, zu erreichen.
Der teilchenförmige leitfähige Füllstoff kann Ruß, Graphit, Metall, Metalloxid, eine Kombination davon oder jeder andere geeignete leitfähige Füllstoff sein. Bei manchen Anwendungen kann der teilchenförmige Füllstoff selbst aus einer Polymermatrix bestehen, in der ein teilchenförmiger leitfähiger Füllstoff dispergiert ist. Beispiele dieses Typs von leitfähiger Polymerzusammensetzung finden sich in der EP-Patentveröffentlichung 231 068 (veröffentlicht am 5. August 1987).
Die leitfähige Polymerzusammensetzung kann Antioxidantien, inerte Füllstoffe, Strahlungsvernetzungsmittel (häufig als Prorad bezeichnet), Stabilisatoren, Dispergiermittel oder andere Komponenten aufweisen. Das Verteilen des leitfähigen Füllstoffs und anderer Komponenten kann durch Schmelzverarbeiten, Lösungsmittelmischen oder jedes andere geeignete Mittel erreicht werden. Geeignete leitfähige Polymerzusammensetzungen finden sich in den US-Patenten 4 188 276 (Lyons et al.), 4 237 441 (von Konynenburg et al.), 4 388 607 (Toy et al.), 4 514 620 (Cheng et al.), 4 545 926 (Fouts et al.), 4 560 498 (Hormsa et al.), 4 624 990 (Lunk et al.), 4 774 024 (Deep et al.), 4 935 136 (von Konynenburg et al.) und 4 980 541 (Shafe et al.); den EP- Patentveröffentlichungen 38 713 (veröffentlicht am 28. Oktober 1981) und 197 759 (veröffentlicht am 15. Oktober 1986); und in der Internationalen Veröffentlichung WO89/00755 (veröffentlicht am 26. Januar 1989).
Bei einer anderen Ausführungsform weist das erste Material ein anorganisches Material, wie etwa ein Keramikmaterial, beispielsweise BaTiO&sub3; oder ZnO, auf. Das Keramikmaterial kann hergestellt werden, indem anorganische Pulver gemischt werden, um ein Keramikvorprodukt zu bilden, das dann erwärmt werden kann, um eine leitfähige Keramik, d. h. eine Keramikzusammensetzung zu bilden, die einen spezifischen Widerstand von weniger als 10&sup9; Ohm · cm hat. Jedes herkömmliche Herstellungsverfahren kann dabei angewandt werden.
Bei vielen Anwendungen zeigt das erste Material PTC-Verhalten in dem Temperaturbereich von Interesse, wenn es mit einer elektrischen Energiequelle verbunden ist, d. h. es zeigt einen steilen Anstieg des spezifischen Widerstands mit der Temperatur über einen relativ kleinen Temperaturbereich. In dieser Beschreibung wird der Begriff "PTC" verwendet, um ein Material oder eine Vorrichtung zu bezeichnen, die einen R&sub1;&sub4;-Wert von wenigstens 2,5 und/oder einen R&sub1;&sub0;&sub0;-Wert von wenigstens 10 hat, und es wird besonders bevorzugt, daß sie einen R&sub3;&sub0;-Wert von wenigstens 6 hat, wobei R&sub1;&sub4; das Verhältnis der spezifischen Widerstände am Ende und am Anfang eines 14ºC-Bereichs ist, R&sub1;&sub0;&sub0; das Verhältnis der spezifischen Widerstände am Ende und am Anfang eines 100ºC-Bereichs ist und R&sub3;&sub0; das Verhältnis der spezifischen Widerstände am Ende und am Anfang eines 30ºC-Bereichs ist. Übliche "PTC-Materialien", wie etwa einige leitfähige Polymerzusammensetzungen und einige Keramiken, beispielsweise BaTiO&sub3;, zeigen Anstiege des spezifischen Widerstands, die viel größer als die hier angegebenen kleinsten Werte sind.
Das Widerstandselement kann jede zweckmäßige Gestalt haben.
Die Vorrichtung weist zusätzlich zu dem Widerstandselement zwei erste Verbindungselemente auf. Jedes erste Verbindungselement, durch das dem Widerstandselement Elektrizität zugeführt wird, wenn die Vorrichtung in eine elektrische Schaltung eingebaut ist, besteht aus einem zweiten Material, das einen spezifischen Widerstand hat, der kleiner als 1 · 10&supmin;³ Ohm cm ist und somit auf jeden Fall kleiner als der des ersten Materials ist. Bei vielen Anwendungen ist das zweite Material ein Metall oder eine Legierung, beispielsweise Kupfer, Nickel, Aluminium, Stahl, Messing oder eine Kombination davon, obwohl auch andere Materialien, wie etwa Graphitfasern oder metallbeschichtete Glasfasern, verwendet werden können. In manchen Fällen ist es erwünscht, die Oberfläche des ersten Verbindungselements, die an das Widerstandselement angrenzt, mit Lot zu beschichten.
Wenn nachstehend auf "das erste" und "das zweite" Verbindungselement Bezug genommen wird, dann soll dies als eine Bezugnahme auf jedes erste bzw. jedes zweite Verbindungselement verstanden werden.
Das erste Verbindungselement ist mit dem Widerstandselement in elektrischem Kontakt. Bei vielen Anwendungen ist das erste Verbindungselement mit dem ersten Material des Widerstandselements in direktem physischem Kontakt, es kann jedoch von dem ersten Material durch eine Zwischenschicht, wie etwa einen leitfähigen Klebstoff oder eine andere leitfähige Verbindungsschicht, getrennt sein.
Es kann in das Widerstandselement eingebettet sein. Während sich das erste Verbindungselement in den meisten Vorrichtungen über die Länge des Widerstandselements erstreckt und somit einen Hohlraum oder Kanal durch das Element bildet, kann es auch nur einen Hohlraum haben, der sich nur durch einen Teil seiner Länge erstreckt. In Abhängigkeit von der Anwendung und der Beschaffenheit der elektrischen Vorrichtung können zwei oder mehr als zwei erste Verbindungselemente, die gleich oder voneinander verschieden sein können, wie oben definiert wurde, und ein, zwei oder mehr andere Verbindungselemente eines anderen, beispielsweise eines herkömmlichen Typs vorhanden sein.
Das erste Verbindungselement kann aus einem Vollmaterial gebildet sein, oder es kann perforiert sein, beispielsweise in Form eines Netzes oder einer mit Öffnungen versehenen Hülse, so daß das erste Material wenigstens teilweise in die Öffnungen eindringen und eine verbesserte Haftung an dem Widerstandselement ermöglichen kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat wenigstens ein Teil der Oberfläche des ersten Verbindungselements, der mit dem Widerstandselement in Kontakt ist, eine mikrorauhe Oberfläche, beispielsweise Unregelmäßigkeiten, die von der Oberfläche um eine Strecke von wenigstens 0,03 um vorstehen und die wenigstens eine Dimension parallel zu der Oberfläche haben, die höchstens 500 um ist.
Oberflächen dieses Typs sind häufig Kupfer, Nickel oder vernikkeltes Kupfer und werden häufig durch galvanische Abscheidung des gewählten Metalls auf einem Substrat, beispielsweise einer Metallfolie oder einem hohlen Metallrohr, hergestellt. Die Mikrorauheit, die häufig in Form von kugelförmigen Knospen ist, schafft eine verbesserte Haftung an einem Polymersubstrat. Solche Materialien sind in den US-Patenten 4 689 475 (Matthiesen) und 4 800 253 (Kleiner et al.) beschrieben.
Die bevorzugte Gestalt und Struktur des ersten Verbindungselements hängen von der speziellen Anwendung und dem Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung ab, und zwar unter der Voraussetzung, daß das erste Verbindungselement oder das erste Verbindungselement in Kombination mit dem Widerstandselement oder einem anderen Element, beispielsweise einem isolierenden Element, einen Hohlraum bildet, in den, wenn der Hohlraum leer ist, ein zweites Verbindungselement eingesetzt werden kann.
Der Querschnitt des ersten Verbindungselements kann beispielsweise kreisförmig, reckteckig oder quadratisch sein. Er kann einen Hohlraum jeder Gestalt bilden, obwohl in den meisten Fällen die Gestalt des Hohlraums der des ersten Verbindungselements ähnlich ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Verbindungselement ein entfernbares Element auf, das innerhalb des von dem ersten Verbindungselement gebildeten Hohlraums liegt und das aus dem Hohlraum entfernt werden kann. Zum leichten Entfernen, beispielsweise durch Hinausschieben oder -drücken des entfernbaren Elements aus dem ersten Verbindungselement, besteht das entfernbare Element bevorzugt aus einem dritten Material, das bei 23ºC ein Feststoff ist.
Ein besonders bevorzugtes erstes Verbindungselement weist einen Litzendraht auf, der äußere Litzen aufweist, die in Anlage an einem inneren entfernbaren Kern positioniert sind. Der Kern kann ein einziger Volldraht sein, was bevorzugt wird, oder eine Vielzahl von Litzen sein.
Die äußeren Litzen ermöglichen eine gute Haftung an dem ersten Material des Widerstandselements, und der Kern kann entfernt werden und einen Hohlraum hinterlassen, der anschließend wenigstens teilweise von dem zweiten Verbindungselement ausgefüllt werden kann. Bei manchen Anwendungen ist es erwünscht, wenigstens die innere Oberfläche der Litzen des Litzendrahts, der das erste Verbindungselement bildet, und bevorzugt sowohl diese inneren Litzen als auch die äußere Oberfläche des zweiten Verbindungselements mit Lot zu beschichten.
Beim Erwärmen schmilzt das Lot und benetzt ohne weiteres das eingesetzte zweite Verbindungselement, so daß eine gute physische und elektrische Verbindung gebildet wird. Der Kern kann wie beim herkömmlichen Litzendraht das gleiche Material wie die äußeren Litzen aufweisen, oder er kann davon verschieden sein, um das Entfernen zu erleichtern. Der Kern kann also ein steiferes oder billigeres Material sein, oder er kann ein Material, wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE) oder PTFE-beschichteter Draht sein, der ohne weiteres entfernt werden kann.
Alternativ kann das erste Verbindungselement oder der Kern ein Hochtemperaturlot sein, d. h. ein Lot, das oberhalb der normalen Betriebstemperatur oder der Schalttemperatur TS der Vorrichtung schmilzt. Bei diesen Vorrichtungen kann das zweite Verbindungselement einen vorerwärmten Stift aufweisen, der das Lot zum Schmelzen bringt und verdrängt, während er eingesetzt wird, so daß eine gute elektrische Verbindung hergestellt wird.
Das zweite Verbindungselement besteht aus einem vierten Material, das einen spezifischen Widerstand bei 23ºC von weniger als 10&supmin;³ Ohm · cm hat. Dieses zweite Verbindungselement wird in den von dem ersten Verbindungselement gebildeten Hohlraum eingesetzt. Das zweite Verbindungselement kann selbst das Mittel zum Entfernen eines entfernbaren Vollkerns sein, der wenigstens teilweise von dem ersten Verbindungselement umgeben ist.
Wenn das zweite Verbindungselement eingesetzt ist, dann ist es wenigstens teilweise innerhalb des Hohlraums und stellt einen physischen und elektrischen Kontakt mit dem ersten Verbindungselement her, und zwar entweder direkt oder durch eine Zwischenschicht, beispielsweise einen leitfähigen Klebstoff oder ein Lot. Bei den meisten Vorrichtungen steht das zweite Verbin dungselement aus dem Hohlraum vor, um eine Verbindung mit einer anderen elektrischen Komponente oder einer Leiterplatte herzustellen.
Es ist nicht erforderlich, daß das zweite Verbindungselement den Hohlraum vollständig ausfüllt, obwohl dies häufig der Fall ist, damit die maximale physische Haftung an der Vorrichtung erreicht wird. Wenn der Hohlraum in Form eines Tunnels ausgebildet ist und sich über die gesamte Länge der Vorrichtung erstreckt, dann kann das zweite Verbindungselement aus beiden Enden des Hohlraums vorstehen, oder es kann von einem Ende des Hohlraums geringfügig oder erheblich ausgespart sein. Der Rest des Hohlraums kann dann mit einem anderen Material, beispielsweise einem Lichtbogenunterdrückungsmittel, Lot, Lotpaste oder einem nichtleitfähigen Material, wie etwa einem Epoxid oder einem isolierenden Polymerstab, ausgefüllt sein.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann das zweite Verbindungselement gebildet werden, indem das entfernbare Element teilweise aus dem ersten Verbindungselement hinausgeschoben wird. Wenn das entfernbare Element ein leitfähiges Material, beispielsweise ein Metalldraht, ist, kann es direkt dazu verwendet werden, eine elektrische Verbindung mit einer anderen Komponente oder einer Leiterplatte herzustellen. Durch diese Technik kann die Länge, um die das zweite Verbindungselement aus dem Hohlraum vorsteht, ohne weiteres eingestellt werden.
Die Form des zweiten Verbindungselements kann mit der Form des von dem ersten Verbindungselement gebildeten Hohlraums übereinstimmen, beispielsweise ein rundes zweites Verbindungselement sein, das in einen runden Hohlraum eingesetzt ist, oder sie kann davon verschieden sein, beispielsweise ein quadratisches zweites Verbindungselement sein, das in einen runden Hohlraum eingesetzt ist. Wenn das erste Verbindungselement einen Litzendraht aufweist, kann es erwünscht sein, ein zweites Verbindungselement mit einer Gestalt, die beispielsweise rautenförmig oder quadratisch ist, zu verwenden, das ohne weiteres zwischen die benachbarten Drahtlitzen eingesetzt werden kann.
Es kann ferner erwünscht sein, ein zweites Verbindungselement zu verwenden, das das erste Verbindungselement verformt, beispielsweise um den elektrischen Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungselement oder zwischen dem ersten Verbindungselement und dem Widerstandselement zu verbessern. Das zweite Verbindungselement kann mehr als ein Teil aufweisen, die jeweils eine verschiedene Gestalt haben, um den Erfordernisse der maschinellen Einsetzbarkeit, des Abstands von einem Substrat oder einer anderen elektrischen Verbindung oder physischen Konfiguration zu genügen.
Für manche Anwendungen, beispielsweise der Oberflächenmontage elektrischer Vorrichtungen, ist es erwünscht, daß der Bereich des zweiten Verbindungselements, der mit der Schaltung verbunden werden soll, beispielsweise in eine Leiterplatte eingesetzt werden soll, einen Querschnitt hat, der beispielsweise quadratisch oder reckteckig ist; der erforderlichen elektrischen oder physischen Verbindung, beispielsweise Herausziehfestigkeit, des zweiten Verbindungselements mit dem Widerstandselement wird jedoch mit einem anderen Querschnitt, der beispielsweise kreisförmig ist, besser entsprochen.
In diesem Fall kann das zweite Verbindungselement gestanzt oder anderweitig so geformt sein, daß ein in den Hohlraum einzusetzender erster Bereich einen, beispielsweise runden, Querschnitt hat, und ein zu verbindender zweiter Bereich, der beispielsweise in eine Platte einzusetzen ist, einen anderen, beispielsweise quadratischen, Querschnitt hat. Zusätzliche Positioniermarkierungen oder -kennzeichnungen, beispielsweise breitere Bereiche, können vorhanden sein, um das Einsetzen bis zu einer richtigen Distanz zu gewährleisten.
Es wird bevorzugt, daß das eingesetzte zweite Verbindungselement eine ausreichende Herausziehfestigkeit hat, d. h. einen ausreichend festen Sitz in dem Hohlraum hat, so daß es sich entweder bei Raumtemperatur oder unter normalen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei TS im Fall von Schaltungsschutzvorrichtungen, nicht leicht löst. Bei den meisten Anwendungen ist eine kleinste Herausziehfestigkeit von wenigstens 100 g, bevorzugt wenigstens 250 g, insbesondere wenigstens 500 g, beispielsweise 1000 g, gemessen bei 23ºC, angemessen.
Die oben genannten Herausziehfestigkeiten werden gemessen, indem die Vorrichtung eingespannt und ortsfest gehalten wird, während die Kraft (in Gramm), die erforderlich ist, um das zweite Verbindungselement aus dem Hohlraum zu ziehen, aufgezeichnet wird. Es wird bevorzugt, daß die Vorrichtung eine Herausziehfestigkeit von wenigstens 175 g/Längen-cm Hohlraumlänge, insbesondere wenigstens 400 g/Längen-cm, speziell wenigstens 850 g/Längen-cm, beispielsweise 1500 g/Längen-cm, gemessen bei 23ºC, hat.
Es können zwar zweite Verbindungselemente jeder Größe verwendet werden, ein Verfahren zum Herstellen von Vorrichtungen, die eine angemessene Herausziehfestigkeit haben, besteht jedoch darin, ein zweites Verbindungselement einzusetzen, das wenigstens eine Querschnittsdimension hat, die geringfügig größer als die entsprechende Dimension des Hohlraums ist.
Es wird also bevorzugt, daß die größte Dimension des Querschnitts des Bereichs des einzusetzenden zweiten Verbindungselements wenigstens 0,00127 cm (0,0005 inch) größer als, insbesondere 0,00254 cm (0,0010 inch) größer als, speziell wenigstens 0,00381 cm (0,0015 inch) größer als die größte Dimension des Querschnitts des Hohlraums ist. Beispielsweise werden brauchbare Vorrichtungen hergestellt, wenn ein rundes zweites Verbindungselement mit einem Durchmesser von 0,0673 cm (0,0265 inch) in einen runden Hohlraum mit einem Durchmesser von ungefähr 0,0635 cm (0,025 inch) eingesetzt wird. Das zweite Verbindungselement kann einen gleichmäßigen Querschnitt haben, oder es kann "mit Widerhaken versehen sein", d. h. ein oder mehr Zonen mit einem größeren Querschnitt haben.
Diese mit Widerhaken versehenen Bereiche können Kontaktstellen hohen Drucks mit dem ersten Verbindungselement bilden, wenn dieses in den Hohlraum eingesetzt ist, so daß eine verbesserte Herausziehfestigkeit erzeugt wird. Alternativ können sie als Positioniermarkierungen wirken und die richtige Einführlänge in die Vorrichtung anzeigen.
Wenn ein zweites Verbindungselement mit einer größeren Größe als der Hohlraums verwendet wird, ist es erforderlich, daß entweder das Widerstandselement ein erstes Material aufweist, das geringfügig elastisch ist, oder daß entweder das erste Verbindungselement oder das zweite Verbindungselement ein elastisches Material aufweist oder anderweitig so ausgebildet ist, daß das eine oder das andere oder beide bevorzugt elastisch verformt werden können.
Vorrichtungen gemäß der Erfindung, die besonders bevorzugt werden, weisen zwei erste Verbindungselemente auf, von denen jedes in das Widerstandselement eingebettet und von dem anderen beabstandet ist und von denen jedes einen im allgemeinen ringförmigen Querschnitt hat, der einen im allgemeinen zylindrischen Hohlraum bildet. Der Hohlraum ist bevorzugt an beiden Enden offen. Zweite Verbindungselemente aus Metall, beispielsweise Stifte, die an einem Gurt zur kontinuierlichen Produktion angebracht sind, oder Elektroden, die von der Oberfläche eines Substrats vorstehen, werden bevorzugt in den Hohlraum eingesetzt. Wegen der leichten Herstellung und der Optionen für verschiedene Werte des spezifischen Widerstands weist das erste Material für diese Vorrichtungen häufig ein leitfähiges Polymer auf.
Die Erfindung ist für die Herstellung von Vorrichtungen besonders brauchbar, bei denen die Verbindungselemente so sind, wie es oben definiert ist, die Vorrichtungen sind jedoch sonst denjenigen ähnlich, die beschrieben sind in den US-Patenten 4 352 083 (Middleman et al.), 4 413 301 (Middleman et al.), 4 475 138 (Middleman et al.), 4 481 498 (McTavish et al.), 4 562 313 (Tomlinson et al.), 4 685 025 (Carlomagno), 4 724 417 (Au et al.), 4 774 024 (Deep et al.) und 4 845 838 (Jacobs et al.).
Vorrichtungen gemäß der Erfindung können ohne weiteres mit einem Verfahren der Erfindung hergestellt werden. In einem ersten Schritt wird ein verformbares Material so behandelt, daß es in physischen und elektrischen Kontakt mit einem Vorverbindungselement gebracht wird. Die Behandlung kann sein: Schmelzformen, beispielsweise Schmelzextrudieren oder Spritzformen, Lösungsmittelbeschichten oder Sintern im Fall eines polymeren ersten Materials; Sintern oder Formpressen im Fall einer Keramik; oder jedes andere geeignete Verfahren. Nachdem es behandelt, beispielsweise schmelzgeformt oder gesintert ist, bildet das verformbare Material das erste Material.
Das Vorverbindungselement besteht aus dem zweiten Material. Es kann ein langgestreckter Draht oder ein langgestrecktes Rohr sein, die beide bevorzugt werden, wenn das Herstellungsverfahren kontinuierlich ist, oder jedes andere Element sein, das nach dem Abschneiden einen Hohlraum bildet. In einem zweiten Schritt wird das behandelte Material aus dem ersten Schritt so abgeschnitten, daß der Hohlraum, wenn er leer ist, für das Einsetzen des zweiten Verbindungselements zugänglich ist. Wenn das Vorverbindungselement ein Rohr aufweist, legt das behandelte Material nach dem Abschneiden einen leeren Hohlraum frei, der für das sofortige Einsetzen des zweiten Verbindungselements bereit ist.
Wenn das Vorverbindungselement einen Draht oder ein anderes Element, beispielsweise einen Litzendraht, mit einem entfernbaren Element aufweist, legt das behandelte Material nach dem Abschneiden das entfernbare Element frei, das, wenn es wenigstens teilweise entfernt ist, einen Hohlraum bildet. Wenn der Hohlraum während des ersten Schritts mit einem dritten Material, das fest ist, ausgefüllt wird, kann das Verfahren einen dritten Schritt aufweisen, der auf den Schneidschritt folgt und in dem wenigstens ein Teil des dritten Materials entfernt wird, um einen Hohlraum zu erzeugen.
Wenn das verformbare Material ein Polymer, wie etwa ein leitfähiges Polymer ist, wird besonders bevorzugt, daß das verformbare Material um ein Paar von parallelen langgestreckten Vorverbindungselementen herum kontinuierlich geformt, beispielsweise extrudiert wird, so daß die Vorverbindungselemente in das extrudierte Material eingebettet werden. Das geformte Produkt wird dann in diskrete Stücke geschnitten, von denen jedes zur Herstellung einer elektrischen Vorrichtung verwendet werden kann.
Wenn das erste Verbindungselement ein drittes Material aufweist, das wenigstens teilweise entfernt werden muß, um einen leeren Hohlraum zu ergeben, weist ein Verfahren der Erfindung die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer elektrischen Vorrichtung, die dieses erste Verbindungselement aufweist, und anschließendes Entfernen wenigstens eines Teils des dritten Materials. Das zweite Verbindungselement kann dann eingesetzt werden. Der Schritt zum Entfernen des dritten Materials und der Schritt zum Einsetzen des zweiten Verbindungselements werden zwar normalerweise sequentiell ausgeführt, bei einem bevorzugten Verfahren kann jedoch das zweite Verbindungselement eingesetzt werden, während gleichzeitig das entfernbare Element hinausgeschoben wird.
Das Auswerfen des entfernbaren Elements kann durch jedes zweckmäßige physische oder chemische Mittel erreicht werden, beispielsweise indem es hinausgeschoben oder hinausgeklopft oder chemisch aufgelöst wird. Das zweite Verbindungselement kann so ausgebildet sein, daß es entweder während oder nach dem Entfernen des dritten Materials in seine Position geschraubt wird.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, wobei Fig. 1 eine elektrische Vorrichtung 1 zeigt, die ein Widerstandselement 3 aufweist, das aus einer leitfähigen Polymerzusammensetzung 5 besteht. Zwei voneinander beabstandete erste Verbindungselemente 7, 9, die Metallrohre aufweisen, sind in das Widerstandselement 3 eingebettet. Bei dieser Ausführungsform sind die Hohlräume 11, 13, die von den ersten Verbindungselementen 7, 9 gebildet sind, leer.
Fig. 2 zeigt eine elektrische Vorrichtung 1, bei der die entfernbaren Elemente 17, 19 innerhalb des durch die zwei ersten Verbindungselemente 7, 9 gebildeten Hohlraums nicht entfernt worden sind. Bei dieser Ausführungsform sind die ersten Verbindungselemente 7, 9 aus Litzendraht gebildet. Die einzelnen Drahtlitzen 15 umgeben die entfernbaren Elemente 17, 19 und sind in Anlage daran positioniert. Das entfernbare Element kann aus einer Vielzahl von Metalldrahtlitzen bestehen, obwohl bei dieser Vorrichtung das entfernbare Element eine einzige zentrale Drahtlitze aufweist.
Fig. 3 zeigt die Vorrichtung 1 von Fig. 2 nach dem Entfernen der entfernbaren Elemente 17, 19 und dem Ersetzen durch zweite Verbindungselemente 21, 23. Die zweiten Verbindungselemente können wie in dieser Darstellung aus dem Widerstandselement 3 vorstehen. Alternativ können die zweiten Verbindungselemente 21, 23 gebildet werden, indem die entfernbaren Elemente 17, 19 aus dem ersten Verbindungselement teilweise hinausgeschoben werden.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung 1 während des Verfahrens, in dem entfernbare Elemente 17, 19 gerade durch zweite Verbindungselemente 21, 23 aus den ersten Verbindungselementen 7, 9 hinausgeschoben werden. Bei dieser Ausführungsform haben die entfernbaren Elemente 17, 19 und die zweiten Verbindungselemente 21, 23 unterschiedliche Form.
Fig. 5 zeigt im Querschnitt eine Vorrichtung 1, bei der die ersten Verbindungselemente 7, 9 einen Volldraht 25, 27 und ein entfernbares Element 17, 19 aufweisen, das polymer ist. Die entfernbaren Elemente 17, 19 können hinausgeschoben oder anderweitig entfernt werden, und ein zweites Verbindungselement kann in den verbleibenden Kanal eingesetzt, beispielsweise in seiner Lage eingerastet werden.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung 29, bei der zwei elektrische Vorrichtungen 1 an einer Leiterplatte 31 durch Einsetzen in Löcher 33 angebracht sind. Bei dieser Anordnung hat das zweite Verbindungselement 21 oder 23 ein erstes Teil 35, das eine Gestalt, beispielsweise einen Kreisquerschnitt hat, die zur Herstellung einer guten physischen und elektrischen Verbindung mit dem ersten Verbindungselement geeignet ist, und ein zweites Teil 37, das eine Gestalt, beispielsweise einen Rechteckquerschnitt hat, die zur Herstellung einer guten physischen Verbindung mit der Leiterplatte 31 geeignet ist.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele veranschaulicht, von denen Beispiel 1 ein Vergleichsbeispiel ist, das eine herkömmliche Vorrichtung zeigt.

Beispiel 1

Die folgenden Bestandteile wurden trockengemischt, in einem Banbury-Mischer vermischt und pelletiert: 35 Vol.-% HD-Polyethylen (Petrothene LB832, erhältlich von USI), 36% Ruß (Black Pearls 280, erhältlich von Cabot), 27,8% Aluminiumoxidhydrat (Solem 916SP, erhältlich von J. M. Huber) und 1, 2% Antioxidans [ein Oligomer aus 4,4-Thio-bis(3-methyl-1-6-t-butylphenol) mit einem mittleren Polymerisationsgrad von 3 bis 4, wie in dem US- Patent 3 986 981 beschrieben].
Unter Verwendung eines Brabender-Querspritzkopfs mit einem daran angebrachten hundeknochenförmigen Werkzeug wurden die Pellets bei einer Temperatur von ca. 160ºC um zwei vernickelte Kupferdrähte 20 AWG (19 Litzen/32 gauge) herum, die mit einer Graphit/Silikat-Zusammensetzung (Electrodag 181, erhältlich von Acheson Colloids) beschichtet worden waren, schmelzextrudiert.
Das Extrudat wurde in Stücke geschnitten, von denen jedes ein Länge von 0,81 cm (0,320 inch) hatte, und das leitfähige Polymer wurde von einem Ende des Stücks entfernt, um eine Vorrichtung mit einer Länge von 0,533 cm (0,210 inch), einer Breite von ca. 0,787 cm (0,310 inch), einer Mittendicke von ca. 0,241 cm (0,095 inch) und einem Elektrodenabstand von Drahtmitte zu Drahtmitte von ca. 0,508 cm (0,200 inch) zu ergeben.
Ein verzinnter Kupfervolleiter 22 AWG wurde an jede der freigelegten verlitzten Elektroden angeschweißt. Die Vorrichtungen wurden in einer Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt, indem die Temperatur mit 10ºC/min auf 150ºC erhöht wurde, für 1 h auf 150ºC gehalten wurden und dann mit 10ºC/min auf 20ºC abgekühlt wurden.
Die Vorrichtungen wurden dann mittels eines Elektronenstrahls von 2,5 MeV auf eine Dosis von 25 Mrad vernetzt, wieder wie oben beschrieben wärmebehandelt, in einem zweiten Schritt auf eine Dosis von 150 Mrad bestrahlt und ein drittes Mal unter Anwendung der oben beschriebenen Vorgehensweise wärmebehandelt. Jede Vorrichtung wurde dann in einen Alkydpolyester-Duroplastkasten eingesetzt, der die Vorrichtung umschloß, aber nicht berührte.
Die elektrische Stabilität der Vorrichtungen, angezeigt durch ihr Spannungsfestigkeitsverhalten, wurde bestimmt, indem sie unter Verwendung der folgenden Schaltung geprüft wurden. Die Vorrichtung wurde in Reihe in eine Schaltung geschaltet, die aus einer Wechselstromquelle von 600 V, einem Schalter, der Vorrichtung und einem Widerstand in Reihe mit der Vorrichtung bestand, wobei die Vorrichtung in ruhiger Luft bei 23ºC war und der Widerstand eine solche Größe hatte, daß dann, wenn der Schalter geschlossen wurde, der Anfangsstrom 1 A war. Bei der Prüfung wurde der Schalter für 2 s geschlossen, eine ausreichende Zeit für das Auslösen der Vorrichtung, und man ließ die Vorrichtung für 90 s abkühlen, bevor der Schalter erneut für 2 s geschlossen wurde.
Diese Folge wurde fortgesetzt, bis die Vorrichtung ausfiel (was sich durch einen signifikanten Anstieg des Widerstandswerts, beispielsweise 40%, oder sichtbare Lichtbogen oder Flammen zeigte) oder bis 60 Zyklen beendet waren. Der Widerstandswert der abgekühlten Vorrichtung (bei 23ºC) wurde für jede Vorrichtung nach jedem Zyklus gemessen. Die Resultate einschließlich des mittleren Widerstandswerts und des Bereichs des Vorrichtungswiderstandswerts für die 40 geprüften Vorrichtungen sind in Tabelle I gezeigt. Bei der Prüfung zeigten vier Vorrichtungen einen Ausfall durch einen hohen Widerstandswert; es gab keine Ausfälle durch Lichtbogenbildung.

Beispiel 2

Unter Verwendung eines Brabender-Extruders und Anwendung der vorher beschriebenen Bedingungen wurde die in Beispiel 1 beschriebene Verbindung über zwei graphit-silikat-beschichtete Drähte 18 AWG extrudiert, von denen jeder aus einem mittleren Stahlvolldraht 22 AWG (0,0635 cm/0,025 inch Durchmesser) bestand, der von zwölf Litzen eines vernickelten Kupferleiters 32 AWG umgeben war. Unter Verwendung einer Säge wurde das Extrudat in Stücke geschnitten, von denen jedes eine Länge von 0,533 cm (0,210 inch) hatte.
Unter Verwendung eines Stahlstifts wurde der mittlere Volldraht 22 AWG aus jedem Draht hinausgeschoben und durch einen massiven verzinnten Messingstift mit einem Durchmesser von ca. 0,067 cm (0,0265 inch) ersetzt. Die Vorrichtungen wurden wärmebehandelt, bestrahlt, in einen Kasten eingesetzt und wie in Beispiel 1 beschrieben geprüft. Die Prüfergebnisse sind in der Tabelle I gezeigt. Während der 60 Zyklen gab es keine Ausfälle durch hohen Widerstandswert oder Lichtbogenbildung. TABELLE I Widerstandswert bei 23ºC (Ohm)

Claims

1. Elektrische Vorrichtung (1), die folgendes aufweist:

(1) ein Widerstandselement (3), das aus einem ersten Material besteht, das bei 23ºC einen spezifischen Widerstand von 10&supmin;³ bis 10&sup9; Ohm · cm hat;

(2) zwei erste Verbindungselemente (7, 9), die voneinander beabstandet sind und von denen jedes

(a) aus einem zweiten Material besteht, das bei 23ºC einen spezifischen Widerstand von weniger als 10&supmin;³ Ohm · cm hat,

(b) einen Hohlraum (11, 13) bildet, in den, wenn der Hohlraum leer ist, ein zweites Verbindungselement (21, 23) eingesetzt werden kann, so daß es (i) teilweise innerhalb des Hohlraums ist, (ii) einen physischen und elektrischen Kontakt mit dem ersten Verbindungselement herstellt und (iii) aus dem Hohlraum vorsteht,

(c) in elektrischem Kontakt mit dem Widerstandselement ist,

(d) in das Widerstandselement eingebettet ist,

(e) sich über die Länge des Widerstandselements erstreckt und

(f) eine Vielzahl von Metalldrähten (15) aufweist; und

(3) zwei entfernbare Elemente (17, 19), von denen jedes

(a) aus einem dritten Material besteht, das bei 23ºC ein Feststoff ist,

(b) innerhalb des Hohlraums liegt, der von einem der ersten Verbindungselemente gebildet ist,

(c) aus dem Hohlraum entfernt werden kann und

(d) ein Metalldraht (19) ist.

2. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Vorrichtung, die folgendes aufweist:

(1) ein Widerstandselement (3), das aus einem ersten Material besteht, das bei 23ºC einen spezifischen Widerstand von 10&supmin;³ bis 10&sup9; Ohm · cm hat; und

(b) einen Hohlraum (11, 13) bildet, in den, wenn der Hohlraum leer ist, ein zweites Verbindungselement (21, 23) eingeführt werden kann, so daß es (i) teilweise innerhalb des Hohlraums ist, (ii) einen physischen und elektrischen Kontakt mit dem ersten Verbindungselement herstellt und (iii) aus dem Hohlraum vorsteht,

(c) in elektrischem Kontakt mit dem Widerstandselement ist,

(d) in dem Widerstandselement eingebettet ist,

wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

(A) ein verformbares Material wird einer Behandlung unterzogen, die es in physischen und elektrischen Kontakt mit einem Vorverbindungselement bringt, das aus dem zweiten Material besteht und das einen Hohlraum bildet, wobei das verformbare Material, nachdem es der Behandlung unterzogen worden ist, das erste Material ist; und

(B) das Produkt aus dem Schritt (A) so abgeschnitten wird, daß der Hohlraum, wenn er leer ist, für das Einsetzen des zweiten Verbindungselements in den Hohlraum zugänglich ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei

(1) in dem Schritt (A) das verformbare Material (a) kontinuierlich, bevorzugt durch Schmelzextrusion, um ein Paar von parallelen langgestreckten Vorverbindungselementen herum geformt wird, um ein langgestrecktes Element bereitzustellen, das die Vorverbindungselemente in das verformbare Material eingebettet aufweist, und (b) ein leitfähiges Polymer ist, das

(i) ein organisches Polymer und in dem Polymer dispergiert einen teilchenförmigen leitfähigen Füllstoff aufweist und

(ii) ein PTC-Verhalten zeigt, und

(2) in dem Schritt (B) das langgestreckte Element mit diskreten Längen abgeschnitten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Hohlraum während des Schrittes (A) mit einem dritten Material gefüllt wird, das während des Schrittes (A) fest ist, und wobei das Verfahren ferner das Entfernen von wenigstens einem Teil des dritten Materials nach dem Schritt (B) aufweist.

5. Anordnung (29), die folgendes aufweist:

(A) eine Leiterplatte (31) und

(B) eine elektrische Vorrichtung (1), die an der Leiterplatte angebracht ist, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:

(b) einen Hohlraum (11, 13) bildet, in den, wenn der Hohlraum leer ist, ein zweites Verbindungselement (21, 23) eingesetzt werden kann, so daß es (i) teilweise innerhalb des Hohlraums ist, (ii) einen physischen

und elektrischen Kontakt mit dem ersten Verbindungselement herstellt und (iii) aus dem Hohlraum vorsteht,

(c) in elektrischem Kontakt mit dem Widerstandselement ist,

(d) in das Widerstandselement eingebettet ist; und

(3) zwei zweite Verbindungselemente (21, 23), von denen jedes

(a) einen physischen und elektrischen Kontakt mit einem ersten Verbindungselement (7, 9) herstellt,

(b) aus einem vierten Material besteht, das bei 23ºC einen spezifischen Widerstand von weniger als 10&supmin;³ Ohm · cm hat,

(c) teilweise innerhalb des Hohlraums (11, 13) liegt, der von einem der ersten Verbindungselemente gebildet ist, und

(d) aus dem Hohlraum vorsteht.