DE102021118566A1

DE102021118566A1 - Verfahren zur Herstellung von NTC-Senoren

Info

Publication number: DE102021118566A1
Application number: DE102021118566.1A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Hojas; Subramanian Ravichandran; Dhananjay Chavan; Wolfgang Fail
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2021-07-19
Filing date: 2021-07-19
Publication date: 2023-01-19
Also published as: US20250003810A1; JP7673318B2; JP2024525853A; CN117677826A; EP4374147A1; WO2023001434A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von NTC-Sensoren, umfassend ein Verfahren zum Zusammenbau von NTC-Sensoren und ein Verfahren zum Beschichten von NTC-Sensoren, umfassend mehrere Prozessschritte in einer bestimmten Reihenfolge. Die Erfindung betrifft ferner ein NTC-Thermistorelement (4).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von NTC-Sensoren, das ein Verfahren zum Zusammenbau von NTC-Sensoren und ein Verfahren zum Beschichten von NTC-Sensoren umfasst, das mehrere Prozessschritte in einer bestimmten Reihenfolge umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein NTC-Thermistorelement.
Bisher verfügbare NTC-Thermistor-Temperatursensoren mit Kunststoffbeschichtungen werden mit herkömmlichen thermisch gesteuerten Montage- und Beschichtungstechnologien hergestellt.
Der elektrische Widerstand eines NTC-Thermistormaterials ändert sich bei wechselnden Temperaturen. Insbesondere nimmt der Widerstand des NTC-Thermistors mit steigenden Temperaturen ab. Das NTC-Thermistormaterial ist über Anschlussdrähte in einen elektrischen Schaltkreis integriert. Ein Kunststoffgehäuse kann den Thermistor vor Umwelteinflüssen schützen.
Beispiele für NTC-Thermistorelemente sind aus dem Dokument DE 10 2005 017 816 A1 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannten Verfahren zur Herstellung von NTC-Sensoren zu verbessern.
Das Verfahren betrifft mehrere Herstellungsschritte.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbau von NTC-Sensoren mit mehreren Schritten.
In einem Schritt werden ein NTC-Thermistorelement (NTC steht für negativer Temperaturkoeffizient) und Anschlussdrähte mit Anschlüssen zur Kontaktierung des NTC-Thermistorelements bereitgestellt.
Das NTC-Thermistorelement kann in einer Scheiben- oder Blockform konfiguriert sein, die für ein oberflächenmontiertes Bauteil (SMD) verwendet werden kann.
Das NTC-Thermistorelement kann aus einem NTC-Keramikmaterial bestehen. Das NTC-Keramikmaterial arbeitet als elektrischer Widerstand, wobei sich der Widerstand in Abhängigkeit von der Innentemperatur des Materials ändert. Das NTC-Keramikmaterial kann durch Anlegen eines elektrischen Stroms selbst erwärmt werden.
Das NTC-Thermistorelement kann ferner zwei Elektroden umfassen, die auf gegenüberliegenden Oberflächen des NTC-Keramikmaterials angeordnet sind. Die Elektroden ermöglichen es, das NTC-Thermistorelement elektrisch zu kontaktieren und es in einen Stromkreis einzubinden. Die Elektroden können aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit bestehen, z. B. aus einem Metall, einem Edelmetall oder einer Metalllegierung.
Alternativ kann das NTC-Thermistorelement auch als Mehrschichtbauteil ausgeführt sein. Das Mehrschichtbauteil besteht aus mehreren Schichten eines NTC-Keramikmaterials und dazwischen angeordneten Innenelektroden. Die Innenelektroden bestehen aus einem metallischen und elektrisch leitenden Material.
Das Mehrschichtbauteil ist als Stapel aus mehreren Keramikschichten und Innenelektroden ausgebildet und hat vorzugsweise eine quaderförmige Gesamtstruktur.
In der beschriebenen Ausführungsform können die Innenelektroden durch Außenelektroden auf den Oberflächen des Mehrschichtbauteils elektrisch kontaktiert werden. Die Außenelektroden sind vorzugsweise auf zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des mehrschichtigen Bauteils angebracht. Die Außenelektroden können kappenförmig sein und verschiedene Seitenflächen des mehrschichtigen Bauteils bedecken. Vorzugsweise sind die im Mehrschichtbauteil gestapelten Innenelektroden jeweils abwechselnd mit den beiden gegenüberliegenden Außenelektroden verbunden.
Die Außenelektroden bestehen aus Metallisierungsschichten, z.B. aus Silber oder Gold, die z.B. im Siebdruckverfahren mit anschließender thermischer Behandlung aufgebracht werden.
Der elektrische Widerstand eines solchen Mehrschichtbauteils lässt sich sehr genau definieren. So können Widerstandstoleranzen von weniger als 1 % erreicht werden.
Die Anschlussdrähte sind elektrisch leitfähige Drähte aus einem elektrisch leitfähigen Metall oder einer Metalllegierung. Der Anschlussdraht kann durch eine Polymerbeschichtung isoliert sein. Zumindest ein Teil am Anschluss des Anschlussdrahtes darf nicht durch die Beschichtung isoliert sein.
In einem weiteren Schritt wird das NTC-Thermistorelement durch Anlegen eines elektrischen Stroms selbst erwärmt. Die Selbsterhitzung wird in den folgenden Schritten aufrechterhalten.
In einem ersten Schritt wird Lötpaste auf die Anschlüsse der Anschlussdrähte aufgetragen. Die Lötpaste kann aus verschiedenen Metallen wie Blei, Zinn, Zink, Silber, Kupfer, Gold, Antimon und Wismut bestehen. Vorzugsweise kann die Lötpaste bleifrei sein. Außerdem kann die Lötpaste mit einem Flussmittel imprägniert sein.
Die aufgetragene Lötpaste kann nach dem Erhitzen zu einer flammenartigen Form des Kopfes des Anschlussdrahtes führen, wobei der Kopf das Ende des Anschlussdrahtes ist.
In einem zweiten Schritt werden die Anschlussdrähte an dem NTC-Thermistorelement angebracht. Insbesondere können die Anschlussdrähte an den Elektroden des NTC-Thermistorelements auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Elements angebracht werden. Die Anschlussdrähte werden so auf das NTC-Thermistorelement aufgebracht, dass die Lötpaste in direktem Kontakt mit dem NTC-Thermistorelement, insbesondere den Elektroden, steht.
In einem dritten Schritt wird die Lötpaste durch die vom NTC-Thermistorelement erzeugte Wärme geschmolzen. Durch das Schmelzen der Lötpaste werden Lötverbindungen zwischen den NTC-Thermistorelementen, insbesondere den Elektroden, und den Anschlussdrähten, insbesondere den Anschlüssen, gebildet.
Dadurch wird ein geschlossener Stromkreis gebildet, der eine geschlossene elektrische Verbindung zwischen einem Anschluss eines ersten Anschlussdrahtes, einer ersten Lötverbindung, einer ersten Elektrode des NTC-Thermistorelements, dem NTC-Thermistormaterial, einer zweiten Elektrode des NTC-Thermistorelements, einer zweiten Lötverbindung und einem Anschluss eines zweiten Anschlussdrahtes umfasst.
Die beschriebenen Schritte können in der angegebenen Reihenfolge oder in jeder anderen anwendbaren Reihenfolge durchgeführt werden. Hier und im Folgenden legen die Bezeichnungen „erste“, „zweite“ usw. keine zwingende Reihenfolge der Verfahrensschritte fest.
In einer Ausführungsform wird das NTC-Thermistorelement auf mehr als 200 °C erhitzt.
Eine solche Temperatur kann erreicht werden, ohne dass sich die Eigenschaften des NTC-Thermistormaterials ändern.
Anders als bei der Erwärmung des NTC-Thermistormaterials in einem Ofen ändert sich die Phasenzusammensetzung des NTC-Thermistormaterials während des beschriebenen Selbsterhitzungsprozesses nicht merklich. Daher können nachfolgende zeitaufwändige Alterungsprozesse entfallen oder drastisch verkürzt werden. Ein anschließender Beschichtungsprozess kann unmittelbar nach dem Lötprozess und ohne zusätzliche thermische Behandlung durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird der elektrische Strom zur Erwärmung des NTC-Thermistors über die Anschlussdrähte selbst an den NTC-Thermistor angelegt.
In einer alternativen Ausführungsform wird der elektrische Strom über Hilfselektroden an den NTC-Thermistor angelegt.
Die Hilfselektroden werden vorübergehend und reversibel angebracht.
Die Hilfselektroden können auf zwei gegenüberliegenden Flächen des NTC-Thermistors angebracht werden.
Die Hilfselektroden können in einer Haltestruktur enthalten sein, in der die NTC-Thermistorelemente während der Herstellung befestigt werden.
Die Hilfselektroden können die Elektroden des NTC-Thermistorelements berühren.
Dadurch wird ein geschlossener Stromkreis gebildet, der eine geschlossene elektrische Verbindung zwischen einer ersten Hilfselektrode, einer ersten Elektrode des NTC-Thermistorelements, dem NTC-Thermistormaterial, einer zweiten Elektrode des NTC-Thermistorelements und einem Anschluss einer zweiten Hilfselektrode umfasst.
Bei dem beschriebenen Verfahren wird die Lötpaste durch die vom NTC-Thermistorelement erzeugte Wärme geschmolzen. Dadurch werden Lötverbindungen zwischen dem NTC-Thermistorelement und den Anschlussdrähten gebildet. Danach können die Hilfselektroden entfernt werden, und die Selbsterhitzung des NTC-Thermistorelements wird gestoppt.
In einer Ausführungsform weisen die Lötverbindungen zwischen den Anschlussdrähten und dem NTC-Thermistorelement eine hohe Festigkeit auf. Die Lötverbindungen können einer Zugkraft von mindestens 6 N, vorzugsweise bis zu 7 N, noch bevorzugter bis zu 8 N standhalten.
In einer Ausführungsform werden zwei Anschlussdrähte an zwei gegenüberliegenden Oberflächen des NTC-Thermistorelements angebracht, insbesondere an zwei gegenüberliegenden Elektroden, die an gegenüberliegenden Oberflächen des NTC-Thermistorelements angeordnet sind.
In einer Ausführungsform wird die Lötpaste durch Eintauchen der Anschlussdrähte in ein Reservoir mit Flussmittel imprägniert.
Die Lötpaste wird mit Flussmittel imprägniert, bevor die Drähte auf dem NTC-Thermistorelement angebracht werden und bevor die Lötpaste geschmolzen wird.
Daher wird kein Flussmittel durch ungewollte Imprägnierung des NTC-Thermistorelements verschwendet. Vorzugsweise wird die Lötpaste durch Eintauchen der Anschlussdrähte in Schwämme mit Flussmittel imprägniert.
Auf diese Weise kann das Flussmittel gezielt und mit minimalem Flussmittelverlust aufgetragen werden.
Beim Löten von Metallen dienen Flussmittel mehreren Zwecken. Das Flussmittel entfernt oxidiertes Metall von der zu lötenden Oberfläche, schließt die Luft aus und verhindert so eine weitere Oxidation und verbessert die Benetzungseigenschaften des flüssigen Lots.
In einer Ausführungsform schmilzt die Lötpaste und bildet die Lötverbindungen in vorzugsweise weniger als 30 Sekunden.
In dieser Zeitspanne können das NTC-Thermistorelement und eine Oberfläche des NTC-Thermistorelements, auf die die Lötpaste aufgetragen wird, auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, die Lötpaste wird geschmolzen und die Lötverbindung wird gebildet.
Die erforderliche Temperatur hängt von der Zusammensetzung der Lötpaste ab. Das NTC-Thermistorelement kann so ausgelegt sein, dass es durch Anlegen eines elektrischen Stroms auf mehr als 200 °C und vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 200 °C und 400 °C erhitzt werden kann.
Da die Lötpaste direkt durch das selbsterhitzte NTC-Thermistorelement, auf das das Lot aufgetragen wird, geschmolzen wird, können thermische Vor- und Nachbehandlungsschritte entfallen.
Daher kann der Lötprozess im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren verkürzt werden.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beschichten von NTC-Sensoren, das mehrere Schritte umfasst.
Das Verfahren des zweiten Aspekts kann ferner alle Schritte des Verfahrens des ersten Aspekts umfassen.
Das Verfahren zum Beschichten von NTC-Sensoren umfasst den Schritt des Bereitstellens eines NTC-Sensors, der ein NTC-Thermistorelement und an dem NTC-Thermistorelement befestigte Anschlussdrähte umfasst.
Das NTC-Thermistorelement und die Anschlussdrähte können wie im ersten Aspekt beschrieben verarbeitet werden. Der NTC-Sensor kann durch Ausführen des Verfahrens des ersten Aspekts bereitgestellt werden.
In einem Schritt wird das NTC-Thermistorelement durch Anlegen eines elektrischen Stroms selbst erwärmt. Die Selbsterhitzung wird während der folgenden Verfahrensschritte aufrechterhalten.
In einem ersten Schritt wird das NTC-Thermistorelement in einen Beschichtungsrohstoff getaucht.
Der Beschichtungsrohstoff kann in Form eines Polymerpulvers oder eines Harzes bereitgestellt werden. Typische Beschichtungsstoffe können Polymere wie z. B. Perfluoralkoxyalkan (PFA), Teflon, Polyurethan (PU), Polyamid (PA), Polyimid (PI), Silikon, Polyester, Polyacrylat, Epoxidpolymere, Harze und Epoxidharze umfassen.
Der Beschichtungsstoff kann in einem Reservoir für Beschichtungsrohstoffe, z. B. in einer Wanne, gelagert werden.
In einem zweiten Schritt wird der Beschichtungsrohstoff durch die von dem NTC-Thermistorelement erzeugte Wärme geschmolzen. Die erforderliche Wärme hängt von dem verwendeten Beschichtungsrohstoff ab.
In einem dritten Schritt wird eine Beschichtungsschicht gebildet, die das NTC-Thermistorelement und benachbarte Teile der Anschlussdrähte umschließt.
Die Beschichtungsschicht wird aus dem geschmolzenen Beschichtungsrohstoff gebildet. Vorzugsweise besteht die Beschichtungsschicht nur aus einer einzigen Schicht aus Polymermaterial.
Durch die offengelegten Verfahrensschritte kann die Beschichtungsschicht mit einem minimalen Bedarf an Heizenergie und Beschichtungsrohstoff aufgebracht werden. Nur der an die selbsterhitzte Oberfläche des NTC-Thermistorelements angrenzende Rohstoff wird aufgeschmolzen und bildet die Beschichtungsschicht. Weiterer Beschichtungsrohstoff, der im Reservoir vorhanden ist, bleibt in Pulver- oder Harzform.
In einer Ausführungsform wird das NTC-Thermistorelement auf mehr als 170 °C erhitzt.
Eine solche Temperatur kann erreicht werden, ohne dass sich die Eigenschaften des NTC-Thermistormaterials ändern.
Anders als beim Erhitzen des NTC-Thermistormaterials in einem Ofen ändert sich die Phasenzusammensetzung des NTC-Thermistormaterials während des beschriebenen Selbsterhitzungsprozesses nicht merklich. Daher können nachfolgende zeitaufwändige thermische Verarbeitungsschritte entfallen oder drastisch verkürzt werden.
Darüber hinaus können durch die gezielte Erwärmung nur geringer Mengen an Beschichtungsrohstoff thermische Nachbehandlungsschritte zum Aushärten und Tempern des Beschichtungsstoffs auf eine Zeitspanne von weniger als zwei Stunden, vorzugsweise auf weniger als eine Stunde verkürzt werden.
Die erforderliche Temperatur hängt von der Zusammensetzung des Beschichtungsrohstoffs ab. Das NTC-Thermistorelement kann so konfiguriert werden, dass es durch Anlegen eines elektrischen Stroms auf mehr als 80 °C oder mehr als 100 °C oder mehr als 170 °C und vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 80 °C und 350 °C erhitzt wird.
In einer Ausführungsform wird der elektrische Strom über die Anschlussdrähte zugeführt, die an dem NTC-Thermistorelement befestigt sind.
Vorzugsweise werden zwei Anschlussdrähte an zwei gegenüberliegenden Flächen des NTC-Thermistorelements angebracht, insbesondere an zwei gegenüberliegenden Elektroden, die an gegenüberliegenden Flächen des NTC-Thermistorelements angeordnet sind.
Dadurch wird ein geschlossener Stromkreis gebildet, der eine geschlossene elektrische Verbindung zwischen einem ersten Anschlussdraht, einer ersten Elektrode des NTC-Thermistorelements, dem NTC-Thermistormaterial, einer zweiten Elektrode des NTC-Thermistorelements und einem zweiten Anschlussdraht umfasst.
In einer Ausführungsform schmilzt der Beschichtungsrohstoff und bildet die Beschichtungsschicht vorzugsweise in weniger als 30 Sekunden.
In dieser Zeitspanne können das NTC-Thermistorelement und eine Oberfläche des NTC-Thermistorelements, auf der der Beschichtungsrohstoff aufgebracht ist, auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, wobei der an die Oberfläche angrenzende Beschichtungsrohstoff schmilzt und die Beschichtungsschicht gebildet wird.
In einer anderen Ausführungsform schmilzt der Beschichtungsrohstoff in weniger als 50 Sekunden und bildet die Beschichtungsschicht.
Durch die Wahl einer kurzen Zeitspanne wird nur eine Beschichtungsschicht gebildet. Dadurch wird der Bedarf an Rohmaterial minimiert.
Da der Beschichtungsrohstoff direkt durch das selbsterhitzte NTC-Thermistorelement geschmolzen wird, auf das der Rohstoff aufgetragen wird, sind keine thermischen Vor- oder Nachbehandlungsschritte zur Bildung der Beschichtungsschicht erforderlich.
Daher kann der Beschichtungsprozess im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren verkürzt werden.
In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines NTC-Sensors, umfassend einen der Schritte des Zusammenbauverfahrens und einen der Schritte des Beschichtungsverfahrens, wie sie unter dem ersten und dem zweiten Aspekt beschrieben sind.
Das Herstellungsverfahren des ersten Aspekts kann alle Schritte des Verfahrens des ersten Aspekts umfassen und kann ferner alle Schritte des Verfahrens des zweiten Aspekts umfassen.
Die ersten beiden Aspekte der Erfindung können auch alle Schritte des dritten Aspekts umfassen.
Das Verfahren zur Herstellung von NTC-Sensoren umfasst mehrere Schritte des Zusammenbaus und mehrere Schritte der Beschichtung.
Insbesondere umfasst das Herstellungsverfahren die folgenden Schritte, die in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden können.
In einem Schritt werden ein NTC-Thermistorelement und Anschlussdrähte mit Anschlüssen zur Kontaktierung des NTC-Thermistorelements bereitgestellt.
In einem folgenden Schritt wird der NTC-Thermistor durch Anlegen eines elektrischen Stroms selbst erwärmt, vorzugsweise durch die Anschlussdrähte selbst oder alternativ durch Verwendung von Hilfselektroden. Die Selbsterhitzung wird in den folgenden drei Schritten aufrechterhalten.
In einem ersten Schritt wird Lötpaste auf die Anschlüsse der Anschlussdrähte aufgetragen.
In einem zweiten Schritt werden die Anschlussdrähte an das NTC-Thermistorelement angebracht.
In einem dritten Schritt wird die Lötpaste durch die vom NTC-Thermistorelement erzeugte Wärme geschmolzen. Dadurch werden Lötverbindungen zwischen dem NTC-Thermistorelement und den Anschlussdrähten hergestellt.
Nach dem dritten Schritt können die optionalen Hilfselektroden entfernt werden und die Selbsterhitzung des NTC-Thermistorelements wird gestoppt.
Im Folgenden wird der NTC-Sensor, der das NTC-Thermistorelement und die am NTC-Thermistorelement befestigten Anschlussdrähte umfasst, weiterverarbeitet.
In einem vierten Schritt wird das NTC-Thermistorelement durch Anlegen eines elektrischen Stroms selbst erwärmt. Der elektrische Strom kann über die Anschlussdrähte zugeführt werden. Die Selbsterhitzung kann in den folgenden Schritten beibehalten werden.
In einem fünften Schritt wird das NTC-Thermistorelement in einen Beschichtungsrohstoff getaucht.
In einem sechsten Schritt wird der Beschichtungsrohstoff durch die vom NTC-Thermistorelement erzeugte Wärme geschmolzen.
In einem siebten Schritt wird eine Beschichtungsschicht gebildet, die das NTC-Thermistorelement und benachbarte Teile des Anschlussdrahtes umschließt.
Danach kann die Selbsterhitzung des NTC-Thermistorelements gestoppt werden.
In einer Ausführung sind keine weiteren thermischen Nachbehandlungsschritte erforderlich.
Alternativ können thermische Nachbehandlungsschritte durchgeführt werden, um die Beschichtung auszuhärten und/oder zu temperieren. Diese thermischen Nachbehandlungsschritte können in weniger als einer Stunde durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform werden mehrere NTC-Thermistorelemente gleichzeitig behandelt. In einer bevorzugten Ausführungsform werden mindestens fünf NTC-Thermistorelemente gleichzeitig behandelt. Das gleichzeitige Behandeln wird durch die Vereinfachung der herkömmlichen Produktionsschritte ermöglicht.
Das gleichzeitige Behandeln ermöglicht eine Massenproduktion des NTC-Sensors.
Die Erfindung betrifft ferner ein NTC-Sensorelement, das ein NTC-Thermistorelement und zwei Anschlussdrähte umfasst, die auf gegenüberliegenden Seiten des NTC-Thermistorelements durch Lötverbindungen und eine einschichtige Beschichtung befestigt sind, die das NTC-Thermistorelement und die Lötverbindungen vollständig umschließt.
In einer Ausführungsform weisen die Lötverbindungen zwischen den Anschlussdrähten und dem NTC-Thermistorelement eine hohe Festigkeit auf. Die Lötverbindungen können einer Zugkraft von mindestens 6 N standhalten. Diese Festigkeit ist mindestens vergleichbar mit der Festigkeit herkömmlicher Lötverbindungen. Vorzugsweise weisen die Lötverbindungen eine hohe Festigkeit von bis zu 7 N, noch bevorzugter von bis zu 8 N auf.
Das NTC-Sensorelement kann nach dem Verfahren gemäß einem der Aspekte 1 bis 3 der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.
Das NTC-Sensorelement kann ferner gemäß einer beliebigen Ausführungsform eines der Aspekte 1 bis 3 konfiguriert sein.
In einer Ausführungsform hat das NTC-Thermistorelement eine Blockform.
In einer weiteren Ausführungsform hat das NTC-Thermistorelement die Form einer Scheibe.
Die Abmessungen des NTC-Thermistorelements dürfen 30 mm x 30 mm x 5 mm und vorzugsweise 3 mm x 3 mm x 1 mm nicht überschreiten.
Die Scheibe oder der Block können eine runde, elliptische, rechteckige oder quadratische Form mit oder ohne abgerundete Ecken haben.
Das NTC-Thermistorelement kann aus einem NTC-Keramikmaterial bestehen. Das NTC-Keramikmaterial wirkt als elektrischer Widerstand, wobei sich der Widerstand in Abhängigkeit von der Innentemperatur des Materials ändert. Das NTC-Keramikmaterial kann durch Anlegen eines elektrischen Stroms selbst erwärmt werden.
Das NTC-Thermistorelement kann ferner zwei Elektroden umfassen, die auf gegenüberliegenden Oberflächen des NTC-Keramikmaterials angeordnet sind. Die Elektroden ermöglichen es, das NTC-Thermistorelement elektrisch zu kontaktieren und es in einen Stromkreis einzubinden. Die Elektroden können aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit bestehen, z. B. aus einem Metall, einem Edelmetall oder einer Metalllegierung.
Die Dicke des Strompfades, d. h. die Abmessung des NTC-Thermistorelements von einer Elektrode zur anderen, darf nicht mehr als 5 mm (einschließlich der Abmessungen der darin befindlichen Elektroden) und vorzugsweise nicht mehr als 1 mm betragen.
Die Oberfläche des NTC-Thermistorelements senkrecht zur Strompfadrichtung kann eine kreisförmige, elliptische, rechteckige oder quadratische Form haben und darf nicht größer als 30 mm x 30 mm und vorzugsweise nicht größer als 3 mm x 3 mm sein.
Die Anschlussdrähte sind elektrisch leitfähige Drähte aus einem elektrisch leitfähigen Metall oder einer Metalllegierung. Der Anschlussdraht kann durch eine Polymerbeschichtung isoliert sein. Mindestens ein Teil des Anschlusses des Verbindungsdrahtes darf nicht durch die Beschichtung isoliert sein.
Im Folgenden werden die Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Ähnliche oder scheinbar identische Elemente in den Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Figuren und die Proportionen in den Figuren sind nicht skalierbar. Die Erfindung ist nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt. Die Figuren zeigen:

1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Anschlussdrahtes.
2 zeigt die erste Ausführungsform des Anschlussdrahtes mit Löthöcker.
3 zeigt ein Diagramm des Temperatur- und elektrischen Widerstandsprofils im Inneren des NTC-Thermistorelements während eines Lötvorgangs.
4 zeigt eine erste Ausführungsform eines NTC-Thermistorelements vor dem Beschichtungsprozess.
5 zeigt ein Diagramm des Temperatur- und elektrischen Widerstandsprofils im Inneren des NTC-Thermistorelements während eines Beschichtungsvorgangs.
6 zeigt die erste Ausführungsform des NTC-Thermistorelements mit aufgebrachter Beschichtung.

Im Folgenden wird ein beispielhaftes Herstellungsverfahren für ein NTC-Thermistorelement (negativer Temperaturkoeffizient) unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Das NTC-Thermistorelement 4 ist für den Einsatz in einem NTC-Sensor vorgesehen.
In einem ersten Verfahrensabschnitt wird ein NTC-Thermistorelement 4 mit Anschlussdrähten 1 versehen. Die Anschlussdrähte 1 sind durch Löten auf zwei gegenüberliegenden Flächen des NTC-Thermistorelements 4 angebracht. Auf den beiden gegenüberliegenden Flächen des NTC-Thermistorelements 4 sind zwei Elektroden 5 ausgebildet. Die Anschlussdrähte 1 werden auf der Oberfläche der Elektroden 5 angebracht.
Zunächst werden die Anschlussdrähte 1 wie in 1 dargestellt angebracht. Die Anschlussdrähte 1 bestehen hauptsächlich aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit, z. B. aus einem Edelmetall wie Silber oder Kupfer oder einer entsprechenden Legierung. Die Drähte 1 können mit einer isolierenden Schicht 2 aus einem elektrisch nicht leitenden Polymermaterial überzogen sein. Die Isolierschicht 2 befindet sich nicht an den Anschlüssen der Drähte 1, auf die anschließend Lötpaste aufgetragen wird.
In einem ersten Fertigungsschritt werden die Drähte 1, vorzugsweise fünf Paare zu je zwei Drähten 1, in eine Haltevorrichtung eingespannt. Auf diese Weise können anschließend fünf Sensoren gleichzeitig hergestellt werden. Die nicht beschichteten Anschlüsse der Drähte 1 werden nun bearbeitet. Auf die freien Anschlüsse der Drähte 1 werden mit einer Spritze Löthöcker 3 aufgebracht. Durch das gezielte Auftragen der Lötpaste kann die benötigte Menge an Lot minimiert werden. Das überschüssige Lotmaterial, das anschließend verworfen wird, wird reduziert.
Der Drahtanschluss mit dem aufgebrachten Lothöcker 3 ist in 2 dargestellt.
Im nächsten Prozessschritt werden die Drähte 1 mit den aufgebrachten Löthöckern 3 in ein Flussmittelreservoir getaucht. Das Flussmittelreservoir kann vorzugsweise die Form eines flussmittelhaltigen Schwammes haben. Die Drähte 1 werden dann auf den Schwamm gedrückt, die Löthöcker 3 zuerst, um die Löthöcker 3 mit Flussmittel zu imprägnieren.
Die NTC-Thermistorelemente 4 werden in einer Halterung angebracht, vorzugsweise mehrere Elemente auf einmal, zum Beispiel fünf Elemente.
Die Drähte 1 mit den Löthöckern 3 werden nun auf die NTC-Thermistorelemente 4 an den beiden gegenüberliegenden Flächen mit den Elektroden 5 aufgebracht.
Über die Drähte 1 wird ein elektrischer Strom von bis zu 1 A in Abhängigkeit vom Widerstand und der Widerstands-Temperatur-(R-T-)Kurve des NTC-Keramikmaterials an die NTC-Thermistorelemente 4 angelegt, was zu deren Selbsterhitzung führt.
Durch die Selbsterhitzung des NTC-Thermistorelements auf über 200 °C schmelzen die Löthöcker 3 und es entsteht eine feste Lötverbindung zwischen dem NTC-Thermistorelement 4 und den Drähten 1.
3 zeigt das Temperaturprofil während des Lötvorgangs.
Während einer Zeitspanne T₁ wird das NTC-Thermistorelement 4 auf über 120 °C vorgewärmt. Bei einer Temperatur zwischen 120 °C und 210 °C wird das Flussmittel aktiviert. Im vorliegenden Temperaturprofil wird nach etwa 5 Sekunden (T1) eine Temperatur von 120 °C erreicht. Bei einer Temperatur von ca. 220 ± 10 °C verflüssigt sich die Lötpaste. Nach weiteren 11 Sekunden (T₂) wird die maximale Temperatur von 270 ± 5 °C erreicht.
Diese Maximaltemperatur des Lötvorgangs wird 14 Sekunden lang gehalten (T₃), um die Bildung des Löthöcker 3 zu ermöglichen.
Nach einer Gesamtzeit von 30 Sekunden ist der Lötvorgang beendet und die Selbsterhitzung des NTC-Thermistorelements wird gestoppt, d. h. der für die Selbsterhitzung verwendete Strom wird abgeschaltet.
Da das NTC-Thermistorelement 4 per Definition bei hohen Temperaturen eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, ändert sich der elektrische Widerstand, der auch in 3 dargestellt ist, entgegengesetzt zur Temperatur. Während des Lötvorgangs bei 270 °C sinkt der elektrische Widerstand gemäß der entsprechenden R-T-Kurve.
Nach dem Lötvorgang befindet sich der NTC-Sensor in der in 4 dargestellten Konfiguration. Zwei Drähte 1 sind an ihren losen Anschlüssen über Löthöcker 3 an Elektroden 5 auf gegenüberliegenden Flächen des NTC-Thermistorelements 4 befestigt.
Im Folgenden wird der Beschichtungsprozess durchgeführt. Der Beschichtungsvorgang wird unter Bezugnahme auf das Temperaturdiagramm in 5 beschrieben. Das NTC-Thermistorelement 4 wird durch Anlegen eines elektrischen Stroms selbst erwärmt. Dazu kann der Strom über die nun angebrachten Anschlussdrähte 1 zugeführt werden.
In einem ersten Schritt wird das NTC-Thermistorelement 4 innerhalb von 11 Sekunden auf eine Temperatur von 140 °C vorgeheizt (S₁) .
Das vorgewärmte NTC-Thermistorelement 4 wird dann in ein Reservoir mit Beschichtungsrohstoff getaucht. Der Beschichtungsrohstoff liegt in Form von Pulver oder Harz vor. In dem beschriebenen Beispiel kann der Beschichtungsrohstoff in Pulverform vorliegen. Die Eintauchbewegung dauert etwa 3 Sekunden (S₂). Durch das Eintauchen in das Pulver des Beschichtungsrohstoffs, das kühler ist als das NTC-Element, kühlt sich das NTC-Thermistorelement 4 vergleichsweise schnell auf etwa 50 °C ab. Der Beschichtungsrohstoff hat etwa Raumtemperatur (ca. 25 °C).
Anschließend wird das NTC-Thermistorelement 4 im Reservoir des Beschichtungsrohstoffs in 3 Sekunden erneut auf ca. 170 °C erhitzt (S₃), so dass das an das NTC-Thermistorelement 4 angrenzende Beschichtungsrohstoffpulver schmilzt und eine einzige Beschichtungsschicht 7 um das NTC-Thermistorelement 4 und die daran angrenzenden Teile der Anschlussdrähte 1 und der verbindenden Löthöcker 3 bildet.
Anschließend wird das NTC-Thermistorelement 4 mit der aufgebrachten Beschichtungsschicht 7 innerhalb von etwa 3 Sekunden (S₄) aus dem Reservoir für Beschichtungsrohstoff herausgehoben, wobei das NTC-Thermistorelement 4 auf etwa 160 °C abkühlt. Anschließend wird die Beschichtungsschicht 7 auf das NTC-Thermistorelement 4 aufgebracht. Nach etwa 20 Sekunden ist damit der eigentliche Beschichtungsvorgang abgeschlossen. Anschließend wird die Beschichtungsschicht 7 thermisch nachbehandelt, um sie zu verfestigen.
In einem Vorhärtungsschritt wird das NTC-Thermistorelement 4 mit der aufgebrachten Beschichtungsschicht 7 in 10 Sekunden auf 190 °C erhitzt (S₅) . Anschließend wird eine Aushärtungstemperatur von ca. 195 ± 5°C für 30 Sekunden gehalten (S₆). Nach etwa 40 Sekunden ist der Aushärtungsprozess abgeschlossen und die Selbsterhitzung des NTC-Thermistorelements wird gestoppt.
So erhält man das in 6 dargestellte NTC-Sensorelement, bei dem das NTC-Thermistorelement, die benachbarten Löthöcker 3 und die benachbarten nicht isolierten Teile der Anschlussdrähte 1 von einer Beschichtungsschicht 7 umschlossen sind.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht einen gleichmäßig dünnen Auftrag des Beschichtungsstoffs, so dass das NTC-Thermistorelement 4 bereits nach dem Auftragen einer Schicht des Beschichtungsstoffs vollständig und gleichmäßig umschlossen ist. Das Aufbringen weiterer Beschichtungsschichten 7 ist somit nicht erforderlich. Dies bedeutet, dass der Zeit- und Kostenaufwand für die Herstellung der Beschichtung erheblich reduziert werden kann.
Durch die dünne, einschichtige Beschichtung 7 entfallen auch zusätzliche zeitaufwendige thermische Nachbehandlungsschritte. Die dünne Beschichtung 7 kann innerhalb der beschriebenen 40 Sekunden ausgehärtet werden.
Falls erforderlich, können weitere Nachbehandlungsschritte durchgeführt werden. Diese Schritte, wie Aushärten und Tempern, werden in weniger als einer Stunde durchgeführt, wodurch die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung 7 erreicht werden.
Bei herkömmlichen Verfahren beträgt der Zeitaufwand für solche Nachbehandlungsschritte typischerweise 8 Stunden für den Aushärtungsprozess und 72 Stunden für den Temperprozess. Da das Material bei herkömmlichen Verfahren weniger gleichmäßig aufgetragen werden kann, sind oft mehr als zwei oder sogar mehr als fünf Schichten Beschichtungsstoff erforderlich.
Nachfolgend wird ein beispielhaftes NTC-Thermistorelement, wie in 6 dargestellt, beschrieben.
Das NTC-Thermistorelement 4 hat eine quaderförmige Gestalt. Das NTC-Thermistorelement 4 besteht aus einer NTC-ThermistorKeramik 6, die quaderförmig ist.
An zwei gegenüberliegenden Flächen der NTC-Keramik 6 sind Elektroden 5 für den elektrischen Kontakt angebracht. Das gesamte NTC-Thermistorelement 4 hat Abmessungen, die 3 mm x 3 mm x 1 mm nicht überschreiten.
Dabei ist 1 mm das Maß für die Dicke des NTC-Thermistorelements von der Oberfläche, an der eine Elektrode 5 angebracht ist, bis zu der Oberfläche, an der die andere Elektrode 5 angebracht ist. Diese Dicke entspricht der Länge des Strompfads, die der angelegte Strom innerhalb des NTC-Thermistorelements zurücklegt.
Die Fläche senkrecht zum Strompfad hat Abmessungen von höchstens 3 mm x 3 mm. Im Allgemeinen zeigt die längere Seite der Fläche in dieselbe Richtung wie die am Element befestigten Anschlussdrähte 1, und die kürzere Seite zeigt in die Richtung, die senkrecht zu der Richtung verläuft, in der die Anschlussdrähte 1 verlaufen.
Bei den Elektroden 5 handelt es sich vorzugsweise um Elektroden, die aus einem Material bestehen, das mindestens eines der Elemente Silber, Gold, Kupfer, Nickel, Platin oder Palladium enthält, und die auf das Thermistormaterial aufgebracht werden, z. B. durch Siebdruck oder durch Sputtern.
Die Anschlussdrähte 1 sind über Löthöcker 3 an den Elektroden 5 befestigt. Die Löthöcker 3 bestehen aus einem lötbaren Material, das verschiedene geeignete Metalle wie Germanium, Zinn, Silber, Blei, Antimon, Wismut, Gold, Zink und Kupfer enthält. Vorzugsweise ist das lötbare Material bleifrei.
Die Anschlussdrähte 1 haben z. B. einen Durchmesser von 0,25 mm und bestehen aus einem elektrisch gut leitenden Material, wie z. B. Kupfer. Die Anschlussdrähte 1 sind mit Ausnahme ihrer Anschlüsse mit einer elektrisch isolierenden Schicht 2 überzogen.
Der Durchmesser der Drähte 1 mit Isolierung beträgt etwa 0,5 mm. Vorzugsweise wird für die Isolierung 2 ein hochtemperaturbeständiger Kunststoff wie Polyetheretherketon (PEEK), PFA, Polytetrafluorethylen (PTFE), fluoriertes Ethylenpropylen (FEP), PA, PI oder ähnliche Kunststoffe verwendet.
Alternativ können auch nicht isolierte Drähte verwendet werden.
Das NTC-Thermistorelement 4 und der angrenzende Teil der Drähte 1, insbesondere der nicht isolierte Teil, sind von einer einschichtigen Beschichtung 7 umgeben, beispielsweise einer Beschichtungsschicht 7, die ein Epoxidharz oder ein anderes Epoxidpolymermaterial enthält. Weitere mögliche Beschichtungsstoffe sind PFA, Teflon oder fluorierte Epoxidmaterialien.
Die nach dem beschriebenen Verfahren gelötete Lötverbindung zwischen Anschlussdrähten 1 und NTC-Thermistorelement 4 weist eine hohe Festigkeit auf, die mindestens mit der Festigkeit herkömmlicher Lötverbindungen vergleichbar ist. Die Lötstelle hält einer Zugkraft von mindestens 6 N, vorzugsweise bis zu 7 N, noch bevorzugter bis zu 8 N stand.
Aufgrund der im Verfahren beschriebenen kurzen Verarbeitungszeiten kann bei der Herstellung der NTC-Thermistorelemente 4 anstelle einer konventionell betriebenen chargenweisen Fertigung eine kontinuierliche Serienfertigung betrieben werden.
Das bedeutet, dass die benötigten Produktionsanlagen erheblich verkleinert werden können. So kann beispielsweise mit einer gleichzeitigen Serienproduktion von je fünf Elementen anstelle einer gleichzeitigen chargenweisen Produktion von Hunderten von Elementen ein ausreichend hoher Ausstoß erreicht werden.
Durch den Wegfall von thermischen Vor- und Nachbehandlungsschritten können auch Teile der Produktionsanlagen entfallen.
So können z.B. Öfen, in denen bei herkömmlichen Verfahren die Alterung eines Thermistor-Keramikmaterials und die Aushärtung und das Tempern der Beschichtungsschichten durchgeführt werden, entfallen oder drastisch verkleinert werden.
Eine Produktionslinie des neuen Verfahrens misst beispielsweise 3,5 x 2 m in Länge und Breite und besteht aus drei Modulen für das Löten, Beschichten und die thermische Nachbehandlung. Die Module sind klein, da nur fünf Elemente parallel produziert werden müssen. Das Modul für die thermische Nachbehandlung besteht aus einem kleinen Ofen, in dem die Thermistorelemente eine Stunde lang untergebracht werden.
Eine konventionelle Produktionslinie misst dagegen z.B. 14 x 5 m in Länge und Breite und umfasst fünf Module zum Löten, Altern, Beschichten, Aushärten und Tempern. Die Module sind vergleichsweise größer, da mehrere hundert Elemente parallel produziert werden müssen, um die gleiche Produktionskapazität wie mit dem neuen Verfahren zu erreichen. Die Nachbehandlungsmodule zum Aushärten und Tempern bestehen aus riesigen Öfen, in denen Hunderte von Thermistorelementen bis zu 80 Stunden lang untergebracht werden können.
Bezugszeichenliste

1: Anschlussdrähte
2: Isolierschicht
3: Löthöcker
4: NTC-Thermistorelement
5: Elektroden
6: Thermistorkeramik
7: Beschichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005017816 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Zusammenbau von NTC-Sensoren, umfassend die Schritte Bereitstellen eines NTC-Thermistorelements (4) und von Verbindungsdrähten (1) mit Anschlüssen zur Kontaktierung des NTC-Thermistorelements (4), Selbsterwärmung des NTC-Thermistorelements (4) während der folgenden Schritte durch Anlegen eines elektrischen Stroms, Auftragen von Lötpaste (3) auf die Anschlüsse der Anschlussdrähte, Anbringen der Anschlussdrähte (1) an das NTC-Thermistorelement (4), Schmelzen der Lötpaste (3) durch die von dem NTC-Thermistorelement (4) erzeugte Wärme, wodurch Lötverbindungen (3) zwischen dem NTC-Thermistorelement (4) und den Anschlussdrähten (1) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das NTC-Thermistorelement (4) auf mehr als 200 °C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der elektrische Strom durch an den NTC-Thermistor angelegte Hilfselektroden angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwei Anschlussdrähte (1) an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des NTC-Thermistorelements (4) angebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Lötpaste (3) durch Eintauchen der Anschlussdrähte (1) in ein Reservoir, das Flussmittel enthält, imprägniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lötpaste in weniger als 30 Sekunden schmilzt und die Lötverbindungen (3) bildet.
Verfahren zum Beschichten von NTC-Sensoren, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines NTC-Sensors mit einem NTC-Thermistorelement (4) und auf dem NTC-Thermistorelement (4) befestigten Anschlussdrähten (1), Selbsterwärmung des NTC-Thermistorelements (4) während der folgenden Schritte durch Anlegen eines elektrischen Stroms, Eintauchen des NTC-Thermistorelements (4) in einen Beschichtungsrohstoff, Schmelzen des Beschichtungsrohstoffs durch die vom NTC-Thermistorelement (4) erzeugte Wärme, Bildung einer Beschichtungsschicht (7), die das NTC-Thermistorelement (4) und benachbarte Teile der Anschlussdrähte (1) umschließt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das NTC-Thermistorelement (4) auf mehr als 170 °C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der elektrische Strom unter Verwendung der Anschlussdrähte (1) angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Beschichtungsrohstoff in weniger als 30 Sekunden schmilzt und die Beschichtungsschicht (7) bildet.
Verfahren zur Herstellung von NTC-Sensoren, umfassend die Zusammenbauschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und die Beschichtungsschritte nach einem der Ansprüche 7 bis 10 in der angegebenen Reihenfolge.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei mehrere NTC-Thermistorelemente (4) gleichzeitig behandelt werden.
NTC-Sensorelement, umfassend ein NTC-Thermistorelement (4), zwei Anschlussdrähte (1), die auf gegenüberliegenden Seiten des NTC-Thermistorelements (4) durch Lötverbindungen (3) befestigt sind, und eine einschichtige Beschichtung (7), die das NTC-Thermistorelement (4) und die Lötverbindungen (3) vollständig umschließt.
NTC-Sensorelement nach Anspruch 13, wobei die Lötverbindungen (3) zwischen den Anschlussdrähten (1) und dem NTC-Thermistorelement (4) eine hohe Festigkeit von mehr als 6 N aufweisen.
NTC-Sensorelement nach Anspruch 13 oder 14, wobei das NTC-Thermistorelement (4) eine Block- oder Scheibenform hat und die Abmessungen von 3 mm x 3 mm x 1 mm nicht überschreitet.