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EP0038379A1 - Resistive element composed of a body of conductive ceramics, and method of manufacturing it - Google Patents

Resistive element composed of a body of conductive ceramics, and method of manufacturing it Download PDF

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Publication number
EP0038379A1
EP0038379A1 EP19800200358 EP80200358A EP0038379A1 EP 0038379 A1 EP0038379 A1 EP 0038379A1 EP 19800200358 EP19800200358 EP 19800200358 EP 80200358 A EP80200358 A EP 80200358A EP 0038379 A1 EP0038379 A1 EP 0038379A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resistance
ceramic
element according
solder
resistance element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19800200358
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Kurt Brunner
Melch Dr. Fischer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BBC Brown Boveri AG Switzerland
Original Assignee
BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BBC Brown Boveri AG Switzerland filed Critical BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority to EP19800200358 priority Critical patent/EP0038379A1/en
Publication of EP0038379A1 publication Critical patent/EP0038379A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/14—Terminals or tapping points or electrodes specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points or electrodes on resistors
    • H01C1/1406—Terminals or electrodes formed on resistive elements having positive temperature coefficient
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/14—Terminals or tapping points or electrodes specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points or electrodes on resistors
    • H01C1/144—Terminals or tapping points or electrodes specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points or electrodes on resistors the terminals or tapping points being welded or soldered

Definitions

  • the invention relates to a resistance element according to the preamble of claim 1 and a method according to the preamble of claim 11.
  • the usual method of contacting has so far mostly been used, in which the ceramic body was first metallized in some way and then a contact element was welded or soldered on (e.g. according to DE-OS 27 48 239).
  • the invention has for its object to provide a ceramic resistance element of low electrical resistance including electrical connections - and a manufacturing method, in particular to achieve a permanent ceramic / metal connection (contacting method), which all loads occurring during operation such as electrical current and voltage surges, Thermal shock stress, mechanical stress etc. has grown.
  • This task includes in particular a resistance element which can withstand a heating rate of 10 5 ° C / sec to a final temperature of over 500 C and has a current carrying capacity of at least 20 kA / cm 2 .
  • the invention essentially consists in that a ceramic disk is used for reinforcement and additional support of the metallic connecting element and that an active solder in the form of a thin film is used to connect the connecting element and the ceramic body.
  • a resistance element which has 2 stamp-shaped connection elements for power supply, the upper element is shown in section, the lower one in view. The remaining individual parts are each shown in longitudinal section.
  • the entire resistance element can have an essentially cylindrical, prismatic or cubic shape, or else have a hexagonal or octagonal cross section.
  • the actual ceramic resistance body 1 is covered on two opposite end faces 2 with a solder layer 7 each made from an active solder, which in turn is connected to the end face 4 of a metallic connecting element 3.
  • the latter has the shape of a stamp, the central shaft 6 for Power supply is used.
  • the connection element 3 On its rear side 5, the connection element 3 carries a perforated ceramic disk 9, which is firmly connected to the latter via the solder layer 8.
  • the ceramic disk 9 supports the connection element 3 and surrounds it in a collar-like manner. This creates largely symmetrical relationships with regard to thermal expansion: the connecting element 3 is, so to speak, "totally thermally clamped" between the ceramic bodies 1 and 9.
  • connection element 3 has a short shaft 6, which is flush with the outside of the ceramic disk 9.
  • the reinforcement thus acts in an analogous manner to that in FIG. 1: for the supply of current, the connection element 3 has a laterally projecting tab 10, which is made narrower than the diameter of the resistance body and can also have any cross section.
  • the upper connection element is shown in section, the lower in view (elevation) '.
  • the remaining reference numerals correspond to those in FIG. 1.
  • a resistance element which has 2 connection elements for supplying current, each with a side tab.
  • the connection element 3 has plane-parallel surfaces as the front side 4 and rear side 5 and is provided with a laterally projecting tab 10, which can have any cross-section.
  • the ceramics disc 9 is designed without a bore and has exactly the same cross-sectional shape as the resistance body 1. Otherwise, the reference numerals correspond to those in FIGS. 1 and 2.
  • the construction is not limited to the embodiment variants shown in FIGS. 1 to 3.
  • the metallic connection element 3 according to FIG. 2 or FIG. 3 also several, e.g. have radially and centrally symmetrically arranged tabs 10. This is particularly the case with the highest required current carrying capacity, whereby the power supply lines must also be dimensioned correspondingly stronger.
  • the embodiments described are particularly suitable for ceramic resistance bodies 1 based on V 2 0 3 doped with chromium and having a specific resistance of 1.5-10 m ⁇ cm at 20 ° C. (PTC thermistor).
  • the ceramic disk 9 supporting the connecting element 3 should have a coefficient of thermal expansion which is at most ⁇ 10 rel. % deviates from that of the resistance body 1, for which A1 2 0 3 or (V, Cr) 2 0 3 are advantageous.
  • the connecting element 3 could also have a cylindrical or spherical end face (4) or rear face (5).
  • the metallic connecting element 3 will be designed with plane-parallel surfaces as the front and back and copper will be used as the material.
  • the solder layers 7 and 8 are preferably active solder based on Ag / Cu / Ti, Cu / Ti, Cu / Ti / Ge or Cu / Ti / Si, which are applied in foil form and should have a thickness of 30 to 200 ⁇ m.
  • a ceramic resistance body 1 made of chromium-doped vanadium sesquioxide (PTC thermistor) was shaped into a cylindrical tablet with plane-parallel faces 2 by grinding on the centerless grinding machine and on the surface grinding machine.
  • the diameter of the tablet was 7 mm, the height 6 mm.
  • the end faces 2 to be contacted were additionally sanded on 1000 grit sandpaper.
  • the tablet was then cleaned in trichlorethylene, acetone and ethanol.
  • 2 stamp-shaped connecting elements 3 of 7 mm in diameter and 10 mm total height including shaft 6 were machined from copper.
  • the thickness of the connecting element (distance of the rear side 5 from the front side 4) was 0.6 mm, the diameter of the shaft 6 was 2.1 mm.
  • a ceramic disk 9 made of sintered aluminum oxide 7 mm in diameter and 0.6 mm in thickness and having a central bore was pushed onto each connection element 3 with the interposition of a solder layer 8 and having plane-parallel ground end faces, such that it enclosed the connection element like a collar.
  • the two connection elements 3 were now pressed to the end faces 2 of the ceramic resistance body 1 with the interposition of a solder layer 7 each and the whole was held together by a device.
  • a solder foil made of an active solder alloy of the Ag / Cu / Ti type of 70 f thickness was produced as the starting material for the solder layers 7, 8 by the "melt spinning" method. In the present case, an alloy with 56 atom% silver, 42 atom% copper and 2 atom% titanium was chosen.
  • the whole was brought into a high-vacuum soldering furnace (pressure ⁇ 10 -4 Torr), heated to a temperature of 880 ° C. in the course of 10 min and at this temperature under a hydrogen atmosphere at a pressure of 10 -3 Torr for 1 min held.
  • the finished soldered resistance element was cooled to room temperature within a time interval of 30 minutes.
  • a ceramic resistance body 1 made of (V, Cr) 2 0 3 of the same composition and dimensions as in Example I was processed and cleaned in the manner described there.
  • the connection elements 3 consisted of copper of 0.5 mm thickness and each had a 5 mm width 8 mm radially projecting tab 10.
  • An amorphous 50 .mu.m thick foil made of active solder Cu / Ti (70 atom% Cu / 30 atom% Ti) was used as the material for the solder layers 7 8, from which 7 mm diameter solder platelets were punched and in which in Example I specified type have been cleaned. All other process steps coincide with those described there, but the soldering temperature was 930 ° C.
  • the film used for the solder layers 7, 8 can have a thickness of 30 to 200 p and in its composition the alloy type Ag / Cu / Ti, Cu / Ti, Cu / Ti / Ge or Cu / Ti / Si correspond.
  • Particularly suitable alloys are those with 70 atomic% Cu, balance Ti or 70 atomic% Cu, 10 atomic% Ti; Rest Ge.
  • the soldering can take place in the oven under vacuum and / or protective gas at a temperature of 800 to 950 ° C and is usually finished after 2 to 8 minutes after reaching the soldering temperature.
  • the inventive ceramic resistive element and the method for its preparation an electro-technical building element has been created which is equal to all electrical and thermal impact and shock loads during operation and ensures a reliable connection between the ceramic material and metallic power supplying parts.
  • the new connection (contact tier) process is particularly suitable for PTC thermistor material based on V 2 O3 with high current carrying capacity.

Landscapes

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  • Thermistors And Varistors (AREA)

Abstract

A low-resistance ceramic resistive element of high current capacity and thermal-shock insensitivity is manufactured using solder coatings (7,8) of active solder in the form of a foil and soldering an additional supporting ceramic disc (9) on the rear side (5) of the metallic terminal element (3) which is used for feeding the current to the actual resistive body (1). By means of this support design, cracks in the ceramic bodies are avoided. <IMAGE>

Description

Die Erfindung geht aus von einem Widerstandselement nach der Gattung des Anspruchs 1 und von einem Verfahren nach der Gattung des Anspruchs 11.The invention relates to a resistance element according to the preamble of claim 1 and a method according to the preamble of claim 11.

Elektrisch leitende keramische Widerstandselemente sind an verschiedenen Stellen beschrieben worden (z.B. D.B. McWhan and J.P. Remeika, "Metal-Insulator Transition in (V1-x Crx)203", Phys. Rev. B, 2, p. 3734-3750, 1970; H. Ihrig and W. Puschert, "A systematic experimental and theoretical investigation of the grain-boundary resistivities of n-doped Ba TiO3 ceramics", Journal of Appl. Phys. 48, p. 3081-3088, 1977). Die Autoren befassen sich in diesen Artikeln mit bei Raumtemperatur niederohmigen keramischen Werkstoffen (Kaltleiter).Electrically conductive ceramic resistance elements have been described at various points (eg DB McWhan and JP Remeika, "Metal-Insulator Transition in (V 1-x Crx) 203", Phys. Re v. B, 2, p. 3734-3750, 1970 ; H. Ihrig and W. Puschert, "A systematic experimental and theoretical investigation of the grain-boundary resistivities of n-doped Ba TiO 3 ceramics", Journal of Appl. Phys. 48, p. 3081-3088, 1977). In these articles, the authors deal with low-resistance ceramic materials (PTC thermistors).

Zur Herstellung der elektrischen Anschlüsse an den eigentlichen Widerstandskörper wurde bisher meist nach allgemein üblicher Kontaktier-Technik verfahren, indem der Keramikkörper zunächst auf irgend eine weise metallisiert wurde und anschliessend ein Kontaktelement aufgeschweisst oder aufgelötet wurde (z.B. nach DE-OS 27 48 239).To make the electrical connections to the actual resistance body, the usual method of contacting has so far mostly been used, in which the ceramic body was first metallized in some way and then a contact element was welded or soldered on (e.g. according to DE-OS 27 48 239).

Die herkömmlichen Kontaktierverfahren und die danach hergestellten Widerstandselemente auf der Basis von kaltleitenden keramischen Werkstoffen lassen für die Praxis sehr zu 'wünschen übrig, da im allgemeinen ihre Temperaturwechselbeständigkeit den Anforderungen des Betriebes nicht genügt. Auf übliche Art und Weise hergestellte Lötverbindungen zwischen metallischem Anschlusselement und Keramikkörper führen zufolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Rissen in letzterem. Es besteht daher ein starkes Bedürfnis nach zuverlässigen Keramik/Metall-Verbindungen vorab auf dem Gebiet von Kaltleitern.The conventional contacting methods and the resistance elements produced thereafter on the basis of cold-conducting ceramic materials leave much to be desired in practice, since their resistance to temperature fluctuations generally does not meet the requirements of the company. Solder connections between the metal connection element and the ceramic body, produced in the usual way, lead to cracks in the latter due to different coefficients of thermal expansion. There is therefore a strong need for reliable ceramic / metal connections in advance in the field of PTC thermistors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein keramisches Widerstandselement niedrigen elektrischen Widerstandes inkl. elektrischer Anschlüsse-sowie ein Herstellungsverfahren, insbesondere zur Erzielung einer dauerhaften Keramik/Metall-Verbindung (Kontaktierungsverfahren) anzugeben, welches allen im Betrieb auftretenden Belastungen wie elektrische Strom- und Spannungsstösse, Thermoschockbeanspruchung, mechanische Spannungen etc. gewachsen ist. Diese Aufgabenstellung schliesst insbesondere ein Widerstandselement ein, welches eine Aufheizgeschwindigkeit von 105 °C/sec auf eine Endtemperatur von über 500 C aushält und dabei eine Stromtragfähigkeit von mindestens 20 kA/cm2 aufweist.The invention has for its object to provide a ceramic resistance element of low electrical resistance including electrical connections - and a manufacturing method, in particular to achieve a permanent ceramic / metal connection (contacting method), which all loads occurring during operation such as electrical current and voltage surges, Thermal shock stress, mechanical stress etc. has grown. This task includes in particular a resistance element which can withstand a heating rate of 10 5 ° C / sec to a final temperature of over 500 C and has a current carrying capacity of at least 20 kA / cm 2 .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features of claims 1 and 11.

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass zur Verstärkung und zusätzlichen Stützung des metallischen Anschlusselementes eine Keramikscheibe herangezogen wird und dass zur Verbindung von Anschlusselement und Keramikkörper ein Aktivlot in Form einer dünnen Folie benutzt wird.The invention essentially consists in that a ceramic disk is used for reinforcement and additional support of the metallic connecting element and that an active solder in the form of a thin film is used to connect the connecting element and the ceramic body.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.The invention is described on the basis of the following exemplary embodiments explained by figures.

Dabei zeigt:

  • Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Widerstandselement mit Anschlusselementen in Stempelform,
  • Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Widerstandselement mit Anschlusselementen mit zentralem Fortsatz und seitlicher Lasche,
  • Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Widerstandselement mit Anschlusselementen mit seitlicher Lasche.
It shows:
  • 1 shows a longitudinal section through a resistance element with connection elements in stamp form,
  • 2 shows a longitudinal section through a resistance element with connection elements with a central extension and a lateral tab,
  • Fig. 3 shows a longitudinal section through a resistance element with connection elements with a side tab.

In Fig. 1 ist ein Widerstandselement dargestellt, welches zur Stromzuführung 2 stempelförmige Anschlusselemente besitzt, wobei das obere Element im Schnitt, das untere in Ansicht abgebildet ist. Die übrigen Einzelteile sind jeweils im Längsschnitt dargestellt. Dabei kann das ganze Widerstandselement im wesentlichen zylindrische, prismatische oder kubische Form aufweisen, oder aber auch einen sechseckigen oder achteckigen Querschnitt besitzen. Der eigentliche keramische Widerstandskörper 1 ist an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten 2 mit je einer Lotschicht 7 aus einem Aktivlot belegt, welche ihrerseits je mit der Stirnseite 4 eines metallischen Anschlusselementes 3 verbunden ist. Letzteres hat die Form eines Stempels, dessen zentraler Schaft 6 zur Stromzuführung dient. Auf seiner Rückseite 5 trägt das Anschlusselement 3 eine durchbohrte Keramikscheibe 9, welche mit letzterem über die Lotschicht 8 fest verbunden ist. Auf diese Weise stützt die Keramikscheibe 9 das Anschlusselement 3 und umschliesst es kragenartig. Dadurch werden bezüglich Wärmeausdehnung weitgehend symmetrische Verhältnisse geschaffen: Das Anschlusselement 3 ist zwischen den keramischen Körpern 1 und 9 sozusagen "thermisch total eingespannt".In Fig. 1, a resistance element is shown, which has 2 stamp-shaped connection elements for power supply, the upper element is shown in section, the lower one in view. The remaining individual parts are each shown in longitudinal section. The entire resistance element can have an essentially cylindrical, prismatic or cubic shape, or else have a hexagonal or octagonal cross section. The actual ceramic resistance body 1 is covered on two opposite end faces 2 with a solder layer 7 each made from an active solder, which in turn is connected to the end face 4 of a metallic connecting element 3. The latter has the shape of a stamp, the central shaft 6 for Power supply is used. On its rear side 5, the connection element 3 carries a perforated ceramic disk 9, which is firmly connected to the latter via the solder layer 8. In this way, the ceramic disk 9 supports the connection element 3 and surrounds it in a collar-like manner. This creates largely symmetrical relationships with regard to thermal expansion: the connecting element 3 is, so to speak, "totally thermally clamped" between the ceramic bodies 1 and 9.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein Widerstandselement, dessen Anschlusselemente einen zentralen Fortsatz und eine seitliche Lasche aufweisen. Der Aufbau ist im wesentlichen ähnlich demjenigen nach Fig. 1. Das Anschlusselement 3 weist einen kurzen Schaft 6 auf, welcher mit der Aussenseite der Keramikscheibe 9 bündig abschliesst. Die Verstärkung wirkt also in analoger Weise wie bei Fig. 1: Zur Stromzuführung besitzt das Anschlusselement 3 eine seitlich vorkragende Lasche 10, welche gegenüber dem Durchmesser des Widerstandskörpers schmäler ausgeführt werden und im übrigen einen beliebigen Querschnitt aufweisen kann. In der Figur ist das obere Anschlusselement im Schnitt, das untere in Ansicht (Aufriss)'dargestellt. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen denjenigen der Fig. 1.2 shows a longitudinal section through a resistance element, the connection elements of which have a central extension and a lateral tab. The structure is essentially similar to that according to FIG. 1. The connecting element 3 has a short shaft 6, which is flush with the outside of the ceramic disk 9. The reinforcement thus acts in an analogous manner to that in FIG. 1: for the supply of current, the connection element 3 has a laterally projecting tab 10, which is made narrower than the diameter of the resistance body and can also have any cross section. In the figure, the upper connection element is shown in section, the lower in view (elevation) '. The remaining reference numerals correspond to those in FIG. 1.

In Fig. 3 ist ein Widerstandselement dargestellt, welches zur Stromzuführung 2 Anschlusselemente mit je einer seitlichen Lasche besitzt. Das Anschlusselement 3 weist planparallele Flächen als Stirnseite 4 und Rückseite 5 auf und ist mit einer seitlich vorkragenden Lasche 10 versehen, welche beliebige Querschnitte aufweisen-kann. Die Keramikscheibe 9 ist ohne Bohrung ausgeführt und weist genau die gleiche Querschnittsform wie der Widerstandskörper 1 auf. Im übrigen entsprechen die Bezugszeichen denjenigen in Fig. 1 und Fig. 2.In Fig. 3, a resistance element is shown, which has 2 connection elements for supplying current, each with a side tab. The connection element 3 has plane-parallel surfaces as the front side 4 and rear side 5 and is provided with a laterally projecting tab 10, which can have any cross-section. The ceramics disc 9 is designed without a bore and has exactly the same cross-sectional shape as the resistance body 1. Otherwise, the reference numerals correspond to those in FIGS. 1 and 2.

Die Konstruktion erschöpft sich nicht in der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsvarianten. Es kann insbesondere das metallische Anschlusselement 3 gemäss Fig. 2 oder-Fig. 3 auch mehrere, z.B. radial und zentralsymmetrisch angeordnete Laschen 10 aufweisen. Dies ist insbesondere bei höchster geforderter Stromtragfähigkeit gegeben, wobei ja auch die Stromzuleitungen entsprechend kräftiger zu dimensionieren sind.The construction is not limited to the embodiment variants shown in FIGS. 1 to 3. In particular, the metallic connection element 3 according to FIG. 2 or FIG. 3 also several, e.g. have radially and centrally symmetrically arranged tabs 10. This is particularly the case with the highest required current carrying capacity, whereby the power supply lines must also be dimensioned correspondingly stronger.

Die beschriebenen Ausführungen sind insbesondere für keramische Widerstandskörper 1 auf der Basis von mit Chrom dotiertem V203 mit einem spezifischen Widerstand von 1,5-10 mΩcm bei 20 °C geeignet (Kaltleiter). Die das Anschlusselement 3 stützende Keramikscheibe 9 soll einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der höchstens ± 10 rel. % von demjenigen des Widerstandskörpers 1 abweicht, wofür sich in vorteilhafter Weise A1203 oder (V, Cr)203 anbieten. Das Anschlusselement 3 könnte prinzipiell auch eine zylindrische oder kugelförmige Stirn-(4) bzw. Rückseite (5) aufweisen. Im allgemeinen wird man das metallische Anschlusselement 3 jedoch mit planparallelen Flächen als Stirn- und Rückseite ausführen und als Material Kupfer nehmen. Die Lotschichten 7 und 8 sind bevorzugt Aktivloteauf der Basis Ag/Cu/Ti, Cu/Ti, Cu/Ti/Ge oder Cu/Ti/Si, welche in Folienform aufgebracht werden und eine Dicke von 30 bis 200µ aufweisen sollen.The embodiments described are particularly suitable for ceramic resistance bodies 1 based on V 2 0 3 doped with chromium and having a specific resistance of 1.5-10 mΩcm at 20 ° C. (PTC thermistor). The ceramic disk 9 supporting the connecting element 3 should have a coefficient of thermal expansion which is at most ± 10 rel. % deviates from that of the resistance body 1, for which A1 2 0 3 or (V, Cr) 2 0 3 are advantageous. In principle, the connecting element 3 could also have a cylindrical or spherical end face (4) or rear face (5). In general, however, the metallic connecting element 3 will be designed with plane-parallel surfaces as the front and back and copper will be used as the material. The solder layers 7 and 8 are preferably active solder based on Ag / Cu / Ti, Cu / Ti, Cu / Ti / Ge or Cu / Ti / Si, which are applied in foil form and should have a thickness of 30 to 200 µm.

Ausführungsbeispiel I:Embodiment I: Siehe Fig. 1.See Figure 1.

Ein keramischer Widerstandskörper 1 aus mit Chrom dotiertem Vanadiumsesquioxyd (Kaltleiter) wurde mittels Schleifen auf der spitzenlosen Schleifmaschine und auf der Flächenschleifmaschine zu einer zylindrischen Tablette mit planparallelen Stirnflächen 2 geformt. Der Durchmesser der Tablette betrug 7 mm, die Höhe 6 mm. Die zu kontaktierenden Stirnflächen 2 wurden zusätzlich auf Schleifpapier der Körnung 1000 geschliffen. Hierauf wurde die Tablette in Trichloräthylen, Azeton und Aethanol gereinigt. Aus Kupfer wurden 2 stempelförmige Anschlusselemente 3 von 7 mm Durchmesser und 10 mm totaler Höhe inkl. Schaft 6 herausgearbeitet. Die Dicke des Anschlusselementes (Abstand der Rückseite 5 von der Stirnseite 4) betrug 0,6 mm, der Durchmesser des Schafts 6 betrug 2,1 mm. Auf jedes Anschlusselement 3 wurde unter Zwischenschaltung einer-Lotschicht 8 eine, planparallele geschliffene Stirnflächen aufweisende, mit einer zentralen Bohrung versehene Keramikscheibe 9 aus gesintertem Aluminiumoxyd von 7 mm Durchmesser und 0,6 mm Dicke derart aufgeschoben, dass sie das Anschlusselement kragenartig umschloss. Die beiden Anschlusselemente 3 wurden nun unter Zwischenschaltung je einer Lotschicht 7 an die Stirnflächen 2 des keramischen Widerstandskörpers 1 angepresst und das Ganze durch eine Vorrichtung zusammengehalten. Als Ausgangsmaterial für die Lotschichten 7, 8 wurde eine nach dem "melt spinning"-Verfahren hergestellte Lotfolie aus einer Aktivlot-Legierung des Typs Ag/Cu/Ti von 70 f Dicke verwendet. Im vorliegenden Fall wurde eine Legierung mit 56 Atom-% Silber, 42 Atom-% Kupfer und 2 Atom-% Titan gewählt.A ceramic resistance body 1 made of chromium-doped vanadium sesquioxide (PTC thermistor) was shaped into a cylindrical tablet with plane-parallel faces 2 by grinding on the centerless grinding machine and on the surface grinding machine. The diameter of the tablet was 7 mm, the height 6 mm. The end faces 2 to be contacted were additionally sanded on 1000 grit sandpaper. The tablet was then cleaned in trichlorethylene, acetone and ethanol. 2 stamp-shaped connecting elements 3 of 7 mm in diameter and 10 mm total height including shaft 6 were machined from copper. The thickness of the connecting element (distance of the rear side 5 from the front side 4) was 0.6 mm, the diameter of the shaft 6 was 2.1 mm. A ceramic disk 9 made of sintered aluminum oxide 7 mm in diameter and 0.6 mm in thickness and having a central bore was pushed onto each connection element 3 with the interposition of a solder layer 8 and having plane-parallel ground end faces, such that it enclosed the connection element like a collar. The two connection elements 3 were now pressed to the end faces 2 of the ceramic resistance body 1 with the interposition of a solder layer 7 each and the whole was held together by a device. A solder foil made of an active solder alloy of the Ag / Cu / Ti type of 70 f thickness was produced as the starting material for the solder layers 7, 8 by the "melt spinning" method. In the present case, an alloy with 56 atom% silver, 42 atom% copper and 2 atom% titanium was chosen.

Aus der Lotfolie wurden 4 scheibenförmige kreisrunde Lotplättchen von 7 mm Aussendurchmesser gestanzt, wovon 2 mit einer kreisrunden zentralen Oeffnung von 2,1 mm Innendurchmesser versehen wurden. Vor dem Zusammenfügen wurden die Lotplättchen in analoger Weise wie der Widerstandskörper 1 in Trichloräthylen, Azeton und Aethanol gereinigt. Die Vorrichtung zum Zusammenpressen der einzelnen Teile bestand in einem das Zentrieren erleichternden Halter aus Graphit, wel- .cher mittels eines Belastungskörpers aus Wolfram einen Druck von 0,5 bar auf die Lotplättchen ausübte. Zur Erzeugung des Anpressdruckes kann selbstverständlich auch eine entsprechend ausgebildete, eine Feder enthaltende Vorrichtung verwendet werden. Zur Durchführung des Lötvorganges wurde das Ganze in einen Hochvakuumlötofen (Druck < 10-4 Torr) gebracht, im Verlaufe von 10 min auf eine Temperatur von 880°C erhitzt und auf dieser Temperatur unter Wasserstoffatmosphäre bei einem Druck von 10-3 Torr während 1 min gehalten. Die Abkühlung des fertig gelöteten Widerstandselementes auf Raumtemperatur erfolgte innerhalb eines Zeitintervalls von 30 min.4 disk-shaped circular solder platelets with an outside diameter of 7 mm were punched out of the solder foil, 2 of which were provided with a circular central opening of 2.1 mm inside diameter. Before the assembly, the solder platelets were cleaned in an analogous manner to the resistance body 1 in trichlorethylene, acetone and ethanol. The device for pressing the individual parts together consisted of a graphite holder which facilitated centering and which exerted a pressure of 0.5 bar on the solder plates by means of a tungsten load body. Of course, a suitably designed device containing a spring can also be used to generate the contact pressure. To carry out the soldering process, the whole was brought into a high-vacuum soldering furnace (pressure <10 -4 Torr), heated to a temperature of 880 ° C. in the course of 10 min and at this temperature under a hydrogen atmosphere at a pressure of 10 -3 Torr for 1 min held. The finished soldered resistance element was cooled to room temperature within a time interval of 30 minutes.

Ausführungsbeispiel II:Working example II: Siehe Fig. 3.See Figure 3.

Ein keramischer Widerstandskörper 1 aus (V, Cr)203 gleicher Zusammensetzung und gleicher Abmessungen wie in Beispiel I wurde in der dort beschriebenen Art bearbeitet und gereinigt. Desgleichen wurden zwei zylindrische Keramikscheiben 9 von 7 mm Durchmesser und 2,5 mm Dicke aus dem gleichen Kaltleiterwerkstoff in gleicher Weise wie der Widerstandskörper 1 vorbereitet. Die Anschlusselemente 3 bestanden aus Kupfer von 0,5 mm Dicke und wiesen je eine 5 mm breite, um 8 mm radial vorkragende Lasche 10 auf. Als Material für die Lotschichten 7 8 wurde eine amorphe 50 µ dicke Folie aus dem Aktivlot Cu/Ti (70 Atom-% Cu/30. Atom-% Ti) verwendet, aus welcher Lotplättchen von 7 mm Durchmesser gestanzt und in der unter Beispiel I angegebenen Art gereinigt wurden. Alle übrigen Verfahrensschritte decken sich mit den.dort beschriebenen, wobei jedoch die Löttemperatur 930°C betrug.A ceramic resistance body 1 made of (V, Cr) 2 0 3 of the same composition and dimensions as in Example I was processed and cleaned in the manner described there. Likewise, two cylindrical ceramic disks 9, 7 mm in diameter and 2.5 mm in thickness, were prepared from the same thermistor material in the same way as the resistance body 1. The connection elements 3 consisted of copper of 0.5 mm thickness and each had a 5 mm width 8 mm radially projecting tab 10. An amorphous 50 .mu.m thick foil made of active solder Cu / Ti (70 atom% Cu / 30 atom% Ti) was used as the material for the solder layers 7 8, from which 7 mm diameter solder platelets were punched and in which in Example I specified type have been cleaned. All other process steps coincide with those described there, but the soldering temperature was 930 ° C.

Das Verfahren lässt sich selbstverständlich auch auf die in Fig. 2 dargestellte Konstruktion anwenden, welche ungefähr zwischen den Ausführungen nach Fig. 1 und nach Fig. 3 liegt.The method can of course also be applied to the construction shown in FIG. 2, which lies approximately between the embodiments according to FIGS. 1 and 3.

Je nach Grösse und Beschaffenheit des keramischen Widerstandskörpers 1 kann die für die Lotschichten 7, 8 verwendete Folie eine Dicke von 30 bis 200 p aufweisen und in ihrer Zusammensetzung dem Legierungstyp Ag/Cu/Ti, Cu/Ti, Cu/Ti/Ge oder Cu/Ti/Si entsprechen. Besonders geeignete Legierungen sind solche mit 70 Atom-% Cu, Rest Ti oder 70 Atom-% Cu, 10 Atom-% Ti; Rest Ge. Die Lötung kann prinzipiell im Ofen unter Vakuum und/oder Schutzgas bei einer Temperatur von 800 bis 950°C erfolgen und ist in der Regel nach 2 bis 8 Minuten nach Erreichen der Löttemperatur beendet.Depending on the size and nature of the ceramic resistance body 1, the film used for the solder layers 7, 8 can have a thickness of 30 to 200 p and in its composition the alloy type Ag / Cu / Ti, Cu / Ti, Cu / Ti / Ge or Cu / Ti / Si correspond. Particularly suitable alloys are those with 70 atomic% Cu, balance Ti or 70 atomic% Cu, 10 atomic% Ti; Rest Ge. In principle, the soldering can take place in the oven under vacuum and / or protective gas at a temperature of 800 to 950 ° C and is usually finished after 2 to 8 minutes after reaching the soldering temperature.

Durch das erfindungsgemässe keramische Widerstandselement und das Verfahren zu seiner Herstellung wurde ein elektro- technischesBauelement geschaffen welches allen elektrischen und thermischen Stoss- und Schockbeanspruchungen im Betrieb gewachsen ist und eine zuverlässige Verbindung zwischen Keramikmaterial und stromzuführenden metallischen Teilen gewährleistet. Das dargestellte neue Verbindungs-(Kontaktier-)Verfahren eignet sich insbesondere für KaltleiterMaterial auf V2O3-Basis mit hoher Stromtragfähigkeit.The inventive ceramic resistive element and the method for its preparation an electro-technical building element has been created which is equal to all electrical and thermal impact and shock loads during operation and ensures a reliable connection between the ceramic material and metallic power supplying parts. The new connection (contact tier) process is particularly suitable for PTC thermistor material based on V 2 O3 with high current carrying capacity.

BezeichnungslisteLabel list

  • 1 Keramischer Widerstandskörper1 ceramic resistance body
  • 2 Stirnseite des Widerstandskörpers2 end face of the resistance body
  • 3 metallisches Anschlusselement3 metallic connection element
  • 4 Stirnseite des Anschlusselementes4 front side of the connection element
  • 5 Rückseite des Anschlusselementes5 Rear of the connection element
  • 6 Schaft des Anschlusselementes6 shaft of the connecting element
  • 7 Lotschicht (Seite Widerstandskörper)7 solder layer (resistance body side)
  • 8 Lotschicht (Seite Keramikscheibe)8 solder layer (ceramic disc side)
  • 9 Keramikscheibe9 ceramic disc
  • 10 Lasche des Anschlusselementes10 tab of the connection element

Claims (12)

1. Widerstandselement aus einem Körper aus leitender Keramik mit nichtlinearer Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes und elektrischen Anschlüssen, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramischer Widerstandskörper (1) auf 2 seiner Stirnseiten (2) mit je einem metallischen, fest verbundenen Anschlusselement (3) versehen ist, derart, dass sowohl auf der dem Widerstandskörper (1) zugewandten Stirnseite (4) wie auf der Rückseite (5) des Anschlusselementes (3) je eine Lotschicht (7; 8) aufgebracht ist und dass sich auf der Rückseite (5) des Anschlusselementes (3) eine das Anschlusselement (3) stützende Keramikscheibe (9) befindet.1. resistance element made of a body made of conductive ceramic with non-linear temperature dependence of the electrical resistance and electrical connections, characterized in that a ceramic resistance body (1) is provided on 2 of its end faces (2) each with a metallic, firmly connected connection element (3), In such a way that a solder layer (7; 8) is applied to both the end face (4) facing the resistance body (1) and the rear face (5) of the connection element (3), and that the back side (5) of the connection element ( 3) there is a ceramic disc (9) supporting the connecting element (3). 2. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (3) als Stempel mit einem Schaft (6) ausgebildet ist und dass die Keramikscheibe (9) durchbohrt ausgeführt ist und den Schaft (6) des Anschlusselementes kragenartig umschliesst.2. Resistance element according to claim 1, characterized in that the connection element (3) is designed as a stamp with a shaft (6) and that the ceramic disc (9) is drilled through and surrounds the shaft (6) of the connection element in a collar-like manner. 3. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement(3) sowohl einen zentralen Schaft (6) wie eine seitliche Lasche (10) aufweist und dass die Keramikscheibe (9) durchbohrt ausgeführt ist und den Schaft' (6) des Anschlusselementes kragenartig umschliesst.3. Resistance element according to claim 1, characterized in that the connecting element (3) has both a central shaft (6) and a side tab (10) and that the ceramic disc (9) is drilled through and surrounds the shaft '(6) of the connecting element like a collar. 4. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (3) als Scheibe ausgebildet ist und mindestens eine seitliche Lasche (10) aufweist.4. Resistance element according to claim 1, characterized in that the connecting element (3) is designed as a disc and has at least one side tab (10). 5. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Widerstandskörper (1) ein Kaltleiter auf der Basis von mit Chrom dotiertem V203 ist.5. Resistance element according to claim 1, characterized in that the ceramic resistance body (1) is a PTC thermistor based on V 2 0 3 doped with chromium. 6. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Anschlusselement (3) stützende Keramikscheibe (9) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der höchstens um ± 10 rel. % von demjenigen des keramischen Widerstandskörpers (1) abweicht.6. Resistance element according to claim 1, characterized in that the ceramic element (9) supporting the connecting element (3) has a coefficient of thermal expansion which is at most ± 10 rel. % deviates from that of the ceramic resistance body (1). 7. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Anschlusselement (3) stützende Keramikscheibe (9) aus gesintertem Aluminiumoxyd oder aus gesintertem, mit Chrom dotiertem V203 besteht.7. Resistance element according to claim 1, characterized in that the connecting element (3) supporting ceramic disc (9) consists of sintered aluminum oxide or sintered, chromium-doped V 2 0 3 . 8. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement' (3) aus Kupfer besteht und planparallele Flächen als Stirn- (4) und Rückseite (5) aufweist.8. Resistance element according to claim 1, characterized in that the connection element '(3) consists of copper and has plane-parallel surfaces as the front (4) and back (5). 9. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotschicht (7; 8) 'ein Aktivlot auf der Basis Ag/Cu/Ti, Cu/Ti, Cu/Ti/Ge oder Cu/Ti/Si ist und eine Schichtdicke von 30 bis 200 µ aufweist.9. Resistance element according to claim 1, characterized in that the solder layer (7; 8) 'is an active solder based on Ag / Cu / Ti, Cu / Ti, Cu / Ti / Ge or Cu / Ti / Si and has a layer thickness of 30 to 200 μ. 10. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandskörper (1) bei 20°C einen spezifischen Widerstand von höchstens 10 mΩcm aufweist.10. Resistance element according to claim 1, characterized in that the resistance body (1) at 20 ° C has a specific resistance of at most 10 mΩcm. 11. Verfahren zur Herstellung eines Widerstandselementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein gesinterter Widerstandskörper (1) aus (V, Cr)2O3-Material auf beiden Stirnseiten (2) mit einer Folie von 30 bis 200 p Dicke aus einem Aktivlot (7) auf der Basis von Ag/Cu/Ti, Cu/Ti, Cu/Ti/Ge oder Cu/Ti/Si belegt wird, dass hierauf das zuvor mit einer Keramikscheibe (9) unter Zwischenschaltung einer Folie aus Aktivlot (8) versehene metallische Anschlusselement (3) mit seiner Stirnseite (4) an den mit Folie aus Aktivlot beschichteten Widerstandskörper (1) angepresst und festgehalten wird und dass schliesslich das Ganze in einen Ofen eingebracht und unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre während 2 bis 8 min bei einer Temperatur von 800 bis 950°C verlötet wird.11. A method for producing a resistance element according to claim 1, characterized in that a sintered resistance body (1) made of (V, Cr) 2 O 3 material on both end faces (2) with a film of 30 to 200 p thickness from an active solder (7) on the basis of Ag / Cu / Ti, Cu / Ti, Cu / Ti / Ge or Cu / Ti / Si it is demonstrated that this was previously done with a ceramic disc (9) with the interposition of a foil made of active solder (8) Provided metal connection element (3) with its end face (4) is pressed and held onto the resistance body (1) coated with foil from active solder and that finally the whole is placed in an oven and under a vacuum or protective gas atmosphere for 2 to 8 minutes at a temperature of 800 to 950 ° C is soldered. 12. Verfahren nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet, dass als Aktivlot (7; 8) eine Folie von 30 bis 200 P Dicke aus einer Legierung mit 70 Atom-% Kupfer, Rest Titan oder aus einer Legierung mit 70 Atom-% Kupfer, 10 Atom-% Titan, Rest Germanium benutzt wird.12. The method according to claim 11, characterized in that as the active solder (7; 8) a film of 30 to 200 P thickness made of an alloy with 70 atom% copper, the rest titanium or an alloy with 70 atom% copper, 10 Atomic% titanium, rest germanium is used.
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