DE69837771T2

DE69837771T2 - Verfahren zur herstellung einer elektrischen vorrichtung

Info

Publication number: DE69837771T2
Application number: DE69837771T
Authority: DE
Inventors: Naofumi Narita MIYASAKA; Shou-mean 2419 Hong Qiao Road FANG
Original assignee: Tyco Electronics Corp
Current assignee: TE Connectivity Corp
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: EP1042765A1; JP4459438B2; WO1999031677A1; TW408343B; EP1042765B1; CN1283304A; DE69837771D1; JP2002509348A; CN1155011C; ATE362185T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung elektrischer Vorrichtungen, die leitfähige Polymere umfassen, und ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieanordnung.
EINFÜHRUNG IN DIE ERFINDUNG
Elektrische Vorrichtungen, die leitfähige Polymerzusammensetzungen umfassen, die PTC-Verhalten (positiver Temperaturkoeffizient des Widerstandes) zeigen, sind bekannt und werden als Schaltungsschutzvorrichtungen und Heizelemente verwendet. Solche Schaltungsschutzvorrichtungen, die leitfähige Polymerzusammensetzungen mit niedrigem spezifischem Widerstand enthalten, sprechen auf Änderungen der Umgebungstemperatur- und/oder Strombedingungen an. Unter normalen Bedingungen verbleibt eine Schaltungsschutzvorrichtung in einem Zustand niedriger Temperatur und niedrigen Widerstandes, wenn sie mit einer Last in einer elektrischen Schaltung in Reihe geschaltet ist. Wenn sie jedoch Überstrom- oder Übertemperaturbedingungen ausgesetzt wird, nimmt der Widerstand der Vorrichtung zu, was den Stromfluß zur Last in der Schaltung wirksam beendet. Für viele Anwendungen ist es erwünscht, daß die Vorrichtung einen Widerstand hat, der so niedrig wie möglich ist, um den Beitrag zum Gesamtwiderstand der elektrischen Schaltung während des Normalbetriebs zu minimieren. Außerdem ermöglicht ein niedriger Widerstand, daß die Vorrichtung einen höheren Haltestrom hat, das heißt, den höchsten stationären Strom, der von einer Schaltungsschutzvorrichtung unter festgelegten Umgebungsbedingungen durchgeleitet werden kann, ohne daß die Vorrichtung in den Zustand mit hohem Widerstand „versetzt" wird. Wenngleich Vorrichtungen mit niedrigem Widerstand aus einer gegebenen Zusammensetzung durch Änderung der Abmessungen hergestellt werden können, zum Beispiel indem man den Abstand zwischen den Elektroden sehr klein oder die Fläche der Vorrichtung sehr groß macht, werden kleine Vorrichtungen bevorzugt. Solche Vorrichtungen belegen weniger Platz auf einer Leiterplatte und haben im allgemeinen erwünschte thermische Eigenschaften.
EP-A-0730282 beschreibt ein PTC-Element, das einen Flächenleiter aus einer kristallinen Alkenmatrix und einem leitfähigen Füllstoff umfaßt, wobei auf beiden Seiten desselben eine Elektrode aus einer metallischen Folie ausgebildet ist.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die bekannteste Methode zur Herstellung einer kleinen Vorrichtung besteht darin, eine Zusammensetzung zu verwenden, die einen niedrigen spezifischen Widerstand hat. Es ist bekannt, daß verschiedene Verarbeitungsschritte, zum Beispiel Bestrahlung, Kapselung oder die Einwirkung erhöhter Temperatur während des Lotrückflusses, den spezifischen Widerstand der Zusammensetzung während der Herstellung der Vorrichtung erhöhen können. Daher ist es erwünscht, Verarbeitungsmethoden zu verwenden, die den spezifischen Widerstand der Zusammensetzung so wenig wie möglich erhöhen, so daß die fertige Vorrichtung einen niedrigen Widerstand hat. Wir haben nunmehr eine bestimmte Folge von Verarbeitungsschritten gefunden, die zur Herstellung einer Vorrichtung mit einem niedrigen Widerstand beiträgt. Unter einem ersten Aspekt stellt diese Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Vorrichtung bereit, die folgendes umfaßt:

(A) ein Widerstandselement, das aus einer leitfähigen Polymerzusammensetzung zusammengesetzt ist, die PTC-Verhalten zeigt und die folgendes umfaßt: (1) eine Polymerkomponente mit einer Kristallinität von mindestens 20% und einem Schmelzpunkt T_m und (2) in der Polymerkomponente dispergiert einen partikelförmigen leitfähigen Füllstoff, und
(B) zwei Elektroden, die (i) an dem Widerstandselement befestigt sind, (ii) Metallfolien umfassen und (iii) mit einer elektrischen Stromquelle verbunden werden können, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: (a) Abschneiden einer Vorrichtung von einem Schichtwerkstoff, der die zwischen zwei Metallfolien positionierte leitfähige Polymerzusammensetzung umfaßt; (b) Einwirken mindestens einer Temperaturexkursion von einer ersten Temperatur, die höchstens (T_m – 100)°C beträgt, bis zu einer zweiten Temperatur, die höchstens (T_m – 25)°C beträgt, auf die Vorrichtung nach dem Abschneideschritt; und dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfaßt: (c) Vernetzen der leitfähigen Polymerzusammensetzung nach der Temperaturexkursion.

Die Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieanordnung bereit, die folgenden Schritte umfassend:

(1) Bereitstellen einer Batterie, die einen ersten und einen zweiten Anschluß umfaßt; und
(2) Herstellen einer Vorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung, der ferner umfasst, (a) Befestigen einer ersten leitfähigen Leitung an der ersten Elektrode der Vorrichtung und (b) Befestigen einer zweiten leitfähigen Leitung an der zweiten Elektrode der Vorrichtung; und
(3) Inkontaktbringen der Vorrichtung mit dem ersten Anschluß der Batterie, so daß die erste leitfähige Leitung in physischem und elektrischem Kontakt mit diesem Anschluß ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird durch die Zeichnungen veranschaulicht, wobei diese folgendes zeigen:
1 ist eine Schnittansicht einer nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Vorrichtung;
2 ist eine Draufsicht einer nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Vorrichtung;
3 ist eine Draufsicht einer ersten leitfähigen Leitung, die einen Bestandteil einer nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Vorrichtung bildet;
4 ist eine Draufsicht einer nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Vorrichtung, an der eine zweite leitfähige Leitung befestigt ist;
5 ist eine Draufsicht einer nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Vorrichtung, die eine isolierende Schicht umfaßt; und
6 ist ein Diagramm, das die Widerstandsverteilung für Vorrichtungen zeigt, die nach einem Verfahren gemäß der Erfindung und zwei Vergleichsverfahren hergestellt worden sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Vorrichtung umfaßt ein Widerstandselement, das aus einer leitfähigen Polymerzusammensetzung und einer ersten und einer zweiten Metallfolien-Elektrode, die an dem Widerstandselement befestigt sind und es laminatartig umgeben, zusammengesetzt ist. Die leitfähige Polymerzusammensetzung umfaßt eine Polymerkomponente und einen darin dispergierten partikelförmigen Füllstoff. Die Polymerkomponente umfaßt ein oder mehrere Polymere, von denen eines vorzugsweise ein kristallines Polymer mit einer Kristallinität von mindestens 20% ist, wie sie in seinem ungefüllten Zustand mit einem Differentialkalorimeter gemessen wird. Geeignete kristalline Polymere weisen auf: Polymere von einem oder mehreren Alkenen, vorzugsweise Polyethylen wie etwa Polyethylen hoher Dichte; Copolymere von mindestens einem Alken und mindestens einem Monomer, das damit copolymerisiert werden kann, wie etwa Ethen/Acrylsäure-, Ethen/Ethylacrylat-, Ethen/Vinylazetat- und Ethen/Butylacrylat-Copolymere; schmelzformbare Fluorpolymere wie etwa Polyvinylidenfluorid- (PVDF) und Ethen/Tetrafluorethen-Copolymere (ETFE, einschließlich Terpolymere); und Mischungen aus zwei oder mehr solchen Polymeren. Für manche Anwendungen kann es erwünscht sein, ein kristallines Polymer mit einem anderen Polymer zu mischen, zum Beispiel mit einem Elastomer oder einem amorphen thermoplastischen Polymer, um spezifische physikalische oder thermische Eigenschaften zu erzielen, zum Beispiel Flexibilität oder maximale Temperaturbelastung. Die Polymerkomponente umfaßt im allgemeinen 40 bis 90 Volumen-%, vorzugsweise 45 bis 85 Volumen-%, besonders bevorzugt 50 bis 75 Volumen-% des Gesamtvolumens der Zusammensetzung.
Der partikelförmige leitfähige Füllstoff, der in der Polymerkomponente dispergiert wird, kann jedes geeignete Material sein, einschließlich Ruß, Graphit, Metall, Metalloxid, leitfähig beschichtete Glas- oder Keramikperlen, partikelförmiges leitfähiges Polymer oder eine Kombination daraus. Der Füllstoff kann in Form von Pulver, Perlen, Flocken, Fasern oder jeder anderen geeigneten Form vorliegen. Die benötigte Menge des leitfähigen Füllstoffs beruht auf dem erforderlichen spezifischen Widerstand der Zusammensetzung und dem spezifischen Widerstand des leitfähigen Füllstoffs selbst. Für viele Zusammensetzungen umfaßt der leitfähige Füllstoff 10 bis 60 Volumen-%, vorzugsweise 20 bis 55 Volumen-%, und für Zusammensetzungen mit niedrigem spezifischem Widerstand, die für Schaltungsschutzvorrichtungen mit niedrigem Widerstand verwendet werden, besonders bevorzugt 25 bis 50 Volumen-% des Gesamtvolumens der Zusammensetzung.
Die leitfähige Polymerzusammensetzung kann zusätzliche Komponenten umfassen, wie etwa Oxidationshemmer, inerte Füllstoffe, nichtleitfähige Füllstoffe, Strahlungsvernetzungsagentien (häufig als „Prorads" oder Vernetzungsverstärker bezeichnet, zum Beispiel Triallyl-Isocyanurat), Stabilisatoren, Dispergiermittel, Kopplungsmittel, Säurefänger (zum Beispiel CaCO₃) oder andere Komponenten. Diese Komponenten umfassen im allgemeinen höchstens 20 Volumen-% der Gesamtzusammensetzung. Die Dispersion des leitfähigen Füllstoffs und der anderen Komponenten in die Polymerkomponente kann durch jegliche geeigneten Mittel zur Vermischung, zum Beispiel Schmelzverarbeitung oder Lösungsvermischung, erzielt werden. Die gemischte Zusammensetzung kann durch jedes geeignete Verfahren schmelzgeformt werden, zum Beispiel Schmelzextrudieren, Spritzgießen, Druckgießen oder Sintern, um ein Widerstandselement herzustellen. Das Element ist vorzugsweise schichtförmig und kann jegliche Form haben, zum Beispiel rechteckig, quadratisch, kreisförmig oder ringförmig. Das Widerstandselement hat häufig eine Dicke von höchstens 1,02 mm (0,040 Zoll), und für viele Anwendungen ist es viel dünner, das heißt, es hat eine Dicke von höchstens 0,51 mm (0,020 Zoll), vorzugsweise höchstens 0,38 mm (0,015 Zoll).
Die im Widerstandselement verwendete Zusammensetzung weist ein Verhalten mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) auf, das heißt, es zeigt eine steile Zunahme des spezifischen Widerstandes mit der Temperatur über einen relativ kleinen Temperaturbereich. In dieser Anmeldung wird der Begriff „PTC" so verwendet, daß er eine Zusammensetzung oder Vorrichtung bedeutet, die einen R₁₄-Wert von mindestens 2,5 und/oder einen R₁₀₀-Wert von mindestens 10 hat, und es wird bevorzugt, daß die Zusammensetzung oder Vorrichtung einen R₃₀-Wert von mindestens 6 haben sollte, wobei R₁₄ das Verhältnis zwischen den spezifischen Widerständen am Ende und am Anfang eines Bereichs von 14°C ist, R₁₀₀ das Verhältnis zwischen den spezifischen Widerständen am Ende und am Anfang eines Bereichs von 100°C ist und R₃₀ das Verhältnis zwischen den spezifischen Widerständen am Ende und am Anfang eines Bereichs von 30°C ist. Im allgemeinen zeigen die Zusammensetzungen, die in Vorrichtungen gemäß der Erfindung verwendet werden, Zunahmen des spezifischen Widerstandes, die viel größer als diese Minimalwerte sind.
Geeignete leitfähige Polymerzusammensetzungen werden in den US-Patenten Nr. 4237441 (van Konynenburg et al.), 4545926 (Fouts et al.), 4724417 (Au et al.), 4774024 (Deep et al.), 4935156 (van Konynenburg et al.), 5049850 (Evans et al.), 5250228 (Baigrie et al.), 5378407 (Chandler et al.), 5451919 (Chu et al.), 5582770 (Chu et al.), 5747147 (Wartenberg et al.) und 5801612 (Chandler et al.) und in der auf denselben Anmelder übertragenen Internationalen Patentveröffentlichung Nr. WO 96/29711 (Raychem Corporation, veröffentlicht am 26. September 1997) offenbart.
Das Widerstandselement ist an einer ersten und einer zweiten Schichtelektrode befestigt, die an der ersten bzw. zweiten Fläche des Widerstandselements befestigt sind. Es wird bevorzugt, daß die leitfähige Polymerzusammensetzung extrudiert oder auf andere Weise zu einer Bahn geformt wird, auf der die Elektroden befestigt werden können, um einen Schichtwerkstoff zu bilden, das heißt, das leitfähige Polymer wird laminatartig zwischen den Folien angeordnet. Sowohl die erste als auch die zweite Elektrode umfassen ein leitfähiges Material und sind vorzugsweise aus Metall in Form einer Folie, zum Beispiel Nickel, Kupfer, Messing, nichtrostendem Stahl oder einer Legierung eines oder mehrerer dieser Metalle, wenngleich eine oder beide der Elektroden eine leitfähige Farb- oder Graphitschicht umfassen können. Eine Bindeschicht, zum Beispiel ein leitfähiger Klebstoff, kann verwendet werden, um die Elektrode am Widerstandselement zu befestigen. Es ist besonders bevorzugt, daß die erste und zweite Elektrode eine galvanisch abgeschiedene Metallfolie umfassen, zum Beispiel Nickel, Kupfer oder nickelbeschichtetes Kupfer. Entsprechende Elektroden sind in den US-Patenten Nr. 4689475 (Matthiesen) und 4800253 (Kleiner et al.) und in der Internationalen Patentveröffentlichung Nr. WO 95/34081 (Raychem Corporation, veröffentlicht am 14. Dezember 1995) offenbart.
Die Vorrichtung kann auch eine Isolierschicht umfassen, die elektrischen Schutz und Schutz gegen Umgebungseinflüsse für die Vorrichtung bietet. Die Isolierschicht bedeckt im allgemeinen einige oder alle Metallfolien und jegliche freiliegenden Oberflächen des Elements. Geeignete isolierende Materialien weisen Polymere auf, wie etwa Polyamid, Polybutylen-Terephtalat, ein Polyester, Polyethylen, Polyvinylidenfluorid, Flüssigkristall-Polymere oder ein Epoxidharz.
Im Verfahren gemäß der Erfindung wird die Vorrichtung in einem Abschneideschritt von einem Schichtwerkstoff abgeschnitten, der die zwischen zwei Metallfolien positionierte leitfähige Polymerzusammensetzung umfaßt. In dieser Anmeldung wird der Begriff „Abschneiden" so verwendet, daß er jedes Verfahren zum Isolieren oder Trennen des Widerstandselements der Vorrichtung vom Schichtwerkstoff einschließt, zum Beispiel Vereinzeln, Stanzen, Scheren, Schneiden, Ätzen und/oder Abbrechen, wie in der Internationalen Patentveröffentlichung Nr. WO 95/34084 (veröffentlicht am 14. Dezember 1995) beschrieben.
Die Vorrichtung wird dann einem Wärmebehandlungsschritt unterzogen. Der Wärmebehandlungsschritt umfaßt mindestens eine Exkursion von einer ersten Temperatur T₁ bis zu einer zweiten Temperatur T₂. Vorzugsweise weist der Wärmebehandlungsschritt eine Rückkehr zur ersten Temperatur nach dem Einwirken der zweiten Temperatur auf, wodurch ein Zyklus von T₁ zu T₂ zu T₁ erzeugt wird. Die erste Temperatur beträgt höchstens (T_m – 100)°C, vorzugsweise höchstens (T_m – 120)°C, besonders bevorzugt höchstens (T_m – 150)°C, wobei T_m der Schmelzpunkt der Polymerkomponente ist, gemessen am Scheitelpunkt der Endotherme eines Differentialkalorimeters. Wenn es mehr als einen Scheitelpunkt gibt, zum Beispiel, wenn die Polymerkomponente eine Mischung aus kristallinen Polymeren umfaßt, ist T_m als die Temperatur des höchsten Temperatur-Scheitelpunkts definiert. Die zweite Temperatur beträgt höchstens (T_m – 25)°C, vorzugsweise höchstens (T_m – 35)°C, besonders bevorzugt höchstens (T_m – 50)°C. Es ist wichtig, daß die erste Temperatur bei einer Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur T_g der Polymerkomponente liegt. T₁ ist häufig eine Temperatur unterhalb der Zimmertemperatur, das heißt weniger als 20°C. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Vorrichtung mindestens zwei thermischen Zyklen ausgesetzt, vorzugsweise mindestens drei thermischen Zyklen. Für manche Anwendungen kann die Vorrichtung viel mehr thermischen Zyklen ausgesetzt werden, zum Beispiel sechs thermischen Zyklen. Während des Wärmebehandlungsschritts wird die Vorrichtung bei der thermischen Exkursion oder bei jedem thermischen Zyklus für eine hinreichende Zeit sowohl auf der ersten als auch auf der zweiten Temperatur gehalten, um sicherzustellen, daß die gesamte Vorrichtung die vorgesehene Temperatur erreicht. Der Zeitraum, in dem die Vorrichtung auf T₁ und T₂ gehalten wird, kann gleich oder unterschiedlich sein, beträgt aber im allgemeinen mindestens 1 Minute, vorzugsweise mindestens 3 Minuten, eher bevorzugt mindestens 5 Minuten, stärker bevorzugt mindestens 10 Minuten, noch stärker bevorzugt mindestens 15 Minuten, besonders bevorzugt mindestens 30 Minuten, zum Beispiel 60 Minuten, gemessen von dem Zeitpunkt, wo die Vorrichtung die vorgesehene Temperatur erreicht. Jede geeignete Wärmequelle kann während des Wärmebehandlungsschritts verwendet werden, zum Beispiel ein Ofen (insbesondere ein programmierbarer Ofen) oder eine andere Klimakammer, oder ein Wärmestrahler. Die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs von T₁ zu T₂ (und zurück zu T₁, wenn vorhanden), kann jede angemessene Geschwindigkeit sein, zum Beispiel 2 bis 30 °C/Minute. Wenn der Wärmebehandlungsschritt ein thermischer Zyklus ist, kann die Geschwindigkeit von T₁ zu T₂ gleich der Geschwindigkeit von T₂ zu T₁ oder unterschiedlich sein.
Nach dem Wärmebehandlungsschritt wird die leitfähige Polymerzusammensetzung vernetzt. Die Vernetzung kann durch chemische Mittel oder durch Bestrahlung durchgeführt werden, zum Beispiel unter Verwendung eines Elektronenstrahls oder einer Co⁶⁰-γ-Bestrahlungsquelle. Der Grad der Vernetzung hängt von der erforderlichen Anwendung für die Zusammensetzung ab, beträgt aber im allgemeinen weniger als das Äquivalent von 200 Mrad und ist vorzugsweise wesentlich kleiner, das heißt von 1 bis 20 Mrad, vorzugsweise von 1 bis 15 Mrad, besonders bevorzugt von 2 bis 10 Mrad für Anwendungen mit niedriger Spannung (das heißt weniger als 60 Volt). Brauchbare Schaltungsschutzvorrichtungen für Anwendungen von weniger als 30 Volt können hergestellt werden, indem die Vorrichtung mit mindestens 2 Mrad, aber höchstens 10 Mrad bestrahlt wird.
Für viele Anwendungen ist es nötig, mindestens eine leitfähige Leitung, das heißt eine erste leitfähige Leitung, an einer der Metallfolien-Elektroden zu befestigen. Oft werden eine erste und eine zweite leitfähige Leitung an der ersten bzw. der zweiten Elektrode befestigt. Die leitfähigen Leitungen ermöglichen die einfache Verbindung der Elektroden mit der Quelle der elektrischen Leistung, zum Beispiel einer Batterie oder einer Stromquelle, oder mit dem Inneren der Schaltung, und können verwendet werden, um die Wärmeabgabe der Vorrichtung zu steuern. Die leitfähigen Leitungen, die zur Vereinfachung der Produktion häufig als Teil eines Leitungsrahmens geliefert werden, werden vorzugsweise mittels einer Zwischenschicht, zum Beispiel eines Lotmetalls oder eines leitfähigen Klebstoffs, an den Elektroden befestigt. Dieser Leitungsbefestigungsschritt erfolgt vorzugsweise nach dem Abschneideschritt und vor dem Wärmebehandlungsschritt. Andere Montageprozesse, zum Beispiel das Aufbringen der elektrisch isolierenden Schicht, wie etwa eines Epoxidharzes oder eines anderen Polymers, werden vorzugsweise während eines Montageschritts durchgeführt, der den Leitungsbefestigungsschritt einschließt und nach dem Abschneideschritt und vor dem Wärmebehandlungsschritt erfolgt.
Gemäß dem Verfahren der Erfindung können Vorrichtungen hergestellt werden, in denen das leitfähige Polymer einen niedrigen spezifischen Widerstand hat, das heißt weniger als 100 Ωcm, vorzugsweise weniger als 20 Ωcm, eher bevorzugt weniger als 10 Ωcm, stärker bevorzugt weniger als 5 Ωcm, besonders bevorzugt weniger als 2 Ωcm, zum Beispiel weniger als 1 Ωcm. Für die meisten Anwendungen hat die Vorrichtung im allgemeinen einen Widerstand bei 20°C von weniger als 1 Ω, vorzugsweise weniger als 0,5 Ω, besonders bevorzugt weniger als 0,25 Ω, zum Beispiel 0,050 bis 0,150 Ω.
Vorrichtungen, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt werden, sind besonders geeignet zur Verwendung in einer Batterieanordnung, bei der die Vorrichtung vorzugsweise am ersten oder zweiten Anschluß einer Batterie befestigt wird. Die Befestigung kann direkt zwischen der Batterie und der ersten oder zweiten Elektrode erfolgen oder zwischen der Batterie und der ersten leitfähigen Leitung, die an der ersten Elektrode befestigt ist, oder der zweiten leitfähigen Leitung, die an der zweiten Elektrode befestigt ist. Für manche Batterien, bei denen entweder der erste und/oder der zweite Anschluß die Form eines „Knopfes" hat, wird die Vorrichtung physisch und elektrisch an einem Knopfanschluß befestigt. Die Vorrichtung kann entweder am negativen oder am positiven Anschluß der Batterie befestigt werden. Zur Verwendung geeignete Batterien sind unter anderem Nickel-Kadmium-, Nickel-Metallhydrid-, Alkali- oder Lithium-Batterien. Häufig umfaßt die Batterieanordnung zwei oder mehr Batterien. Eine solche Batterieanordnung wird in den Internationalen Patentveröffentlichungen Nr. WO 97/06538 (K. K. Raychem, veröffentlicht am 20. Februar 1997) und WO 98/20567 (Raychem Corporation, veröffentlicht am 14. Mai 1998) gezeigt.
Die Erfindung wird durch die Zeichnungen veranschaulicht, wobei 1 in Schnittansicht die elektrische Vorrichtung 1 zeigt, welche die PTC-Komponente 3, die erste leitfähige Leitung 15, die zweite leitfähige Leitung 18 und das isolierende Material 23 umfaßt. Die PTC-Komponente 3 umfaßt die erste Elektrode 11, die zweite Elektrode 13 und das Widerstandselement 9, das aus einem laminatartig dazwischen angeordneten leitfähigen Polymer besteht. In der in 1 gezeigten PTC-Komponente 3 bilden die beiden einander gegenüberliegenden Elektroden die erste Oberfläche 43 und die zweite Oberfläche 41.
Eine Draufsicht der PTC-Komponente 3 ist in 2 gezeigt. Die PTC-Komponente 3 umfaßt die Oberflächen 41 und 43, einen äußeren Umfang 5 und einen inneren Umfang 7 und hat dann die Form einer Scheibe mit einer Öffnung 27 in der Mitte. Der innere Umfang 7 definiert die Öffnung 27.
3 zeigt eine Draufsicht der ersten leitfähigen Leitung 15, die einen ersten Teil 16, der an der ersten Elektrode 11 befestigt ist, und einen zweiten Teil 17 hat, der sich über die Öffnung 27 der PTC-Komponente 3 erstreckt. In dieser Ausführungsform bedeckt der erste Teil 16 die gesamte Oberfläche der ersten Elektrode 11. Der zweite Teil 17 der ersten Leitung 15, der mindestens einen Teil der Öffnung 27 bedeckt, wird verwendet, um über Lot, Druck oder eine Schweißung direkten elektrischen Kontakt zu einem Knopfanschluß einer Batterie herzustellen. Der zweite Teil 17 bedeckt mindestens einen Teil der Öffnung 27.
4 zeigt eine Draufsicht der zweiten leitfähigen Leitung 18, die einen ersten Teil 19 und einen zweiten Teil 21 umfaßt. Der erste Teil 19 ist an der zweiten Elektrode 13 befestigt und bedeckt die Oberfläche der zweiten Elektrode 13 mindestens teilweise. Der zweite Teil 21 erstreckt sich vom äußeren Umfang 5 weg und kann bei Bedarf gebogen werden, um elektrischen Kontakt zu einer zweiten Batterie oder einer anderen elektrischen Komponente herzustellen. Die erste und zweite leitfähige Leitung 15, 18 können aus jedem geeigneten Material hergestellt werden, wie etwa Nickel, rostfreiem Stahl, Kupfer oder einer Legierung, wie etwa Messing oder Bronze. Zur Vereinfachung der Produktion ist die zweite Leitung 18 häufig Teil eines Leitungsrahmens.
5 zeigt eine Draufsicht der Vorrichtung 1, die durch die elektrisch isolierende Schicht 23 gekapselt worden ist. Wenn ein positiver Anschluß einer Batterie innerhalb der Öffnung 27' plaziert wird, tritt kein Kurzschluß ein, weil kein elektrischer Kontakt zwischen dem Anschluß und der PTC-Komponente 3 hergestellt wird.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, wobei die Beispiele 1 und 2 Vergleichbeispiele sind. Die folgenden Schritte wurden für jedes Beispiel durchgeführt:
HERSTELLUNG DER PTC-VORRICHTUNG
Eine erste Mischung wurde hergestellt durch Vormischen von 54 Gewichts-% Ruß (Raven^TM 430U, vertrieben von Columbian Chemicals) mit 46 Gewichts-% Polyethylen hoher Dichte (Petrothene^TM LB832, vertrieben von Millenium; „HDPE") in einem Henschel-Mischer, Durchmischen der Vormischung in einem Buss-Kneter und Extrudieren zu Pellets. Eine zweite Mischung wurde durch Vormischen von 51,4 Gewichts-% Ruß mit 48,6 Gewichts-% HDPE auf die gleiche Weise hergestellt. Pellets der ersten und der zweiten Mischung wurden vorvermischt, um eine endgültige Mischung mit 52,7 Gewichts-% Ruß und 47,3 Gewichts-% HDPE zu ergeben, und diese Mischung wurde unter Verwendung eines Egan-Extruders durch eine Foliendüse extrudiert, um eine Bahn mit einer Dicke von 0,25 mm (0,010 Zoll) zu ergeben. Die extrudierte Bahn wurde zwischen zwei Schichten von galvanisch abgeschiedener Nickelfolie mit einer Dicke von etwa 0,033 mm (0,0013 Zoll) (vertrieben von Fukuda) unter Verwendung einer auf 200°C eingestellten Presse laminatartig angeordnet. Die laminierte Bahn wurde in einer auf 230°C erwärmten Lotzusammensetzung von 63% Blei und 37% Zinn tauchgelötet, und Vorrichtungen mit der in 2 gezeigten Form wurden aus der laminierten Bahn herausgestanzt.
MONTAGE DER VORRICHTUNG
Die erste und die zweite leitfähige Leitung, wie in 3 und 4 gezeigt, wurden an der PTC-Vorrichtung mittels eines 63/37-Blei/Zinn-Lots befestigt, das in einem Heißluftofen aufgeschmolzen wurde, dessen Temperatur in etwa 2 Minuten von 30°C auf eine Höchsttemperatur von 230°C erhöht wurde. Eine Isolierschicht aus Flüssigkristall-Polymer wurde dann mittels Spritzpressen oder Spritzgießen aufgebracht.
BESTRAHLUNG
Die Vorrichtungen wurden unter Verwendung einer Kobalt-60-γ-Bestrahlungsquelle bestrahlt, um eine Gesamtbestrahlung von 14 Mrad zu ergeben.
ZYKLISCHE TEMPERATURBEANSPRUCHUNG
Die Vorrichtungen wurden sechsmal einem Temperaturbeanspruchungszyklus unterzogen, wobei jeder Zyklus von –40°C zu 80°C zu –40°C verlief, und zwar mit einer Geschwindigkeit von 1 °C/Minute mit einer 60-minütigen Verweilzeit bei –40°C und 80°C.
BEISPIEL 1 UND 2 (ZUM VERGLEICH)
Die Herstellung der Vorrichtungen wurde durchgeführt wie in Tabelle 1 gezeigt, wobei die Nummern 1 bis 4 die Reihenfolge der Verarbeitungsschritte kennzeichnen, in der sie durchgeführt wurden. Der Widerstand bei 25°C wurde für einhundert Vorrichtungen gemessen, die für jedes Beispiel hergestellt worden waren. Die resultierenden Vorrichtungen hatten einen durchschnittlichen Widerstand, der mindestens 5% höher als derjenige der erfindungsgemäßen Vorrichtungen war (Beispiel 3).
BEISPIEL 3
Die Herstellung der Vorrichtungen wurde durchgeführt wie in Tabelle 1 gezeigt. Die resultierenden Vorrichtungen hatten einen Widerstand, der niedriger als derjenige der herkömmlichen Vorrichtungen war. Ein Vergleich der Widerstandsverteilung der Vorrichtung ist in 6 gezeigt.

Beispiel Schritte zur Herstellung der Vorrichtung Widerstand (mΩ)

Herstellung Montage Bestrahlung Temp.-Zyklus

1 1 2 3 4 53,3

2 1 3 2 4 64,9

3 1 2 4 3 49,0

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Vorrichtung (1), die folgendes umfaßt: (A) ein Widerstandselement (9), das aus einer leitfähigen Polymerzusammensetzung zusammengesetzt ist, die PTC-Verhalten zeigt und die folgendes umfaßt: (1) eine Polymerkomponente mit einer Kristallinität von mindestens 20% und einem Schmelzpunkt T_m und (2) einen in der Polymerkomponente dispergierten partikelförmigen leitfähigen Füllstoff, und (B) zwei Elektroden (11, 13), die (i) an dem Widerstandselement (9) befestigt sind, (ii) Metallfolien umfassen und (iii) mit einer elektrischen Stromquelle verbunden werden können, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: (a) Abschneiden einer Vorrichtung (1) von einem Schichtwerkstoff, der die zwischen zwei Metallfolien positionierte leitfähige Polymerzusammensetzung umfaßt; (b) Aussetzen der Vorrichtung (1) nach dem Abschneideschritt mindestens einer Temperaturexkursion von einer ersten Temperatur, die höchstens (T_m – 100)°C beträgt, bis zu einer zweiten Temperatur, die höchstens (T_m – 25)°C beträgt; und dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfaßt: (c) Vernetzen der leitfähigen Polymerzusammensetzung nach der Temperaturexkursion.
Verfahren nach Anspruch 1, das den folgenden Schritt umfaßt: Befestigen mindestens eines leitfähigen Leiters (15) an einer der Metallfolien-Elektroden nach Schritt (a) und vor Schritt (b).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Vorrichtung (1) in Schritt (c) zu dem Äquivalent von 1 bis 20 Mrads vernetzt worden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polymerkomponente Polyethylen, ein Ethylen-Copolymer oder ein Fluorpolymer umfaßt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) in Schritt (b) mindestens einem thermischen Zyklus von der ersten Temperatur zur zweiten Temperatur und zurück zur ersten Temperatur ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt (b) die erste Temperatur T₁ weniger als 23 °C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: (1) das Widerstandselement (9) (i) eine Dicke von höchstens 0,51 mm hat und (ii) zu dem Äquivalent von mindestens 2 Mrads vernetzt wird und (2) in Schritt (b) die Vorrichtung (1) nach dem Abschneideschritt mindestens einem thermischen Zyklus von einer ersten Temperatur, die höchstens (T_m – 100)°C beträgt, bis zu einer zweiten Temperatur, die höchstens (T_m – 25)°C beträgt, und zurück zur ersten Temperatur ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung (1) in Schritt (b) mindestens drei thermischen Zyklen ausgesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Batterieanordnung, die folgenden Schritte umfassend: (1) Bereitstellen einer Batterie, die einen ersten und einen zweiten Anschluß umfaßt; und (2) Herstellen einer Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 und (a) Befestigen einer ersten leitfähigen Leitung (15) an der ersten Elektrode (11) der Vorrichtung (1) und (b) Befestigen eines zweiten leitfähigen Leitung (18) an der zweiten Elektrode (13) der Vorrichtung (1); (3) Inkontaktbringen der Vorrichtung (1) mit dem ersten Anschluß der Batterie, so daß die erste leitfähige Leitung (15) in physischem und elektrischem Kontakt mit diesem Anschluß ist.