WO2017186527A1 - Elektronisches bauelement zur einschaltstrombegrenzung und verwendung eines elektronischen bauelements - Google Patents

Elektronisches bauelement zur einschaltstrombegrenzung und verwendung eines elektronischen bauelements Download PDF

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WO2017186527A1
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Volker Wischnat
Alfred Hofrichter
Franz Rinner
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Epcos Ag
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Definitions

  • the invention relates to an electronic component for inrush current limiting.
  • the invention further relates to the use of an electronic component.
  • ABS Applications
  • a thermally controlled inrush current limiter (ICL) can be used for this purpose.
  • Temperature Coefficient can be used.
  • Coefficient of expansion of the ICL ceramic is significantly smaller than the coefficient of expansion of good electrical conductors (e.g., copper). The resulting thermal
  • An object to be solved is to provide an improved electronic component for inrush current limiting and the use of an improved electronic component.
  • an electronic component in short component, is specified.
  • the electronic component is designed to be used in an inrush current limiter or to act as inrush current limiter.
  • Component has at least one NTC element.
  • the NTC element serves as a functional element or functional layer of the component.
  • the NTC element has an NTC ceramic.
  • the device may comprise a plurality of NTC elements,
  • the NTC element can be disc or
  • the NTC element may also have a rectangular or annular surface.
  • a metallization is arranged on the NTC element.
  • the metallization preferably has silver.
  • the metallization may also include copper or gold.
  • the NTC element may be a monolithic device.
  • the NTC ceramic is produced in press technology and then brought by lapping (fine sanding from both sides) in the desired shape or to the desired thickness (thick-film monolith).
  • the NTC element may also be designed as a multilayer monolith. In this case, ceramic foils are stacked and pressed to provide the NTC element.
  • the component has at least two electrically conductive contact elements or electrodes.
  • the contact elements are flat.
  • the contact elements are formed and arranged for electrically conductive and thermal
  • the device may have a plurality of contact elements, for example, five, ten or 15 contact elements, wherein the individual NTC elements must be coupled thermally well.
  • the NTC element is electrically connected via a bonding material with the respective Ko tactile element.
  • the NTC element is also thermally connected to the respective contact element via the connecting material.
  • Contact element is adapted to the thermal expansion ⁇ coefficient of the NTC element.
  • the thermal expansion coefficients of NTC element and the contact elements are approximately equal.
  • the NTC element has a thermal
  • the respective contact element has a corresponding coefficient of expansion.
  • the thermal expansion coefficient of the respective contact element is preferably in the range between 5 ppm / K and 10 ppm / K.
  • the NTC element has an upper side and a lower side. Top and bottom are opposite each other and are each of the
  • the top and bottom are each at least partially through the
  • Edge layer or a small edge region of the top or the bottom remain uncontacted.
  • the upper side and the lower side can also be electrically conductively contacted over the whole area by the respective contact element.
  • the NTC element is arranged embedded between the two contact elements, so that the top and bottom in each case partially or
  • the contact element has a composite material.
  • Contact element is composed of several materials.
  • the respective contact element preferably has copper. Copper is characterized by its very high electrical
  • the contact element preferably Invar and / or Kovar and / or molybdenum.
  • respective contact element a rolled copper Invar sheet with layer structure of copper - Invar - copper on.
  • Expansion coefficients of the NTC element can be adjusted. This achieves a very stable and durable component.
  • the contact element has a layer structure of copper-Invar-copper with a
  • the contact element has at least three layers.
  • a first layer preferably comprises copper.
  • the first layer has a thickness or vertical extent that is between 1/10 and 3/10 of the total thickness of the contact element.
  • a second layer preferably comprises kovar and / or invar and / or molybdenum.
  • the second layer has a thickness that is between 5/10 and 8/10 of the total thickness of the contact element is.
  • the third layer has a thickness which is between 1/10 and 3/10 of the total thickness of the contact element.
  • the position of the contact element comprising Invar / Kovar / Molybdenum is thicker than the position of the contact element comprising copper.
  • the expansion coefficient of the contact element can be reduced or adapted to the Ausutzungskoeffi ⁇ cients of the NTC element.
  • the thickness ratio copper-invar-copper is preferably 20% -60% -20%. Of course, other thickness ratios and other layer sequences and numbers of layers and the addition of Kovar or molybdenum
  • the connecting material on sintered silver has a high electrical and thermal conductivity. Furthermore, sintered silver can withstand high temperatures of up to 400 ° C, for example 300 ° C, as well as rapid and many temperature changes.
  • the hot state means a state at a temperature higher than that of the NTC element in a ground state.
  • the temperature range between the ground state and the hot state may be any
  • Temperature range between -55 ° C and + 300 ° C span or extend over this range.
  • the Temperature range between the ground state and the hot state over the range of -40 ° C to + 300 ° C extend.
  • the bonding material has yAg.
  • yAg is characterized in particular by its sufficient porosity.
  • the NTC element has two, three, five, ten or more segments.
  • the segments of the NTC element preferably represent rectangular portions of the NTC element, which are spaced apart.
  • the distance between the segments is 0.05 mm to 0.2 mm, for example 0.1 mm.
  • joints expansion joints
  • the NTC element has a temperature of 25 ° C (room temperature)
  • Nominal resistance R2 5 ⁇ 1 ⁇ Room temperature is understood here as the temperature that usually prevails in inhabited rooms.
  • Resistor preferably describes the electrical
  • the NTC element indicates at the
  • the NTC element thus has a very small electrical
  • Component preferably reduced by about 1 volt.
  • the resistivity of the NTC element in a ground state of the electronic device is between 0.1 ⁇ cm and 1.0 ⁇ cm, for example 0.3 ⁇ cm.
  • the contact element has a thickness d.
  • a thickness d Preferably, 0.3 mm ⁇ d -S 0.8 mm.
  • the thickness d of the respective contact element is preferably less than 0.7 mm, for example 0.6 mm.
  • the device has a plurality of NTC elements and contact elements.
  • the multiple NTC elements can be separated by one
  • the NTC elements are provided.
  • the current carrying capacity and / or current carrying capacity of the device can be increased by a parallel connection of several NTC elements.
  • the NTC elements are stacked one above the other. Between two adjacent NTC elements, a contact element is arranged in each case.
  • the NTC elements are thermally good over the contact elements
  • the NTC element has the composition La (i- X ) EA (x) Mn (labc) Fe ( a ) CO ( b ) Ni (c) O (3 ⁇ 6).
  • EA denotes an alkaline earth element.
  • the alkaline earth element is magnesium, calcium, strontium or barium
  • ⁇ denotes the deviation from the stoichiometric oxygen ratio (oxygen excess or
  • the resistance can be further varied and
  • the NTC element has a thickness d.
  • the thickness d of the NTC element is less than 500 ym, for example 400 ym.
  • the B value B25 / 100 is in the range between 1000 K and 4000 K, preferably between 1400 K and 2000 K, for example at 1500 K.
  • the component has a fastening element.
  • the fastener is preferably designed and arranged to produce an electrically conductive connection with battery cables.
  • the fastener is further preferably
  • the fastening element is further preferably designed and arranged an - indirect - mechanical connection between the
  • the fastening element can be designed to have a
  • the fastener may, for example, but also be designed to a
  • the fastening element may further comprise a sealing element.
  • the sealing element may be insulating or partially insulating.
  • the fastening element may comprise at least one nut and a screw and / or at least one clamping element,
  • the fastening element has an electrical resistance.
  • the electrical resistance is the same or only
  • the electrical resistance of the fastener is the same or only
  • the resistance of the fastener is not
  • a fixed resistor or another conductive element with a defined electrical resistance can also be used as the fastening element.
  • the temperature-dependent resistor limits the inrush current when switching on.
  • the NTC element When turned on, the NTC element immediately heats up by the inrush current (for example, to 250 ° C), which quickly reduces the NTC resistance to a very small residual resistance (e.g., 0.5 mQ). This dynamic resistance change decreases due to the specific
  • Connecting material is also realized a very low-resistance electrical connection of NTC element to the contact elements for repeated switching cycles, in which the ambient temperature of -40 ° C to 120 ° C may vary. During the switching cycle, the temperature can reach up to 300 ° C climb.
  • a stable, highly electrically conductive device with mechanically durable, temperature-resistant and extremely resilient connection between NTC element and contact elements for use for start / stop systems in the automotive sector is given.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a
  • Figure 2 shows a perspective view of a possible
  • Figure 3 shows a perspective view of a
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of an electronic component according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a perspective view of a possible one
  • FIG. 6 shows a schematic sectional view of a
  • FIG. 7 shows a perspective view of a
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view of a
  • FIG. 9 shows a plan view of a partial region of the electronic component according to FIG. 8,
  • FIG. 10 shows a schematic sectional view of a
  • FIG. 11 shows a plan view of a partial region of the electronic component according to FIG. 10,
  • FIG. 12 shows a schematic sectional view of a
  • FIG. 13 shows a plan view of a partial region of the electronic component according to FIG. 12.
  • FIG. 1 shows an electronic component 1, in short component 1.
  • the component 1 is designed as inrush current limiter or in an inrush current limiter for start / stop systems in 12 V. and 24 V networks in the
  • the component 1 is particularly suitable for use with currents up to 1000 A (with DC voltage in 12 V and 24 V networks).
  • Component 1 suitable for use in typical 12 V starter motors with approx. 1 kW to 3 kW power.
  • the component 1 has an NTC element 2 or an NTC
  • the NTC element 2 represents a functional layer or a functional element of the component 1.
  • the NTC element 2 is a heat-conducting component with a
  • the NTC element 2 has a material composition which is characterized by a high electrical conductivity or a low resistivity.
  • the NTC element 2 preferably has the following
  • EA stands for an alkaline earth element, for example Mg, Ca, Sr or Ba.
  • ⁇ denotes the deviation from the stoichiometric oxygen ratio (oxygen excess or oxygen deficit).
  • the NTC ceramic has the composition La 0 , 95Sr 0 , 05MnO 3 .
  • the specific electrical resistance of the NTC element 2 in a ground state of the NTC element 2 is less than or equal to 2 Qcm, preferably -S 1 Qcm, for example 0.5 Qcm.
  • the ground state describes a temperature of the NTC element 2 of 25 ° C or at room temperature.
  • the ground state can be an unloaded state in which, for example, no electrical power is applied to the NTC element 2.
  • the NTC element 2 has at the specified temperature has an electrical resistance (nominal resistor R25) of less than or equal to 1 ⁇ , preferably less than 0.1 ⁇ , Example ⁇ example 0.05 ⁇ .
  • the NTC element 2 thus has a low electrical resistance at room temperature or at 25 ° C and thus a high electrical conductivity.
  • the NTC element 2 is particularly good for use in one
  • the NTC element 2 also has a high B value.
  • the B value B25 / 100 is in the range between 1000 K and 4000 K, preferably between 1400 K and 2000 K, for example at 1500 K.
  • the NTC element 2 has a low thermal
  • the thermal expansion coefficient of the NTC element 2 is between 7 ppm / K and 10 ppm / K.
  • the NTC element 2 is preferably monolithic
  • the NTC element 2 is a thick-film monolith.
  • the NTC element 2 is produced in press technology and then brought to the desired thickness by lapping (fine sanding from both sides).
  • the NTC element 2 but also be designed as a multilayer monolith.
  • ceramic foils are stacked and pressed to provide the NTC element 2.
  • the illustrated in Figure 2 NTC element 2 has a round shape.
  • the NTC element 2 is disc-shaped or platelet-shaped. But other shapes are conceivable for the NTC element 2, for example, a rectangular shape or a ring shape.
  • the NTC element 2 may be formed in the form of a substrate.
  • the NTC element 2 has an area between 25 mm 2 and 500 mm 2 , for example 200 mm 2 .
  • the diameter of the NTC element 2 is ⁇ example less than or equal 14 mm, for example, 13.75 mm.
  • the NTC element 2 has a thickness d between 100 ym and 600 ym, for example 400 ym. By varying the thickness d and / or cross-section or area of the NTC element 2, the resistance of the NTC element 2 can be varied and controlled.
  • the NTC element 2 has a metallization (not explicitly shown).
  • the metallization is preferably arranged on an upper side and on an underside of the NTC element 2.
  • the metallization is preferably arranged on an upper side and on an underside of the NTC element 2.
  • the component 1 further comprises two contacts 3 and
  • Contact elements 3 on (plus contact and minus contact element 12b, 12a, see Figure 3).
  • the contact elements 3 are used for electrical contacting of the NTC element 2. Die
  • Contact elements 3 are in this embodiment over the entire surface on the top and bottom of the NTC element 2. Alternatively (not explicitly shown), a narrow edge region of top and bottom also remain free of the respective contact element 3.
  • the contact elements 3 are each electrically conductively connected to the top and the bottom of the NTC element 2.
  • the NTC element 2 and the contact elements 3 are sintered.
  • the component 1 has a connection ⁇ material 7. Between the upper side of the NTC element 2 and the first contact element 3 and between the underside of the NTC element 2 and the second contact element 7, a layer of bonding material 7 is formed in each case.
  • Layer thickness of the bonding material 7 is preferably in the range between 15 ym and 80 ym, for example at 20 ym.
  • the connecting material 7 is characterized by a high electrical and thermal conductivity.
  • Connecting material 7 is also preferably characterized by a large porosity.
  • the bonding material 7 is further characterized by being able to withstand high temperatures up to 400 ° C, e.g. 300 ° C, as well as many and rapid temperature changes can withstand that can occur during operation or in the hot state of the device 1.
  • the hot state indicates a state of
  • Temperature range between the ground state and the hot state for example, span any temperature range between -55 ° C and + 300 ° C or extend over this range.
  • the temperature range may preferably be
  • the bonding material 7 has sintered silver Ag or yAg. Sintered silver has the advantage that it has sufficient porosity. With the help of the connection ⁇ material 7, a stable, electrically highly conductive and mechanically durable connection between the NTC element 2 and the contact elements 3 is achieved.
  • the respective contact element 3 has a high thermal and electrical conductivity.
  • the respective contact element 3 is further designed such that thermal stresses
  • the respective contact element 3 is adapted to the differences in the material-related
  • CTE thermal expansion
  • the respective contact element 3 has a
  • the respective contact element may be formed, for example, as a composite sheet.
  • Composite material may include copper invar copper (CIC). Instead of invar, kovar or molybdenum can also be used as material. Invar or Kovar or molybdenum has a low thermal expansion coefficient. Typically, the thermal expansion coefficient of this
  • the contact elements 3 enclose the NTC element 2
  • a first portion 3a of the respective contact element 3 is located on the upper side or lower side of the NTC element 2 and runs parallel to the upper side or lower side of the NTC element 2 or to a longitudinal axis L of the component 1.
  • a length or Horizontal extension of the NTC element 2 is preferably less than or equal to the length or horizontal extent of the first portion 3a.
  • a second portion 3b of the respective contact element 3 encloses an angle with the longitudinal axis L.
  • Subregion 3b preferably adjoins the first subregion 3a at an angle of -S 20 °, for example 15 °, to the longitudinal axis L of the component 1.
  • the angle between the second portion 3b of the first contact element 3 and the second portion 3b of the second contact element is preferably less than or equal to 40 °, for example 30 °.
  • a third subregion 3c of the respective contact element 3 adjoins the second subregion 3b and runs parallel to the longitudinal axis L.
  • Embodiment preferably the same length.
  • the partial areas 3a, 3b, 3c respectively a length of 10 mm to 15 mm.
  • the respective partial areas 3a, 3b, 3c preferably have the same thickness d.
  • the partial regions 3a, 3b, 3c each have a thickness d of less than or equal to 0.8 mm and greater than or equal to 0.3 mm. Consequently, the amounts
  • the partial areas 3a, 3b, 3c merge into one another.
  • the subregions 3a, 3b, 3c are not executed as separate regions or components but represent only subsections of the respective contact element 3.
  • Part 3c has a recess 8.
  • the third portion 3c for a larger
  • the recess 8 is preferably circular.
  • the recess 8 has, for example, a
  • the recess 8 penetrates the contact element 3 completely.
  • the recess 8 serves to the device 1 by means of a fastener with
  • FIG. 2 shows a possible contacting of the component 1 according to FIG. 1 with the battery leads
  • the component 1 has a fastening element to
  • Fastener may be used to provide a
  • the fastener may also be configured and arranged to have a clamp connection
  • a spacer 9 is arranged between an underside of the third portion 3c of the first and upper contact element 3 and the top of the third
  • Part 3c of the second and lower contact element 3 is arranged.
  • the spacer 9 is cylindrical
  • the spacer 9 is formed insulating.
  • Spacer 9 is used for electrical insulation between the two contact elements 3 (plus contact element 12b and minus contact element 12a, see Figure 3).
  • the spacer 9 has, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PTFE has the advantage that it is consistently insulating up to a temperature of approx. 250 ° C.
  • the spacer 9 has, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • Spacer 9 a recess on (not explicitly
  • the recess is used for
  • a connector e.g. a threaded rod 11, for example a screw.
  • Threaded rod 11 and nuts 10 are used for screwing the contact elements 3 and the electrically conductive and mechanical connection of the device 1 with the battery leads (not explicitly shown).
  • clamping elements are provided for clamping the contact elements 3 and / or for the electrically conductive and mechanical connection of the
  • Cable lugs 5 are electrically connected to the contact ⁇ elements 3. To connect the device 1 with the cable lugs 5, the threaded rod 11 through the
  • the screwing on an axis avoids additional mechanical stresses on the connection between the NTC element 2 and the contact elements 3.
  • the screw or attachment must either a higher resistance than that
  • NTC element 2 or must be made insulating (see, for example, Figures 12 and 13).
  • the gland or attachment can alternatively also directly to a
  • the NTC element 2 When turned on, the NTC element 2 immediately heats up by the inrush current (e.g., to 250 ° C), causing the NTC
  • Residual resistance (e.g., 0.5 mQ) is reduced. This dynamic change in resistance reduces that of the starter motor
  • the component 1 can additionally be equipped with a so-called "fail-safe" function, for which purpose the screw connection shown in FIG.
  • Nominal resistance R2 5 of the NTC element 2 at a temperature of 25 ° C, for example, R2 5 10 mQ.
  • a screw connection can also be a fixed resistor or another conductive element with defined
  • FIG. 3 shows a perspective view of a
  • the component 1 according to FIG. 3 has a plurality of NTC elements 2 and a plurality of contact elements 3.
  • the component 1 may have up to ten NTC elements 2.
  • the NTC elements 2 are each round or disc-shaped (see comments on Figure 1).
  • the NTC elements 2 are electrically connected in parallel.
  • the component 1 preferably has one
  • the diameter of the NTC elements 2 may be smaller than the diameter of the NTC element 2 shown in FIG. 1. That is, several smaller elements are connected. The tension reduces with the component size of the NTC element. 2
  • the attachment to the, preferably the screw with the, battery terminals is preferably carried out on a common, insulating body (for example, a
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of an electronic component according to another
  • the contact elements 3 are double-sided. Again, the respective shows
  • Contact element 3 three portions 3a, 3b, 3c, wherein the second portion 3b and third portion 3c are designed similar but in the opposite direction to the first portion 3a.
  • the first portion 3a is located at the top or
  • the length or horizontal extent of the NTC element 2 is less than or equal to the length or
  • the length of the first portion 3a in this embodiment is greater than the length of the first portion 3a according to that shown in FIG.
  • the length of the first portion 3a is for example 18 mm.
  • element 2 is less than or equal to 14 mm, e.g. 13.75 mm.
  • the second and third sub-areas 3b, 3c respectively adjoin a side area or edge area of the first sub-area 3a.
  • the second partial area 3b and the third partial area 3c are respectively formed on the left and right of the first partial area 3a.
  • the second portion 3b and the third portion 3c each include an angle with the longitudinal axis L.
  • the second and third partial areas 3b, 3c preferably each enclose an angle of ⁇ 90 °, for example 60 °, with the longitudinal axis L.
  • Both the second portion 3a and the third portion 3c extend away from the longitudinal axis L.
  • a vertical distance from an end region 13 of the third subregion 3c or of the second subregion 3b to the NTC element 2 is for example less than or equal to 18 mm, for example 15 mm.
  • the component 1 is designed mirror-symmetrically about the axis L.
  • the respective contact element 3 is further
  • FIG. 5 shows a perspective view of a
  • the component 1 is introduced into a housing 6.
  • the housing 6 is frame-shaped. Through the housing 6, the device 1 by means of an insulated, flexible copper cable (not explicitly shown) contacted
  • Recesses 6a inserted at an upper side and a lower side of the housing 6 in the housing 6.
  • the housing 6 has a mechanical strain relief 4 for the copper cable.
  • the strain relief 4 may be arranged, for example, on an upper side and on an underside 4 of the housing 6. With mechanical pull on the copper cable, the strain relief 4 ensures that no or only
  • FIG. 6 shows a schematic sectional view of an electronic component according to another
  • the component 1 corresponds to the component 1 from FIG. 4.
  • the contact elements 3 are not arranged mirror-symmetrically with respect to the longitudinal axis L. Rather, the contact elements 3 are offset from each other by 90 °. This allows different installation situations to be taken into account.
  • FIG. 7 shows a perspective view
  • the component 1 corresponds to the component 1 from FIG. 6.
  • the component 1 according to FIG. 7 has a plurality of NTC elements 2 and a plurality of contact elements 3.
  • the component 1 may have up to ten NTC elements 2, each formed round and disc-shaped and
  • the contact elements 3 are electrically connected in parallel. Between the NTC elements 2, the contact elements 3 are arranged.
  • component 1 has a layer sequence of alternately arranged NTC elements 2 and contact elements 3.
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view of an electronic component according to another
  • FIG. 9 also shows a plan view of a partial region of the electronic component according to FIG. 8.
  • an NTC element 2 is used, which has been divided or segmented by sawing or scribing into smaller NTC elements or segments 2a.
  • the NTC element 2 has a plurality of segments 2a.
  • the NTC element 2 preferably has a rectangular shape.
  • the NTC element 2 has a width and a height of less than or equal to 13 mm, for example, 12.7 mm.
  • the respective segment 2a is also
  • the respective segment 2a has a length and a width of approximately 2 mm each.
  • the contact elements 3 should be made rectangular for this embodiment. So will the respective
  • the three subregions preferably have the same length
  • Expansion joints 15 have a width of 0.05 mm to 0.2 mm, for example, 0.1 mm. By these expansion joints 15 lower thermal stresses in the NTC element. 2 set up during normal operation.
  • FIG. 10 shows a schematic sectional view of an electronic component according to another
  • FIG. 11 shows a plan view of a partial region of the electronic component according to FIG. 10.
  • FIG. 12 shows a schematic sectional view of an electronic device according to another execution ⁇ example.
  • FIG. 13 shows a perspective view of a partial region of the electronic component according to FIG. 12.
  • the contact elements 3 are double-sided as described in connection with FIG.
  • the NTC element 2 is arranged and electrically connected via the connecting material 7 and thermally connected to the contact elements 3.
  • the NTC element 2 has a round, continuous recess. Also the first
  • Part 3a of the respective contact element 3 has a recess in this embodiment.
  • Recesses of contact elements 3 and NTC element 2 are designed and arranged to allow the insulating screwing of the contact elements 3.
  • the recesses are provided to a threaded rod 11 for
  • a spacer 9 is arranged in each case, which has a recess 9a ( Figure 13).
  • the respective spacer is
  • a spacer 9 is arranged on an upper side of the first portion 3a of the first and upper contact element 3. Another spacer 9 is on one
  • the insulating Clement 14 may include, for example, A10 x.
  • the insulating member 14 is an A10 x tube. In order for an insulating executed screwing of the device 1 is possible.
  • the electrical contacting of the component 1 is again as described in connection with Figure 2 via the electrically conductive connection of the contact elements 3 with the battery leads via the cable lugs 5.
  • the cable lugs are screwed over the recesses 8 of the contact elements 3 with the contact elements 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement (1) zur Einschaltstrombegrenzung aufweisend wenigstens ein NTC-Element (2) und wenigstens zwei elektrisch leitende Kontaktelemente (3), wobei das NTC-Element (2) über ein Verbindungsmaterial (7) elektrisch leitend mit dem jeweiligen Kontaktelement (3) verbunden ist und wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des jeweiligen Kontaktelements (3) an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des NTC-Elements (2) angepasst ist. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines elektronischen Bauelements (1).

Description

Beschreibung
Elektronisches Bauelement zur Einschaltstrombegrenzung und Verwendung eines elektronischen Bauelements
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement zur Einschaltstrombegrenzung. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines elektronischen Bauelements. Start-Stopp Systeme im Automobilbereich (PKW, LKW) stellen eine wesentliche Möglichkeit zur Treibstoffersparnis dar und werden deshalb in nahezu allen neuen Fahrzeugen eingebaut. Bei diesen Systemen muss der Einschaltstrom des Anlassers begrenzt werden, um ein Absinken der Bordnetzspannung
zu verhindern, damit insbesondere sicherheitsrelevante
Anwendungen (ABS, ESP) ausreichend versorgt werden.
Für den Startvorgang eines Verbrennungsmotors kann hierfür ein thermisch gesteuerter Einschaltstrombegrenzer (ICL) verwendet werden. Beim Neustart des Verbrennungsmotors nach
Sparabschaltung wird durch den Strombedarf des Anlassermotors das 12 V Bordnetz kurzzeitig mit bis zu 1000 A belastet.
Übliche 12 V Batterien werden durch diese Zusatzleistung so stark belastet, dass die Netzspannung um mehrere Volt
abfällt. Dieser Abfall kann zum Ausfall anderer Verbraucher im Bordnetz führen. Um das zu vermeiden muss der Spannungsabfall vermieden bzw. verringert werden. Zur Verringerung des Spannungsabfalls kann beispielsweise ein NTC (Negative
Temperature Coefficient) Bauelement verwendet werden.
Bei den zu erwartenden Abmaßen von mehr als 1 cm2 Querschnitt und weniger als 1 mm Länge des NTC-Bauelements ist eine flächige Kontaktierung mit einem geringen elektrischen Widerstand nötig. Zudem ist das Bauteil beim Betrieb starken Temperaturschwankungen ausgesetzt, wobei der thermische
Ausdehnungskoeffizient der ICL-Keramik deutlich kleiner ist als der Ausdehnungskoeffizient guter elektrischer Leiter (z.B. Kupfer). Die dadurch verursachten thermischen
mechanischen Verspannungen können zur Zerstörung des Bauteils führen .
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes elektronisches Bauelement zur Einschaltstrombegrenzung sowie die Verwendung eines verbesserten elektronischen Bauelements anzugeben .
Diese Aufgabe wird durch das elektronische Bauelement gemäß Anspruch 1 und die Verwendung gemäß der Ansprüche 17 bzw. 18 gelöst .
Gemäß einem Aspekt wird ein elektronisches Bauelement, kurz Bauelement, angegeben. Das elektronische Bauelement ist dazu ausgebildet in einem Einschaltstrombegrenzer verwendet zu werden bzw. als Einschaltstrombegrenzer zu agieren. Das
Bauelement weist wenigstens ein NTC-Element auf. Das NTC- Element dient als Funktionselement bzw. Funktionsschicht des Bauelements. Das NTC-Element weist eine NTC-Keramik auf. Das Bauelement kann eine Vielzahl von NTC-Elementen,
beispielsweise zwei, drei, fünf oder zehn NTC-Elemente aufweisen. Das NTC-Element kann Scheiben- oder
plättchenförmig (rund) ausgebildet sein. Das NTC-Element kann aber auch eine rechteckige oder ringförmige Fläche aufweisen.
Auf dem NTC -Element , vorzugsweise auf einer Oberseite und auf einer Unterseite des NTC-Elements , ist eine Metallisierung angeordnet . Die Metallisierung weist vorzugsweise Silber auf. Alternativ dazu kann die Metallisierung auch Kupfer oder Gold aufweisen. Das NTC-Element kann ein monolithisches Bauelement sein. In diesem Fall wird die NTC-Keramik in Presstechnologie hergestellt und anschließend durch Läppen (Feinschleifen von beiden Seiten) in die gewünschte Form bzw. auf die gewünschte Dicke gebracht (Dickschichtmonolith) . Alternativ dazu kann das NTC-Element auch als Vielschichtmonolith ausgebildet sein. In diesem Fall werden keramische Folien übereinander gestapelt und gepresst um das NTC-Element bereitzustellen.
Das Bauelement weist wenigstens zwei elektrisch leitende Kontaktelemente oder Elektroden auf. Die Kontaktelemente sind flächig ausgebildet. Die Kontaktelemente sind ausgebildet und angeordnet zur elektrisch leitenden und thermischen
Verbindung mit dem NTC-Element. Das Bauelement kann eine Vielzahl von Kontaktelementen aufweisen, beispielsweise fünf, zehn oder 15 Kontaktelemente, wobei die einzelnen NTC- Elemente dadurch thermisch gut gekoppelt sein müssen.
Das NTC-Element ist über ein erbindungsmaterial elektrisch leitend mit dem jeweiligen Ko taktelement verbunden. Das NTC- Element ist über das Verbindu: gsmaterial auch thermisch mit dem jeweiligen Kontaktelement verbunden. Durch das
Verbindungsmaterial wird eine stabile, elektrisch
hochleitfähige und mechanisch haltbare Verbindung zwischen dem NTC-Element und den Konta .telementen ausgebildet.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient des jeweiligen
Kontaktelements ist an den thermischen Ausdehnungs¬ koeffizienten des NTC-Elements angepasst. Vorzugsweise sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von NTC-Element und den Kontaktelementen annähernd gleich. Beispielsweise weist das NTC-Element einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten zwischen 7 ppm / K und 10 ppm / K auf. Vorzugsweise weist das jeweilige Kontaktelement einen entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten auf. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des jeweiligen Kontaktelements liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 5 ppm / K und 10 ppm / K.
Durch die Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten wird eine Verringerung bzw. Anpassung der Unterschiede der materialbedingten thermischen Ausdehnung (CTE) von NTC- Element und Kontaktelementen erreicht. Dadurch können durch thermische Ausdehnung verursachten Spannungen verringert oder vermieden werden. Somit wird ein besonders stabiles,
zuverlässiges und langlebiges Bauelement zur Verfügung gestellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das NTC-Element eine Oberseite und eine Unterseite auf. Oberseite und Unterseite liegen einander gegenüber und sind jeweils von den
Stirnseiten des NTC-Elements begrenzt. Die Oberseite und die Unterseite ist jeweils zumindest teilweise durch das
jeweilige Kontaktelement elektrisch leitend kontaktiert. Je nach Herstellungsprozess kann insbesondere eine geringe
Randschicht bzw. ein geringer Randbereich der Oberseite bzw. der Unterseite unkontaktiert bleiben.
Die Oberseite und die Unterseite kann aber auch jeweils vollflächig durch das jeweilige Kontaktelement elektrisch leitend kontaktiert. Mit anderen Worten, das NTC-Element ist eingebettet zwischen den beiden Kontaktelementen angeordnet, so dass Ober- und Unterseite jeweils teilweise oder
vollständig von einem Kontaktelement bedeckt werden. Dadurch kann eine besonders zuverlässige Kontaktierung des NTC- Elements und eine besonders stabile Verbindung zwischen NTC- Element und Kontaktelementen erzielt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Kontaktelement einen Materialverbund auf. Mit anderen Worten, das
Kontaktelement ist aus mehreren Materialien zusammengesetzt. Das jeweilige Kontaktelement weist vorzugsweise Kupfer auf. Kupfer zeichnet sich durch seine sehr hohe elektrische
Leitfähigkeit sowie eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Zusätzlich weist das Kontaktelement vorzugsweise Invar und / oder Kovar und / oder Molybdän auf. Diese Materialien
zeichnen sich durch ihren geringen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aus. Vorzugsweise weist das
jeweilige Kontaktelement ein gewalztes Kupfer -Invar Blech mit Lagenaufbau aus Kupfer - Invar - Kupfer auf. Durch geeignete Wahl des Dickenverhältnisses von Kupfer- und Invar / Kovar bzw. Molybdän -Schichten des jeweiligen
Kotaktelements kann der Ausdehnungskoeffizient an den
Ausdehnungskoeffizienten des NTC-Elements angepasst werden. Damit wird ein sehr stabiles und langlebiges Bauelement erzielt .
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Kontaktelement einen Lagenaufbau von Kupfer - Invar - Kupfer mit einem
Dickenverhältnis von 10% -S Kupfer < 30% - 50% -S Invar / Kovar / Molybdän < 80% - 10% < Kupfer < 30% auf. Das bedeutet, dass das Kontaktelement wenigstens drei Lagen aufweist. Eine erste Lage weist vorzugsweise Kupfer auf. Die erste Lage weist eine Dicke oder vertikale Ausdehnung auf, die zwischen 1/10 und 3/10 der Gesamtdicke des Kontaktelements beträgt. Eine zweite Lage weist vorzugsweise Kovar und / oder Invar und / oder Molybdän auf. Die zweite Lage weist eine Dicke auf, die zwischen 5/10 und 8/10 der Gesamtdicke des Kontaktelements beträgt. Die dritte Lage weist eine Dicke auf, die zwischen 1/10 und 3/10 der Gesamtdicke des Kontaktelements beträgt.
Die Lage des Kontaktelements, welche Invar / Kovar / Molybdän aufweist ist dicker, als diejenige Lage des Kontaktelements, welche Kupfer aufweist. Damit kann der Ausdehnungskoeffizient des Kontaktelements reduziert bzw. an den Ausdehnungskoeffi¬ zienten des NTC-Elements angepasst werden. Vorzugsweise beträgt das Dickenverhältnis Kupfer - Invar - Kupfer 20% - 60% - 20%. Selbstverständlich sind auch andere Dickenverhältnisse und andere Schichtfolgen und Anzahlen von Schichten sowie der Zusatz von Kovar oder Molybdän
vorstellbar um den gewünschten Ausdehnungskoeffizienten zu erzielen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verbindungsmaterial Sintersilber auf. Sintersilber weist eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit aus. Ferner kann Sintersilber hohen Temperaturen von bis zu 400 °C, beispielsweise 300° C, sowie schnellen und vielen Temperaturwechseln standhalten.
Im Betriebszustand bzw. heißen Zustand des NTC-Elements können sehr hohe Temperaturen sowie eine Vielzahl von
Temperaturwechseln auftreten. Daher ist die
Hitzebeständigkeit und Anpassungsfähigkeit des
Verbindungsmaterials von äußerster Wichtigkeit. Der heiße Zustand bezeichnet dabei einen Zustand bei einer Temperatur, welche größer ist als diejenige des NTC-Elements in einem Grundzustand. Der Temperaturbereich zwischen dem Grundzustand und dem heißen Zustand kann beispielsweise jeden
Temperaturbereich zwischen -55°C und +300°C überspannen oder sich über diesen Bereich erstrecken. Bevorzugt kann sich der Temperaturbereich zwischen dem Grundzustand und dem heißen Zustand über den Bereich von -40°C bis +300°C erstrecken.
Bevorzugt weist das Verbindungsmaterial yAg auf. yAg zeichnet sich insbesondere durch seine ausreichende Porosität aus.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das NTC-Element zwei, drei, fünf, zehn oder mehr Segmente auf. Die Segmente des NTC-Elements stellen vorzugsweise rechteckige Teilbereiche des NTC-Elements dar, die voneinander beabstandet sind. Der Abstand zwischen den Segmenten beträgt 0,05 mm bis 0,2 mm, beispielsweise 0,1 mm. Mit anderen Worten, zwischen den einzelnen Segmenten befinden sich Fugen (Dehnungsfugen) .
Durch diese Dehnungsfugen werden keine oder nur geringe
Verspannungen aufgebaut. Zusätzliche mechanische Spannungen können somit vermieden werden und folglich kann ein
langlebiges Bauelement zu Verfügung gestellt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das NTC-Element bei einer Temperatur von 25°C (Raumtemperatur) einen
Nominalwiderstand R25 ^ 1 Ω auf. Als Raumtemperatur wird hierbei die Temperatur verstanden, die üblicherweise in bewohnten Räumen herrscht. Der genannte elektrische
Widerstand beschreibt vorzugsweise den elektrischen
Widerstand des unbelasteten NTC-Elements zwischen
Außenkontakten bei einer Umgebungstemperatur von 25°C.
Beispielsweise weist das NTC-Element bei der angegeben
Temperatur einen Nominalwiderstand R25 von kleiner oder gleich 0,1 Ω auf, vorzugsweise kleiner 0,05 Ω. Das NTC- Element weist folglich einen sehr kleinen elektrischen
Widerstand bei Raumtemperatur bzw. bei 25°C und damit eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Damit ist das NTC- Element besonders gut zum Einsatz in einem Einschaltstrombegrenzer mit hoher Stromlast geeignet.
Durch den geringen elektrischen Widerstand kann insbesondere erreicht werden, dass ein ausreichend hoher Einschaltstrom eines elektrischen Verbrauchers, welcher beispielsweise in einer entsprechenden Anwendung in Reihe zu dem elektronischen Bauelement geschaltet ist, zur Verfügung gestellt wird, aber soweit begrenzt wird, dass beispielsweise die elektrische Spannung beim Einschaltvorgang für die elektrische Versorgung weiterer wichtiger elektrischer Komponenten noch ausreichend hoch ist. Mit Hilfe des Bauelements wird der
Spannungseinbruch beim Startvorgang des Verbrauchers im
Vergleich zu einem Verbraucher ohne das elektronische
Bauelement vorzugsweise um ca. 1 V reduziert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der spezifische
elektrische Widerstand des NTC-Elements in einem Grundzustand des elektronischen Bauelements -S 2 Qcm. Vorzugsweise liegt der spezifische elektrische Widerstand des NTC-Elements in einem Grundzustand des elektronischen Bauelements zwischen 0,1 Qcm und 1,0 Qcm, beispielsweise bei 0,3 Qcm.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Kontaktelement eine Dicke d auf. Vorzugsweise gilt 0,3 mm < d -S 0,8 mm. Bevorzugt beträgt die Dicke d des jeweiligen Kontaktelements weniger als 0,7 mm, beispielsweise 0,6 mm.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Bauelement eine Vielzahl von NTC-Elementen und Kontaktelementen auf. Die mehreren NTC-Elemente können durch Vereinzeln aus einem
Substrat bereitgestellt werden. Die NTC-Elemente sind
zueinander parallel geschaltet. Die Strombelastbarkeit und/oder Stromtragfähigkeit des Bauelements kann durch eine Parallelschaltung von mehreren NTC-Elementen gesteigert werden. Vorzugsweise sind die NTC-Elemente stapeiförmig übereinander angeordnet. Zwischen zwei benachbarten NTC- Elementen ist jeweils ein Kontaktelement angeordnet. Die NTC- Elemente sind über die Kontaktelemente thermisch gut
aneinander gekoppelt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das NTC-Element die Zusammensetzung La(i-X)EA(x)Mn ( l-a-b-c) Fe(a)CO(b)Ni(c)0(3±6) auf.
Dabei ist 0 < x < 0,5 und 0 < (a+b+c) < 0,5. EA bezeichnet ein Erdalkali-Element. Vorzugsweise wird das Erdalkali- Element aus Magnesium, Calcium, Strontium oder Barium
ausgewählt, δ bezeichnet die Abweichung vom stöchiometrischen SauerstoffVerhältnis ( Sauerstoffüberschuss bzw.
Sauerstoffdefizit). Vorzugsweise ist |δ| ^ 0,5. Besonders bevorzugt ist |δ| = 0.
Durch diese Zusammensetzung wird ein NTC-Element
bereitgestellt, welches sich durch eine außerordentlich hohe elektrische Leitfähigkeit und einen ausreichenden B-Wert (Thermistorkonstante) auszeichnet. Durch (eine) spezifische Dicke und (einen) spezifischen Querschnitt bzw. Fläche des NTC-Elements kann der Widerstand weiter variiert und
gesteuert werden. Das NTC-Element weist eine Dicke d auf.
Vorzugsweise gilt 100 ym < d ^ 600 ym. Bevorzugt beträgt die Dicke d des NTC-Elements weniger als 500 ym, beispielsweise 400 ym. Der B-Wert B25/100 liegt im Bereich zwischen 1000 K und 4000 K, bevorzugt zwischen 1400 K und 2000 K, beispielsweise bei 1500 K.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Bauelement ein Befestigungselement auf. Das Befestigungselement ist vorzugsweise dazu ausgebildet und angeordnet eine elektrisch leitendende Verbindung mit Batterieleitungen herzustellen. Das Befestigungselement ist ferner vorzugsweise dazu
ausgebildet und angeordnet eine mechanische Verbindung mit Batterieleitungen herzustellen. Das Befestigungselement ist ferner vorzugsweise dazu ausgebildet und angeordnet eine - indirekte - mechanische Verbindung zwischen den
Kontaktelernenten bereitzustellen. Das Befestigungselement kann dazu ausgebildet sein, eine
Schraubverbindung auszubilden. Das Befestigungselement kann beispielsweise aber auch dazu ausgebildet sein eine
Klemmverbindung auszubilden. Das Befestigungselement kann ferner ein Dichtelement aufweisen. Das Dichtelement kann isolierend oder teilweise isolierend ausgebildet sein. Das Befestigungselement kann wenigstens eine Mutter und eine Schraube und / oder wenigstens ein Klemmelement,
beispielsweise zwei Klemmelemente, aufweisen. Das Befestigungselement weist einen elektrischen Widerstand auf. Der elektrische Widerstand ist gleich bzw. nur
geringfügig höher, als der Widerstand des NTC-Elements bei tiefen Betriebstemperaturen. Insbesondere ist der elektrische Widerstand des Befestigungselements gleich bzw. nur
geringfügig höher, als der Widerstand des NTC-Elements bei der untersten Betriebstemperatur, z.B. -40°C.
Der Widerstand des Befestigungselements ist nicht
temperaturabhängig. Dadurch ist auch in einem Fehlerfall (z.B. Bruch der leitfähigen Verbindung zwischen NTC-Element und Kontaktelement) noch immer ein Start des Motors möglich (abhängig von der Auslegung des Anlassersystems) . Der
Spannungseinbruch wird ebenfalls vermieden, jedoch wird die zum Starten verfügbare elektrische Leistung stark begrenzt wodurch der Startvorgang u.U. deutlich verzögert wird. Neben einer Verschraubung kann auch ein Fixwiderstand oder eine anderes leitfähiges Element mit definiertem elektrischem Widerstand als Befestigungselement verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung eines elektronischen Bauelements beschrieben. Vorzugsweise wird die Verwendung des oben beschriebenen Bauelements angegeben. Alle Merkmale, die in Zusammenhang mit dem Bauelement erläutert wurden, gelten auch für die Verwendung und umgekehrt.
Es wird insbesondere die Verwendung des oben beschriebenen Bauelements für Start- / Stopp- Systeme im Automobilbereich angegeben. Durch den temperaturabhängigen Widerstand (NTC- Element) wird der Einschaltstrom beim Einschalten begrenzt. Beim Einschalten erwärmt sich das NTC-Element sofort durch den Einschaltstrom (z.B. auf 250°C), wodurch sich der NTC Widerstand schnell bis auf einen sehr kleinen Restwiderstand verringert ( z . B . 0,5 mQ) . Diese dynamische Widerstandsänderung verringert auf Grund der spezifischen
Eigenschaften des NTC-Elements die vom Anlassermotor
verursachte Stromspitze, was gleichzeitig den Spannungs¬ einbruch der Batterie verringert. Damit wird ein effektives Bauelement zur Einschaltstrombegrenzung in Start-Stopp- Systemen bereitgestellt.
Durch die bereitgestellten Kontaktelemente und das
Verbindungsmaterial wird ferner eine sehr niederohmige elektrischen Verbindung von NTC-Element zu den Kontaktelementen für wiederholte Schaltzyklen realisiert, bei denen die Umgebungstemperatur von -40 °C bis 120 °C schwanken kann. Beim Schaltzyklus kann die Temperatur auf bis zu 300°C steigen. Somit wird ein stabiles, elektrisch hochleitfähiges Bauelement mit mechanisch haltbarer, temperatur-beständiger und extrem belastbarer Verbindung zwischen NTC-Element und Kontaktelementen zur Verwendung für Start- / Stopp- Systeme im Automobilbereich angegeben.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung eines elektronischen, insbesondere des oben beschriebenen
elektronischen Bauelements, für Ströme bis 1000 A bei
Gleichspannung in 12 V und 24 V Netzen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungs¬ beispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein. Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines
elektronischen Bauelements.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer möglichen
Kontaktierung des elektronischen Bauelements gemäß Figur 1, Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines
elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel , Figur 4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ,
Figur 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer möglichen
Kontaktierung des elektronischen Bauelements gemäß Figur 4,
Figur 6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines
elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ,
Figur 7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines
elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ,
Figur 8 zeigt eine schematische Schnittansicht eines
elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ,
Figur 9 zeigt eine Draufsicht auf einen Teilbereich des elektronischen Bauelements gemäß Figur 8,
Figur 10 zeigt eine schematische Schnittansicht eines
elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ,
Figur 11 zeigt eine Draufsicht auf einen Teilbereich des elektronischen Bauelements gemäß Figur 10,
Figur 12 zeigt eine schematische Schnittansicht eines
elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel , Figur 13 zeigt eine Draufsicht auf einen Teilbereich des elektronischen Bauelements gemäß Figur 12. Die Figur 1 zeigt ein elektronisches Bauelement 1, kurz Bauelement 1. Das Bauelement 1 ist dazu ausgebildet als Einschaltstrombegrenzer oder in einem Einschaltstrombegrenzer für Start- / Stopp- Systeme in 12 V und 24 V Netzen im
Automobilbereich eingesetzt zu werden. Das Bauelement 1 ist insbesondere für eine Verwendung bei Strömen bis 1000 A (bei Gleichspannung in 12 V und 24 V Netzen) geeignet. Das
Bauelement 1 dazu geeignet in typischen 12 V Startermotoren mit ca. 1 kW bis 3 kW Leistung verwendet zu werden. Das Bauelement 1 weist ein NTC-Element 2 bzw. eine NTC-
Keramik auf. Das NTC-Element 2 stellt eine Funktionsschicht bzw. ein Funktionselement des Bauelements 1 dar. Das NTC- Element 2 ist ein heißleitendes Bauelement mit einem
negativen Temperaturkoeffizienten .
Das NTC-Element 2 weist eine Materialzusammensetzung auf, welche sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit bzw. einen geringen spezifischen Widerstand auszeichnet. Das NTC-Element 2 weist vorzugsweise die folgende
Zusammensetzung auf: La ( i-x ) EA(x)Mn (1-a-b-c) Fe (a) Co (b)Ni (c) 0 ( 3±δ ) ·
Dabei gilt 0 < x < 0,5 und 0 < (a+b+c) < 0,5. EA steht für ein Erdalkali-Element, beispielsweise Mg, Ca, Sr oder Ba. δ bezeichnet die Abweichung vom stöchiometrischen Sauerstoff- Verhältnis ( Sauerstoffüberschuss bzw. Sauerstoffdefizit).
Vorzugsweise ist |δ| -S 0,5, besonders bevorzugt ist |δ| = 0. Beispielsweise weist die NTC-Keramik die Zusammensetzung La0,95Sr0,05MnO3 auf. Der spezifische elektrische Widerstand des NTC-Elements 2 in einem Grundzustand des NTC-Elements 2 beträgt kleiner oder gleich 2 Qcm, bevorzugt -S 1 Qcm, beispielsweise 0,5 Qcm. Der Grundzustand beschreibt dabei eine Temperatur des NTC- Elements 2 von 25°C bzw. bei Raumtemperatur. Bei dem
Grundzustand kann es sich um einen unbelasteten Zustand, in dem beispielsweise keine elektrische Leistung an dem NTC- Element 2 angelegt ist, handeln.
Das NTC-Element 2 weist bei der angegeben Temperatur einen elektrischen Widerstand (Nominalwiderstand R25) von kleiner oder gleich 1 Ω auf, vorzugsweise kleiner 0,1 Ω, beispiels¬ weise 0,05 Ω. Das NTC-Element 2 weist folglich einen geringen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur bzw. bei 25°C und damit eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Damit ist das NTC-Element 2 besonders gut zum Einsatz in einem
Einschaltstrombegrenzer geeignet . Das NTC-Element 2 weist ferner einen hohen B-Wert auf. Der B- Wert B25/100 liegt im Bereich zwischen 1000 K und 4000 K, bevorzugt zwischen 1400 K und 2000 K, beispielsweise bei 1500 K. Das NTC-Element 2 hat einen geringen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten. Typischerweise liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient des NTC-Elements 2 zwischen 7 ppm / K und 10 ppm / K.
Das NTC-Element 2 ist vorzugsweise als monolithisches
Bauelement ausgebildet. Beispielsweise ist das NTC-Element 2 ein Dickschichtmonolith. In diesem Fall wird das NTC-Element 2 in Presstechnologie hergestellt und anschließend durch Läppen (Feinschleifen von beiden Seiten) auf die gewünschte Dicke gebracht. Alternativ dazu kann das NTC-Element 2 aber auch als Vielschichtmonolith ausgebildet sein. In diesem Fall werden keramische Folien übereinander gestapelt und gepresst um das NTC-Element 2 bereitzustellen. Das in Figur 2 dargestellte NTC-Element 2 hat eine runde Form. Das NTC-Element 2 ist scheibenförmig oder plättchen- förmig ausgebildet. Aber auch andere Formen sind für das NTC- Element 2 vorstellbar, beispielsweise eine rechteckige Form oder eine Ringform. Das NTC-Element 2 kann in Form eines Substrats ausgebildet sein. Das NTC-Element 2 weist eine Fläche zwischen 25 mm2 und 500 mm2, beispielsweise 200 mm2 auf. Der Durchmesser des NTC-Elements 2 beträgt beispiels¬ weise kleiner oder gleich 14 mm, z.B. 13,75 mm. Das NTC- Element 2 weist eine Dicke d zwischen 100 ym und 600 ym, beispielsweise 400 ym, auf. Durch Variieren von Dicke d und / oder Querschnitt bzw. Fläche des NTC-Elements 2 kann der Widerstand des NTC-Elements 2 variiert und gesteuert werden.
Das NTC-Element 2 weist eine Metallisierung auf (nicht explizit dargestellt) . Die Metallisierung ist vorzugsweise an einer Oberseite und an einer Unterseite des NTC-Elements 2 angeordnet. Vorzugsweise weist die Metallisierung
eingebranntes Silber auf. Das Bauelement 1 weist ferner zwei Kontakte 3 bzw.
Kontaktelemente 3 auf (Pluskontakt- und Minuskontaktelement 12b, 12a, siehe Figur 3) . Die Kontaktelemente 3 dienen der elektrischen Kontaktierung des NTC-Elements 2. Die
Kontaktelemente 3 liegen in diesem Ausführungsbeispiel vollflächig auf der Oberseite und der Unterseite des NTC- Elements 2 auf. Alternativ dazu (nicht explizit dargestellt) kann ein schmaler Randbereich von Oberseite und Unterseite auch frei von dem jeweiligen Kontaktelement 3 bleiben. Die Kontaktelemente 3 sind jeweils mit der Oberseite und der Unterseite des NTC-Elements 2 elektrisch leitend verbunden. Vorzugsweise sind das NTC-Element 2 und die Kontaktelemente 3 versintert.
Zu diesem Zweck weist das Bauelement 1 ein Verbindungs¬ material 7 auf. Zwischen der Oberseite des NTC-Elements 2 und dem ersten Kontaktelement 3 sowie zwischen der Unterseite des NTC-Elements 2 und dem zweiten Kontaktelement 7 ist jeweils eine Schicht aus Verbindungsmaterial 7 ausgebildet. Die
Schichtdicke des Verbindungsmaterials 7 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 15 ym und 80 ym, beispielsweise bei 20 ym. Das Verbindungsmaterial 7 zeichnet sich durch eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit aus. Das
Verbindungsmaterial 7 zeichnet sich ferner vorzugsweise durch eine große Porosität aus. Das Verbindungsmaterial 7 zeichnet sich ferner dadurch aus, dass es hohen Temperaturen bis zu 400 °C, z.B. 300°C, sowie vielen und schnellen Temperaturwechseln standhalten kann, die im Betrieb bzw. im heißen Zustand des Bauelements 1 auftreten können.
Der heiße Zustand bezeichnet dabei einen Zustand des
Bauelements 1 bei einer Temperatur, welche größer ist als diejenige des Bauelements 1 in dem Grundzustand. Der
Temperaturbereich zwischen dem Grundzustand und dem heißen Zustand kann beispielsweise jeden Temperaturbereich zwischen -55°C und +300°C überspannen oder sich über diesen Bereich erstrecken. Bevorzugt kann sich der Temperaturbereich
zwischen dem Grundzustand und dem heißen Zustand über den Bereich von -40°C bis +300°C erstrecken. Beispielsweise weist das Verbindungsmaterial 7 Sintersilber Ag oder yAg auf. Sintersilber hat den Vorteil, dass es eine ausreichende Porosität auf weist. Mit Hilfe des Verbindungs¬ materials 7 wird eine stabile, elektrisch hoch leitfähige sowie mechanisch haltbare Verbindung zwischen dem NTC-Element 2 und den Kontaktelementen 3 erzielt.
Das jeweilige Kontaktelement 3 weist eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit auf. Das jeweilige Kontaktelement 3 ist ferner so ausgebildet, dass thermische Spannungen
zwischen dem NTC-Element 2 und dem Kontaktelement 3 reduziert werden. Insbesondere ist das jeweilige Kontaktelement 3 dazu ausgebildet die Unterschiede der materialbedingten
thermischen Ausdehnung (CTE) zu verringern bzw. zu
reduzieren.
Vorzugsweise weist das jeweilige Kontaktelement 3 einen
Materialverbund auf. Das jeweilige Kontaktelement kann beispielsweise als Verbundblech ausgebildet sein. Der
Materialverbund kann Kupfer-Invar-Kupfer (CIC) aufweisen. An Stelle von Invar kann auch Kovar oder Molybdän als Material verwendet werden. Invar bzw. Kovar bzw. Molybdän hat einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Typischerweise liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient dieser
Materialien bei -S 10 ppm / K, beispielsweise bei 7 ppm / K. Damit ist der Ausdehnungskoeffizient von Kovar / Invar / Molybdän sehr ähnlich zu dem Ausdehnungskoeffizienten des NTC-Elements 2. Durch eine geeignete Wahl des Dicken¬ verhältnisses der Schichten des Materialverbunds kann der Ausdehnungskoeffizient des Kontaktelements 3 gut an den
Ausdehnungskoeffizienten des NTC-Elements 2 angepasst werden. Thermische Spannungen können reduziert oder vermieden werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist das jeweilige
Kontaktelement 3 ein gewalztes Kupfer-Invar Blech mit
Lagenaufbau aus Kupfer-Invar-Kupfer von 20%-60%-20%. Jedoch sind auch andere Verhältnisse von Kupfer und Invar oder Kovar / Molybdän vorstellbar. Insbesondere können je nach
erforderlicher Fläche des NTC-Elements 2 sowie dem
erforderlichen Wärmeleitwiderstand auch andere Schichtfolgen und Schichtdicken zum Einsatz kommen. Die Kontaktelemente 3 umschließen das NTC-Element 2
zangenförmig . Dabei liegt ein erster Teilbereich 3a des jeweiligen Kontaktelements 3 an der Oberseite bzw. Unterseite des NTC-Elements 2 auf und verläuft parallel zu der Oberseite bzw. Unterseite des NTC-Elements 2 bzw. zu einer Längsachse L des Bauelements 1. Eine Länge bzw. horizontale Ausdehnung des NTC-Elements 2 ist vorzugsweise kleiner oder gleich der Länge oder horizontalen Ausdehnung des ersten Teilbereichs 3a.
Ein zweiter Teilbereich 3b des jeweiligen Kontaktelements 3 schließt einen Winkel mit der Längsachse L ein. Der zweite
Teilbereich 3b schließt sich vorzugsweise in einem Winkel von -S 20 °, beispielsweise 15°, zur Längsachse L des Bauelements 1 an den ersten Teilbereich 3a an. Der Winkel zwischen dem zweiten Teilbereich 3b des ersten Kontaktelements 3 und dem zweiten Teilbereich 3b des zweiten Kontaktelements beträgt vorzugsweise kleiner oder gleich 40°, beispielsweise 30°. Ein dritter Teilbereich 3c des jeweiligen Kontaktelements 3 schließt sich an den zweiten Teilbereich 3b an und verläuft parallel zur Längsachse L.
Die jeweiligen Teilbereiche 3a, 3b, 3c weisen in diesem
Ausführungsbeispiel vorzugsweise die gleiche Länge auf.
Beispielsweise weiden die Teilbereiche 3a, 3b, 3c jeweils eine Länge von 10 mm bis 15 mm auf. Die jeweiligen Teilbereiche 3a, 3b, 3c weisen vorzugsweise die gleiche Dicke d auf. Beispielsweise weiden die Teilbereiche 3a, 3b, 3c jeweils eine Dicke d von kleiner oder gleich 0,8 mm und größer oder gleich 0,3 mm auf. Folglich beläuft sich die
Dicke d des jeweiligen Kontaktelements 3 auf 0,3 mm < d ^ 0,8 mm, beispielsweise d = 0,7 mm.
Die Teilbereiche 3a, 3b, 3c gehen ineinander über. Mit anderen Worten, die Teilbereiche 3a, 3b, 3c sind nicht als separate Bereiche bzw. Bauteile ausgeführt sondern stellen nur Unterabschnitte des jeweiligen Kontaktelements 3 dar.
Das jeweilige Kontaktelement 3, insbesondere der dritte
Teilbereich 3c, weist eine Aussparung 8 auf. Vorzugsweise weist der dritte Teilbereich 3c dafür eine größere
horizontale Ausdehnung bzw. eine größere Fläche auf, als der erste und zweite Teilbereich 3a, 3b (siehe beispielsweise Figur 3) . Die Aussparung 8 ist vorzugsweise kreisförmig ausgebildet. Die Aussparung 8 weist beispielsweise einen
Durchmesser von 8 mm auf. Die Aussparung 8 durchdringt das Kontaktelement 3 vollständig. Die Aussparung 8 dient dazu das Bauelement 1 mittels eines Befestigungselements mit
Batterieleitungen zu verbinden, wie beispielsweise in
Zusammenhang mit Figur 2 näher erläutert wird.
Die Figur 2 zeigt eine mögliche Kontaktierung des Bauelements 1 gemäß der Figur 1 mit den Batterieleitungen über
Kabelschuhe .
Das Bauelement 1 weist ein Befestigungselement zur
Herstellung der elektrischen Kontaktierung des Bauelements 1 und insbesondere zur mechanischen Befestigung von Batterieleitungen mit dem Bauelement 1 auf. Das
Befestigungselement kann zur Bereitstellung einer wie
nachfolgend beschriebenen Schraubverbindung ausgebildet sein. Alternativ dazu kann das Befestigungselement auch dazu ausgebildet und angeordnet sein eine Klemmverbindung
herzustellen .
Zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement 3 ist ein Distanzhalter 9 angeordnet. Der Distanzhalter 9 ist zwischen einer Unterseite des dritten Teilbereichs 3c des ersten bzw. oberen Kontaktelements 3 und der Oberseite des dritten
Teilbereichs 3c des zweiten bzw. unteren Kontaktelements 3 angeordnet. Der Distanzhalter 9 ist zylinderförmig
ausgebildet .
Der Distanzhalter 9 ist isolierend ausgebildet. Der
Distanzhalter 9 dient der elektrischen Isolierung zwischen den beiden Kontaktelementen 3 (Pluskontaktelement 12b und Minuskontaktelement 12a, siehe Figur 3) . Der Distanzhalter 9 weist beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) auf. PTFE hat den Vorteil, dass es bis zu einer Temperatur von ca. 250° C beständig isolierend ist. Vorzugsweise weist der
Distanzhalter 9 eine Aussparung auf (nicht explizit
dargestellt) , welche den Distanzhalter 9 in vertikaler
Richtung vollständig durchdringt. Die Aussparung dient zur
Aufnahme eines Verbindungselements, z.B. einer Gewindestange 11, beispielsweise einer Schraube.
An der Oberseite des ersten Kontaktelements 3 bzw. der
Unterseite des zweiten Kontaktelements 3 ist jeweils eine
Mutter 10 angeordnet. Gewindestange 11 und Muttern 10 dienen zur Verschraubung der Kontaktelemente 3 und zur elektrisch leitenden und mechanischen Verbindung des Bauelements 1 mit den Batterieleitungen (nicht explizit dargestellt) .
Alternativ dazu beispielsweise Klemmelemente bereitgestellt werden zur Verklemmung der Kontaktelemente 3 und / oder zur elektrisch leitenden und mechanischen Verbindung des
Bauelements 1 mit den Batterieleitungen (nicht explizit dargestellt) .
Zwischen den nicht dargestellten Batterieleitungen und den Kontaktelementen 3 sind Kabelschuhe 5 angeordnet, an denen ein nicht dargestelltes Kupferkabel befestigt ist. Die
Kabelschuhe 5 sind elektrisch leitend mit den Kontakt¬ elementen 3 verbunden. Zur Verbindung des Bauelements 1 mit den Kabelschuhen 5 wird die Gewindestange 11 durch die
Muttern 10, die Aussparung 8 im jeweiligen Kontaktelement 3 sowie die Aussparung im Distanzhalter 9 geführt.
Die Verschraubung auf einer Achse vermeidet dabei zusätzliche mechanische Spannungen auf die Verbindung zwischen dem NTC- Element 2 und den Kontaktelementen 3. Die Verschraubung bzw. Befestigung muss entweder einen höheren Widerstand als das
NTC-Element 2 aufweisen oder muss isolierend ausgeführt sein (siehe beispielsweise Figuren 12 und 13) . Die Verschraubung bzw. Befestigung kann alternativ auch direkt auf einen
Massekontakt am Fahrzeug oder des Anlassermotors erfolgen.
Durch den temperaturabhängigen Widerstand des Bauelements 1 wird der Einschaltstrom beim Einschalten begrenzt. Beim
Einschalten erwärmt sich das NTC-Element 2 sofort durch den Einschaltstrom (z.B. auf 250°C), wodurch sich der NTC
Widerstand schnell bis auf einen sehr kleinen
Restwiderstand (z.B. 0,5 mQ) verringert. Diese dynamische Widerstandsänderung verringert die vom Anlassermotor
verursachte Stromspitze, was gleichzeitig den Spannungseinbruch der Batterie verringert. Damit wird ein stabiles, langlebiges und effizientes Bauelement zur
Einschaltstrombegrenzung zur Verfügung gestellt. Das Bauelement 1 kann zusätzlich mit einer so genannten „fail-safe" (Fehlerausfall) Funktion ausgestattet werden. Dazu wird die in Figur 2 gezeigte Verschraubung so
ausgeführt, dass ihr elektrischer Widerstand gleich bzw. nur geringfügig höher ist, als der Widerstand des NTC-Elements 2 bei der untersten Betriebstemperatur, z.B. -40°C. Der
Widerstand dieser Verschraubung ist nicht temperaturabhängig. Dadurch ist auch in einem Fehlerfall (z.B. Bruch der
leitfähigen Verbindung zwischen NTC-Element 2 und
Kontaktelement 3) noch immer ein Start des Motors möglich (abhängig von der Auslegung des Anlassersystems) . Der
Spannungseinbruch wird ebenfalls vermieden, jedoch wird die zum Starten verfügbare elektrische Leistung stark begrenzt, wodurch der Startvorgang unter Umständen deutlich verzögert wird .
Beispielsweise beträgt der spezifische elektrische Widerstand des NTC-Elements 2 bei 25°C: Rspez,25 = 0,2 Qcm. Der
Nominalwiderstand R25 des NTC-Elements 2 bei einer Temperatur von 25°C beträgt beispielsweise R25 = 10 mQ. Der B-Wert liegt beispielsweise bei 1650 K. Damit ergibt sich für einen spezifischen elektrischen Widerstand des NTC-Elements 2 bei einer Temperatur von -40°C Rspez,-4o = 0,65 Qcm und für einen Widerstand des NTC-Elements 2 von 32 mQ ein elektrischer Widerstand der Verschraubung von vorzugsweise 32 bis 35 mQ.
Alternativ zu einer Verschraubung kann auch ein Fixwiderstand oder eine anderes leitfähiges Element mit definiertem
elektrischem Widerstand verwendet werden. Die Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines
elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zu dem Bauelement 1 aus der Figur 1 weist das Bauelement 1 gemäß Figur 3 mehrere NTC- Elemente 2 sowie mehrere Kontaktelemente 3 auf.
Das Bauelement 1 kann bis zu zehn NTC-Elemente 2 aufweisen. Die NTC-Elemente 2 sind jeweils rund bzw. scheibenförmig ausgebildet (siehe Ausführungen zur Figur 1) . Die NTC- Elemente 2 sind elektrisch parallel geschaltet.
Zwischen den NTC-Elementen 2 sind die Kontaktelemente 3 angeordnet. Das Bauelement 1 weist vorzugsweise eine
Schichtfolge aus alternierend angeordneten NTC-Elementen 2 und Kontaktelementen 3 (Plus-Kontaktelemente 12b und Minus- Kontaktelemente 12a) auf. Durch die flächige „stapeiförmige" Abfolge vom Kontaktelement 3 / NTC-Element 2 / Kontaktelement 3 / NTC-Element 2 usw. wird eine gute thermische Verbindung der einzelnen NTC-Elemente 2 erreicht. Diese gute thermische Verbindung ermöglicht eine gleichmäßige Erwärmung der NTC- Elemente 2.
Der Durchmesser der NTC-Elemente 2 kann kleiner sein als der Durchmesser des in Figur 1 dargestellten NTC-Elements 2. Das heißt, es werden mehrere kleinere Elemente verbunden. Die Verspannungen reduzieren sich dabei mit der Bauteilgröße des NTC-Elements 2.
Die Befestigung an den, vorzugsweise die Verschraubung mit den, Batterieanschlüssen erfolgt vorzugsweise auf einem gemeinsamen, isolierenden Körper (beispielsweise einem
Distanzhalter 9) , um zusätzliche mechanische Spannungen auf die Verbindung zwischen den NTC-Elementen 2 und den
Kontaktelementen 3 zu vermeiden.
Alle weiteren Merkmale des Bauelements 1 gemäß der Figur 3, insbesondere Material, Struktur und Funktionsweise von NTC- Elementen 2 und Kontaktelementen 3 sowie deren Verbindung über das Verbindungsmaterial 7 und die Funktionsweise des Bauelements 1 entsprechen den in Zusammenhang mit der Figur 1 beschriebenen Merkmalen.
Die Figur 4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel . Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu dem Bauelement 1 aus Figur 1 beschrieben. Insbesondere finden die Merkmale betreffend die Ausführung des NTC-Elements 2 sowie die
Verbindung von NTC-Element 2 und Kontaktelementen 3 aus Figur 1 auch für das Bauelement 1 aus Figur 4 Anwendung.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kontaktelemente 3 doppelseitig ausgeführt. Auch hier weist das jeweilige
Kontaktelement 3 drei Teilbereiche 3a, 3b, 3c auf, wobei zweiter Teilbereich 3b und dritter Teilbereich 3c gleichartig aber in entgegengesetzter Richtung zum ersten Teilbereich 3a ausgeführt sind.
Der erste Teilbereich 3a liegt an der Oberseite bzw.
Unterseite des NTC-Elements 2 auf und verläuft parallel zu der Oberseite bzw. Unterseite des NTC-Elements 2 bzw. zur
Längsachse L. Die Länge bzw. horizontale Ausdehnung des NTC- Elements 2 ist kleiner oder gleich der Länge oder
horizontalen Ausdehnung des ersten Teilbereichs 3a. Vorzugsweise ist die Länge des ersten Teilbereichs 3a in diesem Ausführungsbeispiel größer als die Länge des ersten Teilbereichs 3a gemäß dem in Figur 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel. Die Länge des ersten Teilbereichs 3a beträgt beispielsweise 18 mm. Der Durchmesser des NTC-
Elements 2 beträgt beispielsweise kleiner oder gleich 14 mm, z.B. 13,75 mm .
Der zweite und dritte Teilbereich 3b, 3c schließen sich jeweils an einen Seitenbereich bzw. Randbereich des ersten Teilbereichs 3a an. Mit anderen Worten, links und rechts an den ersten Teilbereich 3a angrenzend sind jeweils der zweite Teilbereich 3b und der dritte Teilbereich 3c ausgebildet.
Der zweite Teilbereich 3b und der dritte Teilbereich 3c schließen jeweils einen Winkel mit Längsachse L ein. Der zweite und dritte Teilbereich 3b, 3c schließen vorzugsweise jeweils einen Winkel von < 90 °, beispielsweise 60°, mit der Längsachse L ein. Sowohl der zweite Teilbereich 3a als auch der dritte Teilbereich 3c verlaufen von der Längsachse L weg. Ein vertikaler Abstand von einem Endbereich 13 des dritten Teilbereichs 3c bzw. des zweiten Teilbereichs 3b zu dem NTC- Element 2 beträgt beispielsweise kleiner oder gleich 18 mm, beispielsweise 15 mm.
Das Bauelement 1 ist spiegelsymmetrisch um die Achse L ausgeführt. Das jeweilige Kontaktelement 3 ist ferner
spiegelsymmetrisch um eine vertikale Achse V ausgebildet. Durch die oben beschriebene Ausführung kann z.B. der
elektrische und thermische Widerstand der Kontaktelemente 3 bei gleichem Kontaktmaterial halbiert werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung ist die Vermeidung unterschied- licher Temperaturen im NTC-Element 2 durch „einseitige"
Wärmeabfuhr über die Kontaktelemente 3 wie beispielsweise bei der Ausführung gemäß Figur 1. Alle weiteren Merkmale des Bauelements 1 gemäß der Figur 4 entsprechen den in Zusammenhang mit der Figur 1 beschriebenen Merkmalen .
Die Figur 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer
möglichen Kontaktierung des elektronischen Bauelements gemäß Figur 4.
Das Bauelement 1 ist herbei in ein Gehäuse 6 eingebracht. Das Gehäuse 6 ist rahmenförmig ausgebildet. Durch das Gehäuse 6 wird das Bauelement 1 mittels einem isoliertem, flexiblem Kupferkabel (nicht explizit dargestellt) kontaktiert
(verschraubt, verklemmt oder ähnliches) . Die Kontaktierung erfolgt dabei wie in Zusammenhang mit der Figur 2 beschrieben über die Muttern 10, die Gewindestange 11, welche in die Aussparung 8 des jeweiligen Kontaktelements 3 eingebracht wird, sowie der elektrisch leitenden Verbindung der
Kontaktelemente 3 mit Kabelschuhen, in denen die Kupferkabel eingebracht werden. Die Kupferkabel werden dabei über
Aussparungen 6a an einer Oberseite und einer Unterseite des Gehäuses 6 in das Gehäuse 6 eingeführt.
Das Gehäuse 6 weist eine mechanische Zugentlastung 4 für die Kupferkabel auf. Die Zugentlastung 4 kann beispielsweise an einer Oberseite und an einer Unterseite 4 des Gehäuses 6 angeordnet sein. Bei mechanischem Zug auf die Kupferkabel sorgt die Zugentlastung 4 dafür, dass keine oder nur
geringfügige Kräfte auf das Bauelement 1 und insbesondere das Verbindungsmaterial 7 wirken. Das Bauelement 1 wird folglich durch die Zugentlastung 4 vorzugsweise spannungslos gehalten.
Die Figur 6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel .
Im Wesentlichen entspricht das Bauelement 1 dem Bauelement 1 aus Figur 4. Jedoch sind in diesem Ausführungsbeispiel die Kontaktelemente 3 nicht spiegelsymmetrisch zur Längsachse L angeordnet. Vielmehr sind die Kontaktelemente 3 zueinander um 90° versetzt. Damit kann unterschiedlichen Einbausituationen Rechnung getragen werden.
Alle weiteren Merkmale des Bauelements 1 gemäß der Figur 6 entsprechen den in Zusammenhang mit der Figur 4 beschriebenen Merkmalen .
Die Figur 7 zeigt eine perspektivische Darstellung
elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel .
Im Wesentlichen entspricht das Bauelement 1 dem Bauelement 1 aus Figur 6. Jedoch weist das Bauelement 1 gemäß Figur 7 mehrere NTC-Elemente 2 sowie mehrere Kontaktelemente 3 auf. Das Bauelement 1 kann bis zu zehn NTC-Elemente 2 aufweisen, die jeweils rund bzw. scheibenförmig ausgebildet und
elektrisch parallel geschaltet sind. Zwischen den NTC- Elementen 2 sind die Kontaktelemente 3 angeordnet. Das
Bauelement 1 weist also wie bereits in Zusammenhang mit der Figur 3 beschrieben eine Schichtfolge aus alternierend angeordneten NTC-Elementen 2 und Kontaktelementen 3 auf. Die Figur 8 zeigt eine schematische Schnittansicht eines elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel. Die Figur 9 zeigt ferner eine Draufsicht auf einen Teilbereich des elektronischen Bauelements gemäß Figur 8.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 1 kommt dabei ein NTC-Element 2 zum Einsatz, welches durch Sägen oder Ritzen in kleinere NTC-Elemente bzw. Segmente 2a geteilt bzw. segmentiert wurde. Das NTC-Element 2 weist eine Vielzahl von Segmenten 2a auf.
Zur Ausbildung der Segmente 2a weist das NTC-Element 2 anders als in Figur 1 vorzugsweise eine rechteckige Form auf.
Beispielsweise weist das NTC-Element 2 eine Breite und eine Hohe von jeweils kleiner oder gleich 13 mm, beispielsweise 12,7 mm auf. Das jeweilige Segment 2a ist ebenfalls
vorzugsweise rechteckig ausgeführt. Vorzugsweise weist das jeweilige Segment 2a eine Länge sowie eine Breite von jeweils ca. 2 mm auf.
Auch die Kontaktelemente 3 sollten für diese Ausführung rechteckig ausgeführt werden. So wird das jeweilige
Kontaktelement gemäß der Figuren 8 und 9 aus drei
rechteckigen Teilbereichen 3a, 3b, 3c gebildet. Die drei Teilbereiche weisen vorzugsweise die gleiche Länge,
beispielsweise 15 mm, auf.
Zwischen den einzelnen Segmenten 2a sind Spalten bzw.
Dehnungsfugen 15 ausgebildet (siehe Figur 9) . Die
Dehnungsfugen 15 weisen eine Breite von 0,05 mm bis 0,2 mm, beispielsweise 0,1 mm auf. Durch diese Dehnungsfugen 15 werden geringere thermische Verspannungen im NTC-Element 2 während des bestimmungsgemäßen Betriebes aufgebaut.
Für die Herstellung dieser Ausführungsvariante bietet sich die keramische Vielschichttechnologie an, bei der ein NTC- Substrat aus verstapelten keramischen Folien vor oder nach dem Metallisieren durch so genanntes „Dicing" segmentiert wird. Alle weiteren Merkmale entsprechen den in Zusammenhang mit der Figur 1 beschriebenen Merkmalen. Die Figur 10 zeigt eine schematische Schnittansicht eines elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel. Die Figur 11 zeigt eine Draufsicht auf einen Teilbereich des elektronischen Bauelements gemäß der Figur 10.
Dieses Ausführungsbeispiel kombiniert Merkmale der
Ausführungsbeispiele gemäß der Figuren 4 sowie 8 und 9.
Insbesondere sind die Kontaktelemente 3 - wie in Zusammenhang mit der Figur 4 - beschrieben doppelseitig ausgeführt. Das NTC-Element 2 ist - wie in Zusammenhang mit den Figuren 8 und 9 beschrieben - in einzelne Segmente 2a aufgetrennt. Alle weiteren Merkmale entsprechen den in Zusammenhang mit den Figuren 4, 8 und 9 beschriebenen Merkmalen. Die Figur 12 zeigt eine schematische Schnittansicht eines elektronischen Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungs¬ beispiel. Die Figur 13 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teilbereichs des elektronischen Bauelements gemäß Figur 12.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kontaktelemente 3 wie in Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben doppelseitig
ausgebildet. Zwischen dem ersten Teilbereich 3a der Kontaktelemente 3 ist das NTC-Element 2 angeordnet und über das Verbindungsmaterial 7 elektrisch leitend und thermisch mit den Kontaktelementen 3 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Verschraubung im
Gegensatz zu der Verschraubung gemäß Figur 2 isolierend ausgeführt. Dafür ist das NTC-Element 2 ringförmig
ausgeführt. Mit anderen Worten, das NTC-Element 2 weist in eine runde, durchgängige Aussparung auf. Auch der erste
Teilbereich 3a des jeweiligen Kontaktelements 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Aussparung auf. Die
Aussparungen von Kontaktelementen 3 und NTC-Element 2 sind dazu ausgebildet und angeordnet die isolierende Verschraubung der Kontaktelemente 3 zu ermöglichen. Insbesondere sind die Aussparungen dazu vorgesehen, eine Gewindestange 11 zur
Verschraubung der Kontaktelemente 3 einzubringen.
Auf einer Außenfläche des ersten Teilbereichs 3a ist jeweils ein Distanzhalter 9 angeordnet, der eine Aussparung 9a aufweist (Figur 13) . Der jeweilige Distanzhalter ist
beispielsweise eine PTFE Scheibe. Der jeweilige Distanzhalter weist beispielsweise einen Durchmesser von 15 mm auf. Ein Distanzhalter 9 ist dabei auf einer Oberseite des ersten Teilbereichs 3a des ersten bzw. oberen Kontaktelements 3 angeordnet. Ein weiterer Distanzhalter 9 ist auf einer
Unterseite des ersten Teilbereichs 3a des zweiten bzw.
unteren Kontaktelements 3 angeordnet. Auf den Distanzhaltern 9 ist jeweils eine Mutter 10 angeordnet. Die Gewindestange 11 wird durch die Muttern 10, die Aussparungen in den
Distanzhaltern 9, dem NTC-Element 2 und den Kontaktelementen 3 zur Verschraubung der Kontaktelemente 3 geführt. Zwischen der Gewindestange 11 und dem NTC-Element 2 ist ein
isolierendes Element 14 in die Aussparung des NTC-Elements 2 eingebracht. Das isolierende Clement 14 kann beispielsweise A10x aufweisen. Beispielsweise ist das isolierende Element 14 ein A10x Röhrchen. Damit wird eine isolierend ausgeführte Verschraubung des Bauelements 1 ermöglicht.
Die elektrische Kontaktierung des Bauelements 1 erfolgt wiederum wie in Zusammenhang mit der Figur 2 beschrieben über die elektrisch leitende Verbindung der Kontaktelemente 3 mit den Batterieleitungen über die Kabelschuhe 5. Die Kabelschuhe sind dabei über die Aussparungen 8 der Kontaktelemente 3 mit den Kontaktelementen 3 verschraubt.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
1 Elektronisches Bauelement
2 NTC-Element / NTC-Keramik
2a Segment
3 Kontakt / Kontaktelement
3a Erster Teilbereich
3b Zweiter Teilbereich
3c Dritter Teilbereich
4 Zugentlastung
5 Kabelschuh
6 Gehäuse
6a Aussparung
7 Verbindungsmaterial
8 Aussparung
9 Distanzhalter
9a Aussparung
10 Mutter
11 GewindeStange
12a Minus-Kontaktelernent
12b Plus-Kontaktelernent
13 Endbereich
14 Isolierendes Element
15 Dehnungsfuge
L Längsachse
V Vertikale Achse

Claims

Patentansprüche
1. Elektronisches Bauelement (1) zur Einschaltstrombegrenzung aufweisend
- wenigstens ein NTC-Element (2),
- wenigstens zwei elektrisch leitende Kontaktelemente (3) , wobei das NTC-Element (2) über ein Verbindungsmaterial (7) elektrisch leitend mit dem jeweiligen Kontaktelement (3) verbunden ist und wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des jeweiligen Kontaktelements (3) an den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des NTC-Elements (2) angepasst ist.
2. Elektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 1,
wobei das NTC-Element (2) eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, und wobei die Oberseite und die Unterseite
zumindest teilweise durch das jeweilige Kontaktelement (3) elektrisch leitend kontaktiert sind.
3. Elektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kontaktelement (3) einen Materialverbund aufweist.
4. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das Kontaktelement (3) Kupfer aufweist und wobei das Kontaktelement (3) Invar oder Kovar aufweist.
5. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das Kontaktelement (3) einen Lagenaufbau von Kupfer - Invar - Kupfer mit einem Dickenverhältnis von 10% ^ Kupfer < 30% -50% < Invar / Kovar < 80% - 10% < Kupfer < 30% aufweist.
6. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das Verbindungsmaterial (7) Sintersilber aufweist.
7. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das NTC-Element (2) zwei, drei oder mehr Segmente (2a) aufweist .
8. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das NTC-Element (2) bei einer Temperatur von 25°C einen Nominalwiderstand R25 ^ 1 Ω aufweist.
9. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei der spezifische elektrische Widerstand des NTC-Elements (2) in einem Grundzustand des elektronischen Bauelements (1) < 2 Qcm ist.
10. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der
vorangehenden Ansprüche,
wobei das Kontaktelement (3) eine Dicke d aufweist, und wobei 0 , 3 mm < d ^ 0 , 8 mm .
11. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der
vorangehenden Ansprüche,
wobei das NTC-Element (2) eine Dicke d aufweist, und wobei 100 ym < d < 600 ym.
12. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der
vorangehenden Ansprüche, aufweisend eine Vielzahl von NTC-Elementen (2) und Kontaktelementen (3), wobei die NTC-Elemente (2) zueinander parallel geschaltet sind.
13. Elektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 12,
wobei die NTC-Elemente (2) stapeiförmig übereinander
angeordnet sind, wobei zwischen zwei benachbarten NTC- Elementen (2) jeweils ein Kontaktelement (3) angeordnet ist und wobei die NTC-Elemente (2) über die Kontaktelemente (3) thermisch aneinander gekoppelt sind.
14. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der
vorangehenden Ansprüche,
wobei das NTC-Element (2) die Zusammensetzung
La(i-X)EA(x)Mn ( l-a-b-c) Fe(a)CO(b)Ni(c)0(3±6) aufweist,
wobei 0 -S x -S 0,5 und 0 -S (a+b+c) 0,5 und wobei EA ein Erdalkali-Element und δ eine Abweichung von einem
stöchiometrischen SauerstoffVerhältnis bezeichnet, wobei das Erdalkali-Element (EA) ausgewählt ist aus Magnesium, Calcium, Strontium oder Barium und/oder wobei |δ| -S 0,5 beträgt.
15. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der
vorangehenden Ansprüche,
wobei das NTC-Element (2) einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten zwischen 7 ppm / K und 10 ppm / K aufweist .
16. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der
vorangehenden Ansprüche,
aufweisend ein Befestigungselement (10, 11), wobei das
Befestigungselement (10, 11) einen elektrischen Widerstand aufweist welcher gleich bzw. nur geringfügig höher ist, als der Widerstand des NTC-Elements (2) bei tiefen Betriebs¬ temperaturen .
17. Verwendung eines elektronischen Bauelements (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 für Start- / Stopp- Systeme Automobilbereich .
18. Verwendung eines elektronischen Bauelements (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 für Ströme bis 1000 A bei Gleichspannung in 12 V und 24 V Netzen.
PCT/EP2017/059132 2016-04-28 2017-04-18 Elektronisches bauelement zur einschaltstrombegrenzung und verwendung eines elektronischen bauelements WO2017186527A1 (de)

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