KR20000028640A - NTC thermistor devices - Google Patents
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Abstract
Description
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.The present invention relates to negative temperature coefficient (NTC) thermistor devices. In particular, the present invention relates to an NTC thermistor device having electrically conductive terminals soldered to an electrode on the thermistor body.
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.An NTC thermistor device of this kind can be described as including a disk-shaped thermistor body of negative temperature coefficient with electrodes on each of the main surfaces in ohmic contact. Each electrode has a soldered lead wire acting as a conductive terminal, and the whole thermistor body is wrapped in a resin material having moisture resistance and heat resistance. An electrode whose main component is silver is usually used. However, when the thermistor device is used for suppressing rush current, a large amount of heat is generated when the thermistor device is used, and thus high heat resistance is required. Solder is usually used.
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.However, when the device having an electrode whose main component is silver and a solder material whose main component is tin is placed in a high temperature environment for a relatively long time, the tin contained in the solder causes solid phase diffusion toward the electrode, which adversely affects the bonding between the electrode and the thermistor element. The silver contained in allows solid phase diffusion to the solder. As a result, silver in the electrode reacts with tin to form Ag 3 Sn. This weakens the ohmic contact between the electrode and the thermistor element, so that the resistance of the thermistor device gradually increases.
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.When the lead wire is soldered to the electrode or using the device, a high temperature condition occurs that causes the formation of Ag 3 Sn. The rate at which Ag 3 Sn is formed is increased in the high temperature environment when using the device. This problem is particularly acute at temperatures above 140 ° C.
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.Therefore, if the thermistor device is for suppressing inrush current, the solder material with increased tin content is used to improve the resistance to high temperature, but the current flows constantly through the thermistor device and the thermistor device always generates heat. The problem is serious because it is under conditions. Similar problems also arise when thermistor devices are used as high temperature sensors.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 문제가 해결될 수 있는 NTC 서미스터 장치를 제공하는 데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an NTC thermistor device in which the above problem can be solved.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 부특성 서미스터 장치의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an auxiliary thermistor device according to an embodiment of the present invention.
도 2는 주석의 확산이 어떻게 억제되는가를 나타내는 도 1의 서미스터 장치의 일부분을 확대한 단면도이다.FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the thermistor device of FIG. 1 showing how diffusion of tin is suppressed. FIG.
도 3은 도 1에 나타낸 것과 같은 구조를 갖지만 종래 물질을 이용하는 기존의 서미스터 장치, 및 주석이 전극 쪽으로 어떻게 확산되는가를 나타내는 확대된 단면도이다.3 is an enlarged cross-sectional view showing a conventional thermistor device having a structure as shown in FIG. 1 but using a conventional material, and how tin is diffused toward the electrode.
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.Briefly described, the present invention relates to the use of an improved solder for attaching a terminal member such as a conductive lead to an electrode of an NTC thermistor, and to the selection of the composition of the material for the terminal member. In detail, the solder used for attaching the terminal member to the electrode contains tin as a main component but also contains 0.05 to 1.0 wt% of nickel, so that tin is diffused toward the silver electrode, that is, Ag. Formation of 3 Sn is suppressed. In addition, since the addition of nickel excludes lead which adversely affects the effect of suppressing diffusion of tin toward the electrode, the terminal according to the present invention is characterized in that the terminal is made of a metal material containing no lead.
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.According to a preferred embodiment of the present invention, solder containing tin, silver and nickel is used. The terminal member may be composed of a lead wire or a lead terminal composed of a metal plate or a terminal plate. When lead wire is used, it is preferable to use silver wire, copper wire, tin-plated iron lines, tin-plated stainless wire and tin-plated copper wire as lead wires.
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.The accompanying drawings, which form a part of this specification, illustrate embodiments of the present invention and also help explain the principles of the present invention. Like or equivalent components in the accompanying drawings are components of different thermistor devices, but are denoted by the same serial number, and need not be repeatedly described to simplify the disclosure.
[실시예들][Examples]
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.Fig. 1 shows a negative electrode thermistor device according to an embodiment of the present invention, which includes a disc-shaped negative electrode thermistor element 2 having electrodes 3 formed in ohmic contact on each of the main surfaces facing each other. Lead wires 5 serving as conductive terminals are soldered and attached to electrodes 3 using solder 4, respectively. According to the embodiment shown in Fig. 1, the entire structure is enclosed inside the enclosure 6 made of a material having heat resistance and moisture resistance such as a silicone resin.
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.The main component of the electrode 3 is silver. The solder material 4 for soldering and attaching the lead wire 5 to the electrode 3 is characterized by containing not only tin as a main component but also 0.05 to 1.0 wt% nickel. For example, solder materials containing tin, silver and nickel can be used.
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 물질 4의 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.By using the solder material which added 0.05-1.0 wt% nickel to tin which is a main component, it can suppress that tin enters or diffuses from the solder material 4 to the electrode 3. As shown in Fig. 2, this is composed of a three-element layer, specifically Ag-Sn-Ni layer 7, which is stable when lead wire 5 is soldered to electrode 3, and a solder material 4 and silver mainly composed of tin. It can be considered that the formation of tin between the solder material 4 and the diffusion of the tin of the solder material 4 into the electrode 3 is suppressed. As a result, ohmic contact between the electrode 3 and the surface of the thermistor element 2 is not adversely affected, and the phenomenon of gradually increasing resistance in a high temperature environment can be greatly reduced.
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.When the content of nickel is less than 0.05 wt%, the above effect of suppressing the intrusion or diffusion of tin into the electrode 3 becomes small. On the contrary, when the nickel content exceeds 1.0 wt%, the effect of suppressing the intrusion or diffusion of tin into the electrode 3 due to the presence of Ni remains large, but it is easy to form cracks on the surface of the solder 4. Therefore, there is little profit to use in practical use.
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.In addition, the inventors have found that the effect of nickel to inhibit the invasion and diffusion of tin described above is adversely affected by the presence of lead. Therefore, the lead-free metal material is used not only as a base material for making lead 5 but also for surface treatment of lead 5. It is preferable to use a silver wire, a copper wire, an iron wire plated with tin, a stainless wire plated with tin, and a copper wire plated with tin as the lead wire 5 of the present invention.
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.Next, the present invention will be described through tests and comparative experiments conducted by the inventors. Molded objects containing oxides of Mn, Ni, Cu, Fe, La, Co, and Cr were sintered to obtain the negative characteristic thermistor element 2 shown in FIG. A conductive paste containing silver as a main component was printed on the surface of the thermistor element and baked at 800 to 850 ° C. to form electrode 3.
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.Next, solder material 4 was prepared containing Ag by 3.5 wt% and Ni by the amounts shown in Table 1, the remainder being Sn. In addition, as shown in Table 1, other types of lead wires were prepared to prepare a sample shown in Table 1.
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.Solder 4 was attached to lead wire 5 by dipping, and lead 5 was soldered to electrode 3 by a reflow process to make each of the samples. Next, the thermistor element 2 was completely dipped into a resin material having sufficient heat resistance and moisture resistance to form a resin sheath 6 to obtain a specimen of the negative characteristic thermistor device 1. In Table 1, samples not according to the present invention (ie, comparative samples) were separated by an asterisk (*).
상기 시료 각각을 160℃ 의 고온 환경에서 1000 시간 동안 방치하였으며, 방치 전·후의 저항값을 비교하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.Each of the samples was left for 1000 hours in a high temperature environment of 160 ℃, and the resistance value before and after standing. The results are shown in Table 1.
시료 1 ~ 6 은 각각이 Pb를 함유하는, 구체적으로 Sn/Pb가 도금된 Cu선을 쓴 리드선을 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.Samples 1 to 6 are comparative samples using lead wires each containing Pb, in which a Cu wire coated with Sn / Pb is used. Among the comparative examples, it can be seen that Samples 2 to 6 containing 0.05 to 1.0 wt% of Ni have a small change in resistance value when compared with Sample 1 containing no Ni. Solid phase diffusion toward the electrode 3 is suppressed.
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.However, although the effect of Ni is apparent in Samples 1 to 6, the smallest change in resistance value is as large as 7.8% of Sample 6. Samples 7 to 18 have the feature that lead wire 5 does not contain Pb. According to the present invention among the samples 7 to 18 are the samples 7 to 10 and the samples 13 to 17 in which the Ni content is in the range of 0.05 to 1.0 wt%. Table 1 clearly shows that the change in resistance value of the samples containing Ni in the range determined according to the present invention is smaller, which shows an excellent effect of reducing the change in resistance value. Furthermore, comparing Samples 2 to 6 with Samples 7 to 10 and 13 to 17, it can be clearly seen that the presence of Pb seriously affects the suppression of the diffusion of Sn due to the presence of Ni. In addition, Sample 18 exhibited the adverse effect of cracking on the surface of Solder 4 due to the Ni content of more than 1.0wt%.
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.In summary, the present invention utilizes a solder material containing tin as a main component and containing 0.05 to 1.0 wt% of Ni to attach a conductive terminal member such as a lead wire containing silver as a main component, thereby forming Ag 3 Sn in a high temperature environment. Can also be suppressed, and adverse effects on ohmic contact of electrodes on the surface of the thermistor body can be prevented. In addition, since the terminal member is formed only of a material containing no Pb, the Sn diffusion suppressing effect of Ni is not adversely affected by the presence of Pb.
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.The above implementation can be interpreted broadly. Although the tin content of the test sample is greater than 95 wt%, the expression 'main ingredient' can be understood to be at least 50 wt%.
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