DE3707493A1

DE3707493A1 - Ptc-bauelement

Info

Publication number: DE3707493A1
Application number: DE19873707493
Authority: DE
Inventors: Atsushi Nagahori
Original assignee: Nippon Mektron KK
Current assignee: Nippon Mektron KK
Priority date: 1986-03-31
Filing date: 1987-03-09
Publication date: 1987-10-01
Anticipated expiration: 2007-03-10
Also published as: JPS62230001A; JPH0690962B2; US4769901A; US4876439A; DE3707493C2

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstands- Bauelement, insbesondere ein Widerstandsbauelement mit der speziellen Eigenschaft, daß bei zunehmender Temperatur der elektrische Widerstand des Bauelements innerhalb eines relativ engen Temperaturbereichs steil ansteigt. Ein solches Bauelement nennt man auch PTC- Bauelement oder Kaltleiter. Das Bauelement hat eine typische PTC-Kennlinie (PTC=positive temperature coefficient).

Stoffe mit PTC-Kennlinie lassen sich in verschiedensten Geräten und für verschiedenste Zwecke einsetzen: in einem Steuergerät, in welchem die Wärmeerzeugung beendet wird, wenn eine Heizvorrichtung eine hohe Temperatur erreicht; in einem PTC-Thermistor; in einem wärme empfindlichen Sensor; und in einer Schutzvorrichtung, in der, wenn in einer Schaltung z.B. aufgrund eines Kurz schlusses ein übermäßig starker Strom fließt, der stark zunehmende Strom eine Selbstaufheizung mit Entwicklung Joule′scher Wärme bewirkt, wodurch der Widerstand zunimmt und der Strom auf oder unter einen vorbestimmten Wert beschränkt wird. Wenn bei einer solchen Vorrichtung der Kurzschluß beseitigt ist, nimmt die Schaltung selbsttätig ihren Betrieb wieder auf. Als Stoffe mit PTC-Kennlinie wurden unterschiedlichste Materilien entwickelt, z.B. ein keramischer Stoff mit BaTiO_3, in den einwertiges oder dreiwertiges Metalloxid eingebracht ist, sowie ein Polymer- Material mit einem Polymer wie z.B. Polyethylen, in welchem ein elektrisch leitendes Material, z.B. Ruß, dispergiert ist.

Wie Fig. 3 zeigt, umfaßt ein PTC-Bauelement im allge meinen ein PTC-Eigenschaften aufweisendes Material 2, bestehend aus einem Polymer mit darin dispergiertem elektrisch leitendem Material (also eine PTC-Zusammen setzung), metallische Elektrodenplatten 3 a und 3 b, zwischen denen die PTC-Zusammensetzung sandwichartig eingeschlossen ist, und Leiterplatten 4 a und 4 b, die an die Elektrodenplatten 3 a und 3 b angeschlossen sind. Jede Elektrodenplatte ist über die zugehörige Leiter platte an ein anderes Bauelement, eine Maschine, einen Netzanschluß od.dgl. angeschlossen.

Das PTC-Bauelement erhält man dadurch, daß man zunächst eine PTC-Zusammensetzung herstellt, diese PTC-Zusammen setzung zu einer Schicht formt, ein Laminat bildet, indem man auf die obere und die untere Oberfläche der Schicht durch Warmpressen metallische Folien-Elektroden aufbringt, das Laminat in der gewünschten Größe zu schneidet und auf der Oberfläche jeder der Elektroden durch Löten, Schweißen od.dgl. eine Leiterplatte an bringt. Das Verbinden der PTC-Zusammensetzung mit den Elektrodenplatten geschieht durch Warmpressen der PTC- Zusammensetzung an die Elektrodenplatten bei einer Temperatur in der Nähe des Schmelzpunkts der PTC-Zu sammensetzung.

Man ist bestrebt, daß das PTC-Bauelement bei Zimmertempe ratur einen möglichst niedrigen Widerstandswert (einen Zimmertemperatur-Widerstand) und bei einer hohen Tempe ratur einen möglichst hohen Widerstandswert (Spitzen widerstand) aufweist. Der Zimmertemperatur-Widerstand hängt in erster Linie von dem Typ der PTC-Zusammensetzung und der Haftung zwischen der PTC-Zusammensetzung und der Oberfläche jeder der Elektroden ab. Um den Zimmer temperaturwiderstand herabzusetzen, kann man die Menge der elektrisch leitenden Partikel, die in die PTC- Zusammensetzung eingebracht werden, erhöhen. In diesem Fall jedoch nimmt der Spitzenwiderstand ab, so daß es nicht möglich ist, ein großes Verhältnis von Spitzen widerstand zu Zimmertemperaturwiderstand zu erreichen. Um die Haftung zwischen der PTC-Zusammensetzung und der Oberfläche jeder der Elektroden zu verbessern, wurde ein Verfahren zum Herabsetzen des Kontaktwiderstands zwischen der PTC-Zusammensetzung und jeder der Elektroden vorgeschlagen (US-PSen 42 38 812 und 44 26 339).

Indem man die Leiterplatten mit den Elektroden des PTC- Bauelements durch Löten, Schweißen od.dgl. elektrisch verbindet, wird die mit den Elektrodenplatten in Be rührung stehende PTC-Zusammensetzung erhitzt, und ein Teil der PTC-Zusammensetzung wird durch die Hitze pyro lisiert, wobei sich zersetzte Gase entwickeln. Weiter hin wird ein Teil der PTC-Zusammensetzung verdampft, wobei Dämpfe austreten. Mithin wird das Haftvermögen zwischen der PTC-Zusammensetzung und den Elektroden beein trächtigt, was Ursache ist für eine Zunahme des Kontakt widerstands zwischen der PTC-Zusammensetzung und den Elektroden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein PTC-Bauelement mit relativ niedrigem Zimmertemperaturwiderstand zu schaffen, während gleichzeitig ein hoher Spitzenwiderstand beibehalten wird. Außerdem soll ein Verfahren zum Her stellen eines qualitativ hochstehenden PTC-Bauelements mit geringem Zimmertemperaturwiderstand geschaffen werden, bei welchem die durch Hitze hervorgerufene Beschädigung beim Schweißvorgang der Elektrodenplatten und der Lei terplatten des PTC-Bauelements vermieden und dadurch der Kontaktwiderstand herabgesetzt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 bzw. im Anspruch 2 angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch be sondere Wirtschaftlichkeit aus, da das auf elektro mechanischem Wege erfolgende Verbinden von Leiterplatten und Elektrodenplatten in sehr einfacher Weise bei ge ringen Kosten erfolgt.

Die Erfindung schafft ein PTC-Bauelement mit mindestens zwei Elektrodenplatten, einer sandwichartig zwischen den Elektrodenplatten angeordneten PTC-Zusammensetzung, die elektrisch mit den Elektrodenplatten verbunden ist, und jeweils einer mit der Oberfläche jeder Elektrodenplatte verbundenen Leiterplatte. Mindestens eine Elektrodenplatte sowie die dazugehörige Leiterplatte werden von einem Loch durchsetzt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines PTC-Bauelements wird auf die Oberfläche jeder Elektroden platte eines aus einer PTC-Zusammensetzung und mindestens zwei die PTC-Zusammensetzung sandwichartig umschließenden Elektrodenplatten bestehenden Laminats eine Leiterplatte aufgelegt, und die Elektrodenplatte und die aufgelegte Leiterplatte werden durch Punktschweißung miteinander verbunden. Während oder vor dem Punktschweißen wird min destens ein Durchgangsloch, welches die Elektrodenplatte in der Mitte einer Schweißung durchsetzt, gebildet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Er findung werden eine Elektrodenplatte und eine Leiter platte durch Punktschweißung unter solchen Bedingungen miteinander verbunden, daß zwei Elektroden für die Punkt schweißung, eine positive und eine negative Elektrode, in der gleichen Richtung in Berührung mit der Oberfläche jeder Leiterplatte eines PTC-Bauelements gebracht werden, wobei die Kontaktfläche der zwei Elektroden für die Punkt schweißung zwischen 0,025 und 4,0 mm² und der Abstand der zwei Elektroden für die Punktschweißung zwischen 0,01 und 1,0 mm liegt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines PTC-Bauelements zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,

Fig. 2 eine teilweise vergrößerte Schnittansicht eines PTC-Bauelements nach der Punktschweißung gemäß der Erfindung, und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines PTC-Bau elements.

Ein erfindungsgemäßes PTC-Bauelement umfaßt mindestens zwei Elektroden, eine zwischen den Elektroden befindliche PTC- Zusammensetzung sowie Leiter, die an den Elektroden festge legt sind. Beispiele für solche PTC-Zusammensetzungen sind BaTiO₃ mit einem darin befindlichen einwertigen oder dreiwertigen Metalloxid, sowie ein Gemisch eines Polymers und elektrisch leitender Partikel.

Beispiele für Polymere, die im Rahmen der Erfindung ein gesetzt werden können, sind: Polyethvlen, Polyethylenoxid, Polybutadien, Polyethylenacrylate, Ethylen-Acrylsäureethylesther- Copolymere, Ethylen-Acrylsäure-Copolymere, Polyester, Polyamide, Polyäther, Polycaprolactam, fluorierte Ethylen- Propylen-Copolymere, chloriertes Polyethylen, sulfochlo riertes Polyethylen, Ethylvinylacetat-Copolymere, Poly propylen, Polystyrol, Styrol-Acrylnitril-Copolymere, Polyvinylchlorid, Polycarbonate, Polyacetale, Polyalkylen oxide, Polyphenylenoxid, Polysulfone, Fluorkunststoffe und Mischpolymere aus mindestens zwei der oben angegebenen Polymere. Im Rahmen der Erfindung können der Typ der Poly mere und die Zusammensetzungsverhältnisse abhängig von der gewünschten Funktionsweise, dem Anwendungsfall u.dgl. variiert werden.

Beispiele für im Rahmen der Erfindung einsetzbare elektrisch leitende Partikel, die in dem Polymer dispergiert sind, sind Partikel aus elektrisch leitenden Stoffen wie Ruß, Graphit, Zinn, Silber, Gold und Kupfer.

Beim Herstellen der PTC-Zusammensetzung können zusätzlich zu dem Polymer und den elektrisch leitenden Partikeln wahl weise verschiedene Additive eingesetzt werden. Solche Additive sind feuerhemmende Mittel, wie z.B. antimonhaltige Verbindungen, phosphorhaltige Verbindungen, chlorierte Verbindungen und bromierte Verbindungen, Antioxidiermittel und Stabilisatoren.

Die erfindungsgemäße PTC-Zusammensetzung wird hergestellt, indem ihre Rohstoffe, nämlich das Polymer, die elektrisch leitenden Partikel und weitere Additive in vorbestimmten Verhältnissen gemischt und geknetet werden.

Das erfindungsgemäße PTC-Bauelement umfaßt die oben näher beschriebene PTC-Zusammensetzung und mindestens zwei Elektroden, die mit der Zusammensetzung in Kontakt stehen. Stoffe für die Elektroden, die im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden können, sind Metalle, wie sie für her kömmliche Elektroden üblich sind, z.B. Elektroden-Materialien wie Nickel, Kobalt, Aluminium, Chrom, Zinn, Kupfer, Silber, Eisen (einschließlich Eisenlegierungen wie rostfreier Stahl), Zink, Gold, Blei und Platin. Form und Größe der Elektroden lassen sich nach Wunsch variieren, abhängig vom Verwen dungszweck des PTC-Bauelements und anderen Parametern. Er findungsgemäß kann die Oberfläche der metallischen Elektrode durch elektrolytisches Abscheiden od.dgl. behandelt werden, um eine rauhe Oberfläche mit einer Anzahl feiner Vorsprünge auf der Oberfläche zu schaffen. Solche Vorsprünge werden an mindestens einer Oberfläche der Elektrode vorgesehen, nämlich an derjenigen, die in Berührung mit der PTC-Zusammen setzung kommt.

Im folgenden wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines PTC-Bauelements beschrieben.

Das PTC-Bauelement läßt sich herstellen, indem man das Zu sammensetzungs-Material beispielsweise zu einem Film verar beitet, auf die Oberseite und die Unterseite des Films durch Warmpressen metallische Elektroden aufbringt, um ein Laminat zu erhalten, dieses Laminat nach Größe zuschneidet und an jeder der Elektroden durch Punktschweißung einen Leiter befestigt.

Das Verbinden der Elektrode mit dem zugehörigen Leiter erfolgt erfindungsgemäß durch Punktschweißung. Während der Punktschweißung kann in der Mitte einer Schweiß stelle mindestens ein Loch geschaffen werden, welches die Elektrodenplatte und die Leiterplatte durchsetzt. Alter nativ bildet man vorab mindestens ein Loch in der Elektro denplatte und der Leiterplatte aus, um anschließend die Punktschweißung in der Umgebung des Lochs durchzuführen.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung soll eine Ausführungs form des Punktschweißverfahrens nach der Erfindung er läutert werden.

Wie Fig. 1 zeigt, überlagert jeweils eine Leiterplatte 4 a und 4 b für einen Anschluß an eine externe Schaltung od.dgl. die Außenfläche jeweils einer Elektrodenplatte eines Laminats, welches aus einer PTC-Zusammensetzung 2 und Elektrodenplatten 3 a und 3 b besteht, welche die PTC-Zusammen setzung sandwichartig zwischen sich einschließen. Zwei Elektroden, nämlich eine positive Elektrode 5 und eine negative Elektrode 6 für die Punktschweißung werden an schließend in Berührung mit der Oberfläche der Leiter platte 4 a gebracht, vorzugsweise in gleicher Richtung. Da durch läßt sich ein Strompfad für die Punktschweißung auf einen gewissen Abschnitt konzentrieren, um ein Loch zu erzeugen. Aus diesem Grund wird die Fläche, an der die positive und die negative Elektrode für die Punktschweißung in Kontakt mit der Oberfläche der Leiterplatte 4 a ge bracht werden, auf einen Wert von 0,0025 bis zu 4,0 mm² eingestellt, vorzugsweise auf einen Wert zwischen 0,01 und 0,7 mm². Der Abstand l zwischen der positiven und der negativen Elektrode für die Punktschweißung wird eben falls auf einen Wert von 0,01 mm bis 1,0 mm einge stellt, vorzugsweise auf einen Wert von mehr als 0,3 mm. Die Ausgangsleistung für die Punktschweißung wird bei spielsweise auf einen Wert von 1,5 bis 50 Ws eingestellt.

Wie Fig. 2 zeigt, wird ein Durchgangsloch 7, welches die Elektrodenplatte 3 a und die Leiterplatte 4 a in der Mitte einer Schweißstelle durchdringt, durch die oben beschrie bene Punktschweißung erzeugt. Bei dieser Ausführungsform wird an der Innenwand des Lochs 7 ein durch die Schweißung entstandenes Schmelzmaterial erzeugt.

Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Aus führungsbeispiel beschränkt. In einer abgewandelten Aus führungsform kann eine Vielzahl von Löchern gebildet werden.

Im Rahmen der Erfindung läßt sich wahlweise eine Kunst harzschicht auf der Oberfläche des PTC-Bauelements aus bilden. Beispiele für in Frage kommende Harze für die Schicht sind Epoxyharze, Phenolharze, Polyethylen, Poly propylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Acrylharze, Fluorkunststoffe, Polyamid harze, Polycarbonatharze, Polyacetalharze, Polyalkylen oxide, gesättigte Polyesterharze, Polyphenylenoxid, Poly sulfone, Poly-Paraxylol, Polyimide, Polyamid-Imide, Polyester imide, Polybenzimidazol, Polyphenylensulfide, Silikonharze, Harnstoff-Formaldethyd-Kunstharze, Melaminharze, Furanharze, Alkydharze, ungesättigte Polyesterharze, Diallylphtalat harze, Polyurethanharze, Mischpolymere aus diesen Stoffen sowie modifizierte Harze, wobei die genannten Harze modifi ziert werden durch die Reaktion des Harzes mit einem chemischen Reaktionsmittel, durch Vernetzung mittels Strahlung, durch Copolymerisation od.dgl. Von den genannten Harzen sind Epoxyharze sowie Phenolharze be vorzugte Stoffe. Verschiedene Additive wie Weichmacher, Härter, Vernetzungsmittel, Antioxidiermittel, Füll stoffe, Antistatik-Mittel und feuerhemmende Mittel können in die Harze eingebracht werden. Die im Rahmen der Er findung verwendeten Harze besitzen zumindest elektrische Isolierfähigkeit und haben Haftungsvermögen bezüglich der Oberfläche des PTC-Bauelements. Hinsichtlich der Harz-Beschichtungsverfahren sind keine Einschränkungen gegeben, das Beschichten kann durch Sprühen, Auftragen, Tauchen od.dgl. geschehen. Nach dem Beschichten mit dem Kunstharz kann z.B. durch chemische Behandlung, durch Erwärmung oder durch Bestrahlung das Harz ausgehärtet werden. Das Aushärt-Verfahren läßt sich abhängig vom Typ des Harzes variieren.

BEISPIELE

Im folgenden werden spezielle Beispiele für die Erfindung näher erläutert. Die Beispiele haben keinerlei be schränkenden Charakter. Sämtliche Prozentangaben sind, wenn nicht anders angegeben, als Gewichtsprozent-Angaben zu verstehen.

BEISPIEL 1

Es wurde eine PTC-Zusammensetzung mit folgenden Kompo nenten hergestellt:

Komponente

Polymer:
  hochdichtes Polyethylen
  (Handelsbezeichnung Niporan Hard
  5100 von der Firma Tokyo Soda Co.)60% Elektrisch leitende Partikel:
  Ruß (Handelsbezeichnung STERLING V
  von der Firma Cabot Co.)38% Additiv:
  Antioxidiermittel (Irganox 1010) 2%

Diese Zusammensetzung wurde mit einer Doppelwalzenmühle geknetet und mit Hilfe einer Extrudiermaschine (alterna tiv mit einer Walzmaschine) zu einem Film mit einer Dicke von 300 µm verarbeitet. Auf die Oberseite und die Unterseite des Films wurden Nickelfolien-Elektroden mit einer Dicke von 60 µm durch Warmpressen aufgebracht, um ein Laminat zu bilden. Die Oberfläche der Elektroden wurde aufgerauht. Das Laminat wurde nach Größe zuge schnitten (Stück von 10×10×0,25 mm).

Auf die Oberfläche jeder Elektrodenplatte des Laminats wurde eine Leiterplatte aufgelegt. Wie in Fig. 1 gezeigt, wurden zwei keilförmige Punktschweiß-Elektroden in der selben Richtung in Berührung mit der Oberfläche der Leiterplatten gebracht. Der Abstand zwischen den keil förmigen Elektroden betrug 0,3 mm, die gesamte Kontakt fläche betrug 0,5 mm² und die Schweißleistung betrug 5 Ws. Nach dem Schweißen zeigte sich, daß ein 0,25×0,6 mm großes Loch entstanden war. Der elektrische Widerstand dieses PTC-Bauelements wurde bei Zimmertemperatur nach und vor dem Schweißen gemessen, und es zeigte sich, daß nach dem Schweißen praktisch keine Zunahme des Kontaktwiderstands zu verzeichnen war.

Claims

1. PTC-Bauelement, mit mindestens zwei Elektroden platten (3 a, 3 b), einer zwischen den Elektrodenplatten befindlichen und an die Elektrodenplatten elektrisch angeschlossenen PTC-Zusammensetzung (2) und je einer mit einer Elektrodenplatte (3 a, 3 b) verbundenen Leiterplatte (4 a, 4 b), dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Bauele ment mindestens ein Loch (7) aufweist, welches eine Elektro denplatte (3 a, 3 b) und die entsprechende Leiterplatte (4 a, 4 b) durchsetzt.

2. Verfahren zum Herstellen eines PTC-Bauelements, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Herstellen eines Laminats aus einer PTC-Zusammensetzung und mindestens zwei Elektrodenplatten, zwischen denen die PTC-Zusammensetzung eingeschlossen ist,
Überlagern der Oberfläche jeder der Elektrodenplatten des Laminats mit einer Leiterplatte, die elektrisch an die Elektrode anzuschließen ist,
Verbinden der Elektrodenplatte und der Leiterplatte durch Punktschweißen, und
Bilden - während oder vor dem Punktschweißen - mindestens eines Lochs, welches die Elektrodenplatte und die Leiter platte an einer Schweißstelle durchsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Ober fläche der Leiterplatte eine positive und eine negative Elektrode für die Punktschweißung in derselben Richtung in Berührung gebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakt fläche der positiven und der negativen Elektrode für die Punktschweißung 0,0025 bis 4,0 mm² beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der positiven und der negativen Elektrode für die Punkt schweißung 0,01 bis 1,0 mm beträgt.