DE3707493C2

DE3707493C2 - PTC-Bauelement

Info

Publication number: DE3707493C2
Application number: DE3707493A
Authority: DE
Inventors: Atsushi Nagahori
Original assignee: Nippon Mektron KK
Current assignee: Nippon Mektron KK
Priority date: 1986-03-31
Filing date: 1987-03-09
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2007-03-10
Also published as: US4876439A; DE3707493A1; JPH0690962B2; JPS62230001A; US4769901A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines PTC-Bauele ments nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Verfahren ist z. B. aus der EP-A-0 171 877 bekannt.

Stoffe mit PTC-Kennlinie lassen sich in verschiedensten Geräten und für verschiedenste Zwecke einsetzen: in einem Steuergerät, in welchem die Wärmeerzeugung beendet wird, wenn eine Heizvorrichtung eine hohe Temperatur erreicht; in einem PTC-Thermistor; in einem wärme empfindlichen Sensor; und in einer Schutzvorrichtung, in der, wenn in einer Schaltung z. B. aufgrund eines Kurzschlusses ein übermäßig starker Strom fließt, der stark zunehmende Strom eine Selbstaufheizung mit Entwicklung Joule′scher Wärme bewirkt, wodurch der Widerstand zunimmt und der Strom auf oder unter einen vorbestimmten Wert beschränkt wird. Wenn bei einer solchen Vorrichtung der Kurzschluß beseitigt ist, nimmt die Schaltung selbsttätig ihren Betrieb wieder auf. Als Stoffe mit PTC-Kennlinie wurden unterschiedlichste Materialien entwickelt, z. B. ein keramischer Stoff mit BaTiO₃, in den einwertiges oder dreiwertiges Metalloxid eingebracht ist, sowie ein Polymer-Material mit einem Polymer wie z. B. Polyethylen, in welchem ein elektrisch leitendes Material, z. B. Ruß, dispergiert ist.

Wie Fig. 3 zeigt (vergl. auch US-A-4 426 633), umfaßt ein PTC- Bauelement allgemeinen ein PTC-Eigenschaften aufweisendes Material 2, bestehend aus einem Polymer mit darin dispergiertem elektrisch leitendem Material (also eine PTC-Zusammensetzung), metallische Elek trodenplatten 3a und 3b, zwischen denen die PTC-Zusammensetzung sandwichartig eingeschlossen ist. Flächige Anschlußleiter 4a und 4b sind an die Elektrodenplatten 3a und 3b angeschlossen. Jede Elektrodenplatte ist über den zugehörigen Anschlußleiter an ein anderes Bauelement angeschlossen.

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

Man ist bestrebt, daß das PTC-Bauelement bei Zimmertemperatur einen möglichst niedrigen Widerstandswert (einen Zimmertemperatur-Wider stand) und bei einer hohen Temperatur einen möglichst hohen Wider standswert (Spitzenwiderstand) aufweist. Der Zimmertemperatur-Wider stand hängt in erster Linie von dem Typ der PTC-Zusammensetzung und der Haftung zwischen der PTC-Zusammensetzung und der Oberfläche jeder der Elektroden ab. Um den Zimmertemperaturwiderstand her abzusetzen, kann man die Menge der elektrisch leitenden Partikel, die in die PTC-Zusammensetzung eingebracht werden, erhöhen. In diesem Fall jedoch nimmt der Spitzenwiderstand ab, so daß es nicht möglich ist, ein großes Verhältnis von Spitzenwiderstand zu Zimmertemperaturwiderstand zu erreichen. Um die Haftung zwischen der PTC-Zusammensetzung und der Oberfläche jeder der Elektroden zu verbessern, wurde ein Verfahren zum Herabsetzen des Kontaktwiderstands zwischen der PTC-Zusammen setzung und jeder der Elektroden vorgeschlagen (US-PS′en 4,238,812 und 4,426,339).

Wenn man in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Anschlußleiter mit den Elektroden des PTC-Bauelements durch Schweißen elektrisch verbindet, wird die mit den Elektrodenplatten in Berührung stehende PTC-Zusammensetzung erhitzt, und ein Teil der PTC-Zusammensetzung wird durch die Hitze pyrolisiert, wobei sich zersetzte Gase entwickeln. Weiterhin wird ein Teil der PTC-Zusammen setzung verdampft, wobei Dämpfe austreten. Mithin wird das Haftver mögen zwischen der PTC-Zusammensetzung und den Elektroden be einträchtigt, was Ursache ist für eine Zunahme des Kontaktwiderstands zwischen der PTC-Zusammensetzung und den Elektroden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines qualitativ hochstehenden PTC-Bauelements mit ge ringem Zimmertemperaturwiderstand anzugeben, bei welchem eine durch Hitze beim Schweißvorgang hervorgerufene Beschädigung der Elektro denplatten und der Anschlußleiter des PTC-Bauelements vermieden und dadurch der Kontaktwiderstand herabgesetzt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch besondere Wirtschaftlichkeit aus, da das durch Punktschweißen erfolgende Ver binden von Anschlußleitern und Elektrodenplatten in sehr einfacher Weise bei geringen Kosten erfolgt.

Das Verfahren schafft ein PTC-Bauelement, bei dem die Elektroden platten und die dazugehörigen Anschlußleiter von einem Loch durchsetzt werden.

Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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

Fig. 1 eine Schnittansicht eines PTC-Bauelements zur Veran schaulichung des Herstellungsverfahrens,

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

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines PTC-Bauelements.

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

Beispiele für Polymere sind: Polyehtylen, Polyethylenoxid, Polybuta dien, Polyehtylenacrylate, Ethylen-Acrylsäureethylesther-Copolymere, Ethylen-Acrylsäure-Copolymere, Polyester, Polyamide, Polyäther, Poly caprolactam, fluorierte Ethylen-Propylen-Copolymere, chloriertes Poly ethylen, sulfochloriertes Polyehtylen, Ethylvinylacetat-Copolymere, Polypropylen, Polystyrol, Styrol-Acrylnitril-Copolymere, Polyvinylchlorid, Polycarbonate, Polyacetale, Polyalkylenoxide, Poly phenylenoxid, Polysulfone, Fluorkunststoffe und Mischpolymere aus mindestens zwei der oben angegebenen Polymere. Der Typ der Poly mere und die Zusammensetzungsverhältnisse können abhängig von der gewünschten Funktionsweise variiert werden.

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

Bein Herstellen der PTC-Zusammensetzung können zusätzlich zu dem Polymer und den elektrischleitenden Partikeln wahlweise verschiedene Additive eingesetzt werden. Solche Additive sind feuerhemmende Mittel, wie z. B. atnimonhaltige Verbindungen, phosphorhaltige Verbindungen, chlorierte Verbindungen und bromierte Verbindungen, Antioxidiermittel und Stabilisatoren.

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

Das PTC-Bauelement umfaßt die oben näher beschriebene PTC-Zusam mensetzung und mindestens zwei Elektroden, die mit der Zusammen setzung in Kontakt stehen. Stoffe für die Elektroden sind Metalle, wie sie für herkömmliche Elektroden üblich sind, z. B. Elektroden-Materia lien wie Nickel, Kobalt, Aluminium, Chrom, Zinn, Kupfer, Silber, Eisen (einschließlich Eiseniegierungen wie rostfreier Stahl), Zink, Gold, Blei und Platin. Form und Größe der Elektroden lassen sich nach Wunsch variieren, abhängig vom Verwendungszweck des PTC-Bauele ments und anderen Parametern. Die Oberfläche der metallischen Elek trode kann durch elektrolytisches Abscheiden behandelt werden, um eine rauhe Oberfläche mit einer Anzahl feiner Vorsprünge auf der Oberfläche zu schaffen. Solche Vorsprünge werden an mindestens einer Oberfläche der Elektrode vorgesehen, nämlich an derjenigen, die in Berührung mit der PTC-Zusammensetzung kommt.

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

Das Zusammensetzungs-Material wird zu einem Film verarbeitet, auf die Oberseite und die Unterseite des Films werden durch Warmpressen metallische Elektroden aufgebracht, um ein Laminat zu erhalten, dieses Laminat wird nach Größe zugeschnitten, und an jeder der Elektroden wird durch Punktschweißung ein Anschlußleiter befestigt.

Das Verbinden der Elektrode mit dem zugehörigen Leiter erfolgt durch Punktschweißung. Während der Punktschweißung wird in der Mitte einer Schweißstelle mindestens ein Loch geschaffen, welches die Elek trodenplatte und den flächigen Anschlußleiter durchsetzt. Alternativ bildet man vorab mindestens ein Loch in der Elektrodenplatte und dem Anschlußleiter aus, um anschließend die Punktschweißung in der Umge bung des Lochs durchzuführen.

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

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

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

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

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

BEISPIELE

Im folgenden werden spezielle Beispiele für die Erfindung näher erläutert.

Sämtliche Prozentangaben sind, wenn nicht anders angegeben, als Gewichtsprozent-Angaben zu verstehen.

BEISPIEL 1

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

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

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

Auf die Oberfläche jeder Elektrodenplatte des Laminats wurde ein Anschlußleiter aufgelegt. Wie in Fig. 1 gezeigt, wurden zwei keilförmige Punktschweiß-Elektroden in der selben Richtung in Berührung mit der Oberfläche der Anschluß leiter gebracht. Der Abstand zwischen den keil förmigen Elektroden betrug 0,3 mm, die gesamte Kontakt fläche betrug 0,5 mm² und die Schweißleistung betrug 5 Ws.

Nach dem Schweißen zeigte sich, daß ein 0,25×0,6 mm großes Loch entstanden war. Der elektrische Widerstand dieses PTC-Bauelements wurde bei Zimmertemperatur nach und vor dem Schweißen gemessen, und es zeigte sich, daß nach dem Schweißen praktisch keine Zunahme des Kontaktwiderstands zu verzeichnen war.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines PTC-Bauelements durch Herstellen eines Laminats aus einer PTC-Zusammensetzung (2) und mindestens zwei Elektrodenplatten (3a, 3b), zwischen denen die PTC-Zusam mensetzung (2) eingeschlossen ist, umfassend die Schritte:

- Auflegen eines flächigen Anschlußleiters (4a, 4b) auf die Ober fläche je einer Elektrodenplatte (3a, 3b) des Laminats und
- Verbinden jedes Anschlußleiters (4a, 4b) mit der zugehörigen Elektrodenplatte (3a, 3b) durch Schweißen,

dadurch gekennzeichnet, daß während oder vor dem Punktschweißen mindestens ein Loch (7) gebildet wird, welches die Elektrodenplatte (3a, 3b) und den da zugehörigen Anschlußleiter (4a, 4b) an der Schweißstelle durchsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Punktschweißung eine positive und eine negative Elektrode (5, 6) mit der Oberfläche des Anschlußleiters in Berührung ge bracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche der positiven und der negativen Elektrode (5, 6) für die Punktschweißung 0,0025 bis 4,0 mm² beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der positiven und der negativen Elektrode (5, 6) für die Punktschweißung 0,01 bis 1,0 mm beträgt.