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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von elektrischen Einrichtungen,
die leitende Polymer-Zusammensetzungen umfassen.
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EINLEITUNG
ZU DER ERFINDUNG
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Elektrische
Einrichtungen, die leitende Polymer-Zusammensetzungen umfassen,
sind altbekannt. Derartige Zusammensetzungen umfassen eine polymerische
Komponente und, darin verteilt, einen leitenden Partikelfüllstoff,
wie beispielsweise Ruß oder
Metall. Leitende Polymer-Zusammensetzungen werden in den U.S. Patenten
mit den Nummern 4,237,441 (van Konynenburg et al), 4,388,607 (Toy
et al), 4,534,889 (von Konynenburg et al), 4,545,926 (Fouts et al),
4,560,498 (Horsma et al), 4,591,700 (Sopory), 4,724,417 (Au et al), 4,774,024
(Deep et al), 4,935,156 (van Konynenburg et al), 5,049,850 (Evans
et al), 5,250,228 (Baigrie et al), 5,378,407 (Chandler et al) und
5,451,919 (Chu et al), in der U.S. Anmeldung mit der Nummer 08/408,769
(Wartenberg et al, eingereicht am 22. März 1995) und in der internationalen
Anmeldung mit der Nummer PCT/US95/07925 (Raychem Corporation, eingereicht
am 07. Juni 1995) beschrieben. Diese Zusammensetzungen zeigen oft
das Verhalten mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC)
auf, d. h. sie nehmen im spezifischen Widerstand im Ansprechen auf
eine Erhöhung
in der Temperatur, allgemein über
einem relativ kleinen Temperaturbereich, zu. Die Größe dieser
Erhöhung
im spezifischen Widerstand ist die PTC Anomaliehöhe.
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EP 0460790 A offenbart
eine leitende Polymerzusammensetzung, die (a) einen kristallinen
Polymer umfasst, der verteilt darin (b) Ruß mit einem durchschnittlichen
Partikeldurchmesser von wenigstens ungefähr 60 Millimikron und einer
DBP Absorption von wenigstens ungefähr 80 cc/100g aufweist.
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PTC
leitende Polymer-Zusammensetzungen eignen sich besonders zur Verwendung
in elektrischen Einrichtungen, wie beispielsweise Schaltungsschutzeinrichtungen,
die auf Änderungen
in der Umgebungstemperatur und/oder Strombedingungen reagieren.
Unter normalen Bedingungen bleibt die Schaltungsschutzeinrichtung
in einem Zustand mit niedriger Temperatur und niedrigem Widerstand
mit einer Last in einer elektrischen Schaltung. Wenn sie jedoch
einer Überstrom-
oder Übertemperaturbedingung
ausgesetzt wird, nimmt die Einrichtung im Widerstand zu, wobei effektiv
der Stromfluss an die Last in der Schaltung abgeschaltet wird. Für viele
Anwendungen ist es wünschenswert,
dass die Einrichtung so einem geringen Widerstand wie möglich und
eine so hohe PTC Anomalie wie möglich
aufweist. Der niedrige Widerstand bedeutet, dass während eines normalen
Betriebs ein geringer Beitrag zu dem Widerstand der elektrischen
Schaltung vorhanden ist. Die hohe PTC Anomalie erlaubt der Einrichtung
die angelegte Spannung auszuhalten. Obwohl Einrichtungen mit einem niedrigen
Widerstand durch Ändern
von Dimensionen hergestellt werden können, z. B. dadurch, dass der
Abstand zwischen den Elektroden sehr klein gemacht wird oder die
Einrichtungsfläche
sehr groß gemacht
wird, besteht die am meisten gebräuchlichste Technik darin, eine
Zusammensetzung (Verbindung) zu verwenden, die einen geringen spezifischen
Widerstand aufweist. Der spezifische Widerstand einer leitenden
Polymer-Zusammensetzung
kann durch Hinzufügen
von mehr leitendem Füllstoff
verkleinert werden, aber dies verringert im Allgemeinen die PTC
Anomalie. Eine mögliche
Erläuterung
für die
Verringerung der PTC Anomalie ist, dass die Hinzufügung von
mehr leitendem Füllstoff
(a) die Menge des kristallinen Polymers verringert, die zu der PTC
Anomalie beiträgt,
oder (b) physikalisch die polymerische Komponente verstärkt und
somit die Ausdehnung bei der Schmelztemperatur verkleinert. Es ist
deshalb oft schwierig sowohl einen geringen spezifischen Widerstand
als auch eine hohe PTC Anomalie zu erreichen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Sogar
wenn eine Verbindung mit einem niedrigen spezifischen Widerstand
erstellt wird, tragen oft die zahlreichen Verarbeitungsschritte,
die zum Herstellen einer Schaltungsschutzeinrichtung benötigt werden,
zu einem Anstieg in dem Widerstand der Einrichtung bei. Prozesse,
die verwendet werden, um die elektrische Stabilität einer
Einrichtung zu verbessern, z. B. eine Vernetzung des leitenden Polymers,
oder eine Wärmebehandlung,
erhöhen
oft den Widerstand. Eine gebräuchliche
Technik zum Erstellen von Einrichtungen besteht darin Einrichtungen
aus einer Schicht eines leitenden Polymers, die mit Metallelektroden
laminiert ist, herauszustanzen oder auszuschneiden. Während in
dem U.S. Patent Nr. 5,303,115 (Nayar et al) vorgeschlagen worden
ist, das absichtlich eingeführte
Beschädigung
an den Kanten der spezialisierten Dicken, höchstvernetzten Einrichtungen
nützlich
sein kann, um die Anforderungen eines starken elektrischen Tests
zu erfüllen,
wie diejenigen, die in dem Laborstandard 1459 (05. Juni 1990 und
13. Dezember 1991) des Unterzeichnenden, ist nun erkannt worden
war, dass sogar routinemäßige Ausstanzprozesse
für relativ
dünne Einrichtungen
eine Beschädigung
hervorrufen können,
z. B. mikroskopische Sprünge
an dem Umfang der Einrichtung. Diese Beschädigung verringert die PTC Anomaliehöhe und beeinflusst
in einer ungünstigen
Weise das elektrische Betriebsverhalten. Es ist deshalb eine Notwendigkeit
für eine
Einrichtung, dass sie nach einem Ausstanzen und Verarbeiten einen
niedrigen Widerstand und eine hohe PTC Anomalie beibehält, und
eine gute elektrische Stabilität
aufzeigt.
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Es
ist nun entdeckt worden, dass elektrische Einrichtungen mit einem
geringen Widerstand, einer hohen PTC Anomalie, einer guten elektrischen
Stabilität
und einer guten Reproduzierbarkeit dadurch vorbereitet werden können, dass
eine bestimmte Verarbeitungstechnik abgearbeitet wird.
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Somit
stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen
Einrichtung bereit, die umfasst:
- (A) Ein Widerstandselement,
welches (i) eine Dicke von höchstens
0,51 mm aufweist, (ii) mit dem Äquivalent
von wenigstens 2 Mrads vernetzt ist, und (iii) aus einer leitenden
Polymer-Zusammnensetzung
gebildet ist, die umfasst:
(1) Eine polymerische Komponente
mit einer Kristallinität
von wengistens 20% und einem Schmelzpunkt Tm und
(2)
Verteilen einer polymerischen Komponente ein leitender Partikelfüllstoff;
und
- (B) Zwei Elektroden, die (i) an dem Widerstandselement angebracht
sind, (ii) Metallfolien umfassen und (iii) mit einer Quelle von
elektrischer Energie verbunden werden können,
wobei das Verfahren
umfasst:
(A) Erstellen eines Laminats, das die leitende Polymer-Zusammensetzung,
positioniert zwischen zwei Metallfolien, umfasst,
(B) Schneiden
einer Einrichtung aus dem Laminat,
(C) Unterziehen der Einrichtung
einer thermischen Behandlung bei einer Temperatur Tt,
die größer als
Tm, ist, vorzugsweise wenigstens (Tm + 20°C),
(D)
Abkühlen
der Einrichtung und
(E) Vernetzen der Einrichtung.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
Erfindung wird durch die Zeichnung illustriert, in der die 1 eine
Draufsicht auf eine elektrische Einrichtung zeigt, die durch das
Verfahren der Erfindung hergestellt wird;
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2 eine
Draufsicht eines Laminats zeigt, das in dem Verfahren der Erfindung
verwendet werden kann;
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3 den
spezifischen Widerstand als eine Funktion der Temperatur für Einrichtungen
zeigt, die durch ein herkömmliches
Verfahren und durch das Verfahren der Erfindung hergestellt werden;
und
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4 den
Widerstand als eine Funktion der Temperatur für Einrichtungen zeigt, die
durch ein herkömmliches
Verfahren und durch das Verfahren der Erfindung hergestellt werden.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
elektrische Einrichtung umfasst ein Widerstandselement, das aus
einer leitenden Polymer-Zusammensetzung
gebildet ist. Diese Zusammensetzung umfasst eine polymerische Komponente,
die ein oder mehrere kristalline Polymere umfasst. Die polymerische
Komponente weist eine Kristallinität von wenigstens 20%, vorzugsweise
wenigstens 30%, insbesondere wenigstens 40%, wie durch ein differentielles
Scankalorimeter (Differential Scanning Calorimeter; DSC) gemessen,
auf. Es wird bevorzugt, dass die polymerische Komponente Polyäthylen,
z. B. Polyäthylen
mit hoher Dichte, Polyäthylen
mit mittlerer Dichte, Polyäthylen
mit geringer Dichte, oder ein lineares Polyäthylen mit geringer Dichte;
einen Äthylen-Copolymer
oder Terpolymer, z. B. Äthylen/Acrylsäure/Copolymer
(EAA), Äthylen, Äthylacrylat
(EEA), Äthylen-Butylacrylat
(EBA), oder ein anderes Copolymer umfasst, wie beispielsweise diejenigen,
die in der internationalen Anmeldung Nr. PCT/US95/07925 (Raychem
Corporation, eingereicht am 07. Juni 1995); ein Fluoropolymer, z.
B. Polyvinyliden-Fluorit (PVDF); oder ein Gemisch von 2 oder mehr
von diesen Polymeren. Polyäthylen
mit hoher Dichte, das eine Dichte von wenigstens 0,94 g/cm3, allgemein 0,95 bis 0,97 g/cm3,
aufweist, wird besonders bevorzugt. Für einige Anwendungen kam es
wünschenswert
sein den kristallinen Polymer (die kristallinen Polymere) mit einem
oder mehreren zusätzlichen
Polymeren, z. B. einem Elastomer oder einem amorphen thermoplastischen
Polymer, zu vermischen, um spezifische physikalische oder thermische
Eigenschaften zu erzielen, z. B. eine Flexibilität oder eine maximale Aussetzungstemperatur.
Die polymerische Komponente umfasst allgemein 40 bis 80 Volumen-%,
vorzugsweise 45 bis 75 Volumen-%, insbesondere 50 bis 70 Volumen-%
des Gesamtvolumens der Zusammensetzung. Wenn die Zusammensetzung
zur Verwendung in einer Schaltungsschutzeinrichtung vorgesehen ist,
die einen spezifischen Widerstand von höchstens 2,0 Ohm-cm bei 20°C aufweist, wird
bevorzugt, dass die polymerische Komponente höchstens 70 Volumen-%, vorzugsweise
höchstens
66 Volumen-%, insbesondere höchstens
64 Volumen-%, insbesondere höchstens
62 Volumen-% des Gesamtvolumens der Zusammensetzung umfasst.
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Die
polymerische Komponente hat einen Schmelzpunkt Tm,
wie durch die Spitze des Endotherms eines differentiellen Scankalorimeters
gemessen. Wenn mehr als eine Spitze vorhanden ist, wird Tm als die Temperatur der höchsten Temperaturspitze
definiert.
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Verteilt
in der polymerischen Komponente ist ein leitender Partikelfüllstoff.
Geeignete leitende Füllstoffe
umfassen Ruß,
Graphit, Metall, z. B. Nickel, Metalloxyd, leitende beschichtete
Glas- oder Keramikperlen, einen leitenden Partikelpolymer oder eine
Kombination von diesen. Derartige leitende Partikel-Füllstoffe
können
in der Form eines Pulvers, in der Form von Kügelchen bzw. Perlen, Flocken
oder Fasern sein. Es wird bevorzugt, dass der leitende Füllstoff
Ruß umfasst
und für
Zusammensetzungen, die in Schaltungsschutzeinrichtungen verwendet
werden, wird insbesondere bevorzugt, dass der Ruß eine DBP Zahl von 60 bis
120 cm3/100g vorzugsweise 60 bis 100 cm3/100g, insbesondere 60 bis 90 cm3/100g, insbesondere 65 bis 85 cm3/100g aufweist. Die DBP Zahl ist eine Anzeige über die
Menge der Struktur des Rußes
und wird durch das Volumen von n-Dibutyl-Phthalat (DBP), absorbiert
durch eine Einheitsmasse von Ruß,
bestimmt. Dieser Test ist in ASTM D2414-93 beschrieben. Die Menge
des leitenden Füllstoffs,
der benötigt
wird, ist auf den erforderlichen spezifischen Widerstand der Zusammensetzung
und den spezifischen Widerstand des leitenden Füllstands selbst gestützt. Im
Allgemeinen umfasst der leitende Partikelfüllstoff 20 bis 60 Volumen-%,
vorzugsweise 25 bis 55 Volumen-%, insbesondere 30-50 Volumen-% der gesamten Zusammensetzung.
Wenn die Zusammensetzung zur Verwendung in einer Schaltungsschutzeinrichtung
vorgesehen ist, die einen spezifischen Widerstand von höchstens
2,0 Ohm-cm bei 20°C
aufweist, umfasst der leitende Füllstoff
vorzugsweise wenigstens 30 Volumen-%, insbesondere wenigstens 34
Volumen-%, insbesondere wenigstens 36 Volumen-%, und am meisten
insbesondere wenigstens 38 Volumen-% des Gesamtvolumens der Zusammensetzung.
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Die
leitende Polymer-Zusammensetzung kann zusätzliche Komponenten einschließen, die
Antioxydationsmittel, inerte-Füllstoffe,
nicht leitende Füllstoffe,
Strahlungs-Vernetzungsmittel (die oft als Prorads oder Vernetzungs-Erhöher bezeichnet
werden), Stabilisatoren, dispergierende Mittel, Kopplungsmittel,
Säure,
Acorbaharze (z. B. CaCO3) oder andere Komponenten
einschließen.
Diese Komponenten umfassen im Allgemeinen höchstens 20 Volumen-% der gesamten
Zusammensetzung.
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Die
Zusammensetzung weist das Verhalten mit einem positiven Temperaturkoeffizienten
(PTC) auf, d. h. sie zeigt einen starken Anstieg im spezifischen
Widerstand mit der Temperatur über
einem relativ kleine Temperaturbereich. Der Ausdruck „PTC" wird verwendet,
um eine Zusammensetzung oder eine Einrichtung zu bedeuten, die einen
R14 Wert von wenigstens 2,5 und/oder einen
R100 Wert von wenigstens 10 aufweist, und es
wird bevorzugt, dass die Zusammensetzung oder die Einrichtung einen
R30 Wert von wenigstens 6 aufweisen sollte,
wobei R14 das Verhältnis der spezifischen Widerstände an dem
Ende und an dem Beginn eines 14°C Bereichs
ist, R100 das Verhältnis der spezifischen Widerstände an dem
Ende und dem Beginn eines 100°C
Bereichs ist, und R30 das Verhältnis der
spezifischen Widerstände
an dem Ende und an dem Beginn eines 30°C Bereichs ist. Zusammensetzungen,
die für
Einrichtungen der Erfindung verwendet werden, zeigen eine PTC Anomalie über den
Bereich von 20°C
bis (Tm + 5°C) von wenigstens 104, vorzugsweise wenigstens 104,5,
vorzugsweise wenigstens 105, insbesondere wenigstens 105,5,
d. h. der log [(Widerstand bei (Tm + 5°C)/Widerstand
bei 20°C]
ist wenigstens 4,0 vorzugsweise wenigstens 4,5, insbesondere wenigstens
5,0, insbesondere wenigstens 5,5. Wenn der maximale Widerstand bei
einer Temperatur Tx erreicht wird, die unter
(Tm + 5°C)
ist, dann wird die PTC Anomalie durch den log (Widerstand bei Tx/Widerstand bei 20°C) bestimmt. Um sicherzustellen,
dass Effekte einer Verarbeitung und einer thermischen Geschichte
neutralisiert sind, sollte wenigstens ein thermischer Zyklus von
20°C (bis
Tm + 5°C)
und zurück
auf 20°C
ausgeführt
werden, bevor die PTC Anomalie gemessen wird.
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Während eine
Dispersion des leitenden Füllstoffs
und von anderen Komponenten in der polymerischen Komponente durch
irgendeine geeignete Einrichtung zum Mischen erreicht werden kann,
einschließlich einer
Lösungsmittel-Mischung,
wird bevorzugt, dass die Zusammensetzung unter Verwendung eines
Schmelzverarbeitungsgeräts
in der Schmelze verarbeitet wird, mit Mischern, die von derartigen
Herstellern wie Brabender, Moriyama und Banbury hergestellt werden,
und einem kontinuierlichen Verbindungsherstellungsgerät, wie beispielsweise
gleichdrehende oder sich entgegengesetzt drehende Doppelschrauben-Extruder.
Vor der Mischung können
die Komponenten der Zusammensetzung in einem Mischer, wie beispielsweise
einem HentschelTM Mischer gemischt werden,
um die Gleichförmigkeit
des Gemischs, das in das Mischgerät geladen wird, zu verbessern.
Die Zusammensetzung kann durch Verwendung eines einzelnen Schmelz-Mischschritts
vorbereitet werden, aber oft ist es vorteilhaft diese durch ein
Verfahren vorzubereiten, bei dem zwei oder mehr Mischschritte vorhanden
sind, wie in der U.S. Anmeldung Nr. 08/408,769 (Wartenberg et al,
eingereicht am 22. März
1995) beschrieben ist. Während
jeden Mischschritts wird der spezifische Energieverbrauch (Specific
Energy Consumption; SEC), d. h. der Gesamtbetrag der Arbeit in MJ/kg,
die in die Zusammensetzung während des
Mischprozesses gebracht wird, aufgezeichnet. Der gesamte SEC für eine Zusammensetzung,
die in zwei oder mehreren Schritten gemischt worden ist, ist der
Gesamtwert von jedem der Schritte. In Abhängigkeit von der Menge des
Partikel-Füllstoffs
und der polymerischen Komponente weist eine Zusammensetzung, durch einen
Mehrfach-Mischprozess hergestellt wird, der zur Verwendung in einigen
Einrichtungen der Erfindung geeignet ist, d. h. in Schaltungsschutzeinrichtungen,
einen relativ niedrigen spezifischen Widerstand auf, d. h. kleiner
als 10 Ohm-cm, vorzugsweise kleiner als 5 Ohm-cm, insbesondere weniger
als 1 Ohm-cm, während eine
geeignet hohe PTC Anomalie aufrechterhalten wird, d. h. wenigstens
4 Dekaden, vorzugsweise wenigstens 4,5 Dekaden.
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Nach
dem Mischen kann die Zusammensetzung durch irgendein geeignetes
Verfahren, z. B. eine Schmelz-Extrudierung, eine Spritzguss-Formung,
eine Kompressions-Formung und eine Sinterung in der Schmelze geformt
werden, um ein Widerstandselement zu erzeugen. Das Element kann
irgendeine Form aufweisen, z. B. rechteckförmig, quadratisch, kreisförmig oder
ringförmig.
Für viele
Anwendungen ist es wünschenswert,
dass die Zusammensetzung in eine Schicht extrudiert wird, aus der
das Widerstandselement geschnitten, gestanzt oder in einer anderen
Weise entfernt werden kann. In einem Aspekt der Erfindung weist das
Widerstandselement eine Dicke von höchstens 0,51 mm (0,020 Inch),
vorzugsweise höchstens
0,38 mm (0,015 Inch), insbesondere höchstens 0,25 mm (0,010 Inch),
insbesondere höchstens
0,18 mm (0,007 Inch) auf.
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Die
elektrischen Einrichtungen können
Schaltungsschutzeinrichtungen, Erwärmer, Sensoren oder Widerstände umfassen,
in denen das Widerstandselement in einem physikalischen und elektrischen
Kontakt mit wenigstens einer Elektrode ist, die zum Verbinden des
Elements mit einer elektrischen Energiequelle geeignet ist. Der
Typ der Elektrode hängt
von der Form des Elements ab und kann zum Beispiel feste oder verdrillte Drähte, Metallfolien,
Metallgitter oder metallische Farbschichten sein. Die elektrischen
Einrichtungen können irgendeine
Form aufweisen, z. B. planar, axial oder hundeknochen-förmig, aber besonders
nützliche
Einrichtungen umfassen zwei laminare Elektroden, vorzugsweise Metallfolienelektroden,
wobei das leitende Polymer-Widerstandselement zwischen diesen eingebettet
ist. Besonders geeignete Folienelektroden weisen wenigstens eine
Oberfläche
auf, die mittels einer Elektrodenabscheidung aufgebracht ist, vorzugsweise über eine Elektrodenabscheidung
aufgebrachtes Nickel oder Kupfer. Geeignete Elektroden sind in den
U.S. Patenten Nrn. 4,689,475 (Matthiesen), 4,800,253 (Kleiner et
al) und der internationalen Anmeldung Nr. PCT/US95/907888 (Raychem
Corporation, eingereicht am 07. Juni 1995) offenbart. Die Elektroden
können
an dem Widerstandselement durch eine Kompressionsformung, eine Walzenspalt-Laminierung,
oder irgendeine andere geeignete Technik angebracht werden. Zusätzliche
Metallzuleitungen, z. B. in der Form von Drähten oder Bändern, können an den Folienelektroden
angebracht werden, um eine elektrische Verbindung mit einer Schaltung
zu erlauben. Zusätzlich
können
Elemente verwendet werden, um den thermischen Ausgang der Einrichtung
zu steuern, z. B. ein oder mehrere leitende Anschlüsse. Diese
Anschlüsse
können
in der Form von Metallplatten, z. B. Stahl, Kupfer oder Messing,
oder Fahnen, die entweder direkt oder mit Hilfe einer Zwischenschicht,
wie beispielsweise Lötmittel
oder einer leitenden Klebeschicht, an den Elektroden angebracht
sind; siehe zum Beispiel U.S. Patent Nrn. 5,089,801 (Chan et al)
und 5,436,609 (Chan et al). Für
einige Anwendungen wird bevorzugt die Einrichtungen direkt an einer
Schaltungsplatine anzubringen. Beispiele von derartigen Anwendungstechniken
sind in den internationalen Anmeldung Nrn. PCT/US93/06480 (Raychem
Corporation, eingereicht am 08. Juli 1993), PCT/US94/10137 (Raychem
Corporation, eingereicht am 13. September 1994) und PCT/US95/05567
(Raychem Corporation, eingereicht am 04. Mai 1995) gezeigt.
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Um
die elektrische Stabilität
der Einrichtung zu verbessern, ist es allgemein erforderlich das
Widerstandselement verschiedenen Verarbeitungstechniken zu unterziehen,
z. B. einer Vernetzung und/oder einer Wärmebehandlung, nach einer Formgebung,
bevor und/oder nach einer Anbringung der Elektroden. Eine Vernetzung
kann durch eine chemische Einrichtung oder durch eine Bestrahlung
erreicht werden, z. B. unter Verwendung eines Elektronenstrahls
oder einer Co60y Bestrahlungsquelle. Der
Grad der Vernetzung hängt
von der erforderlichen Anwendung für die Zusammensetzung ab, ist
aber allgemein kleiner als das Äquivalent
von 200 Mrads, und ist vorzugsweise wesentlich kleiner, d. h. von
1 bis 20 Mrads, vorzugsweise von 1-15 Mrads, insbesondere von 2-10
Mrads für
Anwendungen mit geringer Spannung (d. h. kleiner als 60 Volt). Nützliche Schaltungsschutzeinrichtungen
für Anwendungen
von weniger als 30 Volt können
durch Bestrahlen der Einrichtung auf wenigstens 2 Mrads, aber höchstens
10 Mrads durchgeführt
werden.
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Wir
haben festgestellt, dass eine wesentlich verbesserte elektrische
Stabilität
und eine PTC Anomalie erreicht werden kann, wenn die Einrichtung,
nachdem die Einrichtung aus einem Laminat geschnitten ist, das die
leitende Polymer-Zusammensetzung positioniert zwischen zwei Metallfolien
umfasst, einer Wärmebehandlung
ausgesetzt wird, bevor eine Vernetzung der leitenden Polymer-Zusammensetzung durchgeführt wird.
Die Einrichtung wird zunächst
aus dem Laminat in einen Schneideschnitt geschnitten. Bei dieser
Anwendung wird der Ausdruck „schneiden" verwendet, um irgendein
Verfahren zum Isolieren oder Trennen des Widerstandselements der
Einrichtung von dem Laminat, einzuschließen, z. B. ein Drahtschneiden,
ein Stanzen, eine Scherung, ein Schneiden, ein Ätzen und/oder ein Brechen,
wie in der internationalen Anmeldung Nr. PCT/US95/07420 (Raychem
Corporation, eingereicht am 08. Juni 1995) beschrieben ist.
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Die
thermische Behandlung erfordert, dass die Einrichtung einer Temperatur
Tt ausgesetzt ist, die größer als
Tm ist, vorzugsweise wenigstens (Tm + 20°C),
insbesondere wenigstens (Tm + 50°C), insbesondere
wenigstens (Tm + 70°C). Die Dauer der thermischen
Aussetzung kann sehr kurz sein, aber so ausreichend, dass der gesamte
leitende Polymer in dem Widerstandselement eine Temperatur von wenigstens
(Tm + 5°C)
erreicht. Die thermische Aussetzung bei Tt ist
wenigstens 0,5 Sekunden, vorzugsweise wenigstens 1,0 Sekunden, vorzugsweise
wenigstens 1,5 Sekunden, insbesondere wenigstens 2,0 Sekunden. Es
wurde festgestellt, dass eine geeignete thermische Behandlung für Einrichtungen,
die aus Polyäthylen
oder Äthylen/Butylacrylat-Copolymer
hergestellt werden, durch Eintauchen der Einrichtung in ein Lötmittelbad,
welches auf eine Temperatur von ungefähr 240 bis 245°C erwärmt ist,
d. h. wenigstens 100°C über Tm, über
einer Periode von 1,5 bis 2,5 Sekunden erreicht werden kann. Alternativ
sind gute Ergebnisse dadurch erreicht worden, dass die Einrichtungen
durch einen Ofen auf einem Gurt geführt werden und sie einer Temperatur
von wenigstens 100°C über Tm für
3 Sekunden ausgesetzt werden. Während
jedem von diesen Prozessen können
elektrische Zuleitungen an die Elektroden mit Hilfe von Lötmittel
angebracht werden.
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Nachdem
die Einrichtung der thermischen Behandlung ausgesetzt ist, wird
sie auf einer Temperatur unter Tm abgekühlt, d.
h. auf eine Temperatur von höchstens
(Tm – 30°C), vorzugsweise
höchstens
(Tm – 50°C), insbesondere
höchstens
(Tm – 70°C). Es ist
besonders bevorzugt, dass die Einrichtung auf eine Temperatur abgekühlt wird,
bei der die leitende Polymer-Zusammensetzung 90% von ihrer maximalen
Kristallisation erreicht hat. Eine Abkühlung auf Raumtemperatur, insbesondere
20°C wird
besonders bevorzugt. Die abgekühlte
Einrichtung wird dann vernetzt, vorzugsweise durch eine Bestrahlung.
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Die
Einrichtungen sind vorzugsweise Schaltungsschutzeinrichtungen, die
im Allgemeinen einen Widerstand von 20°C, R20,
von weniger als 100 Ohms, vorzugsweise weniger als 20 Ohms, insbesondere
kleiner als 10 Ohms, besonders weniger als 5 Ohms, und am speziellsten
weniger als 1 Ohm, aufweisen. Es wird besonders bevorzugt, dass
die Einrichtung einen Widerstand von höchstens 1,0 Ohm, vorzugsweise
höchstens 0,50
Ohm, insbesondere höchstens
0,10 Ohm, z. B. 0,001 bis 0,100 Ohm aufweisen. Der Widerstand wird nach
einem thermischen Zyklus von 20°C
auf (Tm + 5°C) bis 20°C gemessen. Erwärmer weisen
im Allgemeinen einen Widerstand von wenigstens 100 Ohms auf, vorzugsweise
wenigstens 250 Ohms, insbesondere wenigstens 500 Ohms auf.
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Wenn
die Einrichtung in der Form einer Schaltungsschutzeinrichtung ist,
weist die Einrichtung einen spezifischen Widerstand bei 20°C, ρ20,
von höchstens
10 Ohm-cm, vorzugsweise höchstens
2,0 Ohm-cm, insbesondere
höchstens
1,5 Ohm-cm, weiter besonders höchstens
1,0 Ohm-cm, insbesondere höchstens
0,9 Ohm-cm, und am speziellsten höchstens 0,8 Ohm-cm auf. Wenn
die elektrische Einrichtung ein Erwärmer ist, ist der spezifische
Widerstand der leitenden Polymer-Zusammensetzung im Allgemeinen
wesentlich höher
als für
die Schaltungsschutzeinrichtungen, z. B. 102 bis
105 Ohm-cm, vorzugsweise 102 bis
104 Ohm-cm.
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Einrichtungen,
die durch das Verfahren der Erfindung hergestellt werden, zeigen
eine Verbesserung in der PTC Anomalie gegenüber Einrichtungen, die durch
herkömmliche
Verfahren hergestellt werden, bei denen das Laminat vernetzt wird,
bevor die Einrichtung geschnitten wird. Somit ist eine standardmäßige Einrichtung
eine, die aus der gleichen Zusammensetzung wie die Einrichtung der
Erfindung hergestellt wird und der gleichen Prozedur folgt, mit
Ausnahme davon, dass für
die standardmäßige Einrichtung
das Laminat vor dem Schneideschnitt vernetzt wurde. Der spezifische
Widerstand ρ20 für
eine Einrichtung, die durch das Verfahren der Erfindung hergestellt
wird, ist kleiner als 1,20ρ20, vorzugsweise kleiner als 1,15ρ20c,
insbesondere kleiner als 1,10ρ20c, wobei ρ20c der
spezifische Widerstand bei 20°C
für eine
standardmäßige Einrichtung
ist, die einem thermischen Zyklus von 20°C bis (Tm +
5°C) bis
20°C gemessen
wird. Zusätzlich
ist die PTC Anomalie für
eine Einrichtung der Erfindung wenigstens 1,15 PTCc,
vorzugsweise wenigstens 1,20 PTCc, besonders
wenigstens 1,25 PTCc, insbesondere wenigstens
1,30 PTCc, wobei PTCc die
PTC Anomalie von 20°C
auf (Tm + 5°C) für eine standardmäßige Einrichtung
ist, die einen thermischen Zyklus von 20°C bis (Tm +
5°C) nach
20°C folgend gemessen
wird. Oft weisen Einrichtungen, die durch das Verfahren der Erfindung
hergestellt werden, mehr als einen 40% Anstieg in der PTC Anomaliehöhe mit einer
relativ kleinen, d. h. kleiner als 20%, Erhöhung in dem spezifischen Widerstand
bei 20°C
auf. Der Unterschied im spezifischen Widerstand für ρ20, Δ ρ20,
wird aus der Formel [(ρ20 für
eine Einrichtung der Erfindung – ρ20 für eine standardmäßige Einrichtung)/(ρ20 für eine Einrichtung
der Erfindung)] bestimmt. Die Verbesserung für die PTC Anomalie, Δ PTC, wird
aus der Formel [(PTC für eine
Einrichtung, die durch das Verfahren der Erfindung hergestellt ist – PTC für eine standardmäßige Einrichtung)/(PTC
für eine
Einrichtung, die durch das Verfahren der Erfindung hergestellt wird)]
bestimmt.
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Einrichtungen
der Erfindung zeigen auch eine Verbesserung im Betriebsverhalten
in elektrischen Tests, wie einem Zykluslebensdauertest, d. h. der
Stabilität
der Einrichtung über
der Zeit auf, wenn sie einer Reihe von elektrischen Tests unterzogen
werden, die die Einrichtung in einen Hochwiderstands-, Hochtemperatur-Zustand
umwandeln, und wenn sie einem Betriebswiderstandstest unterzogen
werden, d. h. der Stabilität der
Einrichtung über
der Zeit, wenn sie in einen Hochwiderstands-, Hochtemperatur-Zustand
gebracht ist.
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Die
Erfindung wird durch die Zeichnung illustriert, bei der 1 eine
elektrische Einrichtung 1 zeigt, die durch das Verfahren
der Erfindung hergestellt wird. Das Widerstandselement 3,
welches aus einer leitenden Polymer-Zusammensetzung besteht, ist
zwischen zwei Metallfolienelektroden 5, 7 eingebettet.
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2 zeigt
ein Laminat 9, bei dem die leitende Polymer-Zusammensetzung 3 an
ersten und zweiten Metallfolienelektroden 5, 7 laminiert
ist. Individuelle elektrische Einrichtungen 1 können aus
dem Laminat 9 entlang der gestrichelten bzw. gepunkteten
Linien geschnitten oder ausgestanzt werden.
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Die
Erfindung wird durch die folgenden Beispiele illustriert, bei denen
das Beispiel 1 und diejenigen Einrichtungen, die mit den Prozessen
A, C, E und G hergestellt sind, Vergleichsbeispiele sind.
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BEISPIEL 1 (VERGLEICHSBEISPIEL)
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Sechzig
Volumenprozent von pulverisiertem Polyäthylen (PetrothenTM LB832,
welches einen Schmelzpunkt von 135°C aufweist, erhältlich von
USI; HDPE) hoher Dichte wurde in einem HentschelTM Mischer
mit 40 Volumen-% Rußkügelchen
(RavenTM 430 mit einer Partikelgröße von 82
nm, einer Struktur (DBP) von 80 cm3/100
g, und einer Oberfläche
von 34 m2/g, erhältlich von den Columbian Chemicals;
CB) vorgemischt, und die Mischung wurde dann über 4 Minuten in einem 3,0
Liter MoriyamaTM Mischer bei 185°C gemischt.
Die Mischung wurde abgekühlt,
granuliert, und dreimal für
eine Gesamtmischzeit von 16 Minuten neu gemischt. Die Mischung wurde
dann mittels einer Kompression geformt, um eine Schicht mit einer
Dicke von 0,18 mm (0,007 Inch) zu ergeben. Die Schicht wurde zwischen
zwei Schichten von einer über
eine Elektrodenabscheidung aufgebrachte Nickelfolie mit einer Dicke
von ungefähr
0,033 mm (0,0013 Inch) (erhältlich
von Fukuda) durch Verwendung eines Presssatzes bei 200°C laminiert.
Das Laminat wurde auf 10 Mrads unter Verwendung eines 3,0 MeV Elektronenstrahls
bestrahlt und Chips mit einem Durchmesser von 12,7 mm (0,5 Inch)
wurden aus dem Laminat ausgestanzt. Einrichtungen wurden aus jedem
Chip dadurch gebildet, dass 20 AWG Zinn-beschichtete Kupferzuleitungen
an jeder Metallfolie dadurch angelötet wurden, dass die Chips
in eine Lötmittelformulierung
von 63% Blei/37% Zinn, erwärmt
auf 245°C über 2,0
bis 3,0 Sekunden eingetaucht wurden und die Einrichtungen dann an
der Luft abkühlen
gelassen wurde. Um den Unterschied in der PTC Anomaliehöhe zwischen
der Mitte der Einrichtung und der Kante zu bestimmen, wurde ein
Eisenchlorid-Ätzmittel
verwendet, um die Metallfolie entweder von dem mittleren 6,25 mm
(0,25 Inch)-Durchmesserabschnitt oder von dem äußeren 3,175 mm (0,125 Inch)
Umfang zu entfernen. Die Eigenschaften des Widerstands über der
Temperatur der Einrichtung wurden dadurch bestimmt, dass die Einrichtung
in einen Ofen positioniert wurde und der Widerstand bei Intervallen über dem
Temperaturbereich 20-160 bis 20°C
gemessen wurde. Zwei Temperaturzyklen wurden durchlaufen. Die Höhe der PTC
Anomalie wurde als log (Widerstand bei 140°C/Widerstand bei 20°C) für den zweiten
Zyklus bestimmt und als PTC2 aufgezeichnet.
Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt.
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BEISPIEL 2
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Einrichtungen
wurden gemäß der Prozedur
des Beispiels 1 vorbereitet, mit Ausnahme davon, dass Chips aus
dem Laminat ausgestanzt wurden und Zuleitungen durch eine Lötmitteleintauchung
vor der Bestrahlung der Einrichtungen auf 10 Mrads angebracht wurden.
Ergebnisse, wie in der Tabelle I, zeigen an, dass Einrichtungen,
die vor der Bestrahlung angelötet
wurden, und die auf eine Temperatur während einer Anlötung ausgesetzt
wurden, die höher
war als die Schmelztemperatur des Polymers, höhere PTC Anomalien an sowohl den
Mitten- als auch Kanten-Bereichen aufwiesen.
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BEISPIEL 3
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Einrichtungen
wurden nach der Prozedur des Beispiels 2 vorbereitet, mit Ausnahme
davon, dass vor der Ätzung
die Einrichtungen wiederum ausgestanzt wurden, um einen Durchmesser
vom 8,9 mm (0,35 Inch) zu ergeben. Ein Ätzen wurde dann entweder für die 6,25
mm (0,25 Inch) Mitte oder den äußeren 1,27
mm (0,05 Inch) Umfang durchgeführt.
Die Ergebnisse, wie in der Tabelle I gezeigt, zeigen an, dass die
thermische Behandlung eine gute PTC Anomaliehöhe in der Mitte ergaben, aber
dass die nachfolgende Ausstanzung eine Kantenbeschädigung erzeugte,
die die PTC Anomaliehöhe
verringerte.
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BEISPIELE 4 UND 5
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Sechzig
Volumenprozent von Petrothen LB832 wurde mit 40 Volumen-% Raven
430 vorgemischt und die Mischung wurde dann für 16 Minuten in einem 60 cm3 BrabenderTM Mischer
gemischt. Die Mischung wurde granuliert und das Granulat wurde dann
mittels einer Kompression geformt, um eine Schicht mit der Dicke
zu ergeben, die in Tabelle II spezifiziert ist. Unter Verwendung
einer Presse wurde die Extrudierung zwischen zwei Schichten einer über eine
Elektrodenabscheidung mit Nickel gebildete Folie laminiert, wie
im Beispiel 1. Einrichtungen wurden dann unter Verwendung des herkömmlichen
Prozesses (Prozess A) oder des Prozesses der Erfindung (Prozess
B) vorbereitet. Nach der Prozedur, die für das Beispiel 1 beschrieben
wird, wurde die PTC Anomaliehöhe
bestimmt und der spezifische Widerstand 20°C, ρ20,
wurde berechnet. Die Ergebnisse, die in Tabelle II gezeigt sind,
zeigen an, dass die PTC Anomalie unter Verwendung des Prozesses
B wesentlich höher
als diejenige für
den Prozess A ist. Zusätzlich
wurde der Unterschied zwischen dem ρ20 Wert
und der PTC Anomalie für
die Einrichtungen, die durch den Prozess A und dem Prozess B hergestellt
wurden, bestimmt. Die Differenz für ρ20, Δ ρ20,
wurde aus der Formel [(ρ20 für
Prozesse B – ρ20 für den Prozess
A)/(ρ20 für Prozess
B)] bestimmt. Die Differenz für
die PTC Anomalie Δ PTC,
wurde aus der Formel [(PTC für
den Prozess B – PTC
für den
Prozess A)/(PTC für
den Prozess B)] bestimmt.
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PROZESS A (HERKÖMMLICH)
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Das
Laminat wurde auf 10 Mrads unter Verwendung eines 3,0 MeV Elektronenstrahls
bestrahlt und Chips mit einem Durchmesser von 12,7 mm (0,5 Inch)
wurden aus dem Laminat ausgestanzt. Einrichtungen wurden aus jedem
Chip durch Anlöten
von 20 AWG Zinn-beschichteten Kupferzuleitungen an jeder Metallfolie durch
Eintauchen der Chips in eine Lötmittelformulierung
von 63% Blei/37% Zinn, erwärmt
auf 245°C
für ungefähr 3,0 Sekunden,
und dadurch, dass die Einrichtungen an der Luft abkühlen gelassen
wurden, gebildet.
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PROZESS B
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Chips
mit einem Durchmesser von 12,7 mm (0,5 Inch) wurden aus dem Laminat
ausgestanzt und Zuleitungen wurden angebracht, um eine Einrichtung
zu bilden, und zwar durch Anlöten
von 20 AWG Zinn-beschichteten Kupferzuleitungen an jeder Metallfolie.
Ein Lötvorgang
wurde ausgeführt,
indem die Chips in eine Lötmittelformulierung
von 63% Blei/37% Zinn, erwärmt
auf 245°C
für ungefähr 3,0 Sekunden
eingetaucht wurden und den Einrichtungen erlaubt wurde, an der Luft
abzukühlen.
Die Einrichtungen wurden dann auf 10 Mrads unter Verwendung eines
3,0 MeV Elektronenstrahls bestrahlt.
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BEISPIELE 6 BIS 9
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Laminate
mit unterschiedlichen Dicken wurden dem Prozess des Beispiels 1
folgend erstellt. Einrichtungen wurden gemäß Prozess A oder B erstellt. 3 zeigt
die Kurve des spezifischen Widerstands über der Temperatur für Einrichtungen
des Beispiels 6, die durch den herkömmlichen Prozess A und durch
den Prozess B, den Prozess der Erfindung, erstellt wurden.
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BEISPIELE 10 BIS 12
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Fünfundsechzig
Volumenprozent von Petrothen LB832 wurden mit 35 Volumen-% LampblackTM 101 (Ruß mit einer Partikelgröße von 95
nm, einer DBP von 100 cm3/100 g, einer Oberfläche von
20 m2/g erhältlich von Degussa) vorgemischt
und das Gemisch wurde dann für
16 Minuten in einem Moriyama Mischer gemischt. Die Zusammensetzung
wurde extrudiert und Einrichtungen wurden in Übereinstimmung mit dem Prozess
A oder B erstellt.
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BEISPIELE 13 BIS 15
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Die
Zusammensetzung der Beispiele 10 bis 12 wurde durch Mischen in einem
70 mm (2,75 Inch) BussTM Kneter vorbereitet.
Die Zusammensetzung wurde kompressions-geformt und Einrichtungen
wurden in Übereinstimmung
mit dem Prozess A oder dem Prozess B erstellt.
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BEISPIELE 16 BIS 22
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Der
Effekt, Einrichtungen, die unterschiedliche Mengen von Russ enthalten,
einer thermischen Behandlung zu unterziehen, wurde bestimmt durch
Vormischen von pulverisiertem Petrothen LB832 (HDPE) in einem Hentschel
Mischer mit Raven 430 in den Mengen, die nach dem Volumenprozent
in Tabelle III gezeigt sind. Die Mischung wurde dann unter Verwendung
eines 70 mm (2,75 Inch) Buss Kneter gemischt, um Perlen zu bilden.
Für das
Beispiel 21 wurden die Perlen des Beispiels 20 durch den Buss Kneter
ein zweites Mal geführt.
Für das
Beispiel 22 wurden die Perlen des Beispiels 21 durch den Buss Kneter
ein drittes Mal geführt. Der
Gesamtbetrag der Arbeit, die während
des Zusammensetzungsprozesses verwendet wurde, d. h. der spezifische
Energieverbrauch (SEC; Specific Energy Consumption) in MJ/kg, wurde
aufgezeichnet. Die Perlen für jede
Zusammensetzung wurden durch einen Schichtstempel extrudiert, um
eine Schicht mit einer Dicke von 0,25 mm (0,010 Inch) zu ergeben.
Die extrudierte Schicht wurde wie im Beispiel 1 laminiert. Einrichtungen
wurden dann entweder durch den Prozess C (einen herkömmlichen
Prozess) oder D (einen Prozess der Erfindung) hergestellt.
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PROZESS C (HERKÖMMLICH)
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Das
Laminat wurde auf 5 Mrads unter Verwendung eines 3,0 MeV Elektronenstrahls
bestrahlt und Chips mit einem Durchmesser von 12,7 mm (0,5 Inch)
wurden aus dem Laminat ausgestanzt. Einrichtungen wurden aus jedem
Chip gebildet, indem 20 AWG Zinn-beschichtete Kupferzuleitungen
an jeder Metallfolie dadurch angelötet wurden, dass die Chips
in eine Lötmittelformulierung
von 63% Blei/37% Zinn, erwärmt
auf 245°C
für ungefähr 1,5 Sekunden,
eingetaucht wurden und den Einrichtungen erlaubt wurde, an der Luft
abzukühlen.
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PROZESS D
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Chips
mit einem Durchmesser von 12,7 mm (0,5 Inch) wurden aus dem Laminat
ausgestanzt und Zuleitungen wurden angebracht, um eine Einrichtung
zu bilden, und zwar durch Anlöten
von 20 AWG Zinn-beschichteten Kupferzuleitungen an jeder Metallfolie.
Ein Lötvorgang
wurde ausgeführt
durch Eintauchen der Chips in eine Lötmittelformulierung von 63%
Blei/37% Zinn, erwärmt
auf 245°C
für ungefähr 1,5 Sekunden, und
dadurch, dass den Einrichtungen erlaubt wurde, an der Luft abzukühlen. Die
Einrichtungen wurden dann auf 5 Mrads unter Verwendung eines 3,0
MeV Elektronenstrahls bestrahlt.
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Die
Eigenschaften des Widerstands über
der Temperatur der Einrichtungen wurden durch Nacharbeitung der
Prozedur des Beispiels 1 bestimmt. Werte des spezifischen Widerstands
wurden aus dem aufgezeichneten Widerstand bei 20°C bei dem ersten bzw. zweiten
Zyklus, ρ1 und ρ2, berechnet. Die Höhe der PTC Anomalie wurde als
log (Widerstand bei 140°C/Widerstand
bei 20°C)
für die
ersten und zweiten Zyklen bestimmt und wurde in Dekaden als PTC1 bzw. PTC2 aufgezeichnet.
Ferner wurde der Unterschied zwischen dem Wert des spezifischen
Widerstands und der PTC Anomalie für Einrichtungen, die durch
den Prozess C und den Prozess D hergestellt wurden, für sowohl
den ersten als auch den zweiten Zyklus berechnet. Der Unterschied
(die Differenz) für
den spezifischen Widerstand bei 20°C für den ersten Zyklus, Δ ρ1,
wurde aus der Formel [(ρ1 für den
Prozess D – ρ1 für den Prozess
C)/(ρ1 für
den Prozess D)] bestimmt. Die Differenz für den spezifischen Widerstand
bei 20°C
für den
zweiten Zyklus, Δ ρ2,
wurde aus der Formel [(ρ2 für
den Prozess D – ρ2 für den Prozess
C)/( ρ1 für
den Prozess D)] bestimmt. Die Differenz für die PTC Anomalie für den ersten
Zyklus, Δ PTC1, wurde aus der Formel [(PTC1 für den Prozess
D – PTC1 für
den Prozess C)/(PTC1 für den Prozess D)] bestimmt.
Die Differenz für
die PTC Anomalie für
den zweiten Zyklus, Δ PTC2, wurde aus der Formel [(PTC2 für den Prozess
D – PTC2 für
den Prozess C)/(PTC2 für den Prozess D)] bestimmt.
Die Ergebnisse, die in der Tabelle III gezeigt sind, zeigen an,
dass die PTC Anomalie für
jede Zusammensetzung für
sowohl den ersten als auch den zweiten thermischen Zyklus größer für die Einrichtungen
war, die durch den Prozess der Erfindung, d. h. den Prozess D, als
diejenige für
Eirichtungen, die durch den herkömmlichen
Prozess, d. h. dem Prozess C hergestellt wurden, war. Die Differenz
war besonders ausgeprägt
für den
zweiten thermischen Zyklus. Für
den zweiten thermischen Zyklus war der Anstieg im spezifischen Widerstand
wesentlich geringer als der Anstieg in der PTC Anomalie, obwohl
der spezifische Widerstand höher
für die
Einrichtungen war, die durch den Prozess D hergestellt wurden.
-
-
BEISPIELE 23 BIS 26
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Der
Prozedur des Beispiels 21 folgend wurde 61 Volumen-% Petrothen LB832
mit 39 Volumen-% Raven 430 gemischt. Die Zusammensetzung wurde extrudiert,
um eine Schicht mit einer Dicke von 0,30 mm (0,012 Inch) zu ergeben,
die zwei Schichten einer Elektroden-aufgebrachten Nickel-Kupfer-Folie
(Typ 31 mit einer Dicke von 0,043 mm (0,0013 Inch), erhältlich von
Fukuda) über
einen Walzenspalt laminiert wurde, um ein Laminat zu erzeugen. Einrichtungen
wurden dann entweder durch einen Prozess E (einen herkömmlichen Prozess)
oder F (einen Prozess der Erfindung) hergestellt.
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PROZESS E (HERKÖMMLICH)
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Das
Laminat wurde auf 10 Mrads unter Verwendung eines 3,0 MeV Elektronenstrahls
bestrahlt und Chips mit Abmessungen von 5,1 × 5,1 mm (0,2 × 0,2 Inch)
oder 20 × 20
mm (0,8 × 0,8
Inch) wurden aus dem Laminat geschert. Einrichtungen wurden aus
jedem Chip durch Anlöten
von 20 AWG Zinnbeschichteten Kupferzuleitungen an jede Metallfolie
dadurch gebildet, dass die Chips an eine Lötmittelformulierung von 63% Blei/37%
Zinn, erwärmt
auf 245°C
für ungefähr 2,5 Sekunden,
eingetaucht wurden und den Einrichtungen erlaubt wurde an der Luft
abzukühlen.
Die Einrichtungen wurden verkapselt, indem sie in HysolTM DK18-05
pulverisiertes Epoxyd, eine Epoxydharz-Anhydrid-Verbindung, die
von der Dexter Corporation erhältlich
ist und die 30 bis 60 Gewichts-% verschmolzenes Siliziumoxyd, 2%
Antimontrioxyd, 5-10% Benzophenontetracarboxylisches Dianhydrid
(BTDA) und 30-60% bis-A Epoxydharz enthält, eingetaucht wurden. Das
Pulver wurde über
zwei Stunden bei 155°C
ausgehärtet.
Die Einrichtungen wurden dann sechs mal durch einen thermischen Zyklus
geführt,
wobei jeder Zyklus von – 45
bis 85 bis – 40°C bei einer
Rate von 5°C/Minute
mit einer 30 Minuten Verweilung bei – 40°C und 85°C ist.
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PROZESS F
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Chips
mit Abmessungen von 5,1 × 5,1
mm (0,2 × 0,2
Inch) oder 20 × 20
mm (0,8 × 0,8
Inch) wurden aus dem Laminat geschert. Die Chips wurden dann unter
Verwendung eines thermischen Profils, bei dem die Temperatur von
20°C auf
240°C in
11 Sekunden anstieg, auf 240°C
für 3 Sekunden
blieb, und dann auf 20°C über 65 Sekunden
abgesenkt wurde, einer Wärmebehandlung
unterzogen. Die Chips wurden dann bestrahlt, Zuleitungen wurden
angebracht, verkapselt und durch einen thermischen Zyklus geführt wie
im Prozess E.
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Die
Eigenschaften des Widerstands über
der Temperatur wurden über
dem Bereich von 20 bis 140°C für zwei Zyklen
bestimmt. Die PTC Anomalie wurde als log (Widerstand bei 140°C/Widerstand
bei 20°C)
für beide
Zyklen bestimmt und als PTC1 für den ersten
Zyklus und PTC2 für den zweiten Zyklus aufgezeichnet.
Die Ergebnisse, die in Tabelle IV gezeigt sind, zeigen an, dass
die durch den herkömmlichen
Prozess hergestellten Einrichtungen eine wesentlich geringere PTC
Anomalie als diejenigen, die durch den Prozess der Erfindung hergestellt
werden, aufweisen. Die elektrische Stabilität wurde durch einen Test der
Zykluslebensdauer und des Umlaufaushaltevermögens, was nachstehend beschrieben
wird, bestimmt. Die Ergebnisse zeigten an, dass im Allgemeinen die
durch den Prozess der Erfindung hergestellten Einrichtungen eine
verbesserte Widerstandsstabilität
aufwiesen.
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ZYKLUSLEBENSDAUER
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Einrichtungen
wurden in einer Schaltung getestet, die aus der Einrichtung in Serie
mit einem Schalter, einer DC Energieversorgung von 16 Volt, 24 Volt
oder 30 Volt, und einem festen Widerstand, der dem anfänglichen
Strom 100A begrenzte, besteht. Jeder Zyklus bestand aus der Anlegung
der Energie an die Schaltung für
6 Sekunden, um die Einrichtung in den Hochwiderstandszustand zu
bringen, und dann durch Abschalten der Energie für 120 Sekunden. Bei Intervallen
wurde die Spannung entfernt, die Einrichtungen wurden über eine
Stunde abgekühlt
und der Widerstand bei 20°C
wurde gemessen. Der normalisierte Widerstand RN,
d. h. (der Widerstand bei 20°C
gemessen bei jedem Intervall/der Anfangswiderstand bei 20°C) wurde
berichtet.
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UMLAUFAUSHALTEVERMÖGEN
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Einrichtungen
wurden in einer Schaltung getestet, die aus der Einrichtung in Serie
mit einem Schalter, einer DC Energieversorgung von entweder 16 Volt
oder 30 Volt und einem festen Widerstand, der den Anfangsstrom auf
40A beschränkt,
besteht. Die Einrichtung wurde in den Hochwiderstandszustand gebracht
und periodisch entfernt. Nach jedem Intervall wurde der Einrichtung
erlaubt über
eine Stunde abzukühlen
und der Widerstand bei 20°C
wurde gemessen. Der normalisierte Widerstand RN wurde
berichtet.
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BEISPIELE 27 UND 28
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Vierundsechzig
Volumenprozent von Ätyhlen/n-Butylacrylat-Copolymer
(EnatheneTM EA 705-009, das 5% n-Butylacrylat enthält, mit
einem Schmelzindex von 3,0 g/10 min, einer Schmelztemperatur von
1,5°C erhältlich von
der Quantum Chemical Corporation) wurden mit 36 Volumen-% Raven
430 vorgemischt und die Mischung wurde dann für 12 Minuten in einem 350 cm3 Brabender Mischer, erwärmt auf 175°C, gemischt. Die Mischung wurde
granuliert, das Granulat wurde in eine Schicht extrudiert, und die
Schicht wurde in einer Presse zwischen zwei Schichten der Typ 31
Folie laminiert. Einrichtungen des Beispiels 27 wurden durch den
Prozess G (einen herkömmlichen
Prozess) hergestellt; Einrichtungen des Beispiels 28 wurden durch
den Prozess H (einen Prozess der Erfindung) hergestellt.
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PROZESS G (HERKÖMMLICH)
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Das
Laminat wurde auf 10 Mrads unter Verwendung eines 3,0 MeV Elektronenstrahls
bestrahlt und Chips mit Dimensionen von 5,1 × 12,1 × 0,23 mm (0,2 × 0,475 × 0,009
Inch) wurden aus dem Laminat herausgeschnitten. Einrichtungen wurden
gebildet, indem 20 AWG Zuleitungen wie in dem Prozess E angelötet wurden.
Der Einrichtungswiderstand bei 20°C
betrug 0,071 Ohms.
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PROZESS H
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Chips
mit Dimensionen von 5,1 × 12,1 × 0,23 mm
(0,2 × 0,475 × 0,009
Inch) wurden aus dem Laminat ausgeschnitten. Zuleitungen wurden
wie in dem Prozess E angebracht und die Einrichtungen wurden dann wärmebehandelt,
indem sie 290°C
in einem Rückflussofen
für ungefähr 3,5 Sekunden
ausgesetzt wurden. Nach Abkühlung
auf Raumtemperatur wurden die Einrichtungen auf 10 Mrads unter Verwendung
eines 3 MeV Elektronenstrahls bestrahlt. Der Einrichtungswiderstand
bei 20°C
betrug 0,096 Ohms.
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4 zeigt
eine Kurve des Widerstands in Ohm als eine Funktion der Temperatur
für die
Beispiele 27 und 28. Es ist ersichtlich, dass eine durch den Prozess
der Erfindung hergestellte Einrichtung eine wesentlich höhere PTC
Anomalie als eine durch einen herkömmlichen Prozess hergestellte
Einrichtung aufweist.
