DE10026257A1

DE10026257A1 - Elektrisches Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10026257A1
Application number: DE10026257A
Authority: DE
Inventors: Harald Schoepf; Thomas Trenkler; Chong Wang
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2001-12-06
Also published as: EP1284002B1; AU2001268928A1; WO2001091138A1; EP1284002A1; ATE340409T1; DE50111041D1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einem Grundkörper (1) aus einem keramischen Material, dessen ohmscher Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, wenigstens zwei auf dem Grundkörper angeordneten Kontaktbereichen (2, 3), an denen Anschlußelemente (4, 5) befestigt sind, einer organische Bestandteile enthaltenden Schutzschicht (6) und einer zwischen dem Grundkörper (1) und der Schutzschicht (6) angeordneten Zwischenschicht (7), die für die organischen Bestandteile undurchlässig ist und die den Grundkörper (1) dicht umschließt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements. Aufgrund der Zwischenschicht hat der erfindungsgemäße PTC-Widerstand den Vorteil einer erhöhten Spannungslagerungsstabilität.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einem Grundkörper aus keramischem Material, dessen ohmscher Wider stand einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und mit einer organische Bestandteile enthaltenden Schutzschicht. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Her stellung des elektrischen Bauelements.

Es sind elektrische Bauelemente der eingangs genannten Art bekannt, die als PTC-Widerstand verwendet werden. Dabei kommt als keramisches Material zum Beispiel Donatoren-dotiertes Ba riumtitanat zum Einsatz. Die Schutzschicht ist üblicherweise ein durch ein Tauchlackierverfahren auf den Grundkörper auf gebrachter, getrockneter Lack, der organische Lösungsmittel, wie z. B. Xylol oder Acetolester, und organische Bindemittel enthält.

Die PTC-Widerstände werden hinsichtlich ihrer Qualität unter anderem durch ihre Spannungslagerungsstabilität beurteilt. Die Spannungslagerungsstabilität sagt aus, welche elektrische Spannung der PTC-Widerstand über einen längeren Zeitraum, beispielsweise 24 Stunden, aushält, ohne seine charakteristi schen Eigenschaften zu verlieren. Aufgrund der angelegten Spannung fließt ein Strom durch den PTC-Widerstand, der ihn aufheizt. Somit ist die Spannungslagerungsstabilität des PTC- Widerstands eng mit seiner Temperaturstabilität verknüpft. Da für die Beurteilung der Stabilität eines PTC-Widerstands un ter anderem chemische Prozesse mit beachtlichen Zeitkonstan ten eine Rolle spielen, ist eine lediglich über einen kurzen Zeitraum angelegte elektrische Spannung zur Beurteilung der Stabilität nicht aussagekräftig.

Die bekannten Bauelemente haben den Nachteil, daß der als Schutzschicht aufgebrachte Lack aufgrund des Tauchlackierverfahrens eine relativ hohe Schichtdicke zwischen 10 und 500 µm aufweist. Daher entstehen beim Trocknen des Lacks an der Oberfläche verkrustete Flächen, während im Innern des Lacks noch ein Anteil von organischen Bestandteilen vorhanden ist, der im weiteren Verlauf des Trocknungsprozesses durch die verkrusteten Oberflächen am vollständigen Verlassen des Lacks gehindert wird.

Daher enthält die Schutzschicht der bekannten Bauelemente ei nen Rest an organischen Bestandteilen. Diese Bestandteile können zum Grundkörper gelangen und dort, falls die Tempera tur des Bauelements aufgrund einer hohen angelegten Spannung 220°C übersteigt, zu einer chemischen Reaktion führen, die die Korngrenzen der Keramik depolarisiert. Dadurch wird der PTC-Effekt der Keramik zerstört, wodurch sich das Bauelement bei weiterhin angelegter Spannung überhitzt und somit zer stört wird. Deswegen weisen die bekannten Bauelemente eine schlechte Spannungslagerungsstabilität auf.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauelement bereitzustellen, das eine hohe Spannungslagerungsstabilität aufweist.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement gemäß Patentanspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie Verfahren zur Herstellung der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung gibt ein elektrisches Bauelement an, das einen Grundkörper aufweist, der aus einem keramischen Material be steht. Das keramische Material weist einen ohmschen Wider stand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten auf. Als geeignetes Material mit diesen Eigenschaften kommt beispiels weise Donatoren-dotiertes Bariumtitanat oder auch eine (V, Cr)₂O₃-Keramik in Betracht. Auf dem Grundkörper sind we nigstens zwei Kontaktbereiche angeordnet, an denen Anschluße lemente befestigt sind. Die Anschlußelemente sowie die Kontaktbereiche dienen der elektrischen Kontaktierung des Bau elements.

Ferner weist das Bauelement eine Schutzschicht auf, die orga nische Bestandteile enthält. Diese Bestandteile können u. a. aromatische Lösungsmittel, wie z. B. Xylol, Acetolester, Ethy lenbenzol und Butanol, oder organische Bindemittel, wie z. B. Silikatkautschuk, sein. Die Schutzschicht schützt das Bauele ment vor Umwelteinflüssen und weist ausreichend isolierende Eigenschaften auf, so daß durch die Schutzschicht kein Kurz schluß zwischen den Anschlußelementen entsteht. Als Schutz schicht kommen insbesondere Lacke in Betracht, die die oben beschriebenen organischen Bestandteile sowie anorganische Füllstoffe, wie beispielsweise SiO₂, enthalten.

Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen Bauelement zwischen dem Grundkörper und der Schutzschicht eine Zwischenschicht ange ordnet, die für die organischen Bestandteile der Schutz schicht undurchlässig ist und die den Grundkörper dicht um schließt.

Das erfindungsgemäße elektrische Bauelement hat den Vorteil, daß die organischen Bestandteile der Schutzschicht aufgrund der Zwischenschicht nicht an die Oberfläche des Grundkörpers gelangen können, wodurch der eingangs beschriebene Effekt der Depolarisierung nicht auftreten kann. Dadurch behält das ke ramische Material den positiven Temperaturkoeffizienten hin sichtlich seines ohmschen Widerstands auch bei hohen, über eine Dauer von 24 h angelegten Spannungen, wodurch die Span nungslagerungsstabilität des elektrischen Bauelements verbes sert wird.

Eine gegenüber den organischen Bestandteilen besonders dichte Zwischenschicht wird durch eine Schicht aus verglastem Harz erreicht.

Desweiteren ist ein Bauelement besonders vorteilhaft, bei dem die Zwischenschicht aus einem Harz gebildet ist, welches or ganische Bestandteile und anorganische feste Bestandteile enthält und das bei einer Temperatur von weniger als 200°C verglast. Als anorganische feste Bestandteile kommen bei spielsweise Siliziumoxid oder Aluminiumoxid in Betracht. Als organische Bestandteile kommen sowohl Lösungsmittel, wie z. B. Acetolester, als auch Bindemittel, wie z. B. Silikatkautschuk, in Betracht.

Die Bildung der Zwischenschicht aus einem Harz, das bei einer Temperatur von weniger als 200°C verglast, hat den Vorteil, daß die in dem Harz vorhandenen organischen Bestandteile wäh rend der Herstellung der Zwischenschicht die Keramik nicht angreifen können, da die kritische Grenze von 220°C, bei der die organischen Bestandteile mit der Keramik zu reagieren be ginnen, wenigstens 10% über der zur Herstellung der Zwi schenschicht beziehungsweise zum Verglasen des Harzes notwen digen Temperatur liegt.

Auch nach der Herstellung der Zwischenschicht sind die im Harz vorhandenen organischen Bestandteile unkritisch, da die Lösungsmittel sich bereits bei Temperaturen unter 200°C vollständig verflüchtigen und evtl. vorhandene Bindemittel durch die Temperaturbehandlung in stabile, für die Keramik unschädliche Formen überführt werden.

Desweiteren ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zwischen schicht Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Siliziumdioxid umfaßt. Diese Materialien haben sich als besonders geeignet als Zwischenschicht erwiesen, da sie den keramischen Grund körper des Bauelements nicht angreifen und zudem dicht sind gegenüber den organischen Bestandteilen der Schutzschicht.

Eine solche Zwischenschicht kann besonders leicht in Form ei ner Suspension aufgebracht werden, wobei es besonders vor teilhaft ist, wenn die Zwischenschicht aus Körnern mit einem Korndurchmesser zwischen 0,1 und 0,5 µm besteht. Durch eine solche Feinkörnigkeit der Zwischenschicht kann eine gute Ab dichtfunktion gegenüber organischen Bestandteilen erreicht werden, während grobkörnige Zwischenschichten für diesen Zweck zu porös wären.

Desweiteren ist ein Bauelement besonders vorteilhaft, bei dem die Zwischenschicht eine Dicke zwischen 0,5 und 5 µm auf weist. Eine so dünne Zwischenschicht hat den Vorteil, daß während der Herstellung der Zwischenschicht in der Zwischen schicht vorhandene organische Lösungsmittel durch Aufheizen auf moderate Temperaturen < 200°C leicht zu einem hohen Grade beziehungsweise vollständig auszutreiben sind. Daher hat das Bauelement den Vorteil, daß die Zwischenschicht aus einem or ganische Lösungsmittel enthaltenden Stoff hergestellt werden kann, ohne daß der Grundkörper angegriffen wird.

Ferner gibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements an, wobei von einem mit Kontaktbereichen und An schlußelementen versehenen Grundkörper ausgegangen wird. Die ser Grundkörper wird in ein Bad eingetaucht, das aus flüssi gem Harz besteht. Das flüssige Harz enthält organische Be standteile und anorganische feste Bestandteile und es ver glast bei einer Temperatur von weniger als 200°C. Das Harz kann beispielsweise ein acetolesterhaltiges Silikatharz sein. Der Grundkörper wird dabei so in das Bad eingetaucht, daß vom Grundkörper abgewandte Endabschnitte der Anschlußelemente nicht mit in das Bad eintauchen.

In einem nächsten Schritt wird der Grundkörper aus dem Bad herausgezogen, wodurch eine Harzschicht am Grundkörper haften bleibt, die zusammen mit dem Grundkörper aus dem Bad heraus gezogen wird. In einem darauffolgenden Schritt wird die Zwi schenschicht hergestellt durch Trocknen der Harzschicht bei einer Temperatur, bei der das Harz verglast und die kleiner als 200°C ist.

In einem weiteren Schritt wird die Schutzschicht so auf die Zwischenschicht aufgebracht, daß die oben genannten Endab schnitte frei bleiben. Dadurch wird garantiert, daß die An schlußelemente auch nach dem Eintauchen des Bauelements in das Bad noch zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements dienen können.

Das Verfahren hat den Vorteil, daß das Glas bei einer Tempe ratur hergestellt wird, bei der die organischen Bestandteile des Harzes noch nicht in schadhafter Weise mit dem Grundkör per des Bauelements reagieren können.

Ferner hat das Verfahren den Vorteil, daß als Schutzschicht ein Glas hergestellt wird, welches gegenüber organischen Be standteilen eine besonders gute Dichtigkeit aufweist.

Das Verfahren kann besonders vorteilhaft durchgeführt werden, indem die Schutzschicht genauso wie die Zwischenschicht durch ein Tauchverfahren auf den Grundkörper aufgebracht wird. Dies hat den Vorteil, daß nur eine Art von Beschichtungsprozeß verwendet zu werden braucht.

Desweiteren ist ein Verfahren besonders vorteilhaft, bei dem die Viskosität des flüssigen Harzes so eingestellt wird, daß die nach dem Herausziehen des Grundkörpers aus dem Bad am Grundkörper haftende Harzschicht so dick ist, daß sich nach dem Trocknen eine Zwischenschicht von 0,5 bis 5 µm Dicke er gibt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß eine dünne Zwi schenschicht hergestellt wird, die sich besonders leicht durch Trocknen zu einem hohen Grade beziehungsweise vollstän dig von organischen Lösungsmitteln befreien läßt.

Die Einstellung der Viskosität des flüssigen Harzes kann bei spielsweise durch Variation der zugegebenen Menge an organi schen Lösungsmitteln erfolgen.

Ferner gibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements an, wobei von einem Grundkörper mit Kontaktberei chen und Anschlußelementen ausgegangen wird. Es werden zudem, z. B. in einem Mahlprozeß, Körner aus Aluminiumoxid, Alumini umnitrid oder Siliziumdioxid hergestellt. Aus diesen Körnern wird durch Mischen der Körner mit einem Lösungsmittel wie Wasser oder einem leicht flüchtigen organischen Lösungsmittel eine Suspension hergestellt. Als leicht flüchtiges organi sches Lösungsmittel kommt beispielsweise Ethanol oder auch Methanol in Betracht.

Der Grundkörper wird so in diese Suspension eingetaucht, daß vom Grundkörper abgewandte Endabschnitte der Anschlußelemente nicht in die Suspension eintauchen. Danach wird der Grundkör per aus der Suspension herausgezogen, zusammen mit dem an ihm haftenden, einen Teil der Suspension enthaltenden Überzug. Danach wird die Zwischenschicht durch Trocknen des Überzugs hergestellt. Es wird bei einer Temperatur kleiner als 200°C getrocknet, wobei die Temperatur so hoch gewählt wird, daß sich die im Überzug enthaltenen Lösungsmittel, insbesondere die ggf. vorhandenen organischen Lösungsmittel, verflüchti gen. Das Trocknen kann beispielsweise bei 180°C für eine Dau er von 2 Stunden in einem Umluftofen erfolgen.

In einem darauffolgenden Schritt wird die Schutzschicht so auf das Harz aufgebracht, daß die Endabschnitte frei bleiben und so zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements dienen können.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfah rens wird die Schutzschicht ebenso wie die Zwischenschicht durch ein Tauchlackierverfahren aufgebracht. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß zum Herstellen der Schichten nur eine Art von Beschichtungsverfahren verwendet werden muß.

Das Verfahren hat den Vorteil, daß die Temperatur beim Trock nen der Zwischenschicht die kritische Grenze von 220°C nicht übersteigt, wodurch die gegebenenfalls in der Suspension ent haltenen organischen Lösungsmittel nicht auf schädliche Art und Weise mit dem Grundkörper des Bauelements reagieren kön nen.

Es ist für das Verfahren besonders vorteilhaft, Körner mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 0,5 µm herzustellen. Durch solche feine Körner kann eine Schicht hergestellt werden, die in besonderem Maße lösungsmittelundurchlässig ist.

Desweiteren ist ein Verfahren besonders vorteilhaft, wobei die Viskosität der Suspension so eingestellt wird, daß der am Grundkörper haftende Überzug eine Dicke aufweist, die zu ei ner Zwischenschicht von 0,5 bis 5 µm Dicke führt. Eine so dünne Zwischenschicht hat den Vorteil, daß die evtl. vorhan denen organischen Lösungsmittel besonders leicht zu einem großen Teil oder sogar vollständig aus ihr ausgetrieben wer den können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels und der dazugehörigen Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt beispielhaft ein erfindungsgemäßes Bauelement im schematischen Querschnitt.

Die Figur zeigt einen PTC-Widerstand mit einem scheibenförmi gen Grundkörper 1, der aus einer geeigneten Keramik besteht. Auf der Unterseite des Grundkörpers 1 ist ein erster Kontakt bereich 2 vorgesehen, der beispielsweise aus einer Silber- Einbrennpaste bestehen kann. An dem ersten Kontaktbereich 2 ist ein erstes Anschlußelement 4 befestigt, wobei es sich beispielsweise um einen Draht handeln kann. Die Befestigung des Drahtes am ersten Kontaktbereich 2 erfolgt vorzugsweise durch Löten. Auf der Oberseite des Grundkörpers 1 ist ein zweiter Kontaktbereich 3 angeordnet, der wiederum aus einer Silber-Einbrennpaste bestehen kann. In gleicher Weise wie auf dem ersten Kontaktbereich 2 ist auch auf dem zweiten Kontaktbereich 3 ein zweites Anschlußelement 5 in Form eines angelö teten Drahtes befestigt.

Der Grundkörper 1 ist umhüllt von einer Schutzschicht 6, die eine Dicke von 10 bis 500 µm aufweist und die aus einem lö sungsmittelhaltigen Lack besteht. Ferner ist der Grundkörper 1 von einer Zwischenschicht 7 umhüllt, die zirka 2 µm dick ist und die undurchlässig ist für die Lösungsmittel des Lacks. Die Anschlußelemente 4, 5 weisen Endabschnitte 8, 9 auf, die von keiner der beiden Schichten 6, 7 umhüllt sind, so daß sie zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements dienen können.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde eine Stück zahl von 20 der in der Figur dargestellten Bauelemente wie folgt hergestellt: Es wurde eine wäßrige Suspension von fein körnigem (0,3 µm Korndurchmesser) Al₂O₃ vorbereitet. Mit Kon taktbereichen und Anschlußelementen versehene Grundkörper wurden wie beim üblichen Tauchlackierverfahren in diese Sus pension getaucht, wodurch ein dünner Film Al₂O₃ die Grundkör per überzieht. Anschließend wurden die Grundkörper zur Her stellung der Zwischenschicht für eine Dauer von 2 Stunden bei 180°C und Umluft getrocknet. Danach wurden sie dem Lackier prozeß zum Aufbringen der Schutzschicht zugeführt.

Es wurden ferner als Vergleichsproben 20 Bauelemente gemäß der Figur, jedoch ohne Zwischenschicht hergestellt. Sowohl für die Ausführungsbeispiele der Erfindung als auch für die Vergleichsproben wurde zur Herstellung der Schutzschicht der Silikatlack der Firma Reichold verwendet, der die Spannungs lagerungsstabilität erfahrungsgemäß in besonderem Ausmaß er niedrigt.

Es wurde die Lagerung Bauelemente bei 20 V Wechselspannung für eine Dauer von 24 Stunden getestet. Bei den erfindungsge mäßen Bauelementen konnten nach diesem Spannungslagerungstest keine Ausfälle beobachtet werden, während bei den Bauelementen ohne Zwischenschicht sieben Ausfälle beobachtet wurden. Dies zeigt den deutlich den positiven Effekt der erfindungs gemäßen Zwischenschicht.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das dargestellte Aus führungsbeispiel, sondern wird in ihrer allgemeinsten Form durch Patentanspruch 1 definiert.

Claims

1. Elektrisches Bauelement mit
einem Grundkörper (1) aus einem keramischen Material, dessen ohmscher Widerstand einen positiven Temperatur koeffizienten aufweist,
wenigstens zwei auf dem Grundkörper angeordneten Kon taktbereichen (2, 3), an denen Anschlußelemente (4, 5) befestigt sind,
einer organische Bestandteile enthaltenden Schutz schicht (6) und
einer zwischen dem Grundkörper (1) und der Schutz schicht (6) angeordneten Zwischenschicht (7), die für die organischen Bestandteile undurchlässig ist und die den Grundkörper (1) dicht umschließt.

2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Zwischenschicht (7) aus einem verglasten Harz besteht.

3. Bauelement nach Anspruch 2, bei dem die Zwischenschicht (7) aus einem Harz gebildet ist, welches organische Bestandteile und anorganische fe ste Bestandteile enthält und bei einer Temperatur von we niger als 200°C verglast.

4. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Zwischenschicht (7) Aluminiumoxid, Aluminium nitrid oder Siliziumdioxid umfaßt.

5. Bauelement nach Anspruch 4, bei dem die Zwischenschicht (7) aus Körnern mit einem Korndurchmesser zwischen 0,1 und 0,5 µm besteht.

6. Bauelement nach Anspruch 1 bis 5, bei dem die Zwischenschicht (7) eine Dicke zwischen 0,5 und 5 µm aufweist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach Anspruch 3, das, ausgehend von einem mit Kontaktbereichen (2, 3) und Anschlußelementen (4, 5) versehenen Grundkörper (1), folgende Schritte umfaßt:

a) Eintauchen des Grundkörpers (1) in ein Bad aus flüssi gem Harz, das organische Bestandteile und anorganische feste Bestandteile enthält und bei einer Temperatur von weniger als 200°C verglast, wobei vom Grundkörper (1) abgewandte Endabschnitte (8, 9) der Anschlußelemente (4, 5) nicht in das Bad eintauchen
b) Entnehmen des Grundkörpers (1) zusammen mit der daran haftenden Harzschicht aus dem Bad
c) Herstellen der Zwischenschicht (7) durch Trocknen der Harzschicht bei einer Temperatur, bei der das Harz ver glast und die kleiner als 200°C ist
d) Aufbringen der Schutzschicht (6) so auf das Harz, daß die Endabschnitte (8, 9) frei bleiben.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Viskosität des flüs sigen Harzes so eingestellt wird, daß die am Grundkörper (1) haftende Harzschicht zu einer Zwischenschicht (7) von 0,5 bis 5 µm Dicke führt.

9. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach Anspruch 4, das, ausgehend von einem mit Kontaktbereichen (2, 3) und Anschlußelementen (4, 5) versehenen Grundkörper (1), folgende Schritte umfaßt:

a) Herstellen von Körnern aus Aluminiumoxid, Aluminiumni trid oder Siliziumdioxid
b) Herstellen einer Suspension durch Mischen der Körner mit einem Lösungsmittel
c) Eintauchen des Grundkörpers (1) in die Suspension, wo bei vom Grundkörper (1) abgewandte Endabschnitte (8, 9) der Anschlußelemente (4, 5) nicht in die Suspension ein tauchen
d) Entnehmen des Grundkörpers (1) zusammen mit dem daran haftenden, einen Teil der Suspension enthaltenden Überzug aus der Suspension
e) Herstellen der Zwischenschicht (7) durch Trocknen des Überzugs bei einer Temperatur, die kleiner als 200°C ist und bei der sich die im Überzug enthaltenen Lösungsmittel verflüchtigen
f) Aufbringen der Schutzschicht (6) so auf das Harz, daß die Endabschnitte (8, 9) frei bleiben.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei Körner mit einem Durch messer zwischen 0,1 und 0,5 µm hergestellt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Viskosität der Suspension so eingestellt wird, daß der am Grundkör per (1) haftende Überzug zu einer Zwischenschicht (7) von 0,5 bis 5 µm Dicke führt.