DE69434557T2

DE69434557T2 - Schaltungsschutzvorrichtung, elektrische Anordnung und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69434557T2
Application number: DE69434557T
Authority: DE
Inventors: Shou-Mean Fang; Denis Portola Valley Siden; Mark San Carlos Thompson; Michael Zhang
Original assignee: Tyco Electronics Corp
Current assignee: TE Connectivity Corp
Priority date: 1993-09-15
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2014-09-14
Also published as: KR960705328A; EP1235233A2; DE69434557D1; EP1235233B1; TW359862B; CA2171749C; AU692471B2; WO1995008176A1; CA2171749A1; DE69431757T2; CN1722315A; EP0719442A1; EP0719442B1; JP4511614B2; CN1722315B; CN1145979C; JP2008235943A; JP4339295B2; CN1215896A; DE69431757D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Schaltungsschutzvorrichtungen.
Viele elektrische Vorrichtungen umfassen zwei laminare Elektroden und, eingelegt zwischen ihnen, ein laminares elektrisches Element, das ein Leiter, z.B. ein Widerstandselement (wie beispielsweise in einem Widerstand oder einem Varistor), oder ein Nichtleiter (wie beispielsweise in einem Kondensator) sein kann. Besonders nützliche Vorrichtungen diesen Typs umfassen ein Widerstandselement, das ein PTC-(positive temperature coefficient; Kaltleiter-) Verhalten zeigt; insbesondere gilt dies für Schaltungsschutzvorrichtungen, die zwei laminare Elektroden und, eingelegt zwischen den Elektroden, ein laminares Widerstandselement umfassen, das ein PTC-Verhalten zeigt. Das PTC-Widerstandselement kann aus einem leitenden Polymer oder einer Keramik, z.B. einem dotierten Bariumtitanat, bestehen. Der Ausdruck „leitendes Polymer" wird in diesem Dokument dazu verwendet, eine Zusammensetzung zu bezeichnen, die ein Polymer und einen aus kleinen Teilchen bestehenden, elektrisch leitfähigen Füllstoff umfasst, der dispergiert (oder sonst wie verteilt) in demselben vorliegt.
In US-A-4486737 wird ein niederohmiger, keramischer PTC-Grundkörper offenbart, der Gegenpole aufweist, wobei zwei gegenüber liegende, äußere Seitenflächen parallel zur Längsachse des PTC-Grundkörpers angeordnet sind und zwei gegenüber liegende Stirnflächen senkrecht zu den äußeren Seitenflächen angeordnet sind. Der PTC-Grundkörper umfasst Reihen von parallelen Vertiefungen mit dazwischen befindlichen Unterteilungen, wobei die Vertiefungen innere metallisierte Oberflächen an den Gegenpolen aufweisen, die Metallschichten an den äußeren Seitenflächen angeordnet sind und die an den Stirnflächen angeordneten Metallstreifen, die mit den Metallschichten verbunden sind, kammartig verzahnt sind.
Bei den meisten derartigen Vorrichtungen wird eine elektrische Verbindungsleitung an jeder der laminaren Elektroden so befestigt, dass die Vorrichtung mit anderen Bauteilen einer Schaltung verbunden werden kann, die z.B. in einer Leiterplatte in Öffnungen bzw. Durchbrüchen eingebaut sind. Das Hinzufügen von Verbindungsleitungen ist ein zusätzlicher Aufwand und ist gewöhnlich (z.B. beim Löten oder Schweißen) mit einer Erwärmung verbunden, was einen Schaden verursachen kann (der sich häufig durch eine Änderung in Bezug auf den Widerstand äußert), vor allem an leitenden Polymerelementen. Das letztere Problem ist besonders schwerwiegend, wenn ein leitendes Polymer beim Verbinden der Verbindungsleitungen mit sonstigen Schaltungselementen ein zweites Mal erwärmt wird, und zwar insbesondere wenn die Verbindungsleitungen durch ein Lötverfahren mit einer Leiterplatte verbunden werden. Ein weiteres Problem, das auftreten kann, wenn solche Vorrichtungen auf einer Leiterplatte montiert werden sollen, besteht darin, dass sie weiter von der Platte aus hervorstehen, als es wünschenswert ist.
Wir haben jetzt entdeckt, dass gemäß der vorliegenden Erfindung, bei Vorrichtungen, die ein laminares elektrisches Element zwischen zwei Elektroden umfassen, sich wichtige Vorteile aus dem Vorhandensein eines transversalen leitenden Elementes ergeben, das durch das elektrische Element hindurchgeht und das physikalisch und elektisch mit einer der Elektroden (der „ersten Elektrode") verbunden ist, aber nicht mit der anderen Elektrode (der „zweiten Elektrode") elektrisch verbunden ist. Das Vorhandensein eines solchen transversalen leitenden Elementes (das in diesem Dokument häufig als „Querleiter" bezeichnet wird) ermöglicht es, von der gegenüber liegenden Seite der Vorrichtung aus eine elektrische Verbindung mit der ersten Elektrode herzustellen. Weil außerdem das leitende Element nicht um die Vorrichtung herum geführt wird, sondern durch sie hindurchgeht, lassen sich solche Vorrichtungen durch Prozesse herstellen, bei denen die verschiedenen Fertigungsschritte an einer Baugruppe ausgeführt werden, die einer Vielzahl von Vorrichtungen entspricht und die, im letzten Schritt des Prozesses, in eine Vielzahl von Vorrichtungen unterteilt wird. Die Fähigkeit, Vorrichtungen auf diese Weise zu fertigen, gewinnt in dem Maße zunehmend an Bedeutung, wie die gewünschte Größe (und daher der Widerstand) der Vorrichtung zunimmt. Diese Erfindung ist deshalb besonders wertvoll beim Fertigen von Vorrichtungen, die auf Leiterplatten montiert werden sollen sowie in anderen Situationen, in denen es umso besser ist, je kleiner die Größe und der Widerstand der Vorrichtung ist. Beispielsweise kann diese Erfindung verwendet werden, um Schaltungsschutzvorrichtungen herzustellen, die einen Flächeninhalt von etwa 13 mm² (0,02 inch²) oder sogar weniger haben.
Diese Erfindung, wie sie durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist, stellt eine Schaltungsschutzvorrichtung bereit.
Die Erfindung gemäß der Definition durch die Merkmale des Anspruchs 3 stellt eine Struktur bereit, die (falls nach einer weiteren Verarbeitung erforderlich) in eine Vielzahl von Schaltungsschutzvorrichtungen unterteilt werden kann, wobei jede der Vorrichtungen mindestens einen Querleiter enthält.
Bei einem anderen bevorzugten Aspekt wird diese Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 6 definiert.
Bei einem anderen bevorzugten Aspekt stellt diese Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Schaltungsschutzvorrichtungen bereit, das durch die Merkmale des Anspruchs 7 definiert ist.
Wenn es sich bei dem PTC-Material um ein leitendes Polymer handelt, nutzt dieses Verfahren vorzugsweise eine neuartige Baugruppe, die Teil der vorliegenden Erfindung ist, nämlich eine Baugruppe die Folgendes umfasst:

(1) ein laminares PTC-Widerstandselement, das (i) aus einem leitenden Polymer besteht, das ein PTC-Verhalten zeigt und (ii) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist;
(2) ein erstes laminares leitendes Element, das an der ersten Seite des PTC-Elementes befestigt ist; und
(3) ein zweites laminares leitendes Element, das an der zweiten Seite des PTC-Elementes befestigt ist;

Vorzugsweise trifft für diese Baugruppe Folgendes zu:

(a) die Öffnungen sind in einer Vielzahl von geraden Linien angeordnet; und
(b) das erste laminare leitende Element liegt in Form einer Vielzahl von Streifen vor, die zueinander und zu den Linien der Öffnungen parallel sind.

Es wird besonders bevorzugt, dass:

(a) jeder Streifen des ersten leitenden Elementes zwei benachbarte Linien von Öffnungen enthält; und
(b) das zweite laminare leitende Element ebenfalls in Form einer Vielzahl von Streifen vorliegt, die zueinander und zu den Linien der Öffnungen parallel sind, wobei jeder Streifen zwei benachbarte Linien von Öffnungen enthält, wobei eine der Linien von Öffnungen in einen ersten Streifen des ersten leitenden Elementes fällt und die andere Linie von Öffnungen in einen zweiten Streifen des ersten leitenden Elementes fällt.

Die Erfindung wird nachstehend hauptsächlich unter Bezugnahme auf PTC-Schaltungsschutzvorrichtungen, die ein laminares PTC-Element umfassen, das aus einem PTC-leitenden Polymer und zwei laminaren Elektroden besteht, die direkt an dem PTC-Element befestigt sind, und in Bezug auf die Produktion solcher Vorrichtungen beschrieben. Es ist jedoch deutlich zu machen, dass die Beschreibung ebenfalls, insofern der Kontext dies gestattet, auf sonstige elektrische Vorrichtungen, die PTC-leitende Polymerelemente enthalten, auf elektrische Vorrichtungen, die PTC-keramische Elemente enthalten, sowie auf sonstige elektrische Vorrichtungen anwendbar ist, die zwei laminare Elektroden mit einem dazwischen befindlichen laminaren elektrischen Element umfassen.
Wie nachstehend beschrieben und beansprucht, kann die vorliegende Erfindung eine Anzahl von speziellen Merkmalen nutzen. Wo ein solches Merkmal in einem speziellen Kontext oder als Teil einer speziellen Kombination offenbart wird, lässt es sich außerdem in anderen Kontexten und in anderen Kombinationen verwenden, die beispielsweise sonstige Kombinationen von zwei oder mehr solchen Merkmalen umfassen.
PTC-ZUSAMMENSETZUNGEN
Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten PTC-Zusammensetzungen sind vorzugsweise leitende Polymere, die einen kristallinen Polymerbestandteil und, dispergiert im Polymerbestandteil, einen aus kleinen Teilchen bestehenden Füllstoff umfassen, der einen elektrisch leitfähigen Füllstoff, z.B. Ruß (Carbon-Black) oder ein Metall, umfasst. Der Füllstoffbestandteil kann außerdem einen nichtleitenden Füllstoff enthalten, der nicht nur die elektrischen Eigenschaften des leitenden Polymers, sondern auch dessen physikalische Eigenschaften ändert. Die Zusammensetzung kann außerdem einen sonstigen Bestandteil oder mehrere sonstige Bestandteile enthalten, z.B. ein Antioxidationsmittel, ein Vernetzungsmittel, einen Haftvermittler oder ein Elastomer. Für die Verwendung bei Schaltungsschutzvorrichtungen weist die PTC-Zusammensetzung vorzugsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand bei 23°C von weniger als 50 Ohm-cm, speziell weniger als 10 Ohm-cm oder insbesondere weniger als 5 Ohm-cm auf. Leitende Polymere, die sich für die Verwendung im Rahmen dieser Erfindung eignen, sind beispielsweise in den US-Patenten mit den Nrn. 4,237,441, 4,304,987, 4,388,607, 4,514,620, 4,534,889, 4,545,926, 4,560,498, 4,591,700, 4,724,417, 4,774,024, 4,935,156 und 5,049,850 offenbart.
Das PTC-Widerstandselement ist vorzugsweise ein laminares Element und kann aus einem oder mehreren leitenden Polymerelementen bestehen, von denen mindestens eines aus einem PTC-Material besteht. Wenn mehr als ein leitendes Polymerelement vorhanden ist, fließt der Strom vorzugsweise aufeinander folgend durch die verschiedenen Zusammensetzungen, so wie dies z.B. der Fall ist, wenn sich jede Zusammensetzung in Form einer Schicht über die gesamte Vorrichtung erstreckt. Wenn eine einzelne PTC-Zusammensetzung vorliegt und die gewünschte Dicke des PTC-Elementes größer ist als die, die sich praktisch in einem Einzelschritt fertigen lässt, kann ein PTC-Element der gewünschten Dicke dadurch praktisch gefertigt werden, dass zwei oder mehr Schichten, z.B. schmelzextrudierte Schichten, der PTC-Zusammensetzung, z.B. durch Laminieren mit Hilfe von Wärme und Druck, aneinander gefügt werden. Wenn mehr als eine PTC-Zusammensetzung vorhanden ist, wird das PTC-Element gewöhnlich dadurch gefertigt, dass Elemente der verschiedenen Zusammensetzungen, z.B. durch Laminieren mit Hilfe von Wärme und Druck, aneinander gefügt werden. Beispielsweise kann ein PTC-Element zwei laminare Elemente umfassen, die aus einer ersten PTC-Zusammensetzung und, eingelegt zwischen denselben, einem laminaren Element bestehen, das aus einer zweiten PTC-Zusammensetzung besteht, die einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand als die erste hat.
Wenn eine PTC-Vorrichtung ausgelöst wird, fällt der größte Teil der Spannung, die über der Vorrichtung abfällt, normalerweise über einen ziemlich kleinen Teil der Vorrichtung ab, der als heiße Linie, heiße Ebene oder heiße Zone bezeichnet wird. Bei den Vorrichtungen der Erfindung kann das PTC-Element ein oder mehrere Merkmale aufweisen, die dazu beitragen, dass sich die heiße Linie an einem gewünschten Ort ausbildet, der gewöhnlich einen Abstand zu den beiden Elektroden aufweist. Geeignete derartige Merkmale für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise in den US-Patenten mit den Nrn. 4,317,027, 4,352,083, 4,907,340 und 4,924,072 offenbart.
LAMINARE ELEKTRODEN
Besonders nützliche Vorrichtungen der Erfindung umfassen zwei Metallfolien-Elektroden und ein zwischen denselben eingelegtes PTC-leitendes Polymerelement, und zwar insbesondere solche Vorrichtungen, die als Schaltungsschutzvorrichtungen verwendet werden und einen niedrigen Widerstand bei 23°C aufweisen, im Allgemeinen weniger als 50 Ohm, vorzugsweise weniger als 15 Ohm, am besten weniger als 10 Ohm, insbesondere weniger als 5 Ohm und speziell weniger als 3 Ohm. Besonders geeignete Folienelektroden sind mikroraue Metallfolien-Elektroden, die insbesondere galvanisch abgeschiedene Nickelfolien und vernickelte, galvanisch abgeschiedene Kupferfolien-Elektroden umfassen, im Besonderen wie sie in den US-Patenten mit den Nrn. 4,689,475 und 4,800,253 offenbart sind. Eine Vielzahl von laminaren Vorrichtungen, die sich gemäß der vorliegenden Erfindung modifizieren lassen, sind in den US-Patenten mit den Nrn. 4,238,812, 4,255,798, 4,272,471, 4,315,237, 4,317,027, 4,330,703, 4,426,633, 4,475,138, 4,724,417, 4,780,598, 4,845,838, 4,907,340 und 4,924,074 offenbart. Die Elektroden lassen sich modifizieren, um die gewünschten thermischen Wirkungen zu erzeugen.
ÖFFNUNGEN UND QUERLEITER
Das Ausdruck „Öffnung" wird in diesem Dokument dazu verwendet, eine Öffnung zu bezeichnen, die

(a) einen geschlossenen Querschnitt, z.B. einen Kreis, ein Oval, oder eine im Allgemeinen rechteckige Form aufweist, oder
(b) einen offenen einspringenden Querschnitt aufweist, der (i) eine Tiefe von mindestens 0,15-mal, vorzugsweise mindestens 0,5-mal, speziell mindestens 1,2-mal, der Maximalbreite des Querschnittes, z.B. eines Viertelkreises oder eines Halbkreises oder eines offenen Schlitzes, aufweist und/oder (ii) mindestens einen Teil aufweist, an dem die gegenüber liegenden Kanten des Querschnittes zueinander parallel sind.

Bei Baugruppen der Erfindung, die sich in eine Vielzahl von elektrischen Vorrichtungen unterteilen lassen, weisen die Öffnungen normalerweise einen geschlossenen Querschnitt auf, aber wenn eine (oder mehrere) der Unterteilungslinien durch eine Öffnung mit einem geschlossenen Querschnitt hindurchgeht, dann haben die Öffnungen in den dadurch entstehenden Vorrichtungen offene Querschnitte. Deshalb ist es wichtig, dass solche offene Querschnitte einspringende Querschnitte gemäß der obigen Definition sind, damit sichergestellt wird, dass der Querleiter beim Einbau oder beim Einsatz der Vorrichtung nicht beschädigt oder von seinem Platz entfernt wird.
Die Öffnung kann ein kreisförmiges Loch sein und für viele Zwecke ist das sowohl bei einzelnen Vorrichtungen als auch bei Baugruppen der Vorrichtungen ausreichend. Wenn die Baugruppe jedoch Öffnungen umfasst, durch die mindestens eine Unterteilungslinie hindurchgeht, können längliche Öffnungen bevorzugt werden, weil sie eine geringere Genauigkeit hinsichtlich der Unterteilungslinien erfordern.
Falls durch die Öffnung keine Unterteilungslinie hindurchgeht, kann sie so klein sein wie es für einen Querleiter zweckmäßig ist, der die erforderliche Strombelastbarkeit aufweist. Für Schaltungsschutzvorrichtungen sind Löcher mit einem Durchmesser von 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise 0,15 bis 1,0 mm, z.B. 0,2 bis 0,5 mm, im Allgemeinen ausreichend. Im Allgemeinen wird nur ein einziger Querleiter benötigt, um eine elektrische Verbindung von der gegenüber liegenden Seite der Vorrichtung aus mit der ersten Elektrode herzustellen. Es können jedoch zwei oder mehr Querleiter für die Herstellung der gleichen Verbindung eingesetzt werden. Die Anzahl und die Größe der Querleiter, und, folglich, deren Wärmekapazität, können einen beträchtlichen Einfluss auf die Geschwindigkeit haben, mit der eine Schaltungsschutzvorrichtung auslöst.
Die Öffnung lässt sich entweder herstellen, bevor der Querleiter eingebaut wird, oder die Herstellung der Öffnung lässt sich gleichzeitig mit dem Einbau des Querleiters durchführen. Ein bevorzugtes Verfahren besteht darin, die Öffnung, z.B. durch Bohren, Zerteilen oder jede sonstige geeignete Technik, herzustellen und anschließend die Innenfläche der Öffnung zu metallisieren oder sonst wie zu beschichten oder zu füllen. Das Metallisieren kann durch stromloses Abscheiden oder galvanisches Abscheiden oder durch eine Kombination aus beiden Metallisierungsverfahren erfolgen. Die Metallisierung kann aus einer einzigen Schicht oder mehreren Schichten bestehen und kann sich aus einem einzigen Metall oder einer Metallmischung, insbesondere einem Lot zusammensetzen. Häufig bildet sich die Metallisierung auch auf anderen ungeschützten leitenden Oberflächen der Baugruppe. Falls eine solche Metallisierung nicht erwünscht ist, dann müssen die anderen ungeschützten leitenden Oberflächen abgedeckt oder sonst wie desensibilisiert werden. Im Allgemeinen erfolgt das Metallisieren jedoch in einer Phase des Prozesses, in der eine solche zusätzliche Metallisierung keine nachteilige Wirkung erzeugt. Die Erfindung umfasst die Möglichkeit, dass durch das Metallisieren nicht nur der Querleiter, sondern mindestens auch ein Teil der laminaren leitenden Elemente in der Vorrichtung hergestellt wird.
Die Metallisierungstechniken, die für die Herstellung von leitenden Kontaktlöchern durch Isolierleiterplatten hindurch Anwendung finden, können bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Bei dieser Erfindung dient die Metallisierung nur dazu, den Strom über die Vorrichtung zu transportieren, wohingegen ein metallisiertes Kontaktloch einen guten elektrischen Kontakt mit einem anderen Bauteil haben muss. Folglich kann die bei dieser Erfindung geforderte Metallisierungsqualität geringer sein als dies für ein Kontaktloch der Fall ist.
Eine weitere Technik für die Bereitstellung der Querleiter besteht darin, eine formbare oder flüssige leitende Zusammensetzung in vorgeformte Öffnungen einzubringen, und falls gewünscht oder erforderlich, die Zusammensetzung zu behandeln, während sie sich in den Öffnungen befindet, um Querleiter mit den gewünschten Eigenschaften zu produzieren. Die Zusammensetzung kann selektiv den Öffnungen, z.B. mit Hilfe eines Siebes, oder der gesamten Baugruppe zugeführt werden, auf Wunsch nach der Vorbehandlung von mindestens einem Teil der Baugruppe, so dass die Zusammensetzung nicht daran haftet. Beispielsweise könnte, falls die Anwendung von Schwalllötverfahren gewünscht wird, eine geschmolzene leitende Zusammensetzung, z.B. Lot, auf diese Weise eingesetzt werden und Öffnungen in einem PTC-Keramikelement könnten mit einer leitenden Keramikpaste gefüllt werden, die gebrannt oder sonst wie an Ort und Stelle verfestigt würde.
Der Querleiter kann auch durch ein vorgeformtes Element, z.B. einen Metallstab oder ein Metallrohr, beispielsweise einen Niet, bereitgestellt werden. Falls ein solches vorgeformtes Element verwendet wird, kann es die Öffnung, während es in die Vorrichtung eingebaut wird, erzeugen.
Der Querleiter kann die Öffnung teilweise oder vollständig ausfüllen. Falls die Öffnung teilweise ausgefüllt ist, lässt sie sich noch weiter ausfüllen (was auch das vollständige Ausfüllen umfasst), und zwar während des Prozesses, bei dem die Vorrichtung mit sonstigen elektrischen Bauteilen verbunden wird, und insbesondere durch ein Lötverfahren. Dies lässt sich dadurch fördern, dass zusätzliches Lot in der Öffnung und um sie herum bereitgestellt wird, insbesondere durch Aufnahme einer Metallisierung aus Lot in der Öffnung und um sie herum. Normalerweise wird mindestens ein Teil des Querleiters eingebaut, bevor die Vorrichtung mit sonstigen elektrischen Bauteilen verbunden wird. Die Erfindung umfasst jedoch die Möglichkeit, dass der Querleiter während eines solchen Verbindungsprozesses geformt wird, wie dies beispielsweise durch die Kapillarwirkung des Lots während des Lötprozesses der Fall ist.
BAUGRUPPEN
Wie oben kurz erwähnt wurde, umfassen die Baugruppen der Erfindung sowohl Vorrichtungen, die fertig sind für die Verbindung mit sonstigen elektrischen Bauteilen, als auch Strukturen, die (falls erforderlich nach weiterer Verarbeitung) in eine Vielzahl von elektrischen Vorrichtungen unterteilt werden können.
Bei den Vorrichtungen, die fertig sind für die Verbindung, stellt das „erste laminare leitende Element" (mit dem der Querleiter physikalisch und elektrisch verbunden ist) die erste Elektrode bereit und die Vorrichtung umfasst im Allgemeinen außerdem ein zweites laminares leitendes Element, das nicht mit der ersten Elektrode oder dem Querleiter verbunden ist und das die zweite Elektrode bereitstellt. Die erste und die zweite Elektrode sind im Allgemeinen, direkt oder indirekt, an gegenüber liegenden Seiten eines laminaren PTC-Elementes befestigt und der stromführende Teil des PTC-Elementes ist der Teil, der sich zwischen den zwei Elektroden befindet. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung außerdem ein drittes laminares leitendes Element, das (a) an der zweiten Seite des PTC-Elementes in dem Bereich der Öffnung befestigt ist, (b) mit dem Querleiter elektrisch verbunden ist, und (c) einen Abstand zur zweiten Elektrode aufweist. Somit stellt dieses dritte Element eine leitende Anschlussstelle bereit, mit Hilfe derer eine Verbindung mit der ersten Elektrode (über den Querleiter) hergestellt werden kann und mit der sich eine Verbindung leichter herstellen lässt als mit dem alleinigen Querleiter. Dieses dritte Element ist vorzugsweise ein Restelement, das durch Entfernen eines Teils eines laminaren leitenden Elementes gebildet wird, insbesondere durch ein laminares leitendes Element einer Baugruppe, die zwei laminare leitende Elemente und ein zwischen denselben befindliches PTC-Element umfasst; der andere Teil des leitenden Elementes stellt die zweite Elektrode bereit. Die Form des dritten Elementes und des Spaltes zwischen dem dritten Element und der zweiten Elektrode lassen sich zur Anpassung an die gewünschten Eigenschaften der Vorrichtung und zur Erleichterung der Herstellung variieren. Somit ist das dritte Element praktisch ein kleines Rechteck an einem Ende einer rechteckigen Vorrichtung, das von der zweiten Elektrode durch einen rechteckigen Spalt getrennt ist, wie dies beispielsweise in den 1 und 2 dargestellt ist; es sind aber andere Anordnungen möglich. Beispielsweise kann das dritte Element eine Insel sein, die von der zweiten Elektrode durch einen Spalt eines geschlossenen Querschnittes getrennt ist. Wenn zwei oder mehr parallel geschaltete Vorrichtungen benötigt werden, können zwei oder mehr zweite Elektroden auf der zweiten Seite des PTC-Elementes vorhanden sein, mit einer einzigen ersten Elektrode, die sich auf der ersten Seite des PTC-Elementes befindet und mit der die Verbindung über den Querleiter hergestellt wird. Falls zwei oder mehr in Serie geschaltete Vorrichtungen erforderlich sind, kann das dritte Element der einen Vorrichtung mit der zweiten Elektrode der benachbarten Vorrichtung verbunden werden; die Vorrichtungen lassen sich mit Hilfe nicht stromführender Abschnitte des PTC-leitenden Polymerelementes, oder sonst wie, aneinander fügen.
Bei den einfachsten Vorrichtungen sind eine einzige erste Elektrode, ein einziger Querleiter, ein einziges drittes Element und eine einzige zweite Elektrode vorhanden. Eine solche Vorrichtung, die keine Ausführungsform der Erfindung ist, ist in den 1 und 2 veranschaulicht. Ein Nachteil einer solchen Vorrichtung ist, dass sie auf der Leiterplatte so platziert werden muss, dass die richtige Seite oben liegt. Dieser Nachteil lässt sich (zu Lasten der zusätzlichen Material- und Fabrikationskosten) überwinden, indem eine Vorrichtung hergestellt wird, die zwei dritte Elemente (eines ist jeweils einer der beiden Elektroden zugeordnet) und zwei Querleiter (einer ist jeweils einem dritten Element zugeordnet) aufweist. Eine solche Vorrichtung ist in den 5 und 6 veranschaulicht.
Die Vorrichtungen der Erfindung, die fertig sind für die Verbindung, können jede geeignete Größe aufweisen. Es ist jedoch ein wichtiger Vorteil der Erfindung, dass sehr kleine Vorrichtungen leicht gefertigt werden können. Die bevorzugten Vorrichtungen der Erfindung haben eine Maximalabmessung von höchstens 12 mm, vorzugsweise von höchstens 7 mm, und/oder einen Flächeninhalt von höchstens 30 mm², vorzugsweise von höchstens 20 mm², insbesondere von höchstens 15 mm².
Bei den Baugruppen der Erfindung, die sich, falls erforderlich nach einer weiteren Verarbeitung, in eine Vielzahl von Vorrichtungen unterteilen lassen, trifft vorzugsweise Folgendes zu:

(a) das PTC-Widerstandselement definiert eine Vielzahl der Öffnungen, die zwischen der ersten und der zweiten Seite des PTC-Elementes verlaufen;
(b) es ist eine Vielzahl der transversalen leitenden Elemente vorhanden, wobei jedes der transversalen Elemente in einer der Öffnungen liegt, und
(c) die Öffnungen und die transversalen Elemente sind in einem regelmäßigen Muster angeordnet.

Im Allgemeinen umfasst die Baugruppe außerdem:

(3) ein erstes laminares leitendes Element, das (a) an der ersten Seite des PTC-Elementes befestigt ist und (b) mit allen transversalen Elementen physikalisch und elektrisch verbunden ist; und
(4) ein zweites laminares leitendes Element, das an der zweiten Seite des PTC-Elementes befestigt ist.

Die transversalen Elemente sind außerdem mit einem zweiten laminaren leitenden Element physikalisch und elektrisch verbunden. Das erste und/oder das zweite leitende Element werden/wird, bevor die Baugruppe unterteilt wird und vor oder nach dem Einbau der transversalen Elemente, vorzugsweise in Form einer Vielzahl von Streifen, so angeordnet, dass die Baugruppe, und zwar längs der Linien parallel zu den Streifen, in Vorrichtungen unterteilt werden kann, die eine erste und eine zweite Elektrode sowie ein drittes Element umfassen, das sich auf der gleichen Seite des PTC-Elementes wie die zweite Elektrode befindet, aber nicht mit der zweiten Elektrode verbunden ist.
PROZESSE
Die Vorrichtungen der Erfindung lassen sich auf vielerlei Weise fertigen. Die bevorzugten Verfahren der Erfindung ermöglichen es jedoch, die Vorrichtungen sehr wirtschaftlich zu fertigen, indem alle oder die meisten Prozessschritte an einem großen Laminat ausgeführt werden und anschließend das Laminat in eine Vielzahl von einzelnen Vorrichtungen, oder in relativ kleine Gruppen von Vorrichtungen, aufgeteilt wird, die physikalisch miteinander verbunden sind und die durch Serien- oder Parallelschaltung oder durch Kombination der beiden Schaltungsarten elektrisch miteinander verbunden werden können. Die Teilung des Laminates kann längs der Linien erfolgen, die durch ein laminares leitendes Element oder durch beide laminare leitende Elemente oder durch keines von beiden oder durch keinen, einige oder alle Querleiter hindurchgehen. Die Prozessschritte vor der Teilung lassen sich im Allgemeinen in jeder zweckmäßigen Reihenfolge ausführen.
Als Hilfe für ein besseres Verständnis der Erfindung dienen die beiliegenden Zeichnungen, in denen die Größe der Öffnungen und die Dicken der Bauteile zur besseren Deutlichkeit übertrieben groß dargestellt wurden. 1 ist eine Draufsicht einer Schaltungsschutzvorrichtung und 2 ist ein Querschnitt längs der Schnittlinie II-II von 1. Die Vorrichtung umfasst ein laminares PTC-Element 17, das eine erste Seite aufweist, an der eine erste laminare Elektrode 13 angebracht ist und eine zweite Seite, an der eine zweite laminare Elektrode 15 angebracht ist. Außerdem ist an der zweiten Seite ein zusätzliches laminares leitendes Element 49 angebracht, das nicht mit der Elektrode 15 elektrisch verbunden ist. Der Querleiter 51 liegt in einer Öffnung, die durch die erste Elektrode 13, das PTC-Element 17 und das zusätzliche Element 49 definiert wird. Der Querleiter ist ein Hohlrohr, das durch einen Metallisierungsprozess geformt wird, der auch zu einer Metallisierung 52 auf den Oberflächen der Vorrichtung führt, die während des Metallisierungsprozesses ungeschützt sind.
Die 3 und 4 sind mit der 2 vergleichbar, zeigen aber Querleiter, die die Form eines Metallstabes (3) oder eines Niets (4) aufweisen.
5 ist eine Draufsicht einer anderen Schaltungsschutzvorrichtung, die auf eine Leiterplatte gelötet wurde und 6 ist ein Querschnitt längs der Schnittlinie VI-VI von 5. Die Vorrichtung ist mit der vergleichbar, die in den 1 und 2 dargestellt ist, aber sie ist symmetrisch ausgeführt, so dass sie auf einer Leiterplatte, unabhängig davon, welche der beiden Seiten oben liegt, platziert werden kann. Somit umfasst die Vorrichtung einen zweiten Querleiter 31, der die Verbindung der zweiten Elektrode 15 mit einem zweiten zusätzlichen Element 35 herstellt. Die Querleiter wurden hergestellt, indem die Öffnungen (und die sonstigen ungeschützten Oberflächen) mit einer Metallisierung versehen wurden, und zwar zuerst mit Kupfer und anschließend mit Lot. Die Vorrichtung wurde an die Leiterbahnen 41 und 43 auf einem Isoliersubstrat 9 gelötet. Während des Lötprozesses fließt die Metallisierung aus Lot auf der Vorrichtung und füllt die Öffnungen vollständig aus.
7 ist eine Draufsicht eines Teils einer Baugruppe, die in eine Anzahl von einzelnen, in den 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen geteilt werden kann und 8 ist ein Querschnitt längs der Schnittlinie VIII-VIII von 7. Die Baugruppe umfasst ein laminares PTC-Element 7, das eine erste Seite, an der ein erstes laminares leitendes Element 3 angebracht ist, und eine zweite Seite aufweist, an der ein zweites laminares leitendes Element 5 angebracht ist. Die leitenden Elemente 3 und 5 liegen nicht als durchgehendes Material, sondern in Form von parallelen Streifen vor, die durch Entfernen, z.B. durch Ätzen, von Streifen aus Elektrodenmaterial aus einem entsprechenden durchgehenden Element gefertigt werden. Das Material wird in gegeneinander versetzten Streifen abwechselnd von gegenüber liegenden Seiten der Baugruppe entfernt, um die physikalischen Spannungen im Produkt im Gleichgewicht zu halten. Vor dem Ätzschritt ist eine Vielzahl von Löchern, die in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind, durch das PTC-Element 7 und die laminaren Elemente 3 und 5 gebohrt worden und die Baugruppe ist anschließend metallisiert worden, um einen rohrförmigen Querleiter 1 in jeder der Öffnungen bereitzustellen (sowie eine Metallisierung 2 auf den sonstigen ungeschützten Oberflächen der Baugruppe). Die Baugruppe lässt sich in eine Vielzahl von Vorrichtungen verarbeiten, indem sie längs der mit C gekennzeichneten Linien geteilt wird. An der Kante der Baugruppe sind Bezugslöcher 4 vorhanden, die einerseits zum Auffinden der Löcher, die durch das Element 7 und die Elemente 3 und 5 zu bohren sind, und andererseits zum Auffinden der Teilungslinien C dienen.
Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel veranschaulicht.
BEISPIEL
Eine leitende Polymerzusammensetzung wurde angesetzt durch Vormischen von 48,6 Gewichts-% Polyethylen hoher Dichte (Petrothene^TM LB 832, erhältlich bei USI) mit 51,4% Gewichts-% Ruß (Carbon-Black) (Raven^TM 430, erhältlich bei Columbian Chemicals), Mischen des Blends in einem Banbury^TM Mischer, Extrudieren des gemischten Compounds zu Pellets und Extrudieren der Pellets durch ein 3,8-cm-(1,5 inch) Extruder, um eine Folie mit einer Dicke von 0,25 mm (0,010 inch) zu produzieren. Die extrudierte Folie wurde in Stücke von 0,31 × 0,41 Metern (12 × 16 inches) geschnitten und jedes Stück wurde zwischen zwei Folien von 0,025 mm (0,001 inch) Dicke aus galvanisch abgeschiedener Nickelfolie (erhältlich bei Fukuda) geschichtet. Die Schichten wurden unter Wärme und Druck laminiert, um eine Platte mit einer Dicke von etwa 0,25 mm (0,010 inch) zu fertigen. Jede Platte wurde mit 0,1 MGy (10 Mrad) bestrahlt. Jede Platte wurde dazu verwendet, ungefähr 7.000 Vorrichtungen zu fertigen, wobei jede Vorrichtung die in den 1 und 2 dargestellte Ausführung aufweist.
Löcher mit einem Durchmesser von 0,25 mm (0,010 inch) wurden in einem regelmäßigen Muster durch die Dicke der Platte gebohrt, um ein Loch für jede Vorrichtung bereitzustellen. Jedes Loch wurde entgratet und gereinigt. Die Oberfläche der Nickelfolienschichten und die des leitenden Polymers, die das gebohrte Loch umgibt, wurden unter Verwendung einer Palladium/Kupfer-Lösung sensibilisiert. Eine Kupferschicht mit einer ungefähren Dicke von 0,076 mm (0,003 inch) wurde auf die sensibilisierten Oberflächen stromlos abgeschieden und anschließend wurde eine 0,025 mm (0,001 inch) dicke Schicht aus Lötzinn auf die Kupferoberfläche stromlos abgeschieden. Unter Verwendung des folgenden Standard- Photoresistverfahrens wurde eine Struktur auf die Platte geätzt. Zuerst wurde ein Trockenfilm-(Mylar^TM Polyester) Resist auf die beiden Oberflächen der Platte laminiert und anschließend wurde er mit ultraviolettem Licht bestrahlt, um eine Struktur zu erzeugen, wie sie in den 7 und 8 dargestellt ist. Danach wurde eine Eisenchloridlösung verwendet, um die Struktur chemisch zu ätzen. Während dieses Schrittes wurden Bereiche auf jeder Seite der Platte abwechselnd weggeätzt, um das Lot freizulegen und eine aufgebaute mechanische Spannung abzubauen. Schließlich wurde die geätzte Platte gespült und der Resist abgezogen.
Die Platte wurde entsprechend geschert und zerteilt, um einzelne rechteckige elektrische Vorrichtungen zu produzieren. Jede Vorrichtung wies Abmessungen von 4,57 × 3,05 × 0,51 mm (0,180 × 0,120 × 0,020 inch) auf. Das Durchgangsloch war ungefähr 3,81 mm (0,015 inch) von der kürzeren Kante der Vorrichtung aus positioniert. Ein Streifen von freigelegtem, leitendem Polymer 0,51 × 3,05 mm (0,020 × 0,120 inch) war 0,38 mm (0,015 inch) von dem Durchgangsloch aus und 1,02 mm (0,040 inch) von der kürzeren Kante der Vorrichtung aus vorhanden. Jede Vorrichtung hat einen Widerstand von ungefähr 300 MOhm.

Claims

Schaltungsschutzvorrichtung, umfassend: (1) ein laminares PTC-Widerstandselement (17), das (a) aus einem leitenden Polymer besteht, das ein PTC-Verhalten zeigt, (b) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist und (c) eine Öffnung definiert, die zwischen der ersten und der zweiten Seite verläuft; (2) ein transversales leitendes Element (51), das (a) in der Öffnung liegt, die durch das PTC-Element definiert wird, (b) zwischen der ersten und der zweiten Seite des PTC-Elementes verläuft und (c) am PTC-Element befestigt ist; (3) eine erste laminare Elektrode (13), die (a) an der ersten Seite des PTC-Elementes befestigt ist und (b) mit dem transversalen leitenden Element physikalisch und elektrisch verbunden ist; und (4) eine zweite laminare Elektrode (15), die an der zweiten Seite des PTC-Elementes befestigt ist und die nicht mit dem transversalen leitenden Element elektrisch verbunden ist.
Schaltungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das transversale leitende Element (51) mindestens eines von Folgendem umfasst: (a) eine Metallisierung auf der Oberfläche des die Öffnung definierenden PTC-Elementes, (b) Lot, (c) einen vorgeformten Metallstab oder ein vorgeformtes Metallrohr.
Struktur, die sich in eine Vielzahl der Schaltungsschutzvorrichtungen nach Anspruch 1 unterteilen lässt und bei der (a) das PTC-Widerstandselement (7) eine Vielzahl von Öffnungen definiert, die zwischen der ersten und der zweiten Seite des PTC-Elementes verlaufen, (b) eine Vielzahl der transversalen leitenden Elemente vorhanden sind, wobei jedes der transversalen Elemente in einer der Öffnungen liegt, und (c) die Öffnung und die transversalen Elemente in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind.
Struktur nach Anspruch 3, bei der das PTC-Element ein laminares Element ist, das aus einem leitenden Polymer besteht, wobei ein erstes laminares leitendes Element (a) an der ersten Seite des PTC-Elementes befestigt ist und (b) mit allen transversalen Elementen physikalisch und elektrisch verbunden ist; und die Struktur außerdem Folgendes umfasst: ein zweites laminares leitendes Element, das an der zweiten Seite des PTC-Elementes befestigt ist.
Struktur nach Anspruch 4, bei der jedes der ersten und der zweiten laminaren leitenden Elemente aus einer Vielzahl von parallelen Streifen besteht.
Elektrische Baugruppe, umfassend: (A) eine Leiterplatte (9), die eine erste und eine zweite leitende Leiterbahn (41, 43) auf einer Oberfläche derselben umfasst, und (B) eine elektrische Vorrichtung, die Folgendes umfasst: (1) ein laminares PTC-Widerstandselement (17), das (a) aus einem Widerstandsmaterial besteht, das ein PTC-Verhalten zeigt, (b) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist und (c) eine Öffnung definiert, die zwischen der ersten und der zweiten Seite verläuft; (2) eine erste laminare Elektrode (13), die an der ersten Seite des PTC-Elementes befestigt ist; (3) eine zweite laminare Elektrode (15), die an der zweiten Seite des PTC-Elementes befestigt ist; und (4) ein transversales leitendes Element, das (a) in der Öffnung liegt und (b) mit der ersten Elektrode physikalisch und elektrisch verbunden ist und mit der zweiten Elektrode nicht elektrisch verbunden ist; wobei die elektrische Vorrichtung auf der Leiterplatte und parallel zu derselben angeordnet ist, wobei die erste leitende Leiterbahn mit dem transversalen leitenden Element physikalisch und elektrisch verbunden ist und die zweite leitende Leiterbahn mit der zweiten Elektrode physikalisch und elektrisch verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Schaltungsschutzvorrichtungen nach Anspruch 1, das Folgendes umfasst: (A) Bereitstellen einer Struktur, die Folgendes umfasst: (1) ein laminares PTC-Widerstandselement (7), das (i) aus einem Widerstandsmaterial besteht, das ein PTC-Verhalten zeigt und (ii) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist; (2) ein erstes laminares leitendes Element (3), das an der ersten Seite des PTC-Elementes befestigt ist; und (3) ein zweites laminares leitendes Element, das an der zweiten Seite des PTC-Elementes befestigt ist; (B) Herstellen einer Vielzahl von Öffnungen durch die Dicke der in Schritt (A) bereitgestellten Baugruppe, wobei die Öffnungen in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind; (C) gleichzeitig mit Schritt (B), oder nach Schritt (B), Anordnen einer Vielzahl von transversalen leitenden Elementen (1) in den Öffnungen, in elektrischem Kontakt mit dem ersten laminaren leitenden Element; (D) Entfernen von vorgegebenen Teilen von mindestens einem Element des ersten und des zweiten leitenden Elementes; und (E) nach Schritt (A) bis (D), Unterteilen der Baugruppe in eine Vielzahl von Schaltungsschutzvorrichtungen, wobei jede Vorrichtung Folgendes umfasst: (1) einen Teil des PTC-Widerstandselementes; (2) einen Teil des ersten laminaren leitenden Elementes, wobei der Teil eine erste Elektrode in einigen der Vorrichtungen und eine zweite Elektrode in den anderen Vorrichtungen bereitstellt; (3) einen Teil des zweiten laminaren leitenden Elementes, wobei der Teil eine zweite Elektrode in einigen der Vorrichtungen und eine erste Elektrode in den anderen Vorrichtungen bereitstellt; und (4) mindestens ein transversales leitendes Element, das mit der ersten Elektrode elektrisch verbunden ist.