WO2017102724A1 - Ntc-keramik, elektronisches bauelement zur einschaltstrombegrenzung und verfahren zur herstellung eines elektronischen bauelements - Google Patents

Ntc-keramik, elektronisches bauelement zur einschaltstrombegrenzung und verfahren zur herstellung eines elektronischen bauelements Download PDF

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Hermann GRÜNBICHLER
Manfred Schweinzger
Franz Rinner
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    • C04B2235/77—Density

Definitions

  • the invention relates to an NTC ceramic, an electronic component for inrush current limiting and a method for producing an electronic component.
  • ABS Applications
  • the DC / DC converter on the one hand requires a lot of space and on the other hand contains expensive semiconductors (relays or MOSFETs).
  • An object to be solved is to provide an improved NTC ceramic and an improved electronic component and a method for producing the component.
  • an NTC ceramic is specified.
  • the NTC ceramic is designed for use in an electronic component, for example in a multilayer NTC component and / or in a monolithic NTC component.
  • the device is preferably an inrush current limiter (ICL).
  • the NTC ceramic has an electrical resistance in the mQ range at a temperature of 25 ° C. Alternatively or additionally, the NTC ceramic has an electrical resistance in the mQ range at room temperature. Room temperature is the temperature usually used in
  • Resistor preferably describes the electrical
  • Temperature has an electrical resistance of less than or equal to 30 mQ, preferably less than 20 mQ, for example 14 mQ, 15 mQ, 16 mQ or 17 mQ.
  • the NTC ceramic exhibits
  • the NTC ceramic is particularly well suited for use in a current-limiting device with a high current load.
  • the NTC ceramic has the composition La (i- X ) EA ( X ) Mn ⁇ iabc) Fe ( a ) CO ( b ) Ni (c) O (3 ⁇ 6).
  • EA denotes an alkaline earth element.
  • the alkaline earth element is magnesium, calcium, strontium or barium
  • ⁇ denotes the deviation from the stoichiometric oxygen ratio (oxygen excess or
  • an electronic device In one aspect, an electronic device
  • the electronic component is preferably an inrush current limiter.
  • the component has at least one functional layer or active layer.
  • Functional layer has the NTC ceramic described above.
  • the functional layer preferably consists of the NTC ceramic.
  • the component is characterized by its high electrical conductivity and sufficient NTC effect (B value) due to the NTC ceramic. This will be a simple and
  • Due to the low electrical resistance in the mQ range can be achieved in particular that a sufficiently high inrush current of an electrical load, which is connected for example in a corresponding application in series with the electronic component is provided, but is limited so far that, for example the electrical voltage during the switch-on for the electrical supply of other important electrical
  • Component is the voltage dip during startup of the consumer compared to a consumer without
  • Component preferably reduced by about I V. This can in the application of the electronic component in the automotive field, especially when used as
  • Inrush current limiters for electric starter motors in motor vehicles may be advantageous or essential If the inrush current is not sufficiently or adequately limited, a vehicle electrical system voltage may decrease to such an extent that further safety-related
  • ABS and ESP can no longer be supplied with the intended electrical voltage. In this sense the electronic component contributes directly to safety and / or energy efficiency
  • the specific electrical resistance of the at least one functional layer in a ground state of the electronic component is between 0.1 and 2.0 ⁇ cm.
  • the specific electrical resistance of the at least one functional layer in a ground state of the electronic component is preferably between 0.1 .mu.m and 1.0 .mu.m, for example 0.3 .mu.cm.
  • the ground state describes a temperature of
  • the ground state may be an unloaded state in which, for example, no electrical power is applied to the
  • Component is created, act.
  • the component has a thickness of less than or equal to 1.0 mm, for example 0.5 mm. This becomes a compact and small component
  • the device is a monolithic device.
  • the device is disc-shaped or platelet-shaped.
  • Component may be formed in the form of a substrate.
  • the device has exactly one functional layer.
  • the functional layer has a thickness of less than or equal to 1.0 mm, for example 0.3 mm.
  • the Functional layer is arranged a metallization.
  • the metallization preferably has silver.
  • the metallization may also include copper or gold.
  • a contacting of the device via a metallic element such as a tongue done.
  • the tongue may be soldered to an outside of the device. This can be a Einschaltstrombegrenzer in the form of a compact and inexpensive monolithic
  • the device is a
  • the component has a multiplicity of functional layers arranged one above the other in a stack, for example 10, 30 or 50
  • the device has a plurality of first inner electrodes and second
  • the first internal electrodes are electrically conductively connected to a first external contact and the second internal electrodes are connected to a second external contact.
  • the external contacts have silver.
  • External contacts can also have copper or gold.
  • the functional layers are arranged and designed, in particular, the functional layers have such a small resistivity that the first and the second external contact are electrically conductively connected to each other in a ground state as well as in a hot state of the electronic component via the functional layers.
  • the hot state indicates a state of the device at a temperature higher than that of the device electronic component in the ground state.
  • the temperature range between the ground state and the hot state may span or extend over any temperature range between -55 ° C and + 180 ° C.
  • the temperature range may preferably be
  • the electronic component is an NTC component, that is, a heat-conducting component with a negative
  • the hot state of the electronic component preferably describes a state of the electronic component that has been heated, for example, by an applied electrical power.
  • the hot state is preferably still a stationary temperature state of the component.
  • Component can be compared to conventional NTC devices, which have an electrical resistance in the ⁇ or kQ range in a ground state at 25 ° C, that an inrush of an electrical load, which, for example in a corresponding application in series with the electronic component is switched, as far as is limited, that the electrical voltage during
  • the component is thermally connected at least to a heat sink. This can be for
  • the heat sink has, for example, copper.
  • the first heat sink has, for example, copper.
  • Heat sink a copper sheet.
  • Component and / or the NTC ceramic are also applicable to the process and vice versa.
  • the method comprises the following steps:
  • Ceramic powder For example, La 2 Ü 3, SrCC> 3 and Mn 3Ü 4 are provided and weighed in stoichiometric amounts. But also other materials for that
  • Ceramic powders are conceivable.
  • the powder is heated to 900 ° C for six hours.
  • the CO 2 can escape and the individual raw materials react to the desired chemical compound.
  • a binder is preferably added to produce the granules.
  • cylindrical components are produced by dry pressing. Burnout of the binder (decarburization).
  • the binder is preferably burned out at 400 to 500 ° C.
  • Inrush current can be used. Due to the very high electrical conductivity of the functional layer of the
  • the inrush current limiter can be designed as a cost-effective, monolithic device (slices, plates, etc.).
  • the method produces the device described above. All features described in connection with the component and / or the NTC ceramic also apply to the method and vice versa.
  • the method comprises the following steps:
  • the green sheets preferably have the above-described NTC ceramic material.
  • the green sheets are foils for an NTC ceramic or NTC ceramic layer to be produced.
  • the green sheets are preferably layers of a raw material which, for example, is not sintered.
  • the green sheets are preferably each with at least one
  • the inner electrodes can be printed by screen printing on the green sheets, for example.
  • the stacking is preferably carried out such that the internal electrodes are each arranged between two adjacent green sheets.
  • the stack is pressed into a block.
  • the method includes, for example
  • the block becomes to singulate the block
  • the stack or the pressed block is then treated thermally.
  • thermal treatment includes decarburizing the stack or block.
  • Treat sintered The sintering is expediently carried out after decarburization.
  • - Provide the stack or block with external contacts.
  • the external contacts preferably have silver, copper or gold.
  • the method produces a component which can be used to limit the inrush current. Due to the very high electrical conductivity of the functional ⁇ layers of the device (NTC ceramic), a particularly efficient inrush current limiter can be provided.
  • a system with at least one electronic component is described.
  • the component preferably corresponds to the component described above. All the features associated with the device
  • the system can also have more than one component, for example three electronic components.
  • the plurality or the predominant components are connected in parallel with each other.
  • the system also has a
  • the system can
  • the system is configured such that a heating time, that is, the time in which an inrush current of the
  • Consumer device heats the electronic component to a stationary temperature, to an electrical
  • Start time of the consumer device is tuned.
  • the electrical starting time determines when the inrush current has dropped to the rated current of the consumer device.
  • the stationary temperature preferably represents the temperature of the above-mentioned hot state of the electronic
  • Temperature preferably alternatively or additionally one
  • the stationary temperature is preferably
  • the heating time By adjusting the heating time to the start-up time or vice versa, for example, compared to the situation in which the heating time is too short compared to the electrical starting time, damage to further electrically interacting with the system or the consumer device components can be prevented. Furthermore, by the said vote, for example, compared to the situation in which the heating time is too long compared to the electrical starting time, a
  • electrical components of the electrical system of a motor vehicle such as the ABS or ESP system designate.
  • the heating time is preferably or suitably equal to or slightly shorter than the starting time.
  • Heating time and the startup time are at least largely the same.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a
  • Figure 2 shows a schematic side view of a
  • FIG. 3 shows a schematic view of a system
  • FIG. 1 or 2 comprising a component according to FIG. 1 or 2 and a consumer device.
  • FIG. 4 shows the switch-on behavior of a
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an electronic component 10.
  • the electronic component 10 is preferably an NTC component.
  • the electronic component 10 is preferably used as Inrush current limiter, in particular for electrical
  • the device 10 is a
  • the component 10 has a multiplicity of first internal electrodes 1.
  • the component 10 has a multiplicity of second internal electrodes 2.
  • the first and second internal electrodes 1, 2 are alternating
  • Internal electrodes 1, 2 are preferably similar
  • the component 10 also has a first external contact 11.
  • the first external contact 11 is at a first
  • the first internal electrodes 1 are electrically conductively connected to the first external contact 11.
  • the first external contact 11 has silver.
  • the electronic component 10 furthermore has a second external contact 12.
  • the second external contact 12 is arranged on a second side surface of the electronic component 10.
  • the second side surface is the first
  • the second internal electrodes 2 are electrically conductively connected to the second external contact 12.
  • the second external contact 12 has silver.
  • the electronic component 10 has a plurality of
  • Functional layers 3 are stacked to form a stack arranged.
  • the inner electrodes 1, 2 and the functional ⁇ layers 3 are arranged in particular alternately or alternately to a stack.
  • Internal electrodes 1, 2 is between two adjacent ones
  • the respective functional layer 3 has a ceramic
  • the functional layer 3 has an NTC ceramic.
  • the respective functional layer 3 consists of the NTC ceramic.
  • the NTC ceramic has the following
  • EA stands for an alkaline earth element, for example Mg, Ca, Sr or Ba.
  • ⁇ denotes the deviation from the stoichiometric
  • the NTC ceramic has the composition Lao. 95 Sro.osMn03 on.
  • the functional layers 3 are preferably similar or similar.
  • the respective functional layer 3 has a thickness or vertical extent (hereinafter referred to as "layer thickness")
  • Functional layers 3 is preferably between 10 ym and 100 ym or between 10 ym and 50 ym, for example 40 ym.
  • the layer thickness 3 of the respective functional layer 3 is chosen such that the respective functional layer 3 has a
  • a resistance and a current carrying capacity of the functional layer 3 can be varied and controlled by the thickness of the functional layer 3.
  • the respective functional layer 3 has a specific area or a specific cross section (hereinafter
  • the horizontal extent is determined by a width and a length of the functional layer 3.
  • the width is preferably 4.0 to 5.0 mm, for example, 4.8 mm
  • the horizontal extent of the respective functional layer 3 is chosen such that the respective functional layer 3 has a predetermined or special resistance.
  • Functional layer 3 the resistance and the current carrying capacity of the functional layer 3 are varied and controlled.
  • the electrical resistance of the respective functional layer 3 is preferably in the mQ range at a temperature of 25 ° C., for example 15 mQ or 20 mQ.
  • the functional layer 3 preferably has a very low electrical resistance and thus a very high electrical conductivity at a temperature of 25 ° C.
  • the functional layers 3 are preferably formed such that the first and the second external contact 11, 12 of the electronic component 10 both in a ground state and in a hot state (operating state) of the electronic component 10 are electrically conductively connected to each other via the functional layers 3.
  • Device 10 for example at a temperature of 25 ° C, is preferably between 0.1 and 0.2 Qcm Qcm,
  • the B value (thermistor constant) of the functional layers 3 is preferably less than 3000 K and more than 1500 K, for example 1650 to 1750 K, preferably 1700 K (see also Table 1).
  • the above-mentioned ground state preferably describes a temperature of the electronic component 10 of 25 ° C
  • the hot state preferably describes a temperature of the electronic component 10 that is greater than the temperature of the electronic component 10 in the ground state.
  • the hot state is preferably an operating state in which the electronic component 10 has reached an operating temperature.
  • the operating temperature may represent a stationary temperature, for example of the loaded device 10.
  • the ground state describes
  • the temperature range between the ground state and the hot state for example, over the
  • the temperature range between the ground state and the hot state extends over the range of -40 ° C to + 150 ° C.
  • the device 10 may thermally to a
  • Heatsink be connected.
  • the heat sink can be connected.
  • Heatsink can cause warming when starting and the
  • Peak temperature influenced or limited Peak temperature influenced or limited.
  • the electronic component 10 may be in a particularly preferred embodiment
  • Embodiment be executed in the form of a disk or a substrate ( Figure 2).
  • the device 10 in this embodiment is a
  • the component 10 has only one functional layer or active layer 3.
  • Functional layer 3 has an outer metallization
  • the external contacts 11, 12 are arranged, for example, on the opposite side surfaces of the functional layer 3. Alternatively, the external contacts 11, 12 may also be arranged on an upper side and a lower side of the functional layer 3, as shown in FIG.
  • the external contacts 11, 12 preferably have silver. An electrical contacting of the device 10 takes place for example by means of a
  • the functional layer 3 in this exemplary embodiment has, for example, a diameter of less than 15 mm, for example 10 mm.
  • the functional layer 3 preferably has a thickness of less than 0.5 mm, for example 0.1 mm, more preferably 0.3 mm. As already described in connection with Figure 1, the thickness of the functional layer 3, the resistance and the current carrying capacity of
  • Functional layer 3 varies and controlled.
  • the component 10 according to FIG. 2 has a small thickness or vertical extent than the component 10 described in connection with FIG. 1.
  • the finished component 10 with metallization and contacting has, for example, a thickness of less than or equal to 0.5 mm.
  • the specific electrical resistance of the functional layer 3 in the ground state of the electronic component 10 is, as already explained in connection with Figure 1, preferably between 0.1 and 0.2 Qcm Qcm, for example, at 0.145 Qcm (see also Table 1). This indicates the
  • Component 10 can be further reinforced by a parallel connection of a plurality of components 10 according to FIG.
  • three components 10 can be connected in parallel in order to further increase the current-carrying capacity and lower the electrical resistance.
  • the component 10 according to FIG. 2 is produced, for example, as follows. This is exemplified
  • the component 10 is produced by the so-called "mixed oxide process.” First of all, La 2 O 3 , SrCO 3 and Mn 3 O 4 are weighed in stoichiometric amounts and wet-ground
  • the powder is again mixed with water and ground until an average particle size of 0.5 ym is reached.
  • the powder is mixed with a suitable binder, so that one for dry pressing
  • the densely sintered components are then ground to size and contacted with a silver paste. Of the finished components, the resistance in the
  • Table 1 shows in particular the sintered density, the specific resistance at 25 ° C. and the B value of the respective component 10.
  • Table 1 Result values of three components according to the manufacturing method described above
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a system 200 in which the electronic component 10 is connected and / or arranged in series with an electrical consumer device 20.
  • the system 200 is - at a common ambient temperature of the electronic component 10 and the
  • Consumer device 20 - the heating time that is, the time in which the inrush current of the consumer device 20, the electronic component 10 to a stationary
  • Temperature has heated or heated, preferably to the electrical starting time of the consumer device 20th
  • the electrical starting time determines when the inrush current of the consumer device 20 to the Rated current has fallen the same.
  • the startup time is about 50 ms.
  • the stationary temperature may, for example, describe a state in which the electrical power supplied to the device 10
  • Heat conduction and / or thermal radiation is delivered to the environment such that the temperature of the device 10 does not increase further.
  • the heating time and the electrical starting time are the same. In a further exemplary embodiment of the system 200, the heating time and the electrical starting time are in a ratio between 0.5 and 1.5 to each other.
  • the operation of the system 200 can be optimized, for example as inrush current limitation in motor vehicles, by the aforementioned tuning.
  • the system 200 may accordingly further comprise an electric power source (not explicitly shown in the figures), which is suitably configured
  • FIG. 4 shows the electrical switch-on behavior of the consumer device 20 with and without inrush current limitation.
  • the consumer device 20 is preferably an electric starter motor of a
  • the component 10 from FIG. 2 is connected in series with the load device 20.
  • the component 10 is therefore, for example, a component 10 designed as a disk with a functional layer 3 made of the NTC ceramic described above.
  • the functional layer 3 in this case has a diameter of 10 mm and a thickness of 0.1 mm.
  • other diameters and thicknesses or another structure of the component 10 for example, a structure according to Figure 1, conceivable.
  • the electric current (I) is plotted over time (see left ordinate axis). A time of 0 seconds corresponds instantaneously to the switch-on process. Furthermore, on the right-hand axis of the ordinate, the electrical voltage (U) is above the electronic component 10
  • the inrush current I is significantly higher shortly after the switch-on process, that is, for example, in the first 10 ms after the switch-on process, compared with the case of the series-connected component 10 as inrush current limitation.
  • the voltage drop shortly after the switch-on, for example, within the first 40 ms, without inrush current limit is greater than with inrush current limit.
  • the voltage U falls without
  • Inrush current limiting shortly after the switch-on from 12 V to about 6.5 V from.
  • the voltage drop during startup in comparison to a Consumer device 20 without component 10 reduced by about IV.
  • the voltage U drops shortly after the switch-on, in particular from 12 V to about 7.4 V.
  • the invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the includes

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Abstract

Die Erfindung betriffteine NTC-Keramik zur Verwendung in einem elektronischen Bauelement (10)zur Einschaltstrombegrenzung, wobei die NTC-Keramik bei einer Temperatur von 25°C und/oder bei Raumtemperatur einen elektrischen Widerstand im m Ω-Bereich aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein elektronisches Bauelement (10), ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements (10) und ein System (200)mit wenigstens einem elektronischen Bauelement (10).

Description

Beschreibung
NTC-Keramik, elektronisches Bauelement zur
Einschaltstrombegrenzung und Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements
Die Erfindung betrifft eine NTC-Keramik, ein elektronisches Bauelement zur Einschaltstrombegrenzung und ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements.
Start-Stopp Systeme im Automotive Bereich (PKW, LKW) stellen eine wesentliche Möglichkeit zur Treibstoffersparnis dar und werden deshalb in nahezu allen neuen Fahrzeugen eingebaut. Bei diesen Systemen muss der Einschaltstrom des Anlassers begrenzt werden, um ein Absinken der Bordnetzspannung
zu verhindern, damit insbesondere sicherheitsrelevante
Anwendungen (ABS, ESP) ausreichend versorgt werden.
Bei bekannten Start-Stopp Systemen wird die Versorgung verbessert (verstärkte Batterie) und die Bordspannung wird aufwendig und teuer mittels eines DC/DC-Wandlers
stabilisiert. Der DC/DC-Wandler benötigt dabei einerseits viel Platz und enthält andererseits teure Halbleiter (Relais bzw. MosFET) .
Daher wird nach preisgünstigeren und kompakteren Lösungen gesucht, beispielsweise durch den Einsatz von Vorwiderständen oder SE-Magneten. Dabei tritt jedoch ein größerer Abfall der Bordspannung auf.
Bekannt ist ferner die Idee, mittels Einschaltstrombegrenzer auf Basis von NTC-Keramiken den Spannungsabfall beim Start eines Elektromotors zu begrenzen. Es sind jedoch keine NTC- Einschicht-Elemente verfügbar, die bei Raumtemperatur einen Widerstand im mOhm-Bereich aufweisen. Daher wurden bislang Bauelemente favorisiert, bei denen die benötigte elektrische Leitfähigkeit durch Reduzierung der Schichtdicke und
Querschnittvergrößerung mittels Vielschichtbauweise
realisiert wurde.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte NTC- Keramik und ein verbessertes elektronisches Bauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die NTC-Keramik gemäß Anspruch 1, das Bauelement gemäß Anspruch 4 und das Verfahren gemäß
Anspruch 13 bzw. Anspruch 14 gelöst.
Gemäß einem Aspekt wird eine NTC-Keramik angegeben. Die NTC- Keramik ist zur Verwendung in einem elektronischen Bauelement ausgebildet, beispielsweise in einem Vielschicht-NTC- Bauelement und/oder in einem monolithischen NTC-Bauelement . Das Bauelement ist vorzugsweise ein Einschaltstrombegrenzer (ICL) .
Die NTC-Keramik weist bei einer Temperatur von 25°C einen elektrischen Widerstand im mQ-Bereich auf. Alternativ oder zusätzlich weist die NTC-Keramik bei Raumtemperatur einen elektrischen Widerstand im mQ-Bereich auf. Als Raumtemperatur wird die Temperatur verstanden, die üblicherweise in
bewohnten Räumen herrscht. Der genannte elektrische
Widerstand beschreibt vorzugsweise den elektrischen
Widerstand der unbelasteten Keramik zwischen Außenkontakten bei einer Umgebungstemperatur von 25°C. Beispielsweise weist die NTC-Keramik bei der angegeben
Temperatur einen elektrischen Widerstand von kleiner oder gleich 30 mQ auf, vorzugsweise kleiner 20 mQ, beispielsweise 14 mQ, 15 mQ, 16 mQ oder 17 mQ. Die NTC-Keramik weist
folglich einen äußerst geringen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur bzw. bei 25 °C und damit eine sehr hohe
elektrische Leitfähigkeit auf. Damit ist die NTC-Keramik besonders gut zum Einsatz in einem Einschaltstrombegrenzer mit hoher Stromlast geeignet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die NTC-Keramik die Zusammensetzung La(i-X)EA(X) Mn <i-a-b-c) Fe(a)CO(b)Ni(c)0(3±6) auf.
Dabei ist 0 < x < 0,5 und 0 < (a+b+c) < 0,5. EA bezeichnet ein Erdalkali-Element. Vorzugsweise wird das Erdalkali- Element aus Magnesium, Calcium, Strontium oder Barium
ausgewählt, δ bezeichnet die Abweichung vom stöchiometrischen SauerstoffVerhältnis ( Sauerstoffüberschuss bzw.
Sauerstoffdefizit). Vorzugsweise ist |δ| ^ 0,5. Besonders bevorzugt ist |δ| = 0.
Durch diese Zusammensetzung wird eine NTC-Keramik
bereitgestellt, welche sich durch eine außerordentlich hohe elektrische Leitfähigkeit und einen ausreichenden B-Wert auszeichnet. Durch (eine) Dicke und (einen) Querschnitt bzw. Fläche der Keramik können Widerstand und Stromtragfähigkeit weiter variiert und gesteuert werden.
Gemäß einem Aspekt wird ein elektronisches Bauelement
angegeben. Das elektronische Bauelement ist vorzugsweise ein Einschaltstrombegrenzer. Das Bauelement weist wenigstens eine Funktionsschicht oder aktive Schicht auf. Die
Funktionsschicht weist die oben beschriebene NTC-Keramik auf. Vorzugsweise besteht die Funktionsschicht aus der NTC- Keramik .
Das Bauelement zeichnet sich auf Grund der NTC-Keramik durch seine hohe elektrische Leitfähigkeit und den ausreichenden NTC-Effekt (B-Wert) aus. Damit wird ein einfaches und
kostengünstiges Bauelement zur Begrenzung des
Einschaltstroms bereitgestellt, welches auch bei den
niedrigen Spannungen und hohen Strömen, wie es für diese Anwendung gefordert wird, betrieben werden kann.
Durch den geringen elektrischen Widerstand im mQ-Bereich kann insbesondere erreicht werden, dass ein ausreichend hoher Einschaltstrom eines elektrischen Verbrauchers, welcher beispielsweise in einer entsprechenden Anwendung in Reihe zu dem elektronischen Bauelement geschaltet ist, zur Verfügung gestellt wird, aber soweit begrenzt wird, dass beispielsweise die elektrische Spannung beim Einschaltvorgang für die elektrische Versorgung weiterer wichtiger elektrischer
Komponenten noch ausreichend hoch ist. Mit Hilfe des
Bauelements wird der Spannungseinbruch beim Startvorgang des Verbrauchers im Vergleich zu einem Verbraucher ohne
Bauelement vorzugsweise um ca. I V reduziert. Dies kann bei der Anwendung des elektronischen Bauelements im Automobilbereich, insbesondere beim Einsatz als
Einschaltstrombegrenzer für elektrische Anlassermotoren bei Kraftfahrzeugen („Start-Stopp-Systemen") vorteilhaft oder wesentlich sein. Wenn der Einschaltstrom nicht ausreichend oder angemessen begrenzt wird, so kann eine Bordnetzspannung soweit absinken, dass auch weitere sicherheitsrelevante
Anwendungen wie ABS und ESP nicht mehr mit der vorgesehenen elektrischen Spannung versorgt werden können. In diesem Sinne trägt das elektronische Bauelement unmittelbar zu Sicherheitsaspekten und/oder zur Energieeffizienz im
Straßenverkehr bei. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt der spezifische elektrische Widerstand der wenigstens einen Funktionsschicht in einem Grundzustand des elektronischen Bauelements zwischen 0,1 Qcm und 2,0 Qcm. Vorzugsweise liegt der spezifische elektrische Widerstand der wenigstens einen Funktionsschicht in einem Grundzustand des elektronischen Bauelements zwischen 0,1 Qcm und 1,0 Qcm, beispielsweise bei 0,3 Qcm.
Der Grundzustand beschreibt dabei eine Temperatur des
Bauelements von 25 °C und/oder bei Raumtemperatur. Bei dem Grundzustand kann es sich um einen unbelasteten Zustand, in dem beispielsweise keine elektrische Leistung an das
Bauelement angelegt ist, handeln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Bauelement eine Dicke von kleiner oder gleich 1,0 mm, beispielsweise 0,5 mm, auf. Damit wird ein kompaktes und kleines Bauelement
bereitgestellt, das in unterschiedlichsten Einbausituationen Anwendung finden kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Bauelement ein monolithisches Bauelement. Vorzugsweise ist das Bauelement scheibenförmig oder plättchenförmig ausgebildet. Das
Bauelement kann in Form eines Substrats ausgebildet sein. Vorzugsweise weist das Bauelement genau eine Funktionsschicht auf. Die Funktionsschicht weist eine Dicke von kleiner oder gleich 1,0 mm, beispielsweise 0,3 mm, auf. Auf der
Funktionsschicht ist eine Metallisierung angeordnet. Die Metallisierung weist vorzugsweise Silber auf. Alternativ dazu kann die Metallisierung auch Kupfer oder Gold aufweisen.
Vorzugsweise kann eine Kontaktierung des Bauelements über ein metallisches Element, beispielsweise eine Zunge erfolgen. Die Zunge kann beispielsweise an einer Außenseite des Bauelements aufgelötet sein. Damit kann ein Einschaltstrombegrenzer in Form eines kompakten und kostengünstigen monolithisches
Bauelements (Scheibchen, Plättchen, etc.) bereitgestellt werden . Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Bauelement ein
Vielschichtbauelement . Beispielsweise weist das Bauelement eine Vielzahl von übereinander zu einem Stapel angeordneten Funktionsschichten, beispielsweise 10, 30 oder 50
Funktionsschichten, auf. Ferner weist das Bauelement eine Vielzahl von ersten Innenelektroden und zweiten
Innenelektroden auf, wobei jede der ersten und zweiten
Innenelektroden zwischen zwei benachbarten Funktionsschichten angeordnet. Die ersten Innenelektroden sind mit einem ersten Außenkontakt und die zweiten Innenelektroden mit einem zweiten Außenkontakt elektrisch leitend verbunden.
Vorzugsweise weisen die Außenkontakte Silber auf. Die
Außenkontakte können aber auch Kupfer oder Gold aufweisen.
Die Funktionsschichten sind so angeordnet und ausgebildet, insbesondere haben die Funktionsschichten einen derart kleinen spezifischen Widerstand, dass der erste und der zweite Außenkontakt sowohl in einem Grundzustand als auch in einem heißen Zustand des elektronischen Bauelements über die Funktionsschichten elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Der heiße Zustand bezeichnet einen Zustand des Bauelements bei einer Temperatur, welche größer ist als diejenige des elektronischen Bauelements in dem Grundzustand. Der Temperaturbereich zwischen dem Grundzustand und dem heißen Zustand kann beispielsweise jeden Temperaturbereich zwischen -55°C und +180°C überspannen oder sich über diesen Bereich erstrecken. Bevorzugt kann sich der Temperaturbereich
zwischen dem Grundzustand und dem heißen Zustand über den Bereich von -40°C bis +150°C erstrecken. Weiterhin ist das elektronische Bauelement ein NTC-Bauelement , das heißt ein heißleitendes Bauelement mit einem negativen
Temperaturkoeffizienten. Der heiße Zustand des elektronischen Bauelements beschreibt in diesem Sinne vorzugsweise einen beispielsweise durch eine anliegende elektrische Leistung erwärmten Zustand des elektronischen Bauelements. Bei dem heißen Zustand handelt es sich vorzugsweise weiterhin um einen stationären Temperaturzustand des Bauelements.
Durch die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem ersten Außenkontakt und dem zweiten Außenkontakt,
insbesondere in dem Grundzustand des elektronischen
Bauelements kann gegenüber herkömmlichen NTC-Bauelementen, welche in einem Grundzustand bei 25°C einen elektrischen Widerstand im Ω- oder kQ-Bereich aufweisen, erreicht werden, dass ein Einschaltstrom eines elektrischen Verbrauchers, welcher beispielsweise in einer entsprechenden Anwendung in Reihe zu dem elektronischen Bauelement geschaltet ist, soweit begrenzt wird, dass die elektrische Spannung beim
Einschaltvorgang für die elektrische Versorgung weiterer wichtiger elektrischer Komponenten noch ausreichend hoch ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Bauelement wenigstens an einen Kühlkörper thermisch angebunden. Dies kann zur
Begrenzung der Erwärmung des Bauelements während eines
Betriebs des Bauelements beitragen. Vorzugsweise wird dadurch die Erwärmung beim Starten und/oder die Peaktemperatur beeinflusst bzw. begrenzt. Damit wird die Funktionalität und die Langlebigkeit des Bauelements erhöht. Der Kühlkörper weist beispielsweise Kupfer auf. Beispielsweise ist der
Kühlkörper ein Kupferblech.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements beschrieben. Vorzugsweise wird durch das Verfahren das oben beschriebene Bauelement
hergestellt. Alle Merkmale, die im Zusammenhang mit dem
Bauelement und/oder der NTC-Keramik beschrieben wurden, gelten auch für das Verfahren und umgekehrt.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Bereitstellen von Keramikpulver. Beispielsweise werden La2Ü3, SrCC>3 und Mn3Ü4 bereitgestellt und in stöchiometrischen Mengen eingewogen. Aber auch andere Materialien für das
Keramikpulver sind vorstellbar.
- Kalzinieren des Keramikpulvers. Beispielsweise wird das Pulver in einem Kalzinierprozess sechs Stunden lang auf 900°C aufgeheizt. Dabei kann das CO2 entweichen und die einzelnen Rohstoffe reagieren zu der gewünschten chemischen Verbindung.
- Vermengen des Keramikpulvers mit Wasser zur Erzeugung eines Granulats. Das Vermengen mit Wasser und ein anschließendes Mahlen dient dazu eine ausreichende Sinteraktivtät zu
erhalten. Nach dem Verdampfen des Wassers wird vorzugsweise ein Bindemittel beigegeben, um das Granulat zu erzeugen. - Pressen des Granulats. Beispielsweise werden in diesem Schritt zylindrische Bauelemente durch Trockenpressen erzeugt . - Ausbrennen des Bindemittels (Entkohlen) . Das Bindemittel wird vorzugsweise bei 400 bis 500 °C ausgebrannt.
- Sintern des Granulats. In diesem Schritt wird das Granulat bzw. die aus dem Granulat gepressten Bauelemente
beispielsweise bei 1250°C gesintert.
- Kontaktierung des gesinterten Körpers mit einer
Silberpaste . Durch das Verfahren wird ein kompaktes und kostengünstiges Bauelement hergestellt, das zur Begrenzung des
Einschaltstroms eingesetzt werden kann. Durch die sehr hohe elektrische Leitfähigkeit der Funktionsschicht des
Bauelements (NTC-Keramik) kann der Einschaltstrombegrenzer als kostengünstiges, monolithisches Bauelement (Scheibchen, Plättchen, etc.) ausgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur
Herstellung eines elektronischen Bauelements beschrieben. Vorzugsweise wird durch das Verfahren das oben beschriebene Bauelement hergestellt. Alle Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Bauelement und/oder der NTC-Keramik beschrieben wurden, gelten auch für das Verfahren und umgekehrt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Bereitstellen von Grünfolien zur Ausbildung von
Funktionsschichten. Die Grünfolien weisen vorzugsweise das oben beschriebene NTC-Keramikmaterial auf. Insbesondere sind die Grünfolien Folien für eine herzustellende NTC-Keramik oder NTC-Keramikschicht . Bei den Grünfolien handelt es sich vorzugsweise um Schichten aus einem Rohmaterial, welches beispielsweise nicht gesintert ist.
- Versehen der Grünfolien mit Innenelektroden. Die Grünfolien werden vorzugsweise jeweils mit mindestens einer
Innenelektrode oder Innenelektrodenschicht bedruckt. Die Innenelektroden können beispielsweise durch Siebdruck auf die Grünfolien gedruckt werden.
- Stapeln der mit den Innenelektroden versehenen Grünfolien zu einem Stapel. Das Stapeln erfolgt vorzugsweise derart, dass die Innenelektroden jeweils zwischen zwei benachbarten Grünfolien angeordnet werden.
- Pressen des Stapels. Vorzugsweise wird der Stapel zu einem Block gepresst. Das Verfahren umfasst beispielsweise
weiterhin das Vereinzeln des Blocks in Teilblöcke.
Vorzugsweise wird der Block zum Vereinzeln des Blocks
geschnitten .
- In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Stapel bzw. der gepresste Block anschließend thermisch behandelt. Das
thermische Behandeln umfasst beispielsweise ein Entkohlen des Stapels bzw. des Blocks. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Stapel bzw. der Block während des thermischen
Behandeins gesintert. Die Sinterung erfolgt zweckmäßigerweise nach dem Entkohlen. - Versehen des Stapels bzw. des Blocks mit Außenkontakten. Die Außenkontakte weisen vorzugsweise Silber, Kupfer oder Gold auf. Durch das Verfahren wird ein Bauelement hergestellt, das zur Begrenzung des Einschaltstroms eingesetzt werden kann. Durch die sehr hohe elektrische Leitfähigkeit der Funktions¬ schichten des Bauelements (NTC-Keramik) kann ein besonders effizienter Einschaltstrombegrenzer bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein System mit wenigstens einem elektronischen Bauelement beschrieben. Das Bauelement entspricht vorzugsweise dem oben beschriebenen Bauelement. Alle Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Bauelement
beschrieben wurden, gelten auch für das System und umgekehrt.
Das System kann auch mehr als ein Bauelement, beispielsweise drei elektronische Bauelemente, aufweisen. Die mehreren bzw. die überwiegenden Bauelemente sind zueinander parallel geschaltet. Das System weist ferner eine
Verbrauchereinrichtung auf, welche elektrisch zu dem
elektronischen Bauelement in Reihe geschaltet ist und
zusammen mit dem elektronischen Bauelement einer
Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Das System kann
entsprechend weiterhin eine elektrische Leistungsquelle umfassen, die dazu ausgebildet ist, den genannten
Einschaltstrom bereitzustellen.
Das System ist derart ausgebildet, dass eine Erwärmungszeit, das heißt die Zeit, in der ein Einschaltstrom der
Verbrauchereinrichtung das elektronische Bauelement auf eine stationäre Temperatur erwärmt, auf eine elektrische
Anlaufzeit der Verbrauchereinrichtung abgestimmt ist. Die elektrische Anlaufzeit bestimmt, wann der Einschaltstrom auf den Nennstrom der Verbrauchereinrichtung abgefallen ist.
Die stationäre Temperatur stellt vorzugsweise die Temperatur des oben genannten heißen Zustands des elektronischen
Bauelements dar. Weiterhin beschreibt die stationäre
Temperatur vorzugsweise alternativ oder zusätzlich eine
Gleichgewichtstemperatur und/oder eine Betriebstemperatur des Systems. Die stationäre Temperatur beträgt vorzugsweise
120°C.
Durch die Abstimmung der Erwärmungszeit auf die Anlaufzeit oder umgekehrt kann, beispielsweise gegenüber der Situation, in der die Erwärmungszeit im Vergleich zu der elektrischen Anlaufzeit zu kurz bemessen ist, einer Beschädigung weiterer elektrisch mit dem System oder der Verbrauchereinrichtung wechselwirkender Komponenten, vorgebeugt werden. Weiterhin kann durch die genannte Abstimmung, beispielsweise gegenüber der Situation, in der die Erwärmungszeit im Vergleich zu der elektrischen Anlaufzeit zu lang bemessen ist, ein
ordnungsgemäßer zuverlässiger Betrieb der Verbrauchereinrichtung beispielsweise im Zusammenwirken mit den oben genannten weiteren, mit dem System oder der Verbrauchereinrichtung wechselwirkenden Komponenten, erreicht werden. Die weiteren genannten Komponenten können, wie oben
angedeutet, elektrische Komponenten des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, wie das ABS oder ESP-System bezeichnen.
Die Erwärmungszeit ist vorzugsweise oder zweckmäßigerweise gleich der oder geringfügig kürzer als die Anlaufzeit.
Insgesamt ist das elektronische Bauelement und/oder das
System vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Erwärmungszeit und die Anlaufzeit zumindest weitgehend gleich sind .
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungs¬ beispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines
elektronischen Bauelements.
Figur 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines
elektronischen Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Systems
umfassend ein Bauelement gemäß Figur 1 oder 2 und einer Verbrauchereinrichtung.
Figur 4 zeigt das Einschaltverhalten einer
Verbrauchereinrichtung mit und ohne Verschaltung des elektronischen Bauelements.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines elektronischen Bauelements 10. Das elektronische Bauelement 10 ist vorzugsweise ein NTC-Bauelement . Das elektronische Bauelement 10 findet vorzugsweise Anwendung als Einschaltstrombegrenzer, insbesondere für elektrische
Anlassermotoren in „Start-Stopp-Systemen" für Kraftfahrzeuge.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Bauelement 10 ein
Vielschichtbauelement . Das Bauelement 10 weist eine Vielzahl von ersten Innenelektroden 1 auf. Das Bauelement 10 weist eine Vielzahl von zweiten Innenelektroden 2 auf. Die ersten und zweiten Innenelektroden 1, 2 sind alternierend
übereinander angeordnet. Die ersten und zweiten
Innenelektroden 1, 2 sind vorzugsweise gleichartig
ausgebildet. Weiterhin überlappen die ersten Innenelektroden 1, in Aufsicht auf das Bauelement 10 betrachtet, mit den zweiten Innenelektroden 2, beispielsweise um einen elektrisch aktiven Bereich, den Überlappbereich, zu bilden.
Das Bauelement 10 weist ferner einen ersten Außenkontakt 11 auf. Der erste Außenkontakt 11 ist an einer ersten
Seitenfläche des elektronischen Bauelements 10 angeordnet. Die ersten Innenelektroden 1 sind elektrisch leitend mit dem ersten Außenkontakt 11 verbunden. Vorzugsweise weist der erste Außenkontakt 11 Silber auf.
Das elektronische Bauelement 10 weist weiterhin einen zweiten Außenkontakt 12 auf. Der zweite Außenkontakt 12 ist an einer zweiten Seitenfläche des elektronischen Bauelements 10 angeordnet. Die zweite Seitenfläche liegt der ersten
Seitenfläche gegenüber. Die zweiten Innenelektroden 2 sind elektrisch leitend mit dem zweiten Außenkontakt 12 verbunden. Vorzugsweise weist der zweite Außenkontakt 12 Silber auf.
Das elektronische Bauelement 10 weist eine Vielzahl von
Funktionsschichten oder aktiven Schichten 3 auf. Die
Funktionsschichten 3 sind übereinander zu einem Stapel angeordnet. Die Innenelektroden 1, 2 und die Funktions¬ schichten 3 sind insbesondere abwechselnd bzw. alternierend zu einem Stapel angeordnet. Jede der ersten und zweiten
Innenelektroden 1, 2 ist zwischen zwei benachbarten
Funktionsschichten 3 angeordnet.
Die jeweilige Funktionsschicht 3 weist ein keramisches
Material auf. Insbesondere weist die Funktionsschicht 3 eine NTC-Keramik auf. Die jeweilige Funktionsschicht 3 besteht aus der NTC-Keramik. Die NTC-Keramik weist die folgende
Zusammensetzung auf:
La (i-x) EA(X) Mn (1_a_b_c) Fe <a> Co <b> Ni (c) 0(3+5) ·
Dabei gilt 0 < x < 0,5 und 0 < (a+b+c) < 0,5. EA steht für ein Erdalkali-Element, beispielsweise Mg, Ca, Sr oder Ba. δ bezeichnet die Abweichung vom stöchiometrischen
Sauerstoff erhältnis ( Sauerstoffüberschuss bzw.
Sauerstoffdefizit). Vorzugsweise ist |δ| -S 0,5, besonders bevorzugt ist |δ| = 0. Beispielsweise weist die NTC-Keramik die Zusammensetzung Lao.95Sro.osMn03 auf.
Die Funktionsschichten 3 sind vorzugsweise gleichartig oder ähnlich ausgebildet. Die jeweilige Funktionsschicht 3 weist eine Dicke oder vertikale Ausdehnung auf (im Folgenden als „Schichtdicke" bezeichnet) . Die Schichtdicke der
Funktionsschichten 3 beträgt vorzugsweise zwischen 10 ym und 100 ym oder zwischen 10 ym und 50 ym, beispielsweise 40 ym. Die Schichtdicke 3 der jeweiligen Funktionsschicht 3 ist so gewählt, dass die jeweilige Funktionsschicht 3 einen
vorbestimmten bzw. speziellen Widerstand aufweist.
Insbesondere kann durch die Dicke der Funktionsschicht 3 ein Widerstand und eine Stromtragfähigkeit der Funktionsschicht 3 variiert und gesteuert werden. Die jeweilige Funktionsschicht 3 weist eine bestimmte Fläche oder einen bestimmten Querschnitt auf (im Folgenden
bezeichnet als „horizontale Ausdehnung") . Die horizontale Ausdehnung wird festgelegt durch eine Breite und eine Länge der Funktionsschicht 3. Die Breite beträgt vorzugsweise 4,0 bis 5,0 mm, beispielsweise 4,8 mm. Die Länge beträgt
vorzugsweise 5,0 mm bis 6,0 mm, beispielsweise 5,6 mm. Die horizontale Ausdehnung der jeweiligen Funktionsschicht 3 ist so gewählt, dass die jeweilige Funktionsschicht 3 einen vorbestimmten bzw. speziellen Widerstand aufweist.
Insbesondere kann durch die horizontale Ausdehnung der
Funktionsschicht 3 der Widerstand und die Stromtragfähigkeit der Funktionsschicht 3 variiert und gesteuert werden.
Vorzugsweise liegt der elektrische Widerstand der jeweiligen Funktionsschicht 3 bei einer Temperatur von 25°C im mQ- Bereich, beispielsweise bei 15 mQ oder 20 mQ. Mit anderen Worten, die Funktionsschicht 3 weist vorzugsweise einen sehr geringen elektrischen Widerstand und damit eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit bei einer Temperatur von 25°C auf.
Durch Wahl einer bestimmten horizontalen und/oder vertikalen Ausdehnung der jeweiligen Funktionsschicht 3, kann die
Strombelastbarkeit und/oder Stromtragfähigkeit des
elektronischen Bauelements bis hin zu Stromstärken von einigen 100 A, beispielsweise gegenüber konventionellen NTC- Bauelementen, erhöht werden. Die Funktionsschichten 3 sind vorzugsweise so ausgebildet, dass der erste und der zweite Außenkontakt 11, 12 des elektronischen Bauelements 10 sowohl in einem Grundzustand als auch in einem heißen Zustand (Betriebszustand) des elektronischen Bauelements 10 über die Funktionsschichten 3 elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind.
Der spezifische elektrische Widerstand der jeweiligen
Funktionsschicht 3 im Grundzustand des elektronischen
Bauelements 10, beispielsweise bei einer Temperatur von 25°C, liegt vorzugsweise zwischen 0,1 Qcm und 0,2 Qcm,
beispielsweise bei 0,145 Qcm (siehe hierzu auch Tabelle 1) . Der B-Wert (Thermistorkonstante) der Funktionsschichten 3 beträgt vorzugsweise weniger als 3000 K und mehr als 1500 K, beispielsweise 1650 bis 1750 K, bevorzugt 1700 K (siehe hierzu auch Tabelle 1) . Der oben erwähnte Grundzustand beschreibt vorzugsweise eine Temperatur des elektronischen Bauelements 10 von 25°C
und/oder bei Raumtemperatur. Der heiße Zustand beschreibt vorzugsweise eine Temperatur des elektronischen Bauelements 10, welche größer ist als die Temperatur des elektronischen Bauelements 10 in dem Grundzustand. Bei dem heißen Zustand handelt es sich vorzugsweise um einen Betriebszustand, in dem das elektronische Bauelement 10 eine Betriebstemperatur angenommen hat. Die Betriebstemperatur kann eine stationäre Temperatur, beispielsweise des belasteten Bauelements 10, darstellen. Demgegenüber beschreibt der Grundzustand
vorzugsweise einen unbelasteten Zustand des Bauelements 10.
Der Temperaturbereich zwischen dem Grundzustand und dem heißen Zustand kann sich beispielsweise über den
Temperaturbereich zwischen -55°C und +180°C erstrecken.
Besonders bevorzugt erstreckt sich der Temperaturbereich zwischen dem Grundzustand und dem heißen Zustand über den Bereich von -40°C bis +150°C. Um die Erwärmung des Bauelements 10 während dessen Betrieb zu begrenzen, kann das Bauelement 10 thermisch an einen
Kühlkörper angebunden sein. Der Kühlkörper kann
beispielsweise ein Cu-Blech aufweisen. Mit Hilfe des
Kühlkörpers kann die Erwärmung beim Starten und die
Peaktemperatur beeinflusst bzw. begrenzt werden.
Anders als in der Figur 1 dargestellt, kann das elektronische Bauelement 10 in einem besonders bevorzugten
Ausführungsbeispiel in Form eines Scheibchens oder eines Substrats ausgeführt sein (Figur 2) . Insbesondere ist das Bauelement 10 in diesem Ausführungsbeispiel ein
monolithisches Bauelement.
Das Bauelement 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel nur eine Funktionsschicht oder aktive Schicht 3 auf. Die
Funktionsschicht 3 weist eine Außenmetallisierung
beispielsweise in Form von einem ersten und einem zweiten Außenkontakt 11, 12 auf. Die Außenkontakte 11, 12 sind beispielsweise an den gegenüberliegenden Seitenflächen der Funktionsschicht 3 angeordnet. Alternativ dazu können die Außenkontakte 11, 12 aber auch an einer Oberseite und einer Unterseite der Funktionsschicht 3 angeordnet sein, wie in Figur 2 dargestellt ist. Die Außenkontakte 11, 12 weisen vorzugsweise Silber auf. Eine elektrische Kontaktierung des Bauelements 10 erfolgt beispielsweise mittels einer
aufgelöteten leitfähigen Zunge (nicht explizit dargestellt) . Die Funktionsschicht 3 hat in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise einen Durchmesser von weniger als 15 mm, beispielsweise 10 mm. Die Funktionsschicht 3 hat vorzugsweise eine Dicke von weniger als 0,5 mm, beispielsweise 0,1 mm, besonders bevorzugt 0,3 mm. Wie bereits in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben, wird durch die Dicke der Funktionsschicht 3 der Widerstand und die Stromtragfähigkeit der
Funktionsschicht 3 variiert und gesteuert.
Das Bauelement 10 gemäß Figur 2 weist eine geringe Dicke oder vertikale Ausdehnung auf als das in Zusammenhang mit Figur 1 beschriebene Bauelement 10. Das fertige Bauelement 10 mit Metallisierung und Kontaktierung weist beispielsweise eine Dicke von kleiner oder gleich 0,5 mm auf.
Der spezifische elektrische Widerstand der Funktionsschicht 3 im Grundzustand des elektronischen Bauelements 10 liegt, wie bereits in Zusammenhang mit Figur 1 erläutert, vorzugsweise zwischen 0,1 Qcm und 0,2 Qcm, beispielsweise bei 0,145 Qcm (siehe hierzu auch Tabelle 1) . Damit weist die
Funktionsschicht 3 bei Raumtemperatur bzw. bei 25°C einen sehr geringen Widerstand und folglich eine sehr hohe
elektrische Leitfähigkeit auf. Damit ist ein einfaches und kostengünstiges Bauelement 10 zur Begrenzung des
Einschaltstroms realisiert, welches auch bei den niedrigen Spannungen und hohen Strömen, wie es für diese
Anwendung gefordert wird, betrieben werden kann. Die Strombelastbarkeit und/oder Stromtragfähigkeit des
Bauelements 10 kann durch eine Parallelschaltung von mehreren Bauelementen 10 gemäß Figur 2 noch weiter verstärkt werden. Beispielsweise können drei Bauelemente 10 parallel geschaltet werden, um die Stromtragfähigkeit weiter zu erhöhen und den elektrischen Widerstand abzusenken.
Alle weiteren Merkmale des Bauelements 10 gemäß Figur 2, insbesondere dessen Funktionsweise und der Aufbau der Funktionsschicht 3 (NTC-Keramik) entsprechen den in
Zusammenhang mit der Figur 1 beschriebenen Merkmalen.
Das Bauelement 10 gemäß der Figur 2 wird beispielsweise folgendermaßen hergestellt. Dabei wird exemplarisch ein
Bauelement 10 mit einer Funktionsschicht 3 beschrieben, die eine NTC-Keramik der Zusammensetzung Lao.95Sro.osMn03 aufweist. Selbstverständlich sind in diesem Zusammenhang auch andere Zusammensetzungen der NTC-Keramik gemäß der oben angegeben Formel möglich.
Die Herstellung des Bauelements 10 erfolgt nach dem so genannten „Mixed Oxide Verfahren". Zunächst werden dabei La2Ü3, SrC03 und Mn3Ü4 in stöchiometrischen Mengen eingewogen und nass vermählen. Die Mahlung erfolgt auf einer
Planetenkugelmühle mit Mahlperlen aus ZrÜ2. Der Fortgang der Mahlung wird durch Kontrolle der Korngrößenverteilung beobachtet und beendet wenn d(90%) < 1,5 ym. Die Suspension wird anschließend getrocknet und gesiebt. Das erhaltene Pulver wird in einem Kalzinierprozess 6 Stunden lang auf 900°C aufgeheizt. Dabei kann das gebildete CO2 entweichen und die einzelnen Rohstoffe reagieren zu
der gewünschten chemischen Verbindung. Die Vollständigkeit der Umsetzung wird mittels XRD-Analyse überprüft und
bestätigt .
Um eine ausreichende Sinteraktivität zu erhalten, wird das Pulver neuerlich mit Wasser gemischt und gemahlen bis eine mittlere Korngröße von 0,5 ym erreicht ist. Nach dem
Verdampfen des Wassers wird das Pulver mit einem geeigneten Bindemittel vermengt, so dass ein zum Trockenpressen
geeignetes Granulat erzeugt wird. Nun werden zylindrische Bauelemente auf einer Tablettenpresse hergestellt und
anschließend im Laborofen bei 1250°C gebrannt.
Die dicht gesinterten Bauelemente werden danach auf Maß geschliffen und mit einer Silberpaste kontaktiert. Von den fertigen Bauelementen wird der Widerstand im
Temperaturbereich von -30°C bis +180°C gemessen.
Die Ergebniswerte von drei nach dem obigen Herstellungs- verfahren hergestellten Bauelementen 10 sind in der Tabelle 1 dargestellt. Die Tabelle 1 zeigt insbesondere die gesinterte Dichte, den spezifischen Widerstand bei 25 °C sowie den B- Wert des jeweiligen Bauelements 10.
Figure imgf000023_0001
Tabelle 1: Ergebniswerte von drei Bauelementen gemäß dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren
Die Tabelle 2 zeigt im Folgenden andere Ausführungen der Keramikzusammensetzung. Dabei wurden unter ähnlichen
Herstellungsbedingungen verschiedene Keramikzusammensetzungen getestet .
Figure imgf000024_0001
Tabelle 2: Ergebnisse von verschiedenen Rezepturen aus dem Bereich der Zusammensetzung der NTC-Keramik Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 200, in dem das elektronische Bauelement 10 in Reihe zu einer elektrischen Verbrauchereinrichtung 20 verschaltet und/oder angeordnet ist. In dem System 200 ist - bei einer gemeinsamen Umgebungstemperatur des elektronischen Bauelements 10 und der
Verbrauchereinrichtung 20 - die Erwärmungszeit, das heißt die Zeit, in der der Einschaltstrom der Verbrauchereinrichtung 20 das elektronische Bauelement 10 auf eine stationäre
Temperatur erwärmt oder erwärmt hat, vorzugsweise auf die elektrische Anlaufzeit der Verbrauchereinrichtung 20
abgestimmt. Die elektrische Anlaufzeit bestimmt, wann der Einschaltstrom der Verbrauchereinrichtung 20 auf den Nennstrom derselben abgefallen ist. Beispielsweise beträgt die Anlaufzeit circa 50 ms. Die stationäre Temperatur kann beispielsweise einen Zustand beschreiben, in dem die dem Bauelement 10 zugeführte elektrische Leistung über
Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung derart an die Umgebung abgegeben wird, dass sich die Temperatur des Bauelements 10 nicht weiter erhöht.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Systems 200 sind die Erwärmungszeit und die elektrische Anlaufzeit gleich. In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Systems 200 stehen die Erwärmungszeit und die elektrische Anlaufzeit in einem Verhältnis zwischen 0,5 und 1,5 zueinander. Durch die genannte Abstimmung kann insbesondere der Betrieb des Systems 200 beispielsweise als Einschaltstrombegrenzung in Kraftfahrzeugen optimiert werden.
Das System 200 kann entsprechend weiterhin eine elektrische Leistungsquelle (in den Figuren nicht explizit dargestellt) umfassen, die zweckmäßigerweise ausgebildet ist, den
genannten Einschaltstrom bereitzustellen.
Die Figur 4 zeigt das elektrische Einschaltverhalten der Verbrauchereinrichtung 20 mit und ohne Einschaltstrombegrenzung. Bei der Verbrauchereinrichtung 20 handelt es sich vorzugsweise um einen elektrischen Anlassermotor eines
Kraftfahrzeugs. Dabei ist beispielhaft das Bauelement 10 aus Figur 2 in Reihe zu der Verbrauchereinrichtung 20 geschaltet. Bei dem Bauelement 10 handelt es sich folglich beispielhaft um ein als Scheibchen ausgeführtes Bauelement 10 mit einer Funktionsschicht 3 aus der oben beschriebenen NTC-Keramik. Die Funktionsschicht 3 weist hierbei einen Durchmesser von 10 mm und eine Dicke von 0,1 mm auf. Selbstverständlich sind auch andere Durchmesser und Dicken oder ein anderer Aufbau des Bauelements 10, beispielsweise ein Aufbau gemäß Figur 1, vorstellbar .
In Figur 4 ist der elektrische Strom (I) über der Zeit aufgetragen (siehe linke Ordinatenachse) . Eine Zeit von 0 Sekunden entspricht dabei instantan dem Einschaltvorgang. Weiterhin ist auf der rechten Ordinatenachse die elektrische Spannung (U) über dem elektronischen Bauelement 10
aufgetragen .
Die gestrichelten Linien beschreiben jeweils den Strombeziehungsweise Spannungsverlauf mit dem in Reihe
geschalteten Bauelement 10 als Einschaltstrombegrenzer, wohingegen die durchgezogenen Linien den Strom- und
Spannungsverlauf der Verbraucher-einrichtung 20 entsprechend ohne das Bauelement 10, das heißt ohne Begrenzung des
Einschaltstroms darstellen.
Es ist zu erkennen, dass der Einschaltstrom I kurz nach dem Einschaltvorgang, also beispielsweise in den ersten 10 ms nach dem Einschaltvorgang, verglichen mit dem Fall des in Reihe geschalteten Bauelements 10 als Einschaltstrom- begrenzung, signifikant höher ist.
Dementsprechend ist auch der Spannungsabfall kurz nach dem Einschaltvorgang, beispielsweise innerhalb der ersten 40 ms, ohne Einschaltstrombegrenzung größer als mit Einschaltstrom- begrenzung. Insbesondere fällt die Spannung U ohne
Einschaltstrombegrenzung kurz nach dem Einschaltvorgang von 12 V auf etwa 6,5 V ab. Mit Hilfe des Bauelements 10 wird der Spannungseinbruch beim Startvorgang im Vergleich zu einer Verbrauchereinrichtung 20 ohne Bauelement 10 um ca. IV reduziert. Mit Bauelement 10 fällt die Spannung U kurz nach dem Einschaltvorgang insbesondere von 12 V auf etwa 7,4 V ab. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
1 Erste Innenelektrode
2 Zweite Innenelektrode
3 Funktionsschicht / aktive Schicht
10 Elektronisches Bauelement
11 Erster Außenkontakt
12 Zweiter Außenkontakt
20 Verbrauchereinrichtung
200 System
I Stromverlauf
u Spannungsverlauf

Claims

Patentansprüche
1. NTC-Keramik zur Verwendung in einem elektronischen
Bauelement (10) zur Einschaltstrombegrenzung,
wobei die NTC-Keramik bei einer Temperatur von 25°C und/oder bei Raumtemperatur einen elektrischen Widerstand im mQ- Bereich aufweist.
2. NTC-Keramik nach Anspruch 1,
wobei die NTC-Keramik die Zusammensetzung
La(i-X)EA(x)Mn ( l-a-b-c) Fe(a)CO(b)Ni(c)0(3±6) aufweist,
wobei 0 ^ x ^ 0,5 und 0 ^ (a+b+c) 0,5 und wobei EA ein Erdalkali-Element bezeichnet, und wobei δ eine Abweichung von einem stöchiometrischen SauerstoffVerhältnis bezeichnet.
3. NTC-Keramik nach Anspruch 2,
wobei das Erdalkali-Element (EA) ausgewählt ist aus
Magnesium, Calcium, Strontium oder Barium und/oder wobei |δ| ^ 0,5 beträgt .
4. Elektronisches Bauelement (10) aufweisend wenigstens eine Funktionsschicht (3) , wobei die Funktionsschicht (3) die NTC- Keramik nach einem der vorigen Ansprüche aufweist.
5. Elektronisches Bauelement (10) nach Anspruch 4,
wobei der spezifische elektrische Widerstand der wenigstens einen Funktionsschicht (3) in einem Grundzustand des
elektronischen Bauelements (10) zwischen 0,1 Qcm und 2,0 Qcm beträgt .
6. Elektronisches Bauelement (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Bauelement (10) eine Dicke von kleiner oder gleich 1,0 mm aufweist.
7. Elektronisches Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
wobei das Bauelement (10) ein monolithisches Bauelement ist.
8. Elektronisches Bauelement (10) nach Anspruch 7,
wobei das Bauelement (10) genau eine Funktionsschicht (3) aufweist, wobei die Funktionsschicht (3) eine Dicke von kleiner oder gleich 1,0 mm aufweist, und wobei eine
Metallisierung auf der Funktionsschicht (3) angeordnet ist.
9. Elektronisches Bauelement (10) nach Anspruch 8,
wobei die Metallisierung Silber, Kupfer oder Gold aufweist.
10. Elektronisches Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
wobei das Bauelement (10) ein Vielschichtbauelement ist.
11. Elektronisches Bauelement (10) nach Anspruch 10,
wobei das Bauelement (10) eine Vielzahl von übereinander zu einem Stapel angeordneten Funktionsschichten (3) , ersten Innenelektroden (1) und zweiten Innenelektroden (2) aufweist, wobei jede der ersten und zweiten Innenelektroden (2)
zwischen zwei benachbarten Funktionsschichten (3) angeordnet ist, wobei die ersten Innenelektroden (1) mit einem ersten Außenkontakt (11) und die zweiten Innenelektroden (2) mit einem zweiten Außenkontakt (12) elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Funktionsschichten (3) so angeordnet und ausgebildet sind, dass der erste und der zweite Außenkontakt (11, 12) sowohl in einem Grundzustand als auch in einem heißen Zustand des elektronischen Bauelements (10), das heißt bei einer Temperatur, welche größer ist als diejenige des elektronischen Bauelements (10) in dem Grundzustand, über die Funktionsschichten (3) elektrisch leitend miteinander
verbunden sind.
12. Elektronisches Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 11,
wobei das Bauelement (10) wenigstens an einen Kühlkörper thermisch angebunden ist zur Begrenzung der Erwärmung des Bauelements (10) während eines Betriebs des Bauelements (10), und wobei der Kühlkörper Kupfer aufweist.
13. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen
Bauelements (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 12,
aufweisend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen von Keramikpulver;
- Kalzinieren des Keramikpulvers;
- Vermengen des Keramikpulvers mit Wasser und Binder zur Erzeugung eines Granulats;
- Pressen des Granulats;
- Sintern des Granulats;
- Kontaktierung des gesinterten Körpers mit einer
Silberpaste .
14. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen
Bauelements (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 12,
aufweisend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen von Grünfolien;
- Bedrucken der Grünfolien mit Innenelektroden (1, 2);
- Stapeln der mit den Innenelektroden (1, 2) versehenen
Grünfolien zu einem Stapel;
- Sintern des Stapels;
- Versehen des Stapels mit Außenkontakten (11, 12) .
15. System (200) mit wenigstens einem elektronischen
Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 12,
aufweisend eine Verbrauchereinrichtung (20), welche
elektrisch zu dem elektronischen Bauelement (10) in Reihe geschaltet ist und zusammen mit dem elektronischen Bauelement (10) einer Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, wobei das System (200) derart ausgebildet ist, dass die Erwärmungszeit, also die Zeit, in der ein Einschaltstrom der
Verbrauchereinrichtung (20) das elektronische Bauelement (10) auf eine stationäre Temperatur erwärmt, auf die elektrische Anlaufzeit der Verbrauchereinrichtung (20) abgestimmt ist, die bestimmt, wann der Einschaltstrom auf den Nennstrom der Verbrauchereinrichtung (20) abgefallen ist.
16. System (200) nach Anspruch 15, aufweisend drei
elektronische Bauelemente (10), wobei die Bauelemente (10) zueinander parallel geschaltet sind.
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