KR100324097B1 - 부특성 서미스터 장치 - Google Patents

Abstract

부(負)특성 서미스터 장치(NTC thermistor devices)는 음의 온도 계수를 갖는 서미스터 소체와 오믹 접촉을 하는 전극을 포함한다. 상기 전극은 주성분으로서 은(Ag)을 함유하며, 또한 주성분으로서 주석(Sn)을 함유하고 Ni을 0.05 ~ 1.0 wt% 함유하는 땜납 물질(solder material)을 이용하여 납(Pb)을 함유하지 않는 리드선(connecting line)과 같은 전도성 단자는 상기 전극에 납땜된다.

Description

부특성 서미스터 장치 {ＮＴＣ thermistor devices}

본 발명은 부(負)특성 서미스터 장치[Negative Temperature Coefficient (NTC) thermistor devices]에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 서미스터 소체 위의 전극에 납땜된 전도성 단자(electrically conductive terminals)를 갖는 NTC 서미스터 장치에 관한 것이다.

상기 종류의 NTC 서미스터 장치는 오믹 접촉을 하는 주면(main surfaces) 각각의 위에 전극을 갖는 음의 온도 계수의 원판형(disk-shaped) 서미스터 소체를 포함하는 것으로 설명될 수 있다. 전극 각각은 전도성 단자로서 작용하는 납땜된 리드선을 가지며, 또한 서미스터 소체 전체는 내습성 및 내열성을 갖는 수지 물질로 싸여 있다. 주성분이 은인 전극이 보통 사용되나, 또한 상기 서미스터 장치가 돌입전류(rush current) 억제용인 경우에는 서미스터 장치를 사용할 때 많은 양의 열이 발생하여 높은 내열성이 요구되므로 주석 함유량이 많거나 주석을 주성분으로 하는 땜납이 보통 이용된다.

그러나, 주성분이 은인 전극 및 주성분이 주석인 땜납 물질을 갖는 상기 장치가 비교적 장시간 고온 환경에 놓이면 땜납에 함유된 주석은 전극 쪽으로 고상 확산을 하게 되는데, 이는 전극과 서미스터 소체 사이의 결합에 악영향을 미치고 전극에 함유된 은이 땜납 쪽으로 고상 확산을 하도록 한다. 결과적으로, 전극 내의 은은 주석과 반응을 하여 Ag₃Sn을 형성한다. 이는 전극과 서미스터 소체 사이의 오믹 접촉을 약화시키므로 점차적으로 서미스터 장치의 저항은 증가하게 된다.

상기 리드선이 전극에 납땜되어 있거나 상기 장치를 사용하면 Ag₃Sn의 형성을 일으키는 고온 조건이 발생한다. Ag₃Sn가 형성되는 속도는 상기 장치를 사용할 때의 고온 환경에서 증가된다. 이 문제는 140℃ 보다 높은 온도에서 특히 심각하게 된다.

따라서, 서미스터 장치가 돌입 전류를 억제하기 위한 것일 경우에 주석 함유량이 증가된 땜납 물질이 이용되어 고온에 대한 저항성은 향상되지만, 전류는 서미스터 장치를 통해 일정하게 흐르고 또한 서미스터 장치는 항상 열을 발생하는 조건에 있기 때문에 상기 문제는 심각한 것이다. 또한, 서미스터 장치가 고온 센서로서 이용될 때도 유사한 문제들이 발생한다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 문제가 해결될 수 있는 NTC 서미스터 장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 부특성 서미스터 장치의 단면도이다.

도 2는 주석의 확산이 어떻게 억제되는가를 나타내는 도 1의 서미스터 장치의 일부분을 확대한 단면도이다.

도 3은 도 1에 나타낸 것과 같은 구조를 갖지만 종래 물질을 이용하는 기존의 서미스터 장치, 및 주석이 전극 쪽으로 어떻게 확산되는가를 나타내는 확대된 단면도이다.

간략하게 설명하면, 본 발명은 전도성 리드선과 같은 단자 부재를 NTC 서미스터의 전극에 부착하기 위한 기능이 향상된 땜납의 이용, 및 상기 단자 부재용 물질의 조성 선택에 관한 것이다. 자세히 설명하면, 전극에 단자 부재를 부착하기 위해 이용되는 상기 땜납은 주성분으로서 주석을 함유하지만 또한 니켈을 0.05 ~ 1.0 wt% 함유하므로, 상기 은 전극(silver electrode) 쪽으로 주석이 확산되는 것, 즉 Ag₃Sn의 형성은 억제된다. 또한, 니켈을 첨가해서 주석이 전극 쪽으로 확산되는 것을 억제하는 효과에 악영향을 미치는 납을 배제하기 때문에, 본 발명에 따른 단자는 납을 함유하지 않는 금속 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 주석, 은 및 니켈을 함유하는 땜납이 이용된다. 단자 부재는 리드선으로 구성되거나 금속판으로 구성된 리드단자 또는 단자판으로 구성될 수 있다. 리드선이 이용되는 경우에 리드선으로서는 은선, 구리선, 주석이 도금된 철선(tin-plated iron lines), 주석이 도금된 스테인레스 선 및 주석이 도금된 구리선을 이용하는 것이 바람직하다.

본 명세서의 일부를 이루는 첨부 도면들은 본 발명의 실시예들을 나타내며,또한 본 발명의 원리들을 설명하는데 도움을 준다. 첨부된 도면에서 유사하거나 동일한 구성요소(like or equivalent component)들은 다른 서미스터 장치의 구성요소이지만 같은 일련번호로 나타내었고, 또한 개시(disclosure)를 간략화하기 위해 꼭 반복해서 설명할 필요는 없다.

[실시예들]

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 부특성 서미스터 장치를 나타내는데, 상기 부특성 서미스터 장치는 서로 대향하는 주면 각각의 위에 오믹 접촉하도록 형성된 전극 3을 갖는 원판형의 부특성 서미스터 소체 2를 포함한다. 전도성 단자로서 작용하는 리드선 5는 각각 땜납 4를 이용하여 전극 3에 납땜되어 부착된다. 도 1에 나타낸 실시예에 따르면, 상기 전체 구조는 실리콘 수지와 같은 내열성 및 내습성을 갖는 물질로 이루어진 외장(外裝) 6의 안쪽에 싸여 있다.

전극 3의 주성분은 은이다. 리드선 5를 전극 3에 납땜해서 부착시키기 위한 땜납 물질 4는 주석을 주성분으로 하는 종류일 뿐만 아니라 니켈을 0.05 ~ 1.0 wt% 함유하는 것을 특징으로 한다. 예를 들면, 주석, 은 및 니켈을 함유하는 땜납 물질을 이용할 수 있다.

주성분인 주석에 니켈을 0.05 ~ 1.0 wt% 첨가한 땜납 물질을 이용함으로써, 주석이 땜납 물질 4로부터 전극 3으로 침입 또는 확산하는 것을 억제할 수 있다. 도 2에 나타낸 것처럼, 이것은 리드선 5가 전극 3에 납땜되면 안정한 3원소층(three-element layer), 구체적으로는 Ag-Sn-Ni 층 7, 이 주석을 주성분으로 하는 땜납 물질 4와 은을 주성분으로 하는 전극 3의 사이에 형성되어 땜납 물질4의 주석이 전극 3으로 고상 확산되는 것은 억제되기 때문인 것으로 생각될 수 있다. 결과적으로, 전극 3과 서미스터 소체 2의 표면 사이의 오믹 접촉은 악영향을 받지 않으며, 고온 환경에서 저항이 점차적으로 증가하는 현상은 크게 줄어들 수 있다.

니켈의 함유량이 0.05 wt% 보다 적게 되면, 주석이 전극 3으로 침입 또는 확산되는 것을 억제하는 상기 효과는 작아진다. 이와 반대로, 니켈의 함유량이 1.0 wt% 를 넘게 되면, Ni 의 존재로 인해 주석이 전극 3으로 침입 또는 확산되는 것을 억제하는 상기 효과는 크게 남아 있지만 땜납 4의 표면에 균열(cracks)이 형성되기 쉬우므로 실용적인 면에서는 이용할 실익이 적다.

또한, 본 발명자는 위에서 설명한 주석의 침입 및 확산을 억제하는 니켈의 효과가 납의 존재로 인해 악영향을 받는 것을 발견하였다. 따라서, 납을 함유하지 않는 금속 물질은 리드선 5를 만들기 위한 기본 물질(base material)로서 뿐만 아니라 리드선 5의 표면처리를 위해서도 이용된다. 은선, 구리선, 주석이 도금된 철선, 주석이 도금된 스테인리스선 및 주석이 도금된 구리선을 본 발명의 리드선 5로서 이용하는 것이 바람직하다.

다음, 발명자에 의해 실시된 시험 및 비교 실험을 통하여 본 발명을 설명한다. Mn, Ni, Cu, Fe, La, Co 및 Cr의 산화물들을 함유하는 성형체(molded objects) 를 소결하여 도 1에 나타낸 부특성 서미스터 소체 2를 얻었다. 주성분으로서 은을 함유하는 전도성 페이스트를 상기 서미스터 소체의 표면에 인쇄(printing)하고 800 ~ 850℃ 에서 소성하여 전극 3을 형성하였다.

다음, Ag를 3.5 wt%, 및 Ni를 표 1에 나타낸 양만큼, 나머지는 Sn를 함유하는 땜납 물질 4를 준비하였다. 또한, 표 1에 나타낸 것처럼 다른 종류의 리드선들을 준비해서 표 1에 나타낸 시료를 만들었다.

시료번호	땜납의 Ni 함유량(wt%)	리드선	저항값의 변화(%)
1*	0	Sn/Pb가 도금된 Cu선	51.5
2*	0.05	Sn/Pb가 도금된 Cu선	12.2
3*	0.15	Sn/Pb가 도금된 Cu선	10.1
4*	0.3	Sn/Pb가 도금된 Cu선	9.6
5*	0.7	Sn/Pb가 도금된 Cu선	9.1
6*	1.0	Sn/Pb가 도금된 Cu선	7.8
7	0.15	Ag선	-0.4
8	0.15	Cu선	0.1
9	0.15	Sn이 도금된 Fe선	-0.3
10	0.15	Sn이 도금된스테인레스선	0.1
11*	0	Sn이 도금된 Cu선	32.8
12*	0.03	Sn이 도금된 Cu선	5.7
13	0.05	Sn이 도금된 Cu선	1.3
14	0.15	Sn이 도금된 Cu선	0.5
15	0.3	Sn이 도금된 Cu선	0.2
16	0.7	Sn이 도금된 Cu선	0.3
17	1.0	Sn이 도금된 Cu선	0.2
18*	1.2	Sn이 도금된 Cu선	0.2

디핑(dipping)으로 땜납 4를 리드선 5에 부착하고, 리드선 5를 전극 3에 리플로우(reflow) 공정으로 납땜하여 상기 시료 각각을 만들었다. 다음, 서미스터 소체 2를 충분한 내열성 및 내습성을 갖는 수지 물질 안에 완전히 디핑해서 수지 외장 6을 만들어 부특성 서미스터 장치 1의 시편을 얻었다. 표 1에서, 본 발명에 따른 것이 아닌 시료(즉, 비교 시료)는 별표(*)로 구분하였다.

상기 시료 각각을 160℃ 의 고온 환경에서 1000 시간 동안 방치하였으며, 방치 전·후의 저항값을 비교하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.

시료 1 ~ 6 은 각각이 Pb를 함유하는, 구체적으로 Sn/Pb가 도금된 Cu선을 쓴리드선을 이용한 비교 시료이다. 상기 비교예들 중에서도, Ni을 0.05 ~ 1.0 wt% 함유하는 시료 2 ~ 6 은 Ni을 함유하지 않는 시료 1과 비교할 때 저항값의 변화가 작음을 알 수 있는데, 이것은 Ni로 인해 땜납 4 의 Sn이 전극 3 쪽으로 고상 확산되는 것이 억제됨을 나타낸다.

그러나, 시료 1 ~ 6 에서 Ni의 효과가 뚜렷하긴 하지만, 가장 작은 저항값의 변화도 시료 6의 7.8% 나 될 정도로 크다. 시료 7 ~ 18 은 리드선 5가 Pb를 함유하지 않는다는 특징을 가지고 있다. 시료 7 ~ 18 중에서 본 발명에 따른 것은 Ni의 함유량이 0.05 ~ 1.0 wt% 범위 안인 시료 7 ~ 10 및 시료 13 ~ 17 이다. 표 1은 본 발명에 따라서 결정된 범위 안의 Ni을 함유하는 상기 시료들의 저항값의 변화가 더 작음을 확실하게 보여주는데, 이것은 저항값의 변화를 감소시키는 탁월한 효과를 나타내는 것이다. 더욱이, 시료 2 ~ 6 과 시료 7 ~ 10 및 13 ~ 17 을 비교하면 Pb의 존재가 Ni의 존재에 의한 Sn의 확산 억제에 심각한 악영향을 끼치고 있음을 확실히 알 수 있다. 또한, 시료 18은 Ni의 함유량이 1.0wt% 보다 많음으로 인해 땜납 4의 표면에 균열이 생성되는 악영향을 보였다.

요약하면, 본 발명은 은을 주성분으로 하는 리드선과 같은 전도성 단자 부재를 부착시키기 위해 주석을 주성분으로서 함유하고 Ni을 0.05 ~ 1.0 wt% 함유하는 땜납 물질을 이용함으로써, Ag₃Sn 의 형성이 고온 환경에서도 억제될 수 있으며, 서미스터 소체의 표면에 있는 전극의 오믹 접촉에 대한 악영향이 방지될 수 있다. 또한, 상기 단자 부재는 Pb를 함유하지 않는 물질로만 형성되므로 Ni의 Sn 확산 억제 효과는 Pb의 존재에 의해서 악영향을 받지 않는다.

상기 실시는 폭넓게 해석될 수 있다. 시험 시료의 주석 함유량이 95 wt% 이상이긴 하지만, '주성분' 이라는 표현은 함유량이 적어도 50 wt% 인 것으로 이해될 수 있다.

Claims (4)

1. 음의 온도 계수를 갖는 서미스터 소체;

   상기 서미스터 소체와 오믹 접촉을 하며 은을 주성분으로 하는 전극; 및

   땜납 물질을 이용하여 상기 전극에 납땜된 전도성 단자

   를 포함하고;

   상기 전도성 단자는 납을 함유하지 않는 금속 물질로 이루어지며, 상기 땜납은 주성분으로서 주석을 함유하고 또한 Ni를 0.05 ~ 1.0 wt% 포함하는 것

   을 특징으로 하는 부특성(NTC) 서미스터 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 땜납은 은을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부특성 서미스터 장치.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상기 단자는 은선, 구리선, 주석이 도금된 철선, 주석이 도금된 스테인레스선, 주석이 도금된 구리선으로 구성된 그룹에서 선택된 리드선을 포함하는 것을 특징으로 하는 부특성 서미스터 장치.
4. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상기 땜납은 주석을 95 wt% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 부특성 서미스터 장치.