EP2047486B1 - Widerstandselement mit ptc-eigenschaften und hoher elektrischer und thermischer leitfähigkeit - Google Patents

Widerstandselement mit ptc-eigenschaften und hoher elektrischer und thermischer leitfähigkeit Download PDF

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EP2047486B1 EP07785661A EP07785661A EP2047486B1 EP 2047486 B1 EP2047486 B1 EP 2047486B1 EP 07785661 A EP07785661 A EP 07785661A EP 07785661 A EP07785661 A EP 07785661A EP 2047486 B1 EP2047486 B1 EP 2047486B1
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recesses
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thermal conductivity
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    • H01C1/08—Cooling, heating or ventilating arrangements
    • H01C1/084—Cooling, heating or ventilating arrangements using self-cooling, e.g. fins, heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—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
    • H01C7/02—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

Definitions

  • An object to be solved is to provide a resistance element which is characterized by a high electrical and thermal conductivity.
  • a ceramic ceramic body resistance element having PTC characteristics is disclosed.
  • the abbreviation PTC stands for Positive Temperature Coefficient.
  • the first and second major surfaces of the ceramic body have an array of depressions.
  • the first major surface of the ceramic body has an array of first recesses and the second major surface of the ceramic body has an array of second recesses.
  • the main surfaces of the ceramic body including the surface of the recesses, are preferably covered with an electrode layer.
  • Each electrode layer forms an electrode surface.
  • the resistance of the resistive element is the lower the larger the electrode area and the smaller the distance between the electrode layers. These parameters depend directly on the geometric parameters such. B. depth, width of the wells and distance between the wells together. By setting the electrode area explained below and the distance between the electrode layers, it is possible to achieve a given resistance value for the given size of the resistance element.
  • the depressions make it possible, in particular, to increase an effective electrode area of the ceramic body and thus to lower the resistance value of the resistance element compared to the embodiment without depressions.
  • the recesses also make it possible to reduce the distance between two opposite electrode surfaces of the resistance element. By enlarging the electrode surface, it is also possible to achieve a particularly small resistance element with a high heat output. Low resistance and high heat dissipation are also achieved by small distances of the recesses.
  • the first (and second) recesses are preferably in the form of columns or grooves that are parallel to each other.
  • the depressions may also be formed as blind holes. A regular arrangement of identically formed depressions is preferred.
  • the second recesses may be parallel to the first recesses.
  • the second depressions may also extend transversely, in particular perpendicularly or obliquely to the first depressions.
  • the recesses may have any cross section.
  • the side walls of the recesses may be perpendicular or oblique to the major surfaces of the resistive element be curved or curved.
  • the depressions may also have steps.
  • the depth of the recesses preferably exceeds their width.
  • the depth of the depressions may be, for example, at least twice their width.
  • the depth of the recesses is preferably at least 20% of the thickness of the ceramic body.
  • the depth of the recesses may also exceed 50% of the thickness of the ceramic body.
  • the first and second recesses may have the same depth. But they can in principle also have different thicknesses from each other.
  • the second recesses are arranged offset in an advantageous variant with respect to the first recesses (in a plan view).
  • the ceramic body has a serpentine cross section.
  • the staggered first and second recesses may overlap with respect to the thickness direction of the ceramic body (in a side view) so as to interlock with each other in a central area of the ceramic body.
  • the first and second recesses are alternately arranged in the middle region of the ceramic body. In this case, the depth of the recesses exceeds half the thickness of the ceramic body.
  • the second recesses may lie in a further variant (in a plan view) with respect to the first recesses.
  • the depth of the first and the second Recesses smaller than half the thickness of the ceramic body.
  • the recesses may be at least partially filled with a filling material whose thermal conductivity exceeds that of the material of the ceramic body.
  • the filler material can be electrically insulating.
  • the filler material may also be electrically conductive.
  • the ceramic body is preferably a solid, rigid sintered body.
  • BaTiO 3 is suitable as base material for the ceramic body.
  • the ceramic body is preferably provided as a plate.
  • the recesses may be formed as cuts in a sintered ceramic body.
  • the main surfaces of the ceramic body are metallized after the formation of the depressions to form electrode layers.
  • the electrode layers can each z. B. be applied in a galvanic process. They can also be applied by sputtering, steaming or as a metal paste and baked. It is also possible to combine these electrode technologies to generate special layer sequences.
  • Such prefabricated resistor elements are preferably provided with electrical connections for the introduction of current, wherein the mechanical design may correspond to those of radially contacted or SMD capable devices.
  • the assembly of these elements may also include a coating of insulating materials, encapsulation in plastics. In this case, a plurality of resistance elements can be encapsulated together.
  • These resistive elements can also be connected to at least one flat covering layer whose thermal conductivity preferably exceeds that of the material of the ceramic body.
  • This cover layer can be electrically conductive and be suitable as a contact for the current introduction.
  • the cover layer may also be formed as a composite comprising an electrically conductive sub-layer and an electrically insulating sub-layer.
  • the resistive elements can also be arranged without prefabricated connection to cover layers in such a way that the electrical and thermal contacting with the latter can also take place subsequently.
  • Several mechanically interconnected resistive elements can be used together in an array. These resistive elements are preferably electrically connected together.
  • FIG. 1 a resistance element with a ceramic body 1 is shown.
  • the ceramic body 1 has first recesses 21, which are arranged on its first main surface (upper side), and second recesses 22, which are arranged on its second main surface (underside). These depressions are preferably, as in the variant according to the FIG. 2 , filled with a filling material 3, which has a better thermal conductivity than the ceramic body 1.
  • a first electrode layer 61 and on the underside of a second electrode layer 62 is arranged on the upper side of the ceramic body.
  • the electrode layers 61, 62 also cover the surface of the recesses 21, 22.
  • the ceramic body 1 is in the variant according to the FIG. 3 between two cover layers 41, 42 are arranged.
  • the ceramic body 1 is preferably firmly connected to the cover layers 41, 42, for example glued.
  • resistance element is suitable for example as a heating element.
  • FIG. 4 is the resistance element according to the FIG. 2 shown, which led out to the bottom of the resistive element electrical connections 51, 52 has.
  • a resistive element is a surface mountable device or SMD device.
  • SMD stands for Surface Mounted Device.
  • This in FIG. 4 shown resistor element can be mounted on a printed circuit board and is particularly suitable for current protection applications into consideration.
  • the resistive element may alternatively be used as a wired component, i. H. with wire connections, be formed.
  • the depth of in Fig. 5A shown recesses 21, 22 exceeds half the thickness of the ceramic body 1, so that the first recesses partially engage and overlap in a central region 10 of the ceramic body.
  • the ceramic body 1 has a serpentine cross-section.
  • Particularly deep recesses 21, 22 have the advantage that thereby a particularly small distance between the electrode layers 61, 62 adjusted and thus the resistance of the resistive element can be reduced.
  • the depth of the in the Figures 5B and 5C shown depressions 21, 22 is set smaller than half the thickness of the ceramic body 1.
  • the second recesses 22 are directly opposite the first recesses 21.
  • the remaining thickness of the ceramic body between the recesses 21, 22 is selected so that it is sufficient for the stability of the resistive element.
  • FIG. 5D a non-inventive resistance element is presented, which has an array of recesses 21 only on one side.
  • the wells 21, 22 of the in the FIGS. 1 to 5C shown resistor elements have a rectangular cross-section.
  • the cross-section of the recesses 21, 22 may alternatively as in Fig. 5D rounded, as in Fig. 5E with sloping side walls or as in Fig. 5F Be V-shaped.

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Abstract

Es wird ein Widerstandselement mit einem Keramikkörper (1) angegeben, der PTC-Eigenschaften aufweist. Mindestens eine Hauptfläche des Keramikkörpers (1) weist eine Anordnung von Vertiefungen (21, 22) auf.

Description

  • Eine Anordnung mit Körnchen aus PTC-Material, die in einem Bindemittel verteilt sind, ist aus der Druckschrift DE 3107290 A1 bekannt. Aus DE 8309023 U1 ist ein flexibles Element in Bandform bekannt.
  • Aus DE 4441279 C1 ist ein Kaltleiter mit einer metallischen mäanderförmigen Widerstandsbahn bekannt. Aus der US 5397518 ist ein keramisches Widerstandselement bekannt, dessen Hauptfläche Vertiefungen aufweist.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Widerstandselement anzugeben, das sich durch eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit auszeichnet.
  • Es wird ein Widerstandselement mit einem Keramikkörper aus Keramik angegeben, die PTC-Eigenschaften aufweist. Die Abkürzung PTC steht für Positive Temperature Coefficient. Die erste und zweite Hauptfläche des Keramikkörpers weist eine Anordnung von Vertiefungen auf.
  • Die erste Hauptfläche des Keramikkörpersweist eine Anordnung von ersten Vertiefungen und die zweite Hauptfläche des Keramikkörpers eine Anordnung von zweiten Vertiefungen auf.
  • Die Hauptflächen des Keramikkörpers, inklusive der Oberfläche der Vertiefungen, sind vorzugsweise mit einer Elektrodenschicht bedeckt. Jede Elektrodenschicht bildet eine Elektrodenfläche. Der Widerstand des Widerstandselements ist um so niedriger, je größer die Elektrodenfläche und je kleiner der Abstand zwischen den Elektrodenschichten ist. Diese Parameter hängen unmittelbar mit den geometrischen Parametern wie z. B. Tiefe, Breite der Vertiefungen und Abstand zwischen den Vertiefungen zusammen. Durch eine nachstehend erläuterte Einstellung der Elektrodenfläche und des Abstands zwischen den Elektrodenschichten gelingt es, einen vorgegebenen Widerstandswert bei der vorgegebenen Größe des Widerstandselements zu erreichen.
  • Durch die Vertiefungen gelingt es insbesondere, eine wirksame Elektrodenfläche des Keramikkörpers zu vergrößern und somit den Widerstandswert des Widerstandselements gegenüber der Ausführung ohne Vertiefungen zu senken. Durch die Vertiefungen gelingt außerdem eine Verringerung des Abstands zwischen zwei gegenüber liegenden Elektrodenflächen des Widerstandselements. Durch die Vergrößerung der Elektrodenfläche ist es auch möglich, ein besonders kleines Widerstandselement mit einer hohen Wärmeabgabe zu erzielen. Niedrige Widerstände und hohe Wärmeabgabe werden auch durch kleine Abstände der Vertiefungen erreicht.
  • Die ersten (und zweiten) Vertiefungen haben vorzugsweise die Form von Spalten oder Rillen, die parallel zueinander verlaufen. Die Vertiefungen können aber auch als Sacklöcher ausgebildet sein. Eine regelmäßige Anordnung von gleichartig ausgebildeten Vertiefungen ist bevorzugt.
  • Die zweiten Vertiefungen können parallel zu den ersten Vertiefungen verlaufen. Die zweiten Vertiefungen können aber auch quer, insbesondere senkrecht oder schräg zu den ersten Vertiefungen verlaufen.
  • Die Vertiefungen können einen beliebigen Querschnitt aufweisen. Insbesondere können die Seitenwände der Vertiefungen senkrecht oder schräg zu den Hauptflächen des Widerstandselements verlaufen oder gekrümmt sein. Die Vertiefungen können auch Stufen aufweisen.
  • Die Tiefe der Vertiefungen übersteigt vorzugsweise deren Breite. Die Tiefe der Vertiefungen kann beispielsweise mindestens das Doppelte deren Breite betragen. Die Tiefe der Vertiefungen beträgt vorzugsweise mindestens 20% der Dicke des Keramikkörpers. Die Tiefe der Vertiefungen kann auch 50% der Dicke des Keramikkörpers übersteigen. Die ersten und zweiten Vertiefungen können die gleiche Tiefe aufweisen. Sie können aber im Prinzip auch voneinander unterschiedliche Dicken aufweisen.
  • Die zweiten Vertiefungen sind in einer vorteilhaften Variante gegenüber den ersten Vertiefungen versetzt angeordnet (in einer Draufsicht). In diesem Fall weist der Keramikkörper einen schlangenförmigen Querschnitt auf. In dieser Variante gelingt es, besonders tiefe Vertiefungen auszubilden, deren Tiefe die Hälfte der Dicke des Keramikkörpers übersteigen kann.
  • Die versetzt angeordneten ersten und zweiten Vertiefungen können bezüglich der Dickenrichtung des Keramikkörpers (in einer Seitenansicht) derart überlappen, dass sie in einem Mittelbereich des Keramikkörpers ineinander greifen. Die ersten und zweiten Vertiefungen sind dabei im Mittelbereich des Keramikkörpers abwechselnd angeordnet. In diesem Fall übersteigt die Tiefe der Vertiefungen die Hälfte der Dicke des Keramikkörpers.
  • Die zweiten Vertiefungen können in einer weiteren Variante (in einer Draufsicht) gegenüber den ersten Vertiefungen liegen. In diesem Fall ist die Tiefe der ersten und der zweiten Vertiefungen kleiner als die Hälfte der Dicke des Keramikkörpers.
  • Die Vertiefungen können zumindest teilweise mit einem Füllmaterial gefüllt sein, dessen Wärmeleitfähigkeit diejenige des Materials des Keramikkörpers übersteigt. Somit gelingt es, im Keramikkörper Wärmesenken zu schaffen, welche die Wärmeabgabe des Widerstandselements an die Umgebung, z. B. an ein Objekt verbessern.
  • Das Füllmaterial kann elektrisch isolierend sein. Das Füllmaterial kann aber auch elektrisch leitend sein.
  • Der Keramikkörper ist vorzugsweise ein massiver, starrer Sinterkörper. Als Grundmaterial für den Keramikkörper ist BaTiO3 geeignet. Der Keramikkörper ist vorzugsweise als eine Platte bereitgestellt. Die Vertiefungen können in einem gesinterten Keramikkörper als Einschnitte erzeugt werden. Die Hauptflächen des Keramikkörpers werden nach dem Ausbilden der Vertiefungen zur Bildung von Elektrodenschichten metallisiert. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Vertiefungen in einem noch nicht gesinterten Keramikkörper anzuordnen und den Keramikkörper mit den vorgeformten Vertiefungen dem Sintern zu unterziehen.
  • Die Elektrodenschichten können jeweils z. B. in einem galvanischen Verfahren aufgetragen werden. Sie können auch durch Sputtern, Bedampfen oder als eine Metallpaste aufgetragen und eingebrannt werden. Auch Kombination dieser Elektrodentechnologien zur Erzeugung spezieller Schichtfolgen sind möglich.
  • Derart konfektionierte Widerstandselemente sind vorzugsweise mit elektrischen Anschlüssen für die Stromeinleitung versehen, wobei die mechanische Ausführung jener von radial kontaktierten oder SMD fähigen Bauelementen entsprechen kann. Die Konfektionierung dieser Elemente kann auch eine Umhüllung mit isolierenden Materialien, Kapselung in Kunststoffen beinhalten. Dabei können mehrere Widerstandselemente gemeinsam verkapselt sein. Diese Widerstandselemente können auch mit mindestens einer flächig anliegenden Abdeckschicht verbunden sein, deren Wärmeleitfähigkeit diejenige des Materials des Keramikkörpers vorzugsweise übersteigt. Diese Abdeckschicht kann elektrisch leitend sein und als Kontaktierung für die Stromeinleitung geeignet sein. Die Abdeckschicht kann auch als ein Verbund ausgebildet sein, der eine elektrisch leitende Teilschicht und eine elektrisch isolierende Teilschicht umfasst.
  • Die Widerstandselemente können auch ohne vorkonfektionierte Verbindung zu Abdeckschichten derart angeordnet sein, dass die elektrische und thermische Kontaktierung zu dieser auch nachträglich erfolgen kann. Mehrere mechanisch miteinander verbundene Widerstandselemente können gemeinsam in einer Anordnung eingesetzt werden. Diese Widerstandselemente sind vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden.
  • Das angegebene Widerstandselement wird nun anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1 ein Widerstandselement mit einer Anordnung von Vertiefungen auf den beiden Hauptflächen des Keramikkörpers;
    • Figur 2 das Widerstandselement gemäß Figur 1 mit durch einen Füllstoff ausgefüllten Vertiefungen;
    • Figur 3 das Widerstandselement gemäß Figur 2, das zwischen zwei Abdeckschichten angeordnet ist;
    • Figur 4 das Widerstandselement gemäß Figur 2 in SMD-Ausführung;
    • Figur 5 verschiedene Beispiele zur Ausgestaltung von Vertiefungen.
  • In Figur 1 ist ein Widerstandselement mit einem Keramikkörper 1 gezeigt. Der Keramikkörper 1 weist erste Vertiefungen 21 auf, die auf seiner ersten Hauptfläche (Oberseite) angeordnet sind, und zweite Vertiefungen 22, die auf seiner zweiten Hauptfläche (Unterseite) angeordnet sind. Diese Vertiefungen sind vorzugsweise, wie in der Variante gemäß der Figur 2, mit einem Füllmaterial 3 gefüllt, das eine bessere thermische Leitfähigkeit als der Keramikkörper 1 aufweist.
  • Auf der Oberseite des Keramikkörpers ist eine erste Elektrodenschicht 61 und auf dessen Unterseite eine zweite Elektrodenschicht 62 angeordnet. Die Elektrodenschichten 61, 62 bedecken auch die Oberfläche der Vertiefungen 21, 22.
  • Die zweiten Vertiefungen 22 sind gegenüber den ersten Vertiefungen 21 lateral versetzt. Die ersten und zweiten Vertiefungen 21, 22 sind nicht miteinander verbunden. Die Tiefe der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Vertiefungen 21, 22 beträgt ungefähr die Hälfte der Dicke des Keramikkörpers 1. Eine derart tiefe Ausgestaltung der Vertiefungen 21, 22 ist insbesondere möglich, wenn
    1. a) der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden ersten Vertiefungen größer ist als die Breite der zweiten Vertiefungen, und
    2. b) der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden zweiten Vertiefungen größer ist als die Breite der ersten Vertiefungen. Weitere Varianten der Vertiefungen 21, 22 bezüglich deren Tiefe und deren Form sind in den Figuren 5A bis 5F erläutert.
  • Der Keramikkörper 1 ist in der Variante gemäß der Figur 3 zwischen zwei Abdeckschichten 41, 42 angeordnet. Der Keramikkörper 1 ist vorzugsweise mit den Abdeckschichten 41, 42 fest verbunden, beispielsweise verklebt.
  • Das in Fig. 1 bis 3 gezeigte Widerstandselement ist beispielsweise als Heizelement geeignet.
  • In Figur 4 ist das Widerstandselement gemäß der Figur 2 gezeigt, das zur Unterseite des Widerstandselements herausgeführte elektrische Anschlüsse 51, 52 aufweist. Ein solches Widerstandselement ist ein oberflächenmontierbares Bauelement oder SMD-Bauelement. Die Abkürzung SMD steht für Surface Mounted Device. Das in Figur 4 gezeigte Widerstandselement kann auf einer Leiterplatte montiert werden und kommt insbesondere für Stromschutzanwendungen in Betracht.
  • Das Widerstandselement kann alternativ als ein bedrahtetes Bauelement, d. h. mit Drahtanschlüssen, ausgebildet sein.
  • Die Tiefe der in Fig. 5A gezeigten Vertiefungen 21, 22 übersteigt die Hälfte der Dicke des Keramikkörpers 1, so dass die ersten Vertiefungen teilweise ineinander greifen und überlappen in einem Mittelbereich 10 des Keramikkörpers. Wie in der Variante gemäß der Figur 1 weist der Keramikkörper 1 einen schlangenförmigen Querschnitt auf.
  • Besonders tief ausgebildete Vertiefungen 21, 22 haben den Vorteil, dass dadurch ein besonders kleiner Abstand zwischen den Elektrodenschichten 61, 62 eingestellt und somit der Widerstand des Widerstandselements verringert werden kann.
  • Die Tiefe der in den Figuren 5B und 5C gezeigten Vertiefungen 21, 22 ist kleiner eingestellt als die Hälfte der Dicke des Keramikkörpers 1. In Fig. 5C liegen die zweiten Vertiefungen 22 direkt gegenüber den ersten Vertiefungen 21. Die Restdicke des Keramikkörpers zwischen den Vertiefungen 21, 22 ist so gewählt, dass sie für die Stabilität des Widerstandselements ausreichend ist.
  • In Figur 5D ist ein nicht erfindungsgemäßes Widerstandselement vorgestellt, das nur auf einer Seite eine Anordnung von Vertiefungen 21 aufweist.
  • Die Vertiefungen 21, 22 der in den Figuren 1 bis 5C gezeigten Widerstandselemente weisen einen rechteckigen Querschnitt auf. Der Querschnitt der Vertiefungen 21, 22 kann alternativ wie in Fig. 5D abgerundet, wie in Fig. 5E mit schräg verlaufenden Seitenwänden oder wie in Fig. 5F V-förmig sein.
    • Bezugszeichenliste
    • 1, 1a, 1b
    Keramikkörper
    10
    Mittelbereich des Keramikkörpers
    21
    erste Vertiefungen
    22
    zweite Vertiefungen
    3
    Füllmaterial
    41
    erste Abdeckschicht
    42
    zweite Abdeckschicht
    51, 52
    elektrischer Anschluss
    61
    erste Elektrodenschicht
    62
    zweite Elektrodenschicht

Claims (10)

  1. Widerstandselement
    - mit einem Keramikkörper (1), der PTC-Eigenschaften aufweist,
    - wobei eine erste Hauptfläche des Keramikkörpers (1) eine Anordnung von ersten Vertiefungen (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet dass eine zweite Hauptfläche des Keramikkörpers (1) eine Anordnung von zweiten Vertiefungen (22) aufweist.
  2. Widerstandselement nach Anspruch 1,
    - wobei die zweiten Vertiefungen (22) gegenüber den ersten Vertiefungen (21) versetzt angeordnet sind.
  3. Widerstandselement nach Anspruch 2,
    - wobei die ersten und zweiten Vertiefungen (21, 22) bezüglich der Dickenrichtung des Keramikkörpers (1) derart überlappen, dass sie ineinander greifen.
  4. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    - wobei die Tiefe der Vertiefungen (21, 22) mindestens 20% der Dicke des Keramikkörpers (1) beträgt.
  5. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    - wobei die Hauptflächen des Keramikkörpers (1) inklusive der Oberfläche der Vertiefungen (21, 22) mit einer Elektrodenschicht (61, 62) bedeckt sind.
  6. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    - wobei die Vertiefungen (21, 22) mit einem Füllmaterial (3) gefüllt sind, dessen Wärmeleitfähigkeit diejenige des Materials des Keramikkörpers (1) übersteigt.
  7. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    - wobei mindestens eine Hauptfläche des Keramikkörpers (1) mit einer Abdeckschicht (41, 42) verbunden ist, deren Wärmeleitfähigkeit diejenige des Materials des Keramikkörpers (1) übersteigt.
  8. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    - wobei mindestens eine Hauptfläche des Keramikkörpers (1) mit einem elektrischen Anschluss (51, 52) fest verbunden ist.
  9. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    - wobei der Keramikkörper (1) mit den an ihn angeschlossenen elektrischen Anschlüssen (51, 52) durch eine Abdeckschicht umhüllt ist.
  10. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    - das mit mindestens einem weiteren Widerstandselement mechanisch und elektrisch verbunden ist.
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