DE102008017269A1

DE102008017269A1 - Kaltleiter-Widerstandselement

Info

Publication number: DE102008017269A1
Application number: DE200810017269
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Ihle; Peter Prof. Dr. Supancic
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2009-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kaltleiter-Widerstandselement, umfassend einen Grundkörper (1) mit dem spezifischen Widerstand (RG), welcher ein Kaltleitermaterial umfasst. Zwei Elektrodenflächen (3), die auf der Oberfläche des Grundkörpers (1) angeordnet sind, sowie zwei Randschichten (2) mit dem spezifischen Widerstand (RR), die ebenfalls auf dem Grundkörper (1) angeordnet sind. Hierbei gilt, dass der spezifische Widerstand (RR) der Randschichten (2) größer ist als der spezifische Widerstand (RG) des Grundkörpers.

Description

Es wird ein Kaltleiter-Widerstandselement nach Anspruch 1 angegeben, so wie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Ein weit verbreitetes Problem von Kaltleiter-Widerstandselementen ist der Ausfall bei elektrischer Schaltbelastung. Die häufigste Ausfallursache ist hierbei der Querbruch der Kaltleiterkeramikscheibe, die so genannte Delamination, infolge der Ausbildung von großen Temperaturunterschieden innerhalb des Bauteils durch ein starkes Missverhältnis zwischen Wärmeproduktion und Wärmetransport über die Querfläche. Ursache für den extremen Temperaturunterschied sind unter anderem die geringe Wärmeleitfähigkeit der Kaltleiterkeramik und die positive Rückkopplung aufgrund der PTC-Kennlinie.
Ein möglicher Anwendungsbereich von Kaltleiter-Widerständen liegt in dem Bereich der Elektronik, in dem gezielt einstellbare Raumtemperatur-Widerstände und Bezugstemperaturen (T_ref) für den Überlastschutz oder für die Anwendung als Heizer gefordert werden. Speziell für den Überlastschutz sind vor allem hohe Schaltfestigkeiten bei geringer Bauteilabmessung gefordert.
Eine Aufgabe von Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, die Wärmeabfuhr aus dem Kaltleiter-Widerstandselement über die Oberfläche zu reduzieren. Dadurch soll der interne Temperaturunterschied und damit das Risiko eines Ausfalls durch Querbruch reduziert werden.
Des Weiteren soll die Schaltfestigkeit des Kaltleiter-Widerstandselements erhöht werden, oder die gleiche Schaltfestigkeit mit wesentlich verringertem Bauteilquerschnitt erzielt werden.
Die Aufgabe wird durch ein Kaltleiter-Widerstandselement nach dem Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen des Kaltleiter-Widerstandselements sind Gegenstand weiterer abhängiger Patentansprüche. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung des Kaltleiter-Widerstandselements beansprucht.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Kaltleiter-Widerstandselement umfassend einen Grundkörper mit dem spezifischen Widerstand R_G umfassend ein Kaltleitermaterial. Auf der Oberfläche des Grundkörpers sind zwei Elektrodenflächen, sowie zwei Randschichten mit dem spezifischen Widerstand R_R angeordnet. Hierbei ist der spezifische Widerstand R_R der Randschichten größer als der spezifische Widerstand R_G des Grundkörpers (R_R > R_G).
Bei einem Kaltleiter-Widerstandselement mit den erfindungsgemäßen Randschichten wird der Wärmeverlust aus dem keramischen Grundkörper aufgrund des höheren Widerstandes R_R über die Oberflächen herabgesetzt. Dadurch wird ein stärkeres Abkühlen vor allem in den Randbereichen vermindert. Somit wird der Temperaturunterschied innerhalb des Bauelements vermindert. Dies hat wiederum zur Folge, dass ein Ausfall des Kaltleiter-Widerstandselements aufgrund eines Querbruchs deutlich reduziert wird. Eine Reduktion der Temperaturunterschiede führt gleichzeitig zur Reduktion der thermomechanischen Spannungen im Bauelement. Durch die erfindungsgemäßen Randschichten wird somit eine höhere Schaltfestigkeit des Widerstandselements erzielt, welche zu einer höheren Lebensdauer des Widerstandselements führt. Des Weiteren können Widerstandselemente mit einem wesentlich verringerten Querschnitt gebaut werden, welche die gleiche Schaltfestigkeit aufweisen, wie die herkömmlichen Kaltleiter-Widerstandselemente mit großem Querschnitt.
Besonders vorteilhaft erwiesen sich des Weiteren die Ausführungsformen in denen die Schichtdicke der Randschicht kleiner ist, als die Dicke des keramischen Grundkörpers, welcher beispielsweise zwischen 2 und 3 mm dick sein kann. Die Schichtdicke der Randschicht kann beispielsweise zwischen 20 μm und 60 μm betragen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Randschichten zwischen dem Grundkörper und den Elektrodenflächen angeordnet.
Dies hat zur Folge, dass vor allem der Wärmeabfluss Richtung der Elektroden reduziert wird. Da das Elektrodenmaterial häufig eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist bei herkömmlichen Kaltleiter-Widerstandselementen vor allem ein Wärmeabfluss über die Elektrodenflächen zu beobachten. Dieser wird in der erfindungsgemäßen Ausführungsform durch die Randschichten mit einem höheren spezifischen Widerstand nun deutlich reduziert.
In einer weiteren Ausführungsform ist auf jeder Elektrodenfläche zur Kontaktierung ein Draht mit einem Lotmaterial befestigt. Der Draht dient zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandselements.
In einer weiteren Ausführungsform des Kaltleiter-Widerstandselements sind die Elektrodenflächen zwischen dem Grundkörper und der Randschicht angeordnet. In dieser Ausführungsform kann der Draht zur elektrischen Kontaktierung mit einem Lotmaterial auch auf den Randschichten befestigt sein.
In dieser Ausführungsform wird durch die hochohmige Randschicht der Wärmeabfluss aus dem Grundkörper über die Elektrodenoberflächen zu dem Lotmaterial reduziert. Das Lotmaterial weist in der Regel eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Deshalb ist in herkömmlichen Kaltleiter-Widerstandselementen ein deutlicher Wärmeabfluss über das Lotmaterial zu beobachten. Der Wärmeabfluss wird in dieser Ausführungsform durch das Einziehen einer Randschicht mit geeignetem Widerstand zwischen den Elektrodenflächen und dem Lotmaterial deutlich reduziert.
Als besonders vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen, bei denen der spezifische Widerstand R_R 10% bis 80% größer ist als der spezifische Widerstand R_G, welcher im Bereich von Ohmzentimetern bis Kiloohmzentimetern liegen kann.
Bei einem Kaltleiter-Widerstandsmaterial ist der Referenzwiderstand (R_ref) als der doppelte Minimalwiderstand (R_min) definiert. Der Minimalwiderstand (R_min) ist das Minimum der Kurve bei der der Widerstand gegen die Temperatur aufgetragen wird. Die bei dieser Kurve zugehörige Temperatur zum Referenzwiderstand (R_ref) wird Bezugstemperatur (T_ref) genannt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung liegt die Bezugstemperatur T_ref des Materials der Randschicht mindestens um 50°C über der des Kaltleitermaterials des Grundkörpers. Ein geringerer Abstand der Bezugstemperatur T_ref des Materials der Randschicht und des Kaltleitermaterials des Grundkörpers könnte dazu führen, dass der Schaltprozess in unerwünschter Weise in der Randschicht erfolgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Randschicht über den gleichen Bereich des Grundkörpers wie das Lotmaterial. Die Randschicht muss in dieser Ausführungsform somit nur so groß sein, wie die Fläche, die von dem Lotmaterial bedeckt wird. Somit wird durch eine flächenmäßig kleine Randschicht bereits effektiv der Wärmeabfluss zum Lotmaterial kompensiert.
Das Kaltleitermaterial des Grundkörpers kann ein keramisches Material umfassen. Die Randschicht kann des Weiteren ein keramisches Kaltleitermaterial umfassen, welches einen höheren spezifischen Widerstand aufweist als das Kaltleitermaterial des Grundkörpers.
Eine mögliche Ausführungsform umfasst einen Bariumtitanatbasierten keramischen Grundkörper mit einem spezifischen Widerstand von 40 Ohmcm und einer Bezugstemperatur von 135°C. Die Randschicht kann in diesem Fall beispielsweise ein PTC-Material umfassen, mit einem spezifischen Widerstand von 60 Ohmcm und einer Bezugstemperatur von 190°C.
Die Randschicht kann aber auch ein keramisches Heißleitermaterial umfassen. Bei dieser Ausführungsform ist gewährleistet, dass der Widerstand der Randschicht mit zunehmender Temperatur abnimmt und damit deren Einfluss auf das Schaltgeschehen mit zunehmender Schaltungsdauer reduziert wird.
Eine mögliche Ausführungsform umfasst einen Bariumtitanatbasierten keramischen Grundkörper mit einem spezifischen Widerstand von 1000 Ohmcm und einer Bezugstemperatur von 120°C. Die Randschicht kann in diesem Fall beispielsweise ein spinellhaltiges NTC-Material umfassen, mit einem spezifischen Widerstand von 1200 Ohmcm und einer Bezugstemperatur von 2000 K.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Randschicht eine Metallisierungspaste mit einem an den Grundkörper angepassten Widerstand. Der Vorteil dieser Variante liegt darin, dass man die Metallisierungspaste nach dem Sinterprozess der Keramik aufbringen kann. Die Einstellung des Widerstandes der Paste erfolgt über einen genau geregelten Einbrand, um den Zielwiderstand für die Paste zu erreichen. Die Metallisierungspaste kann Sperrschicht abbauende Zusätze umfassen. Umfasst die Metallisierungspaste beispielsweise Ag als Hauptbestandteil, so kann diese beispielsweise Zn als Sperrschicht abbauenden Zusatz enthalten.
Die Elektrodenoberflächen können aus mehreren Schichten aufgebaut sein. Für diese Schichten eignen sich beispielsweise Ag, Cr, Ni, sowie Legierungen dieser Metalle.
In einer weiteren Ausführungsform kann zusätzlich auf die bereits eingebrannte Pastenelektrode eine weitere Elektrodenfläche aufgesputtert werden. Diese kann beispielsweise aus Silber oder aus Chrom-Nickel-Silber bestehen. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Chrom-Nickelschicht auf das Keramikbauteil aufgesputtert werden und anschließend eine Widerstandspaste mittels Siebdruck aufgebracht werden, die dann im Anschluss mit einer Silberelektrode oder einer Chrom-Nickel-Silberelektrode besputtert wird.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kaltleiter-Widerstandselementes beansprucht. Dieses umfasst die Verfahrensschritte: Sintern eines keramischen Kaltleitermaterials, wodurch ein Grundkörper entsteht, das Aufbringen zweier Randschichten, das Aufbringen zweier Elektrodenflächen, wobei für die Randschicht ein Material verwendet wird, welches nach dem Sintern einen größeren spezifischen Widerstand R_R hat als der spezifische Widerstand des Grundkörpers R_G.
Das Aufbringen der Randschichten kann vor dem Sintern erfolgen. Diese Vorgehensweise eignet sich vor allem zur Herstellung von Widerstandselementen bei denen die Randschicht ein keramisches Material umfasst. Nach dem Sintern kann dann mit einem Siebdruckverfahren eine Metallisierungspaste als Elektrodenfläche auf den Körper aufgedruckt werden. Nach dem Bedrucken kann ein Einbrennen der Paste erfolgen.
In einer weiteren Verfahrensvariante können die Randschichten nach dem Sintern aufgebracht werden. Diese Variante eignet sich besonders für den Fall, dass die kompensierende Randschicht eine Metallisierungspaste umfasst. Hier erfolgt nach dem Aufbringen der Randschicht ein Einbrennungsschritt. Nach dem Einbrennen kann eine Elektrodenfläche aufgesputtert werden.
Dem Sintern können folgende Verfahrensschritte vorgelagert sein: das Mischen der Ausgangsstoffe, das Dispergieren der Ausgangsstoffe in Wasser unter Zusatz eines organischen Binders, so dass ein Schlicker entsteht, das Pressen des Schlickers in einer Filterpresse, so dass ein Filterkuchen entsteht, das Trocknen des Filterkuchens, das Kalzinieren des Filterkuchens, so dass ein Rohkeramikmaterial entsteht, das Brechen und Sieden des Rohkeramikmaterials, das Dispergieren des Rohkeramikmaterials in Wasser unter Zusatz eines organischen Binders, das Mahlen des dispergierten Rohkeramikmaterials, das Granulieren des Rohkeramikmaterials, das Verpressen des Granulats zu einem monolithischen Bauelement.
Hierbei können die Ausgangsstoffe die folgenden Stoffe umfassen: BaCO₃, SrCO₃, Pb₃O₄, CaCO₃, SiO₂, TiO₂, MnCl₂, YCl₃.
Bei dem Pressschritt kann der Schlicker durch ein Filtertuch gepresst werden. Das Kalzinieren kann bei einer Temperatur von 1100°C über einen Zeitraum von zwei Stunden erfolgen. Das erhaltene Rohkeramikmaterial kann auf eine mittlere Korngröße von 2,5 μm zerkleinert werden.
Mittels Sprühtrocknung kann Granulat in einer kugeligen Form mit einem mittleren Granaliendurchmesser von 50 μm im Gleichstromverfahren hergestellt werden.
Das Sintern der Keramik kann bei einer Temperatur zwischen 1240°C und 1400°C unter Luftatmosphäre erfolgen. Das Aufbringen der Elektrodenflächen kann durch Siebdruck einer Paste erfolgen, die nach dem Einbrennen einen 10 bis 80% höheren Widerstand besitzt als das Kaltleitermaterial des Grundkörpers.
Im Folgenden sollen Varianten der Erfindung anhand von Figuren von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht der Schichtfolge einer Ausführungsform des Kaltleiter-Widerstandselements.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht der Schichtenabfolge einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kaltleiter-Widerstandselements.
3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer möglichen Ausführungsform, welche bereits kontaktiert ist.
4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines kontaktierten Kaltleiter-Widerstandselementes.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des Kaltleiter-Widerstandselements. Das Widerstandselement umfasst hierbei fünf Schichten. In der Mitte ist der Grundkörper 1 angeordnet, auf diesen folgen jeweils auf der Ober- und Unterseite je eine Randschicht 2. Auf jede der beiden Randschichten 2 folgt jeweils eine Elektrodenfläche 3. Die Randschicht 2 erstreckt sich in dieser Ausführungsform über die gesamte Ober- beziehungsweise Unterseite des Grundkörpers 1. Die Elektrodenflächen 3 ihrerseits erstrecken sich über die gesamte Fläche der Randschichten 2.
In 2 ist eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des Kaltleiter-Widerstandselements dargestellt. Diese Ausführungsform umfasst fünf Schichten. In der Mitte ist der Grundkörper 1 angeordnet, auf den jeweils auf der Ober- und Unterseite eine Elektrodenfläche 3 folgt, die sich über die gesamte Ober- beziehungsweise Unterseite erstreckt. Auf jede der beiden Elektrodenflächen 3 folgt eine Randschicht 2, welche sich über die gesamte Fläche der Elektrodenfläche erstreckt.
3 zeigt die schematische Seitenansicht einer bereits kontaktierten Ausführungsform. Diese Ausführungsform umfasst neben der in 1 dargestellten Schichtfolge jeweils einen an der oberen und unteren Elektrodenfläche 3 angebrachten Draht 4 der jeweils mit einem Lotmaterial 5 auf der Elektrodenfläche 3 befestigt ist. Das Lotmaterial 5 erstreckt sich hierbei nur auf einen Teilbereich der Elektrodenfläche 3.
4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Kaltleiter-Widerstandselements. Diese Ausführungsform umfasst einen Grundkörper 1 auf den jeweils auf der Ober- und Unterseite eine Elektrodenfläche 3 folgt, welche sich über die gesamte Ober- beziehungsweise Unterseite des Grundkörpers erstreckt. Auf die beiden Elektrodenflächen 3 folgt jeweils eine Randschicht 2 die sich nicht über dem gesamten Bereich der Elektrodenfläche 3 erstreckt. Jede der beiden Randschichten 2 ist mit einem Draht 4 kontaktiert, der jeweils mit einem Lotmaterial 5 auf der Randschicht 2 befestigt ist. Das Lotmaterial 5 erstreckt sich hierbei über die gesamte Randschicht 2. Die Größe der Randschichten 2 ist hierbei so gewählt, dass sie der Größe der Fläche des Lotmaterials 5 entsprechen.
Es sind auch Ausführungsbeispiele denkbar, bei denen sich die Elektrodenflächen 3 nur über einen Teilbereich des Grundkörpers 1 erstrecken.
In einem Ausführungsbeispiel hat der auf Bariumtitanatbasierende keramische Grundkörper (1) einen Durchmesser von 5,1 mm und eine Höhe von 2,1 mm. Der spezifische Widerstand des Grundkörpers (1) beträgt 40 Ohmcm und die Bezugstemperatur 135°C. Die Randschichten (2), welche sich über die gesamte Ober- bzw. Unterseite des Grundkörpers erstrecken, umfassen eine Metallisierungspaste mit einem spezifischen Widerstand von 60 Ohmcm. Die Dicke der Randschichten (2) beträgt jeweils 40 μm.
Versuche mit dieser Ausführungsform haben gezeigt, dass bei der Schaltbelastung von 400 V mit einem Vorwiderstand von 200 Ohm die maximal gemessene thermomechanische Spannung im Kaltleiter-Widerstandselement 96 MPa beträgt. Das Kaltleiter-Widerstandselement überstand den Test schadlos.
Im Vergleich dazu traten bei einem Bauelement ohne die erfindungsgemäße Randschicht, mit gleicher keramischer Zusammensetzung, eine maximale thermomechanische Spannung von über 120 MPa auf, welche dann zum Querbruch des Bauelements und somit zu dessen Ausfall führte.
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 diese Merkmale oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben sind.

1: Grundkörper
2: Randschicht
3: Elektrodenfläche
4: Draht
5: Lotmaterial

Claims

Kaltleiter-Widerstandselement umfassend, – einen Grundkörper (1) mit dem spezifischen Widerstand R_G umfassend ein Kaltleitermaterial, – zwei Elektrodenflächen (3), die auf der Oberfläche des Grundkörpers angeordnet sind, – zwei Randschichten (2) mit dem spezifischen Widerstand R_R, die auf dem Grundkörper angeordnet sind, wobei gilt R_R > R_G.
Kaltleiter-Widerstandselement nach Anspruch 1, wobei die Randschichten (2) zwischen dem Grundkörper (1) und den Elektrodenflächen (3) angeordnet sind.
Kaltleiter-Widerstandselement nach Anspruch 2, wobei auf jeder Elektrodenfläche (3) ein Draht (4) mit einem Lotmaterial (5) zur elektrischen Kontaktierung befestigt ist.
Kaltleiter-Widerstandselement nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenflächen (3) zwischen dem Grundkörper (1) und den Randschichten (2) angeordnet sind.
Kaltleiter-Widerstandselement nach Anspruch 4, wobei auf jeder Randschicht (2) ein Draht (4) mit einem Lotmaterial (5) befestigt ist.
Kaltleiter-Widerstandselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei R_R 10% bis 80% größer ist als R_G.
Kaltleiter-Widerstandselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Randschicht (2) im Fall der Verwendung einer Bedruckpaste zwischen 20 und 60 μm liegt.
Kaltleiter-Widerstandselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Fall der Verwendung eines PTC-Materials als Randschicht die Bezugstemperatur T_ref des Materials der Randschicht (2) mindestens um 50°C über der des Kaltleitermaterials des Grundkörpers (1) liegt.
Kaltleiter-Widerstandselement nach Anspruch 3 oder 5, wobei sich die Randschicht (2) über den gleichen Bereich des Grundkörpers (1) erstreckt wie das Lotmaterial (5).
Kaltleiter-Widerstandselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kaltleitermaterial des Grundkörpers (1) ein keramisches Material umfasst.
Kaltleiter-Widerstandselement nach Anspruch 10, wobei die Randschicht (2) ein keramisches Kaltleitermaterial umfasst.
Kaltleiter-Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Randschicht (2) ein keramisches Heißleitermaterial umfasst.
Kaltleiter-Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Randschicht (2) eine Metallisierungspaste mit einem geeignet eingestellten Widerstand umfasst.
Kaltleiter-Widerstandselement nach Anspruch 13, wobei die Metallisierungspaste sperrschichtabbauende Zusätze umfasst.
Kaltleiter-Widerstandselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenflächen (3) aus mehreren Schichten aufgebaut sind.
Kaltleiter-Widerstandselement nach Anspruch 15, wobei jede Schicht mindestens eines der folgenden Elemente umfasst: Ag, Cr, Ni.
Verfahren zur Herstellung eines Kaltleiter-Widerstandselements, umfassend die Verfahrensschritte: – Sintern eines keramischen Kaltleitermaterials, wodurch ein Grundkörper (1) entsteht, – Aufbringen zweier Randschichten (2), – Aufbringen zweier Elektrodenflächen (3), wobei für die Randschicht ein Material verwendet wird, welches nach dem Sintern einen größeren spezifischen Widerstand R_R hat als der spezifische Widerstand des Grundkörpers R_G.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Randschichten (2) vor dem Sintern aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei für die Randschichten (2) ein keramisches Material verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei nach dem Sintern mit Siebdruck eine Metallisierungspaste mit einem geeigneten Widerstand als Elektrodenfläche (3) auf die Randschicht aufgedruckt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei nach dem Bedrucken ein Einbrennen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Randschichten (2) nach dem Sintern aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei für die Randschichten (2) eine Metallisierungspaste mit geeignetem Widerstand verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei nach dem Aufbringen der Randschichten (2) ein Einbrennen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei nach dem Einbrennen die Elektrodenflächen auf die eingebrannte Schicht aufgesputtert wird.