EP0193854B1 - Elektrischer Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an electrical resistor with a negative temperature coefficient of its resistance value, generally referred to as a thermistor, NTC resistor or NTC thermistor, made of a disk made of densely sintered metal oxide ceramic with a small diameter, in particular 1.5 mm to 5 mm and a small thickness, in particular 0, 6 mm to 2.5 mm and with attached, firmly adhering and solderable coatings on the end faces of the pane and current supply elements fastened to them with solder.
- a thermistor, NTC resistor or NTC thermistor made of a disk made of densely sintered metal oxide ceramic with a small diameter, in particular 1.5 mm to 5 mm and a small thickness, in particular 0, 6 mm to 2.5 mm and with attached, firmly adhering and solderable coatings on the end faces of the pane and current supply elements fastened to them with solder.
- the invention further relates to a method for producing such an NTC resistor, in which current supply elements are applied to the sintered and coated disc and fastened by means of solder.
- Disk heaters for temperatures from -60 ° C to + 300 ° C, preferably from -30 ° C to + 150 ° C are e.g. Made from the oxides of the transition metals manganese, iron, cobalt, copper, nickel and zinc by pressing under high pressure and then sintering (see SIEMENS Heissleiter delivery program 1984/85 from July 1984, page 2). The resulting ceramic body initially does not allow any soldered connections.
- the coverings often consist of two or more layers of different metals, of which the first layer attached to the ceramic consists of a metal which forms a firm, ohmic contact with the ceramic material, provided such a contact is required, while the outer layer consists of a solderable, noble metal.
- Thermocouples made of preferably small, disc-shaped NTC resistance elements with solderable coatings and with connection wires soldered to them and carrying the resistance element are produced in many variations, since one advantage of these designs is that they are simple, cheap and can be produced in large quantities in an automatic process can be.
- the resistance drift of hot conductor disks with soldered power supply elements is sometimes up to 100% of the initial resistance after repeated thermal shock loads.
- the present invention is based on the object of specifying a small, disk-shaped NTC resistor with current supply elements soldered to solderable metallic coatings, the connection resistance of which, when subjected to a temperature shock load of 100 times, between -60 ° C and + 300 ° C, preferably -30 ° C to + 130 ° C has a drift of less than 1% and in which a stable mounting of the ceramic disc is ensured by the current supply elements carrying it, furthermore it is an object of the invention to provide a method for producing such an NTC resistor.
- the NTC resistor of the type specified at the outset is characterized in that the power supply elements are annular at one end as a largely closed eyelet, the outer diameter of which is at most 60% of the diameter of the coating on the disk, the annular eyelet of each power supply element is soldered to the center of the coating, the solder encloses the eyelet, the extent of the solder is limited to the area of the eyelet and the edge areas of the coating are not covered by the solder.
- the power supply elements consist of a solderable wire, the end of which is shaped into a largely closed, annular eyelet.
- This wire can be, for example, a silver wire, a silver-plated copper wire or a tinned copper wire, the wire cross-section being between 0.2 mm and 0.8 mm, depending on the size of the hot conductor disc.
- the power supply elements are molded parts which are stamped from the sheet of a solderable metal, the material thickness of which is between 0.2 mm and 0.8 mm and in which the difference between the outside diameter and inside diameter of the eyelet located at one end is approximately twice the sheet thickness.
- each power supply element By forming one end of each power supply element as a largely closed, ring-shaped eyelet with a smaller outer diameter than the disk diameter, it is possible, on the one hand, to achieve a firmly bonded connection of the ceramic disk to the power supply elements, which has a peel strength of 15 N to 25 N, in particular of 20 N having.
- connection resistance of a disk thermistor produced in this way with soldered, supporting the ceramic disk Power supply elements have a drift of less than 1% of their initial value even with a hundredfold temperature change stress from -30 ° C to + 130 ° C.
- the invention thus enables the production of small, with respect to thermal shock, stable disc heaters according to the preamble of claim 1, which represent an inexpensive alternative to the previously customary shock-resistant NTC thermistors in the temperature range mentioned, in which, for example, platinum wires are sintered directly into the ceramic material or small thermistor discs with metallized end faces are held in clamping contact springs, which also make electrical contact with the assignments.
- thermistors are often additionally melted into a glass housing and are much more expensive to manufacture than comparable NTC resistors according to the invention (see p. 13 of the SIEMENS delivery program mentioned).
- each power supply element is designed as an annular eyelet, which is centrally soldered to the metallic coatings, is also found in US Pat. No. 2,606,955, but there is a capacitor made of a ceramic disk with metallic Provide surface coverings of the Stinsreiten of power supply elements, which consist of a wire, one end of which is shaped to an incompletely closed eyelet.
- these eyelets are attached to the coatings by dip soldering, which are therefore completely covered with solder, including in the edge area.
- the method for producing an NTC resistor of the type mentioned at the outset is characterized in that, in order to solder each current supply element, solder is connected to the ring-shaped eyelets in such a quantity that the spread of the liquid solder essentially only to the area the eyelet remains limited.
- a method that can be used here is described, for example, in DE-PS 2 834 348.
- the procedure is such that a precisely specified amount of a melt of a low-melting metal is fed to a compressed air nozzle, from which it is sprayed abruptly and completely onto the connecting wire and onto a surface of a metal layer defined by a lateral seal in the vicinity of the connecting wire.
- solder in the form of a solder wire is brought into connection with the coatings in the middle of the disk, spreads radially when the solder joint is heated, and essentially covers only the area of the eyelet resting on the coatings.
- a disc 1 which in practice e.g. has a diameter D of 3 mm and a thickness d of 1 mm, and which consists of densely sintered metal oxide ceramic and has a negative temperature coefficient of the resistance value.
- the disc 1 On its end faces 2, 3, the disc 1 is provided with metallic coatings 4, 5.
- barrier layer-free and adherent coatings 4, 5 consist, for example, of a first layer of aluminum or an alloy predominantly containing aluminum, which is produced by the screen printing process, and a second, solderable layer of copper, which is applied by flame spraying.
- the power supply elements 6, 7 consist of a silver wire with a diameter of 0.4 mm, which is formed at one end 9 into a largely closed, ring-shaped eyelet 10, the outer diameter A of which is 1.5 mm.
- the solder 8 encloses the eyelets 10 and covers the coatings 4, 5 essentially only in the area of the eyelets 10, while the edge regions 11 of the coatings 4, 5 remain free of solder 8.
- the solder 8 has only been shown on the end face 2 for better illustration of an eyelet 10.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen elektrischen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten seines Widerstandswertes, allgemein als Heissleiter, NTC-Widerstand oder NTC-Thermistor bezeichnet, aus einer Scheibe aus dichtgesinterter Metalloxidkeramik mit geringem Durchmesser, insbesondere 1,5 mm bis 5 mm und geringer Dicke, insbesondere 0,6 mm bis 2,5 mm und mit an den Stirnseiten der Scheibe angebrachten, festhaftenden und lötfähigen Belegungen und daran mit Lot befestigten Stromzuführungselementen.
- Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen NTC-Widerstandes, bei dem an die gesinterte und mit Belegungen versehene Scheibe Stromzuführungselemente angelegt und mittels Lot befestigt werden.
- Scheibenheissleiter für Temperaturen von -60°C bis +300°C, vorzugsweisevon-30°C bis + 150°C werden z.B. aus den Oxiden der Übergangsmetalle Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Nickel und Zink durch Pressen unter hohem Druck und anschliessendes Sintern hergestellt (vgl. SIEMENS-Heissleiter-Lieferprogramm 1984/85 von Juli 1984, Seite 2). Der dabei entstehende Keramikkörper lässt zunächst keine Lötverbindungen zu.
- Die elektrische Kontaktierung einer solchen Keramikscheibe erfolgt üblicherweise durch Aufbringen von gut festhaftenden, metallischen Belegungen auf die Stirnseiten der Scheibe. Derartige Verfahren sind hinreichend bekannt (DE-OS 1 947 799, US-PS 3 676 211 sowie US-PS 3 793 604).
- Sollen an diese Belegungen Stromzuführungselemente angelötet werden, bestehen die Belegungen oft aus zwei oder mehr Schichten unterschiedlicher Metalle, von denen die an der Keramik anliegende, erste Schicht aus einem Metall besteht, das mit dem Keramikmaterial einen festhaftenden, ohmschen Kontakt bildet, sofern ein solcher Kontakt erforderlich ist, während die äussere Schicht aus einem gut lötbaren, edleren Metall besteht.
- Aus der DE-OS 2 838 508 ist beispielsweise ein Verfahren zur lötfähigen, sperrschichtfreien Kontaktbelegung an keramischen PTC-Widerständen bekannt, bei dem die erste, aus Aluminium oder einer überwiegend Aluminium enthaltenden Legierung bestehende Schicht im Siebdruckverfahren hergestellt ist und die zweite Schicht aus Kupfer besteht, das durch Flammspritzen aufgetragen ist.
- Thermofühler aus vorzugsweise kleinen, scheibenförmigen NTC-Widerstandselementen mit lötfähigen Belegungen und mit auf diesen festgelöteten, das Widerstandselement tragenden Anschlussdrähten werden in vielen Variationen hergestellt, da ein Vorteil dieser Ausführungen darin liegt, dass sie einfach, billig und in einem automatischen Verfahren in hohen Stückzahlen produziert werden können.
- Die bereits genannte US-PS 3 676 211 offenbart ein Verfahren, bei dem mit lötfähigen Belegungen versehene Keramikscheiben zwischen zueinander gekreuzte Anschlussdrähte geklemmt werden, die parallel und radial auf der Elektrodenoberfläche aufliegen, in einem automatisierten Verfahren tauchgelötet und bei Bedarf mit einem isolierenden Überzug versehen werden.
- Die ebenfalls bereits genannte US-PS 3 793 604 beschreibt eine Ausführung von Scheibenthermistoren, bei der sich die Strecke, auf der der Anschlussdraht mit der Belegung verlötet ist, nicht mehr bis zum Rand der Keramikscheibe erstreckt, sondern nurmehr über die Hälfte des Scheibendurchmessers in der Mitte der Scheibe, was eine verbesserte Haftfähigkeit der angelöteten Anschlussdrähte bewirken soll.
- Werden solche Thermistoren mit radial angelöteten Anschlussdrähten rasch wechselnden Temperaturen ausgesetzt, kommt es also zu einer Temperaturschockbeanspruchung, so sind die Lötverbindungen starken mechanischen Belastungen ausgesetzt, was von den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungseigenschaften von Keramik einerseits und Anschlussdraht andererseits herrührt.
- Die Widerstandsdrift von Heissleiterscheiben mit angelöteten Stromzuführungselementen beträgt nach mehrmaliger Temperaturschockbeanspruchung teilweise sogar bis zu 100% des Anfangswiderstandes.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen kleinen, scheibenförmigen NTC-Widerstand mit an lötfähigen metallischen Belegungen angelöteten Stromzuführungselementen anzugeben, dessen Anschlusswiderstand bei einer Temperaturschockbeanspruchung von 100fachem Wechsel zwischen -60°C und +300°C, vorzugsweise -30°C bis + 130°C eine Drift von weniger als 1 % aufweist und bei dem eine stabile Halterung der Keramikscheibe durch die sie tragenden Stromzuführungselemente gewährleistet ist, ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen NTC-Widerstandes anzugeben.
- Zur Lösung dieser Aufgabe ist der NTC-Widerstand der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführungselemente an ihrem einen Ende ringförmig als weitgehend geschlossene Öse ausgebildet sind, deren Aussendurchmesser höchstens 60% des Durchmessers der Belegungen der Scheibe beträgt, die ringförmige Öse jedes Stromzuführungselementes mittig auf den Belegungen festgelötet ist, das Lot die Öse umschliesst, die Ausdehnung des Lotes auf den Bereich der Öse beschränkt ist und die Randbereiche der Belegungen vom Lot nicht bedeckt sind.
- In einer vorteilhaften Ausführung bestehen die Stromzuführungselemente aus einem lötfähigen Draht, dessen Ende zu einer weitgehend geschlossenen, ringförmigen Öse geformt ist. Dieser Draht kann beispielsweise ein Silberdraht, ein versilberter Kupferdraht oder ein verzinnter Kupferdraht sein, wobei der Drahtquerschnitt je nach Grösse der Heissleiterscheibe zwischen 0,2 mm und 0,8 mm beträgt.
- Die Stromzuführungselemente sind in einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung Formteile, die aus dem Blech eines lötfähigen Metalles gestanzt sind, deren Materialstärke zwischen 0,2 mm und 0,8 mm beträgt und bei denen die Differenz zwischen Aussendurchmesser und Innendurchmesser der am einen Ende befindlichen Öse etwa das Doppelte der Blechstärke beträgt.
- Durch die Ausbildung eines Endes jedes Stromzuführungselementes als weitgehend geschlossene, ringförmige Öse mit einem kleineren Aussendurchmesser als dem Scheibendurchmesser gelingt es zum einen, eine festhaftende Verbindung der Keramikscheibe mit den Stromzuführungselementen zu erzielen, die eine Abziehfestigkeit von 15 N bis 25 N, insbesondere von 20 N aufweist.
- Darüberhinaus wird in Verbindung mit dem weiteren kennzeichnenden Merkmal, nach dem das Lot weitgehend auf den Bereich der Öse beschränkt bleibt und die Randgebiete der Belegungen nicht bedeckt, das überraschende und unerwartete Ergebnis erzielt, dass der Anschlusswiderstand eines derart hergestellten Scheibenheissleiters mit gelöteten, die Keramikscheibe tragenden Stromzuführungselementen selbst bei einer hundertfachen Temperaturwechselbeanspruchung von -30°C auf + 130°C eine Drift von weniger als 1 % seines Ausgangswertes aufweist.
- Die Erfindung ermöglicht somit die Herstellung kleiner, gegenüber Temperaturschockbeanspruchung stabiler Scheibenheissleiter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, die im genannten Temperaturbereich eine preisgünstige Alternative zu den bisher üblichen schockfesten NTC-Thermistoren darstellen, bei denen beispielsweise Platindrähte direkt in das Keramikmaterial eingesintert werden oder kleine Heissleiterscheiben mit metallisierten Stirnseiten in klemmenden Kontaktfedern gehalten werden, die auch den elektrischen Kontakt zu den Belegungen herstellen.
- Diese Thermistoren sind vielfach zusätzlich in Glasgehäuse eingeschmolzen und in ihrer Herstellung wesentlich teuerer als vergleichbare NTC-Widerstände gemäss der Erfindung (vgl. S. 13 des genannten SIEMENS-Lieferprogrammes).
- Das Merkmal nach Anspruch 1, wonach ein Ende eines jeden Stromzuführungselementes als ringförmige Öse ausgebildet ist, die auf den metallischen Belegungen zentral festgelötet ist, findet sich zwar auch in der US-PS 2 606 955, jedoch ist dort ein Kondensator aus einer Keramikscheibe mit metallischen Oberflächenbelegungen der Stinrseiten von Stromzuführungselementen versehen, die aus einem Draht bestehen, dessen eines Ende zur einer nicht vollständig geschlossenen Öse geformt ist. Diese Ösen werden jedoch im Gegensatz zur Lehre der Erfindung im Tauchlötverfahren auf den Belegungen befestigt, die somit völlig, auch im Randbereich, mit Lot bedeckt sind.
- In der mehrfach erwähnten US-PS 3 793 604 wird zwar darauf hingewiesen, dass sich die Abziehfestigkeit von geraden Anschlussdrähten, die radial auf metallische Belegungen von scheibenförmigen Keramikwiderständen aufgelötet sind, deutlich erhöhen lässt, wenn der Anschlussdraht nicht bis in den Randbereich der Belegungen aufliegt, sondern nur in der Mitte der Scheibe festgelötet wird, jedoch werden auch hier im Gegensatz zur Erfindung die Anschlussdrähte im Tauchlötverfahren an den Belegungen befestigt, so dass diese vollständig mit Lot bedeckt sind; eine Verbesserung der Stabilität bei Temperaturschockbeanspruchung wird bei derartigen Thermistoren nicht erzielt.
- Keine der genannten Veröffentlichungen gibt somit dem Fachmann einen Hinweis darauf, zur Beseitung der bekannten Drift des Widerstandswertes von kleinen Heissleiterscheiben mit angelöteten Stromzuführungselementen bei Temperaturschockbeanspruchung so vorzugehen, wie es die Erfindung lehrt.
- Es handelt sich vielmehr um einen unerwarteten und überraschenden Effekt, der dem Fachmann vom Stand der Technik in keiner Weise nahegelegt wird.
- Das Verfahren zur Herstellung eines NTC-Widerstandes der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass zum Anlöten jedes Stromzuführungselementes Lot in einer derart bemessenen Menge mit den aufliegenden ringförmigen Ösen in Verbindung gebracht wird, dass die Ausbreitung des flüssigen Lotes im wesentlichen nur auf den Bereich der Öse beschränkt bleibt.
- Ein Verfahren, das hier anwendbar ist, ist beispielsweise in der DE-PS 2 834 348 beschrieben. Dabei wird für einen anderen Zweck so vorgegangen, dass eine genau vorgegebene Menge einer Schmelze eines niedrigschmelzenden Metalls einer Pressluftdüse zugeführt, aus dieser stossartig und vollständig auf den Anschlussdraht und auf eine durch eine seitliche Dichtung festgelegte Fläche einer Metallschicht in der Umgebung des Anschlussdrahtes aufgespritzt wird.
- Es ist vorteilhaft, wenn das Lot in Form eines Lötdrahtes in der Mitte der Scheibe mit den Belegungen in Verbindung gebracht wird, sich beim Erhitzen der Lötstelle radial ausbreitet und dabei im wesentlichen nur den Bereich der auf den Belegungen aufliegenden Öse bedeckt.
- Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei zeigt im einzelnen
- Fig. 1 die Stirnseite eines erfindungsgemässen NTC-Widerstandes in Draufsicht und
- Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch einen erfindungsgemässen NTC-Widerstand längs der Linie 11-11 in Fig. 1.
- In beiden Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
- In dem Ausführungsbeispiel ist eine Scheibe 1 gezeigt, die in der Praxis z.B. einen Durchmesser D von 3 mm und eine Dicke d von 1 mm aufweist, und die aus dichtgesinterter Metalloxidkeramik besteht und einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes besitzt. An ihren Stirnseiten 2, 3 ist die Scheibe 1 mit metallischen Belegungen 4, 5 versehen.
- Diese sperrschichtfreien und festhaftenden Belegungen 4, 5 bestehen beispielsweise aus einer ersten Schicht aus Aluminium oder einer überwiegend Aluminium enthaltenden Legierung, die im Siebdruckverfahren hergestellt ist, und einer zweiten, lötfähigen Schicht aus Kupfer, die durch Flammspritzen aufgetragen ist.
- Es ist aber auch möglich und je nach der verwendeten Oxidkeramik ausreichend, die Belegungen 4, 5 unmittelbar auf den Stirnseiten 2, 3 der Scheibe 1 durch Auftragen und Einbrennen des an sich hinreichend bekannten Einbrennsilbers zu erzeugen (vgl. die bereits genannte US-PS 3 793 604).
- Die Stromzuführungselemente 6, 7, bestehen in diesem Beispiel aus einem Silberdraht mit einem Durchmesser von 0,4 mm, der an einem Ende 9 zu einer weitgehend geschlossenen, ringförmigen Öse 10 geformt ist, deren Aussendurchmesser A 1,5 mm beträgt.
- Diese Ösen sind zentral auf die Belegungen 4, 5 aufgelegt und mit Lot 8 auf den Belegungen 4, 5 befestigt. Das Lot 8 umschliesst die Ösen 10 und bedeckt die Belegungen 4, 5 im wesentlichen nur im Bereich der Ösen 10, während die Randbereiche 11 der Belegungen 4, 5 von Lot 8 frei bleiben. In Fig. 2 wurde das Lot 8 zur besseren Darstellung einer Öse 10 nur auf der Stirnseite 2 gezeigt.
Claims (5)
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