EP0101843A2 - Method of producing ceramic cold conductors with electric values of close tolerances - Google Patents
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- H01C7/022—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient mainly consisting of non-metallic substances
Definitions
- the invention relates to a method for producing ceramic PTC resistors (PTC resistors) with closely tolerated electrical values, in particular with a closely tolerated nominal resistance value R 25 at room temperature, in which a sintered body made of the ceramic PTC thermistor material on opposite surfaces with barrier layers free metal coatings as Electrodes are provided, to which power supply elements (wires, contact plates) can be attached later if necessary.
- PTC resistors PTC resistors
- ceramic PTC thermistor or PTC resistor is used here for a temperature-dependent resistor (thermistor), which is a semiconducting resistor that experiences a significant change in its electrical resistance when its body temperature changes.
- thermistor temperature-dependent resistor
- Such temperature-dependent resistors are defined in the German standard DIN 44080 from December 1976 "PTC thermistor” with regard to terms and properties.
- the lattice disturbance is the first Line with a slight oxygen deficit, which is achieved in the manufacturing process by sintering in a reducing atmosphere.
- CH-PS 272 927 also describes the semiconducting effect of ceramic material with a perovskite structure, the lattice perturbation being achieved by adding lanthanum oxide, with La 3+ occupying divalent lattice sites in the perovskite lattice.
- GB-PS 714 965 which corresponds to DE-PS 929 350 and has the same priority, describes further doping materials for ceramic material with a perovskite structure, applications for current stabilization, protection against overload, temperature control, etc. being specified.
- a base metal is arranged in the vicinity of the ceramic and a nobler, solderable metal is arranged towards the outer surface, alloys of such metals being able to be used, for example indium-silver contacts, indium gallium-silver contacts, a first layer made of aluminum, galvanically, by vapor deposition or by flame spraying, and an overlying layer made of a solderable metal, for example copper or silver, z. B. also by flame spraying.
- DE-PS 514 902 describes a method in which small capacitors for high-frequency technology are produced by providing a continuous strip of dielectric material on both sides with a conductive metal coating and flat pieces corresponding to the size of the desired capacitance value Strips are cut off.
- the dielectric properties of this strip are constant and, in principle, do not fluctuate as long as the thickness and width of the strips remain the same. This is not the case with ceramic PTC thermistors.
- GB-PS 991 649 describes a method in which electrical components, namely resistors or capacitors, are cut to a suitable length from a piece previously produced. For the production of electrical resistors in this way, it is provided that the metal layer serving as the resistance element in the overall body is first trimmed to a required value by grinding operations, in order then to separate the resistors. Such a measure is also not possible with ceramic PTC thermistors.
- DE-AS 1 122 145 describes a method for producing electrical resistors, in which the resistors are cut off in a corresponding length by a larger rod.
- the electrical resistance of the larger piece has a value due to the starting material and the manufacturing process, which is assumed to be given.
- DE-AS 1 764 542 describes a method for producing an electrical stacked capacitor, in which capacitor strips are stacked to form a mother capacitor, the mother capacitor is provided with end contact layers by means of looping and is subjected to a heat treatment, and then by cuts perpendicular to the course of the capacitor strips in the desired sub-capacitors is divided, the mother capacitor being stacked and contacted such that the desired sub-capacitors can be cut off at any point on the mother capacitor, furthermore all process steps which influence the capacitance of the capacitor are carried out on the mother capacitor, then the capacitance of the entire mother capacitor or larger portions thereof are measured and the length corresponding to the desired capacitance of the individual capacitors is determined, and finally partial capacitors with the corresponding length from the mother capacitor or a larger section of the same.
- the capacitance of such a capacitor depends on the dielectric effective area, the thickness of the dielectric, the thickness of the air gaps between the capacitively active layers and the dielectric constant of the dielectric. Of these quantities, only the dielectric constant can be regarded as constant.
- R (g. D): F the resistance value R is directly proportional to the thickness d of the body and to the specific resistance g and inversely proportional to the area F. Area F and thickness d are determined by the design (also the Burning shrinkage must be taken into account), and the specific resistance P arises, depending on the starting material, the pretreatment and the sintering conditions, during the production itself. In the state of the art, no factor remains freely selectable (degree of freedom).
- the present invention is based on the object to specify a method which is less dependent on the purity of the starting materials and on the constancy of the individual treatment and sintering parameters, i.e. on the parameters determining the specific resistance, and which nonetheless leads to ceramic PTC thermistors with closely tolerated electrical values, in particular with a narrowly tolerated nominal resistance value R 25 leads and thereby reduces the proportion of rejects.
- Tolerated within the meaning of the present invention means a deviation from the desired value at most + 20%, preferably by + 10%.
- the method of the type specified at the outset is characterized in that a sintered plate-shaped body made of ceramic thermistor material is used, the surface of which, given the thickness and given electrical properties of the material (specific resistance, reference temperature, dielectric strength, steepness of the increase in resistance)
- a multiple of the area of the ceramic thermistor that is ultimately to be produced is that this plate-shaped overall body is provided on its large areas with metal layers as metal coverings, after which the resistance value attributable to the area unit is determined and then the overall body is converted into the PTC thermistor desired in terms of the closely tolerated electrical values Form of squares, rectangles, triangles or equilateral diamonds is divided.
- the metal layer serving as metal coating is applied in a manner known per se, as already explained in the discussion of the prior art. It is preferable to produce an aluminum base layer on the base body from thermistor material by galvanic means and then to apply a copper layer by means of the flame spraying method, as already described in DE-OS 28 38 508.
- the edge zones of the entire body are separated before the resistance value attributable to the unit area is determined, because the determination then leads to more precise values.
- the advantage of the method of the present invention is that the surface F can be freely selected after the sintering and metallization process, as a result of which the object is achieved in an extremely satisfactory manner.
- the advantages are achieved that the mass selection is simplified, a considerable rationalization effect results compared to the individual production, and that the dielectric strength of the ceramic PTC thermistor, in particular in the case of PTC thermistor masses for resistors to be operated at high temperatures, is improved because the surface at the separating edge is separated by the separation process is newly created and is not affected by the sintering influences that occur during individual production.
- 1 denotes the entire body.
- the body 1 is provided with a metal coating, not shown in the drawing, on both large surfaces on its entire surface, but at least also on the surface regions which are to be used later as individual PTC thermistors, before the separation.
- the edge regions 7 and 8 can be seen on the narrow sides 11 and the long sides 12 of the body 1.
- the body 1 After determining the resistance value per unit area, the body 1 is divided along lines 15, 16 which run in the direction of the x-axis and in the direction of the y-axis.
- the edge zones 7 and 8 are either determined before the resistance value attributable to the unit area tes separated, in the case when the entire surface including the side surfaces in the thickness direction of the entire body 1 are provided with the metal layer. If the metal layer, with the exception of the edge regions 7 and 8, is applied by screen printing or by means of a stencil, then these edge zones 7 and 8 can only be removed when the entire body 1 is divided into the individual PTC thermistors 3 or 4.
- the entire body 2 made of ceramic PTC material can be divided into isosceles ceramic PTC thermistors 5 or also into diamond-shaped PTC thermistors 6 by separating lines 17, 18 and 19 which are each at an angle of 60 ° (also highlighted by hatching).
- edge zones 9 and 10 located on the broad sides 13 and long side 14 are removed in the manner and at the time as described in FIG. 1.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von keramischen Kaltleitern (PTC-Widerständen) mit eng tolerierten elektrischen Werten, insbesondere mit eng toleriertem Nennwiderstandswert R25 bei Raumtemperatur, bei dem ein aus dem keramischen Kaltleiter-Material bestehender gesinterter Körper auf gegenüberliegenden Flächen mit sperrschichtfreien Metallbelegungen als Elektroden versehen wird, an die später gegebenenfalls Stromzuzuführungselemente (Drähte, Kontaktbleche) befestigt werden können.The invention relates to a method for producing ceramic PTC resistors (PTC resistors) with closely tolerated electrical values, in particular with a closely tolerated nominal resistance value R 25 at room temperature, in which a sintered body made of the ceramic PTC thermistor material on opposite surfaces with barrier layers free metal coatings as Electrodes are provided, to which power supply elements (wires, contact plates) can be attached later if necessary.
Die Bezeichnung "keramischer Kaltleiter" oder auch PTC-Widerstand wird hier für einen temperaturabhängigen Widerstand (Thermistor) benutzt, der ein halbleitender Widerstand ist, der mit der Änderung seiner Körpertemperatur eine wesentliche Änderung seines elektrischen Widerstandes erfährt. Solche temperaturabhängigen Widerstände sind in der deutschen Norm DIN 44080 vom Dezember 1976 "Kaltleiter" hinsichtlich der-Begriffe und Eigenschaften definiert.The term "ceramic PTC thermistor" or PTC resistor is used here for a temperature-dependent resistor (thermistor), which is a semiconducting resistor that experiences a significant change in its electrical resistance when its body temperature changes. Such temperature-dependent resistors are defined in the German standard DIN 44080 from December 1976 "PTC thermistor" with regard to terms and properties.
Die Eigenschaft keramischen Materials mit Perowskit- I Struktur auf der Basis von Bariumtitanat bei Störungen im Kristallgitter halbleitend zu sein und einen besonders hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes zu haben, ist schon früh erkannt worden (vergleiche DE-PS 660 971, angemeldet 1936, und DE-PS 701 478, angemeldet 1937). Die Gitterstörung besteht dabei in erster Linie in einem geringfügigen Sauerstoffdefizit, das beim Herstellverfahren durch Sintern in reduzierender Atmosphäre erzielt wird.The feature ceramic material with perovskite I structure on the basis of barium titanate with impurities in the crystals to be semiconductive and have a very high temperature coefficient of resistance, has been recognized early on (see DE-PS 660 971, filed in 1936, and DE PS 701 478, registered in 1937). The lattice disturbance is the first Line with a slight oxygen deficit, which is achieved in the manufacturing process by sintering in a reducing atmosphere.
In der CH-PS 272 927 ist der halbleitende Effekt von keramischem Material mit Perowskit-Struktur ebenfalls beschrieben, wobei die Gitterstörung durch Zusatz von Lanthanoxid erzielt ist, wobei La3+ zweiwertige Gitterstellen im Perowskit-Gitter einnimmt.CH-PS 272 927 also describes the semiconducting effect of ceramic material with a perovskite structure, the lattice perturbation being achieved by adding lanthanum oxide, with La 3+ occupying divalent lattice sites in the perovskite lattice.
In der GB-PS 714 965, die der DE-PS 929 350 entspricht und mit ihr prioritätsgleich ist, sind weitere Dotierungsmaterialien für keramisches Material mit Perowskit-Struktur beschrieben, wobei bereits Anwendungsfälle für Stromstabilisierung, Sicherung vor Überlastung, Temperaturregelung usw. angegeben sind.GB-PS 714 965, which corresponds to DE-PS 929 350 and has the same priority, describes further doping materials for ceramic material with a perovskite structure, applications for current stabilization, protection against overload, temperature control, etc. being specified.
Nicht zuletzt sind in den amerikanischen Patentschriften 3 441 517 und 3 637 532 keramische Körper aus ferroelektrischem Material mit Perowskit-Struktur beschrieben, wobei von der Feststellung ausgegangen ist, daß die elektrischen Eigenschaften dieser keramischen Kaltleiter von einer Reihe von Faktoren abhängen, wie z. B. Beschaffenheit der Ausgangsmaterialien, Parameter 'bei der Aufbereitung des Materials (Zerkleinern und Vermischen) und Parameter bei dem keramischen Sinterbrand (erstes Brennen für den Ablauf der Reaktion zur Bildung des Perowskit-Materials, zweites Brennen zum Zwecke der Sinterung der gepreßten Körper).Last but not least, US Pat. Nos. 3,441,517 and 3,637,532 describe ceramic bodies made of ferroelectric material with a perovskite structure, it being established that the electrical properties of these ceramic thermistors depend on a number of factors, such as e.g. B. Condition of the starting materials, parameters ' in the preparation of the material (crushing and mixing) and parameters in the ceramic sintering firing (first firing for the course of the reaction to form the perovskite material, second firing for the purpose of sintering the pressed bodies).
Es läuft somit bei sämtlichen bekannten Verfahren zur Herstellung von keramischen Kaltleitern darauf hinaus, daß man vor der Herstellung durch Versuche feststellen muß, welche elektrischen Werte (spezifischer Widerstand, Bezugstemperatur, Nennwiderstand, Steilheit des Widerstandsanstieges usw.) mit einem bestimmten Ausgangsmaterial bei bestimmter Vorbehandlung und bestimmter Sinterung resultieren, um dann in fabriktechnischem Maße die keramischen Kaltleiter herzustellen. Dennoch stellt sich dabei immer wieder heraus, daß die Toleranzen der einzelnen elektrischen Werte stark schwanken, so daß bei dem fertig gepreßten Körper (runde Scheibe, Stab, Rohr) nicht unerheblicher Ausschuß in Kauf genommen werden muß, obwohl Kaltleiter der hier in Rede stehenden Art in der Zwischenzeit nunmehr zu elektrischen Bauelementen geworden sind, die weltweit in Stückzahlen hergestellt werden, die einige Millionen pro Monat betragen.It therefore boils down to all known methods for the production of ceramic PTC thermistors that, prior to the production, it has to be determined by tests which electrical values (specific resistance, reference temperature, nominal resistance, steepness of the resistance increase, etc.) with a certain starting material with certain pretreatment and certain Sintering results, in order to then manufacture the ceramic PTC thermistor to the factory level. Nevertheless, it always turns out that the tolerances of the individual electrical values fluctuate greatly, so that with the finished pressed body (round disc, rod, tube) a not inconsiderable amount of scrap has to be accepted, although PTC thermistors of the type in question In the meantime, electrical components have now been manufactured that are produced worldwide in quantities of several million a month.
Es ist selbstverständlich und geht aus dem bekannten Stand der Technik hervor, daß die keramisch hergestellten Körper mit Metallbelegungen versehen werden müssen, an die Stromzuführungselemente befestigbar sind. Entsprechende Verfahren zur Herstellung solcher Metallbelegungen sind bekannt. Es wird hier als Beispiel auf die deutschen Patentschriften 1 490 713 und 2 433 458, auf die deutsche Offenlegungsschrift 28 38 508 und die amerikanischen Patentschriften 3 027 529 und 3 676 211 hingewiesen. Aus diesen Patentschriften, die hier stellvertretend für eine umfangreiche Literatur auf diesem Gebiet stehen, geht hervor, daß die Metallbelegungen einen sperrschichtfreien, d. h. ohmischen Kontakt ergeben müssen. Dies wird dadurch erreicht, daß in Nachbarschaft zur Keramik ein unedles Metall und zur äußeren Oberfläche hin ein edleres, lötfähiges Metall angeordnet wird, wobei Legierungen solcher Metalle verwendet werden können, beispielsweise Indium-Silber-Kontaktierungen, IndiumGallium-Silber-Kontaktierungen, eine erste Schicht aus Aluminium, hergestellt galvanisch, durch Aufdampfen oder durch Flammspritzen, und eine darüber angeordnete Schicht aus einem lötfähigen Metall, beispielsweise Kupfer oder Silber, hergestellt z. B. ebenfalls durch Flammspritzen.It goes without saying and is apparent from the known prior art that the ceramically produced body must be provided with metal coverings to which power supply elements can be attached. Corresponding methods for producing such metal coatings are known. Reference is made here, for example, to German Patents 1,407,713 and 2,433,458, German Laid-Open Specification 28 38 508 and American Patents 3,027,529 and 3,676,211. From these patents, which are representative of an extensive literature in this area, it can be seen that the metal coatings have a barrier-free, i.e. H. ohmic contact must result. This is achieved in that a base metal is arranged in the vicinity of the ceramic and a nobler, solderable metal is arranged towards the outer surface, alloys of such metals being able to be used, for example indium-silver contacts, indium gallium-silver contacts, a first layer made of aluminum, galvanically, by vapor deposition or by flame spraying, and an overlying layer made of a solderable metal, for example copper or silver, z. B. also by flame spraying.
Zur Herstellung von elektrischen Bauelementen (elektrischen Kondensatoren oder elektrischen Widerständen) sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, bei denen das elektrische Bauelement von einem vorher hergestellten Körper abgetrennt wird. Diese Verfahren lassen sich aber nicht ohne erfinderisches Zutun auf die Herstellung keramischer Kaltleiter übertragen.For the manufacture of electrical components (electri various capacitors or electrical resistors) are already known, in which the electrical component is separated from a previously produced body. However, these methods cannot be transferred to the production of ceramic PTC thermistors without inventive step.
So ist in der DE-PS 514 902 ein Verfahren beschrieben, bei dem Kleinstkondensatoren für die Hochfrequenztechnik dadurch hergestellt werden, daß ein fortlaufender Streifen eines dielektrischen Stoffes auf beiden Seiten mit einem leitenden Metallüberzug versehen wird und flache Stücke entsprechend der Größe des gewünschten Kapazitätswertes von dem Streifen abgeschnitten werden. Die dielektrischen Eigenschaften dieses Streifens sind konstant und im Prinzip keinen Schwankungen unterworfen, solange Dicke und Breite der Streifen gleich bleiben. Dies ist bei keramischen Kaltleitern nicht der Fall.DE-PS 514 902 describes a method in which small capacitors for high-frequency technology are produced by providing a continuous strip of dielectric material on both sides with a conductive metal coating and flat pieces corresponding to the size of the desired capacitance value Strips are cut off. The dielectric properties of this strip are constant and, in principle, do not fluctuate as long as the thickness and width of the strips remain the same. This is not the case with ceramic PTC thermistors.
In der GB-PS 991 649 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem elektrische Bauelemente, nämlich Widerstände oder Kondensatoren, von einem vorher hergestellten Stück in entsprechender Länge heruntergeschnitten werden. Für die Herstellung von elektrischen Widerständen auf diese Weise ist vorgesehen, die als Widerstandselement dienende Metallschicht bei dem Gesamtkörper zunächst auf einen erforderlichen Wert durch Schleifoperationen hinzutrimmen, um dann die Widerstände abzutrennen. Auch eine solche Maßnahme ist bei keramischen Kaltleitern nicht möglich.GB-PS 991 649 describes a method in which electrical components, namely resistors or capacitors, are cut to a suitable length from a piece previously produced. For the production of electrical resistors in this way, it is provided that the metal layer serving as the resistance element in the overall body is first trimmed to a required value by grinding operations, in order then to separate the resistors. Such a measure is also not possible with ceramic PTC thermistors.
In der DE-AS 1 122 145 ist ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Widerständen beschrieben, bei denen die Widerstände von einem größeren Stab in entsprechender Länge abgeschnitten werden. Der elektrische Widerstand des größeren Stückes hat einen durch das Ausgangsmaterial und den Herstellprozeß bedingten Wert, der als gegeben angenommen wird.DE-AS 1 122 145 describes a method for producing electrical resistors, in which the resistors are cut off in a corresponding length by a larger rod. The electrical resistance of the larger piece has a value due to the starting material and the manufacturing process, which is assumed to be given.
In der DE-AS 1 764 542 ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Stapelkondensators beschrieben, bei dem Kondensatorbänder zu einem Mutterkondensator aufeinandergeschichtet werden, der Mutterkondensator durch Beschoopen mit Stirnkontaktschichten versehen und einer Wärmebehandlung unterzogen wird und danach durch Schnitte senkrecht zum Verlauf der Kondensatorbänder in die gewünschten Teilkondensatoren aufgeteilt wird, wobei der Mutterkondensator so aufeinandergeschichtet und kontaktiert wird, daß die gewünschten Teilkondensatoren an beliebigen Stellen des Mutterkondensators abgeschnitten werden können, wobei ferner am Mutterkondensator alle Verfahrensschritte, die die Kapazität des Kondensators beeinflussen, durchgeführt werden, anschließend die Kapazität des gesamten Mutterkondensators oder größere Teilstücke davon gemessen und hieraus die der gewünschten Kapazität der einzelnen Kondensatoren entsprechende Länge ermittelt wird und wobei schließlich Teilkondensatoren mit der entsprechenden Länge vom Mutterkondensator bzw. einem größeren Teilstück desselben abgetrennt werden.DE-AS 1 764 542 describes a method for producing an electrical stacked capacitor, in which capacitor strips are stacked to form a mother capacitor, the mother capacitor is provided with end contact layers by means of looping and is subjected to a heat treatment, and then by cuts perpendicular to the course of the capacitor strips in the desired sub-capacitors is divided, the mother capacitor being stacked and contacted such that the desired sub-capacitors can be cut off at any point on the mother capacitor, furthermore all process steps which influence the capacitance of the capacitor are carried out on the mother capacitor, then the capacitance of the entire mother capacitor or larger portions thereof are measured and the length corresponding to the desired capacitance of the individual capacitors is determined, and finally partial capacitors with the corresponding length from the mother capacitor or a larger section of the same.
Die Kapazität eines solchen Kondensators hängt von der dielektrisch wirksamen Fläche, der Dicke des Dielektrikums, der Dicke der Luftspalte zwischen den kapazitiv wirksamen Lagen und der Dielektrizitätskonstanten des Dieleketrikums ab. Von diesen Größen kann nur die Dielektrizitätskonstante als konstant angesehen werden.The capacitance of such a capacitor depends on the dielectric effective area, the thickness of the dielectric, the thickness of the air gaps between the capacitively active layers and the dielectric constant of the dielectric. Of these quantities, only the dielectric constant can be regarded as constant.
Gerade dies ist aber bei keramischen Kaltleitern nicht der Fall, denn das würde bedeuten, daß die erzielbaren elektrischen Werte eines solchen Kaltleiters konstant wären. Dies trifft jedoch nicht zu, sondern vielmehr hängen der spezifische Widerstand und eine Reihe anderer materialabhängiger elektrischer Werte des Kaltleiters - wie oben bereits ausgeführt ist - von einer Reihe anderer Faktoren ab, so daß nur bei extrem genauer Ein- , haltung der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials undder Parameter für die Vorbehandlung und Sinterung in der fabrikmäßigen Großproduktion stets reproduzierbare Werte mit geringem Ausfall resultieren können. Ein solches Vorgehen wäre für die Herstellung von keramischen Kaltleitern mit eng tolerierten elektrischen Werten, insbesondere mit eng toliertem Nennwiderstandswert, zwingend erforderlich, jedoch ist dies in der Praxis nicht möglich, weil die Reinheit der Ausgangsstoffe von Hersteller zu Hersteller und auch von Charge zu Charge eines Herstellers unterschiedlich ist, weil die Vorbehandlungsbedingungen (Zerkleinern, Mischen, Mahlen, Vorbrennen) und die Sinterbedingungen selbst wiederum von anderen Faktoren abhängen, wie Temperatur der Mahlflüssigkeit, Geschwindigkeit des Mischers, Wärmeübergang im Reaktionsofen und Temperaturreglung des Sinterofens und anderem.But precisely this is not the case with ceramic PTC thermistors, because this would mean that the achievable electrical values of such a PTC thermistor would be constant. However, this does not apply, but rather the specific resistance and a number of other material-dependent electrical values of the PTC thermistor - as already explained above - depend on a number of other factors, so that only with extremely precise input, Maintaining the composition of the starting material and the parameters for pretreatment and sintering in large-scale factory production can always result in reproducible values with little failure. Such a procedure would be absolutely necessary for the production of ceramic PTC thermistors with tightly tolerated electrical values, especially with tightly tolated nominal resistance values, but this is not possible in practice because the purity of the starting materials varies from manufacturer to manufacturer and also from batch to batch Manufacturer is different because the pretreatment conditions (crushing, mixing, grinding, pre-firing) and the sintering conditions themselves depend on other factors such as the temperature of the grinding fluid, speed of the mixer, heat transfer in the reaction furnace and temperature control of the sintering furnace and others.
Man hat deshalb bei der Herstellung keramischer Kaltleiter eine hinsichtlich ihrer Abmessungen für die einzelnen Werte festliegenden Bauform zugrundegelegt und hat einerseits relativ hohe Ausschußraten von 20 bis zu Prozent bzw. größere Toleranzen von über + 20 % der einzelnen elektrischen Werte in Kauf genommen.For this reason, the manufacture of ceramic PTC thermistors is based on a design that is fixed in terms of their dimensions for the individual values and, on the one hand, relatively high rejection rates of 20 to percent or larger tolerances of over + 20% of the individual electrical values have been accepted.
Gemäß der Gleichung R = (g. d) : F ist nämlich der Widerstandswert R direkt proportional zur Dicke d des Körpers und zum spezifischen Widerstand g und umgekehrt proportional zur Fläche F. Fläche F und Dicke d sind durch die Bauform festgelegt (wobei auch die Brennschwindung berücksichtigt werden muß), und der spezifische Widerstand P stellt sich, abhängig vom Ausgangsmaterial, von den Vorbehandlungs- und den Sinterbedingungen, bei der Herstellung von selbst ein. Es verbleibt somit beim Stand der Technik kein Faktor frei wählbar (Freiheitsgrad).According to the equation R = (g. D): F the resistance value R is directly proportional to the thickness d of the body and to the specific resistance g and inversely proportional to the area F. Area F and thickness d are determined by the design (also the Burning shrinkage must be taken into account), and the specific resistance P arises, depending on the starting material, the pretreatment and the sintering conditions, during the production itself. In the state of the art, no factor remains freely selectable (degree of freedom).
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das weniger von der Reinheit der Ausgangsmaterialien und von der Konstanz der einzelnen Behandlungs- und Sinterungsparameter, also von den den spezifischen Widerstand bestimmenden Parametern, abhängt und das dennoch zu keramischen Kaltleitern mit eng tolerierten elektrischen Werten, insbesondere mit eng toleriertem Nennwiderstandswert R25 führt und dabei den Ausschußanteil verringert. Eng toleriert im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet eine Abweichung vom angestrebten Wert maximal + 20 %, vorzugsweise um + 10 %.The present invention is based on the object to specify a method which is less dependent on the purity of the starting materials and on the constancy of the individual treatment and sintering parameters, i.e. on the parameters determining the specific resistance, and which nonetheless leads to ceramic PTC thermistors with closely tolerated electrical values, in particular with a narrowly tolerated nominal resistance value R 25 leads and thereby reduces the proportion of rejects. Tolerated within the meaning of the present invention means a deviation from the desired value at most + 20%, preferably by + 10%.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß von einem gesinterten plattenförmigen Körper aus keramischem Kaltleitermaterial ausgegangen wird, dessen Fläche bei gegebener Dicke und gegebenen elektrischen Eigenschaften des Materials (spezifischer Widerstand, Bezugstemperatur, Spannungsfestigkeit, Steilheit des Widerstandsanstiegs) ein Vielfaches der Fläche der letztlich herzustellenden keramischen Kaltleiter ist, daß dieser plattenförmige Gesamtkörper auf seinen großen Flächen mit Metallschichten als Metallbelegungen versehen wird, wonach der auf die Flächeneinheit entfallende Widerstandswert ermittelt wird und dann die Gesamtkörper in die hinsichtlich der eng tolerierten elektrischen Werte gewünschten Kaltleiter in Form von Quadraten, Rechtecken, Dreiecken oder gleichseitigen Rauten aufgeteilt wird.To achieve this object, the method of the type specified at the outset is characterized in that a sintered plate-shaped body made of ceramic thermistor material is used, the surface of which, given the thickness and given electrical properties of the material (specific resistance, reference temperature, dielectric strength, steepness of the increase in resistance) A multiple of the area of the ceramic thermistor that is ultimately to be produced is that this plate-shaped overall body is provided on its large areas with metal layers as metal coverings, after which the resistance value attributable to the area unit is determined and then the overall body is converted into the PTC thermistor desired in terms of the closely tolerated electrical values Form of squares, rectangles, triangles or equilateral diamonds is divided.
Das Auftragen der als Metallbelegung dienenden Metallschicht geschieht in an sich bekannter Weise, wie in der Diskussion des Standes der Technik bereits erläutert. Zu bevorzugen ist die Herstellung einer Aluminiumgrundschicht auf dem Grundkörper aus Kaltleitermaterial auf galvanischem Wege und danach das Auftragen einer Kupferschicht mittels Flammspritzverfahren, wie es in der DE-OS 28 38 508 bereits beschrieben ist.The metal layer serving as metal coating is applied in a manner known per se, as already explained in the discussion of the prior art. It is preferable to produce an aluminum base layer on the base body from thermistor material by galvanic means and then to apply a copper layer by means of the flame spraying method, as already described in DE-OS 28 38 508.
Vorteilhafterweise werden vor der Ermittlung des auf die Flächeneinheit entfallenden Widerstandswertes die Randzonen des Gesamtkörpers abgetrennt, weil dann die Ermittlung zu genaueren Werten führt.Advantageously, the edge zones of the entire body are separated before the resistance value attributable to the unit area is determined, because the determination then leads to more precise values.
Ferner ist es vorteilhaft, die Metallschichten im Siebdruckverfahren oder unter Verwendung einer Schablone herzustellen, und die von Metallschichten freien Randzonen des Gesamtkörpers dann zusammen mit seinem Aufteilen in die einzelnen Kaltleiter zu entfernen.Furthermore, it is advantageous to produce the metal layers using the screen printing process or using a stencil, and then to remove the edge zones of the entire body which are free of metal layers, together with its division into the individual PTC thermistors.
In der "Keramischen Zeitschrift", 21. Jahrgang, Nr. 11, 1969, Seite 730 bis 732, ist zwar die Herstellung keramischer scheibenförmiger elektrischer Bauteile beschrieben, die mit Hilfe eines mit Ultraschall angetriebenen - Meißelwerkzeuges aus einer größeren Keramikscheibe her-ausgetrennt werden, jedoch handelt es sich dabei meist um Scheiben mit sehr kleinem Durchmesser (bis 2 mm) und außerdem liegen die Abmessungen der Meißelwerkzeuge des Ultraschallgerätes fest, so daß ein solches Verfahren praktisch dem Stand der Technik entspricht, bei dem - wie oben dargelegt - sämtliche aufgeführten Schwierigkeiten in Kauf genommen werden.In the "Keramische Zeitschrift", Volume 21, No. 11, 1969, pages 730 to 732, the manufacture of ceramic disk-shaped electrical components is described, which are cut out of a larger ceramic disk with the aid of an ultrasound-driven chisel tool. however, these are usually disks with a very small diameter (up to 2 mm) and also the dimensions of the chisel tools of the ultrasound device are fixed, so that such a method practically corresponds to the prior art, in which - as explained above - all the difficulties listed to be accepted.
Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß die Fläche F nach dem Sinter- und Metallisierungsvorgang frei wählbar ist, wodurch die Aufgabe überaus zufriedenstellend gelöst wird. Zusätzlich werden die Vorteile erzielt, daß die Masseauswahl vereinfacht ist, ein gegenüber der Einzelherstellung erheblicher Rationalisierungseffekt resultiert und daß die Spannungsfestigkeit der keramischen Kaltleiter, insbesondere bei Kaltleitermassen für bei hohen Temperaturen zu betreibende Widerstände, verbessert ist, weil durch den Trennvorgang die Oberfläche an der Trennkante neu entsteht und nicht durch Sintereinflüsse beeinträchtigt ist, die bei der Einzelherstellung auftreten.The advantage of the method of the present invention is that the surface F can be freely selected after the sintering and metallization process, as a result of which the object is achieved in an extremely satisfactory manner. In addition, the advantages are achieved that the mass selection is simplified, a considerable rationalization effect results compared to the individual production, and that the dielectric strength of the ceramic PTC thermistor, in particular in the case of PTC thermistor masses for resistors to be operated at high temperatures, is improved because the surface at the separating edge is separated by the separation process is newly created and is not affected by the sintering influences that occur during individual production.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren erläutert.The invention is explained below with reference to the figures.
Es zeigen:
- Figur 1 einen plattenförmigen Gesamtkörper, von dem Einzelkaltleiter in Quadratform oder in Rechteckform abtrennbar sind und
Figur 2 einen Gesamtkörper, von dem Einzelkaltleiter in Form gleichseitiger Dreiecke oder in Form gleichseitiger Rauten abgetrennt werden können.
- Figure 1 shows a plate-shaped body, from which single PTC thermistors in square or rectangular shape can be separated and
- Figure 2 shows a whole body, from the single PTC thermistor in the form of equilateral triangles or in the form of equilateral diamonds.
In Figur 1 ist mit 1 der Gesamtkörper bezeichnet. Der Körper 1 ist vor dem Auftrennen auf seiner gesamten Oberfläche, zumindest aber auch auf den Oberflächenbereichen, die später als Einzelkaltleiter verwendet werden sollen, mit einer in der Zeichnung nicht gezeigten Metallbelegung auf beiden großen Flächen versehen. An den Schmalseiten 11 und den Längsseiten 12 des Körpers 1 sind die Randbereiche 7 bzw. 8 zu erkennen.In Figure 1, 1 denotes the entire body. The body 1 is provided with a metal coating, not shown in the drawing, on both large surfaces on its entire surface, but at least also on the surface regions which are to be used later as individual PTC thermistors, before the separation. The edge regions 7 and 8 can be seen on the
Nach der Ermittlung des pro Flächeneinheit entfallenden Widerstandswertes wird der Körper 1 längs von Linien 15, 16 aufgeteilt, die in Richtung der x-Achse und in Richtung der y-Achse verlaufen.After determining the resistance value per unit area, the body 1 is divided along
Unter Berücksichtigung des Materialverlustes beim Auftrennen, das vorzugsweise mit Kreissägeblättern mit Diat mantauflage erfolgt, wird festgelegt, welche Abmessungen in x- oder y-Richtung einzuhalten sind. Es entstehen dann entweder Einzelkaltleiter 3 in Quadratform oder Einzelkaltleiter 4 in Rechteckform (durch Schraffierung hervorgehoben). iTaking into account the loss of material during cutting, which is preferably done with circular saw blades with a diet support, it is determined which dimensions are to be observed in the x or y direction. Either single PTC thermistor 3 in square shape or single PTC thermistor 4 in rectangular shape are then created (highlighted by hatching). i
Die Randzonen 7 und 8 werden entweder vor der Ermittlung des auf die Flächeneinheit entfallenden Widerstandswertes abgetrennt, und zwar in dem Fall, wenn die gesamte Oberfläche einschließlich der Seitenflächen in Dickenrichtung des Gesamtkörpers 1 mit der Metallschicht versehen sind. Wird die Metallschicht mit Ausnahme der Randbereiche 7 und 8 im Siebdruckverfahren oder mittels Schablone aufgetragen, dann können die diese Randzonen 7 und 8 auch erst dann entfernt werden, wenn der Gesamtkörper 1 zu den einzelnen Kaltleitern 3 oder 4 aufgeteilt wird.The edge zones 7 and 8 are either determined before the resistance value attributable to the unit area tes separated, in the case when the entire surface including the side surfaces in the thickness direction of the entire body 1 are provided with the metal layer. If the metal layer, with the exception of the edge regions 7 and 8, is applied by screen printing or by means of a stencil, then these edge zones 7 and 8 can only be removed when the entire body 1 is divided into the individual PTC thermistors 3 or 4.
In Figur 2 ist gezeigt, daß der aus keramischem Kaltleitermaterial bestehende Gesamtkörper 2 durch zueinander jeweils im Winkel von 60° stehende Trennlinien 17, 18 und 19 in gleichschenklige keramische Kaltleiter 5 oder auch in rautenförmige Kaltleiter 6 aufgeteilt werden kann (ebenfalls durch Schraffierung hervocgehoben).In Figure 2 it is shown that the
Auch hier werden die an den Breitseiten 13 und Längsseite 14 befindlichen Randzonen 9 und 10 in der Weise und zu dem Zeitpunkt entfernt, wie es bei Figur 1 beschrieben ist.Here too, the
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