DE69504333T2

DE69504333T2 - Elektrisches bauteil mit einem ptc-widerstandselement

Info

Publication number: DE69504333T2
Application number: DE69504333T
Authority: DE
Inventors: Shou-Mean Yokohama 237 Fang; Michael Taikoo Shing Zhang
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1994-05-16
Filing date: 1995-05-04
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2015-05-05
Also published as: EP0853323A2; CN1148441A; CN1275778A; US5831510A; DE69504333D1; CN1171245C; JPH10500255A; CN1054941C; EP0853323A3; US6292088B1; CA2190361A1; EP0760157A1; EP0760157B1; WO1995031816A1

Description

Elektrische Vorrichtungen die ein PTC-Widerstandselement aufweisen

Die Erfindung betrifft elektrische Vorrichtungen.
Unsere Internationale Anmeldung Nr. PCT/US94/10137, eingereicht am 13. September 1994 (Docket MP1490), beschreibt viele verschiedene verbesserte Vorrichtungen (und Verfahren zur Hertellung solcher Vorrichtungen), die ein laminares elektrisches Element, bevorzugt ein aus einem leitfähigen Polymer bestehendes PTC-Widerstandselement aufweisen, das zwischen zwei laminaren Elektroden angeordnet ist. Diese verbesserten Vorrichtungen weisen ein querleitfähiges Element (häufig als ein Querleiter bezeichnet) auf, das durch das elektrische Element hindurch verläuft und mit der einen der Elektroden, aber nicht mit der anderen verbunden ist.
Bevorzugt weist die Vorrichtung folgendes auf: eine erste laminare Elektrode, die mit dem Querleiter verbunden ist; eine zweite laminare Elektrode, die mit dem Querleiter nicht verbunden ist; und ein zusätzliches laminares leitfähiges Element, das (i) mit dem Querleiter verbunden ist, (ii) an der gleichen Fläche des elektrischen Elements wie die zweite Elektrode befestigt ist und (iii) von der zweiten Elektrode beabstandet ist. Das zusätzliche leitfähige Element und die zweite Elektrode sind bevorzugt so ausgebildet, daß ein Streifen von einem laminaren leitfähigen Element entfernt ist, so daß das laminare leitfähige Element in zwei Teile geteilt ist.
Diese verbesserten Vorrichtungen sind zur Installation, beispielsweise auf einer Leiterplatte, durch Lötverbindungen mit der zweiten Elektrode und dem zusätzlichen leitfähigen Element besonders brauchbar. Für eine solche Installation sind das zusätzliche leitfähige Element und/oder die zweite Elektrode bevorzugt mit einer äußeren Lotschicht versehen. Wenn, wie in der genannten Anmeldung Nr. PCT/US94/10137 beschrieben ist, die Vorrichtungen durch Aufteilen eines geeignet behandelten Laminats, das viele Vorrichtungen aufweist, hergestellt sind, führen die bevorzugten Herstellungsverfahren dazu, daß die Oberfläche der ersten Elektrode ebenfalls eine äußere Schicht des gleichen Lots trägt. Die Lotschichten auf dem zusätzlichen leitfähigen Element und auf der ersten Elektrode können ferner dazu dienen, die Strombelastbarkeit des Querleiters zu verbessern (oder diesen sogar zu schaffen), indem sie während des Verbindungsvorgangs in die Öffnung fließen.
Wir haben nun gefunden, daß während der Installation dieser Lotschichten enthaltenden Vorrichtungen, insbesondere während ihrer Installation auf Leiterplatten, die Gefahr besteht, daß das Schmelzen der Lotschichten nicht nur die gewünschten Verbindungen herstellt, sondern auch zu Kurzschlüssen zwischen den Elektroden führt. Diese Kurzschlüsse können erzeugt werden, indem Lot über den Zwischenraum zwischen dem zusätzlichen leitfähigen Element und der zweiten Elektrode fließt und/oder indem Lot zwischen die Elektroden fließt. Wir haben ferner gefunden, daß dann, wenn die äußere Oberfläche der ersten (oberen) Elektrode von einer Lotschicht vollständig bedeckt ist, die während der Installation der Vorrichtung schmilzt, dies das Versehen der Vorrichtung mit permanenten Markierungen, die die Vorrichtung nach der Installation identifizieren, unmöglich macht.
Wir haben gemäß der vorliegenden Erfindung gefunden, daß die Probleme, die durch Fließen von Lot während der Installation hervorgerufen werden, durch die Verwendung von Trennmaterialien gemildert oder gelöst werden können, die auf die Vorrichtung aufgebracht werden, um Elemente zu bilden, die während der Installation der Vorrichtung das Fließen von Lot, das zu Kurzschlüssen zwischen den Elektroden führt, verhindern (oder wenigstens hemmen). Wie nachstehend im einzelnen erläutert wird, wird das Maskierungs- oder Trennmaterial bevorzugt auf eine Anordnung aufgebracht, die später in eine Vielzahl von Einzelvorrichtungen aufgeteilt wird.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine elektrische Vorrichtung bereit, die eine verringerte Neigung hat, Kurzschlüsse, die durch das Fließen von Lot während der Installation hervorgerufen werden, zu erleiden und die folgendes aufweist:
(1) ein laminares PTC-Widerstandselement (17), das ein leitfähiges Polymer mit einem PTC-Verhalten aufweist und das eine erste Fläche und eine zweite Fläche hat;
(2) eine erste laminare Elektrode (13), die (i) eine innere Fläche, welche die erste Fläche des PTC-Elements (17) berührt, und (ii) eine äußere Fläche hat;
(3) eine zweite laminare Elektrode (15), die (i) eine innere Fläche, welche die zweite Fläche des PTC-Elements (17) berührt, und (ii) eine äußere Fläche hat;
(4) ein zusätzliches laminares leitfähiges Element (49), das
(a) (i) eine innere Fläche, welche die zweite Fläche des PTC-Elements (17) berührt, und (ii) eine äußere Fläche hat und
(b) von der zweiten Elektrode (15) beabstandet ist;
wobei das PTC-Element (17), die erste Elektrode (13) und das zusätzliche leitfähige Element (49) eine Öffnung bilden, die zwischen der ersten Elektrode (13) und dem zusätzlichen leitfähigen Element (49) durch das PTC-Element (17) verläuft;
(5) ein querleitfähiges Element (51), das
(a) aus Metall besteht,
(b) innerhalb der Öffnung liegt und
(c) mit der ersten Elektrode (13) und dem zusätzlichen leitfähigen Element (49) physisch und elektrisch verbunden ist;
(6) eine erste Schicht (65) aus Lot, die an der äußere Fläche des zusätzlichen leitfähigen Elements befestigt ist;
(7) eine zweite Schicht (66) aus Lot, die an der äußeren Fläche der zweiten Elektrode befestigt ist; und
(8) ein Trennelement (85), das
(a) aus einem festen, nichtleitfähigen Material besteht,
(b) zwischen der ersten und der zweiten Schicht (65, 66) aus Lot liegt und
(c) bei Temperaturen, bei denen die Lotschichten geschmolzen sind, fest bleibt.
Das Trennelement verhindert, daß die erste und die zweite Lotschicht fließen und einen Kurzschluß zwischen den Elektroden erzeugen, wenn die Lotschichten auf Temperaturen erwärmt werden, bei denen sie während der Installation der Vorrichtung, beispielsweise auf eine Leiterplatte, zum Schmelzen gebracht werden.
Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung weisen bevorzugt eine dritte Lotschicht auf, die an der äußeren Fläche der ersten Elektrode um das querleitfähige Element herum befestigt ist. Die dritte Schicht kann sich über die gesamte äußere Fläche der ersten Elektrode erstrecken, um jedoch die Gefahr von Kurzschlüssen zu verringern, die durch Tropfen von geschmolzenem Lot über die Ränder der Vorrichtung erzeugt werden, erstreckt sich die dritte Schicht bevorzugt nur über einen Teil der ersten Elektrode, insbesondere so, daß die dritte Lotschicht die zweite Lotschicht nicht überlappt (wenn die Vor richtung unter rechten Winkeln zu ihrer Hauptebene betrachtet wird).
Um die dritte Lotschicht auf bevorzugte Bereiche der ersten Elektrode zu beschränken, wird ein Maskierungselement bevorzugt an der äußeren Fläche der ersten Elektrode befestigt, bevor die dritte Lotschicht darauf aufgebracht wird, wobei das Maskierungselement bei Temperaturen, bei denen die erste, zweite und dritte Lotschicht geschmolzen sind, fest bleibt. Das Maskierungselement kann aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem vernetzten organischen Polymer, oder einem leitfähigen Material, beispielsweise einem Lot, bestehen, das einen höheren Schmelzpunkt als die erste, zweite und dritte Lotschicht hat.
Das Maskierungselement kann eines sein, das in seiner Lage verbleibt, nachdem die Vorrichtung installiert worden ist und das (a) sich so erstreckt, daß die zweite und die dritte Lotschicht einander nicht überlappen (wenn die Vorrichtung unter rechten Winkeln zu ihrer Hauptebene betrachtet wird), und (b) Identifikationsmarken trägt, die beispielsweise durch Siebdruck auf ein organisches Polymermaskierungselement aufgedruckt oder durch Lasermarkierung auf ein hochschmelzendes Lotmaskierungselement aufgebracht sind.
Alternativ kann das Maskierungselement eines sein, das von der ersten Elektrode abgestreift wird, bevor die Vorrichtung installiert wird. In diesem Fall kann sich das Maskierungselement ebenfalls so erstrecken, daß die zweite und die dritte Lotschicht einander nicht überlappen. Nach dem Abstreifen des Maskierungselements können, falls gewünscht, Identifikationsmarken auf der freiliegenden Oberfläche der ersten Elektrode oder auf einer darauf aufplattierten metallischen Schicht angebracht.
Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung können auf einer Leiterplatte oder einem anderen elektrischen Substrat, das voneinander beabstandete elektrische Leiter aufweist, installiert werden. Die Leiter auf dem Substrat werden bevorzugt mit dem zusätzliche leitfähigen Element bzw. der zweiten Elektrode durch Lotverbindungen verbunden, die durch Rückfließen der ersten und der zweiten Lotschicht gebildet werden.
Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung werden bevorzugt durch ein Verfahren hergestellt, bei dem eine Anordnung, die einer großen Anzahl von Vorrichtungen entspricht, durch aufeinanderfolgende Behandlungen eines Laminats aus einem PTC-leitfähigen Polymerelement und oberen und unteren leitfähigen Elementen hergestellt wird, so daß die verschiedenen Komponenten sämtlicher Vorrichtungen gleichzeitig gebildet werden; und indem danach die Anordnung in die Einzelvorrichtungen aufgeteilt wird. In Abhängigkeit von den Einrichtungen, die an den verschiedenen Stellen verfügbar sind, den Herstellungs-, Transport- und Lagererfordernissen und anderen Faktoren kann die Anordnung in verschiedenen Stufen ihrer Umwandlung zu Einzelvorrichtungen transportiert, verkauft oder gelagert werden.
Diese neuen Anordnungen sind also Teil der vorliegenden Erfindung. Die Behandlungsschritte umfassen das Entfernen von Streifen von wenigstens einem der leitfähigen Elemente, um in den Endvorrichtungen das zusätzliche leitfähige Element und die zweite Elektrode, die voneinander beabstandet sind, zu schaffen. Ein solches Entfernen erfolgt bevorzugt durch Entfernen von Streifen von beiden leitfähigen Elementen, um zu gewährleisten, daß die Anordnung ausgeglichene physische Eigenschaften behält.
Eine bevorzugte Anordnung der Erfindung weist folgendes auf:
(1) ein laminares PTC-Widerstandselement (7), das ein leitfähiges Polymer mit PTC-Verhalten aufweist und das eine erste Fläche und eine zweite Fläche hat;
(2) eine Vielzahl von oberen laminaren leitfähigen Elementen (30), wobei die oberen Elemente in Form von voneinander beabstandeten Streifen ausgebildet sind, die zueinander parallel sind, wobei aneinandergrenzende Paare der oberen Elemente mit Zwischenbereichen des Widerstandselements eine Vielzahl von oberen parallelen Kanälen bilden und jedes der oberen Elemente (i) eine innere Fläche, welche die erste Fläche des PTC-Elements berührt, und (ii) eine äußere Fläche hat;
(3) eine Vielzahl von unteren laminaren leitfähigen Elementen (50), wobei die unteren Elemente in Form von voneinander beabstandeten Streifen ausgebildet sind, die zueinander und zu den oberen Elementen parallel sind, wobei aneinandergrenzende Paare der unteren Elemente mit Zwischenbereichen des Widerstandselements eine Vielzahl von unteren parallelen Kanälen bilden und jedes der unteren Elemente (i) eine innere Fläche, welche die erste Fläche des PTC- Elements berührt, und (ii) eine äußere Fläche hat;
wobei das PTC-Element und die laminaren leitfähigen Elemente eine Vielzahl von voneinander beabstandeten Öffnungen bilden, von denen jede zwischen wenigstens einem der oberen leitfähigen Elemente und wenigstens einem der unteren leitfähigen Elemente durch das PTC-Element verläuft;
(4) eine Vielzahl von voneinander beabstandeten, querleitfähigen Elementen (1), von denen jedes
(a) aus Metall besteht,
(b) innerhalb von einer der Öffnungen liegt und
(c) mit wenigstens einem der oberen leitfähigen Elemente und wenigstens einem der unteren leitfähigen Elemente physisch und elektrisch verbunden ist;
(5) eine Vielzahl von voneinander beabstandeten nichtleitfähigen Trennelementen (8), wobei die Trennelemente in Form von voneinander beabstandeten Streifen ausgebildet sind, die parallel zueinander und zu den oberen und unteren leitfähigen Elementen angeordnet sind, wobei jedes der Trennelemente einen der oberen oder unteren parallelen Kanäle ausfüllt und sich über einen Teil der äußeren Flächen der leitfähigen Elemente, die den Kanal bilden, erstreckt; und
(6) eine Vielzahl von voneinander beabstandeten nichtleitfähigen Maskierungselementen (9), wobei die Maskierungselemente in Form von voneinander beabstandeten Streifen ausgebildet sind, die (i) parallel zueinander und zu den oberen und unteren leitfähigen Elementen angeordnet sind und (ii) mit den Trennelementen alternieren und davon beabstandet sind, so daß aneinandergrenzende Trennelemente und Maskierungselemente mit dazwischen befindlichen Bereichen des Widerstandselements eine Vielzahl von Kontaktflächen bilden, von denen jede wenigstens eine der Öffnungen aufweist.
Bei dieser bevorzugten Anordnung werden die Querleiter bevorzugt durch Aufplattieren von Metallschichten auf die inneren Oberflächen der Öffnungen ausgebildet. Das Aufplattieren auf die Öffnungen wird bevorzugt an der Anordnung ausgeführt, bevor Streifen von den oberen und unteren leitfähigen Elementen entfernt werden, um die oberen und unteren Kanäle zu bilden. Dadurch werden Plattierungsschichten auf wenigstens einigen und bevorzugt sämtlichen der äußeren Oberflächen der oberen und unteren Elemente erzeugt.
Nach dem Ausbilden der oberen und unteren Kanäle, beispielsweise durch Abätzen von Streifen von den (fakultativ plattierten) oberen und unteren leitfähigen Elementen, werden die Trennelemente (beispielsweise durch Photopolymerisation von ausgewählten Bereichen eines Photoresists, gefolgt von einem Entfernen von nichtpolymerisiertem Material) gebildet, und dann wird Lot auf die Kontaktflächen zwischen den Trennelementen aufgebracht, beispielsweise aufplattiert.
Die Erfindung wird nachstehend hauptsächlich unter Bezugnahme auf PTC-Schaltungsschutzvorrichtungen, die ein laminares PTC- Element, das aus einem PTC-leitfähigen Polymer besteht, und zwei laminare Elektroden aufweisen, die direkt an dem PTC-Element befestigt sind, und unter Bezugnahme auf die Herstellung solcher Vorrichtungen beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die Beschreibung, soweit der Zusammenhang dies erlaubt, auch bei anderen elektrischen Vorrichtungen anwendbar ist, die PTC-leitfähige Polymerelemente enthalten.
Wie nachstehend beschrieben und beansprucht wird und wie in den beigefügten Zeichnungen gezeigt ist, kann die vorliegende Erfindung von einer Reihe von speziellen Merkmalen Gebrauch machen. Wenn ein solches Merkmal in einem speziellen Zusammenhang oder als Teil einer speziellen Kombination beschrieben ist, kann es auch in anderen Zusammenhängen und in anderen Kombinationen einschließlich beispielsweise anderen Kombinationen von zwei oder mehreren solchen Merkmalen verwendet werden.
Materialien die zur Verwendung als Trennelemente und Maskierungselemente geeignet sind, umfassen Polyester und eine große Vielfalt von anderen Polymeren, die fakultativ mit anderen Bestandteilen vermischt sind. Solche Materialien sind wohlbekannt, genauso wie Verfahren zu ihrer Verwendung, um Elemente der gewünschten Dicke und Gestalt, beispielsweise durch Photoresist- und Photoabbildungstechniken, herzustellen.
Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten PTC-leitfähigen Polymere sind bevorzugt leitfähige Polymere, die eine kristalline Polymerkomponente und in der Polymerkomponente dispergiert eine teilchenförmige Füllstoffkomponente aufweisen, die einen leitfähigen Füllstoff, beispielsweise Ruß oder ein Metall, aufweist. Die Zusammensetzung kann ferner eine oder mehrere andere Komponenten enthalten, beispielsweise einen nichtleitfähigen Füllstoff, ein Antioxidans, ein Vernetzungsmittel, ein Haftmittel oder ein Elastomer.
Zur Verwendung in Schaltungsschutzvorrichtungen hat die PTC- Zusammensetzung bevorzugt einen spezifischen Widerstand bei 23ºC von weniger als 50 Ohm-cm, insbesondere weniger als 10 Ohm-cm, speziell weniger als 5 Ohm-cm. Geeignete leitfähige Polymere zur Verwendung bei der Erfindung sind beispielsweise beschrieben in den US-Patenten 4 237 441, 4 304 987, 4 388 607, 4 514 620, 4 534 889, 4 545 926, 4 560 498, 4 591 700, 4 724 417, 4 774 024, 4 935 156 und 5 049 850.
Das PTC-Widerstandselement kann aus einem oder mehreren leitfähigen Polymerelementen bestehen, von denen wenigstens eines aus einem leitfähigen Polymer mit PTC-Verhalten besteht. Wenn mehr als ein leitfähiges Polymerelement vorhanden ist, fließt der Strom bevorzugt sequentiell durch die verschiedenen Zusammensetzungen, zum Beispiel dann, wenn jede Zusammensetzung in Form einer Schicht ist, die sich über die gesamte Vorrichtung erstreckt. Wenn mehr als eine PTC-Zusammensetzung vorhanden ist, wird das PTC-Element gewöhnlich hergestellt, indem Elemente der verschiedenen Zusammensetzungen miteinander verbunden, beispielsweise durch Wärme und Druck laminiert werden. Beispielsweise kann ein PTC-Element zwei laminare Elemente, die aus einer ersten PTC-Zusammensetzung bestehen, und dazwischen angeordnet ein laminares Element aufweisen, das aus einer zweiten PTC-Zusammensetzung besteht, die einen höheren spezifischen Widerstand als die erste hat.
Wenn eine PTC-Vorrichtung ausgelöst wird, fällt normalerweise der größte Teil der über die Vorrichtung abfallenden Spannung über einem relativ kleinen Teil der Vorrichtung ab, der als aktive Bahn bzw. Leitung, aktive Ebene oder aktive Zone bezeichnet wird. Bei den Vorrichtungen gemäß der Erfindung kann das PTC-Element ein oder mehrere Merkmale haben, die dazu beitragen, daß sich die aktive Bahn bzw. Leitung an einer gewünschten Stelle, gewöhnlich von beiden Elektroden beabstandet, ausbildet. Geeignete Merkmale dieser Art zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise in den US- Patenten 4 317 027, 4 352 083, 4 907 340 und 4 924 072 beschrieben.
Besonders brauchbare Vorrichtungen weisen zwei Metallfolienelektroden und ein dazwischen angeordnetes PTC-leitfähiges Polymerelement auf, und zwar insbesondere solche Vorrichtungen, die als Schaltungsschutzvorrichtungen verwendet werden und einen niedrigen Widerstandswert bei 23ºC haben, der allgemein kleiner als 10 Ohm, insbesondere kleiner als 3 Ohm, speziell kleiner als 0,5 Ohm ist.
Besonders geeignete Folienelektroden sind Mikrorauheiten aufweisende Metallfolienelektroden, die insbesondere galvanisch aufgebrachte Nickelfolien und vernickelte galvanisch aufgebrachte Kupferfolienelektroden umfassen, wie sie insbesondere in den US-Patenten 4 689 475 und 4 800 253 beschrieben sind. Viele verschiedene laminare Vorrichtungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung abgewandelt werden können, sind beschrieben in den US-Patenten 4 238 812, 4 255 798, 4 272 471, 4 315 237, 4 317 027, 4 330 703, 4 426 633, 4 475 138, 4 724 417, 4 780 598, 4 845 838, 4 907 340 und 4 924 074. Die Elektroden können so abgewandelt werden, daß sie gewünschte thermische Effekte erzeugen.
Die Elektroden werden bevorzugt direkt an dem PTC-Widerstandselement befestigt.

Öffnungen und Querleiter

Der hier verwendete Begriff "Öffnung" bezeichnet eine Öffnung, die
(a) einen geschlossenen Querschnitt, beispielsweise einen Kreis, ein Oval oder eine allgemein rechteckige Gestalt, hat, oder
(b) einen offenen Wiedereintritts-Querschnitt hat, der (i) eine Tiefe von wenigstens 0,15mal, bevorzugt wenigstens 0,5mal, insbesondere 1,2mal die maximale Breite des Querschnitts hat, beispielsweise einen Viertelkreis oder einen Halbkreis oder einen offenendigen Schlitz, und/oder (ii) wenigstens einen Teil hat, an dem die entgegengesetzten Ränder des Querschnitts parallel zueinander sind.
Bei Anordnungen der Erfindung, die in eine Vielzahl von elektrischen Vorrichtungen aufgeteilt werden können, haben die Öffnungen normalerweise geschlossenen Querschnitt, wenn jedoch eine oder mehrere der Teilungslinien durch eine Öffnung mit geschlossenem Querschnitt verlaufen, haben die Öffnungen in den resultierenden Vorrichtungen offene Querschnitte.
Die Öffnung kann ein kreisförmiges Loch sein, und für viele Zwecke ist dies sowohl bei Einzelvorrichtungen als auch Anordnungen von Vorrichtungen befriedigend.
Die Öffnung kann so klein sein, wie dies für einen Querleiter, der die erforderliche Strombelastbarkeit hat, zweckmäßig ist. Für Schaltungsschutzvorrichtungen sind Löcher mit einem Durchmesser von 0,1 bis 5 mm, bevorzugt 0,15 bis 1,0 mm, beispielsweise 0,2 bis 0,5 mm, allgemein befriedigend. Im allgemeinen ist nur ein einziger Querleiter erforderlich, um von der entgegengesetzten Seite der Vorrichtung her eine elektrische Verbindung mit der ersten Elektrode herzustellen. Es können jedoch zwei oder mehr Querleiter verwendet werden, um die gleiche Verbindung herzustellen.
Die Öffnung wird bevorzugt durch Bohren oder irgendeine andere geeignete Technik gebildet und dann mit einem einzigen Metall oder einem Gemisch von Metallen, insbesondere einem Lot, plattiert, um die Querleiter zu bilden.
Hinsichtlich zusätzlicher Einzelheiten der PTC-Zusammensetzungen, laminaren Elektroden, Öffnungen und Querleiter, Anordnungen und Verfahren, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sowie der Dimensionen, des Widerstandwerts und der Installation der Vorrichtungen der Erfindung soll auf die Internationale Anmeldung Nr. PCT/US94/10137 Bezug genommen werden, und zwar unter Beachtung aller eventuell erforderlichen Modifikationen, um von den Maskierungs- und/oder Trennmaterialien gemäß der Erfindung Gebrauch zu machen.
Die Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen gezeigt, in denen die Größe der Öffnungen und die Dicken der Komponenten aus Gründen der Klarheit übertrieben sind. Die Fig. 1 bis 5 sind schematische Teilquerschnitte durch eine laminierte Platte, während sie zu einer Anordnung umgewandelt wird, die in eine Vielzahl von Einzelvorrichtungen der Erfindung aufgeteilt werden kann, indem sie entlang den gestrichelten Linien und entlang dazu rechtwinklig verlaufenden Linien (in den Figuren nicht gezeigt) abgeschnitten werden. Eine schematische Teildraufsicht auf die Anordnung von Fig. 3 ist in Fig. 7 der Internationalen Anmeldung Nr. PCT/US94/10137 gezeigt. Fig. 1 zeigt eine Anordnung, die ein laminares PTC-Element 7 enthält, das aus einem PTC-leitfähigen Polymer besteht und eine erste Fläche, an der eine Metallfolie 3 angebracht ist, und eine zweite Fläche hat, an der eine Metallfolie 5 ange bracht ist. Eine Vielzahl von runden Öffnungen, die in einem regelmäßigen Muster angeordnet ist, ist durch die Anordnung gebohrt worden.
Fig. 2 zeigt die Anordnung von Fig. 1, nachdem ein Metall darauf elektroplattiert worden ist, das Querleiter 1 auf den Oberflächen der Öffnungen und Metallschichten 2 auf den äußeren Flächen der Folien 3 und 5 bildet.
Fig. 3 zeigt die Anordnung von Fig. 2, nachdem die plattierten Folien 3 und 5 abgeätzt worden sind, um sie in eine Vielzahl von oberen Elementen 30 und eine Vielzahl von unteren Elementen 50 aufzuteilen, wobei aneinandergrenzende Paare solcher Elemente mit Zwischenbereichen des PTC-Elements 7 eine Vielzahl von oberen und unteren parallelen Kanälen bilden.
Fig. 4 zeigt die Anordnung von Fig. 3, nachdem durch ein Photoresistverfahren folgende Details ausgebildet worden sind: (a) eine Vielzahl von parallelen Trennelementen 8, die die oberen und unteren Kanäle ausfüllen und sich über einen Teil der äußeren Flächen der benachbarten Elemente 30 oder 50 erstrecken, und (b) eine Vielzahl von parallelen Maskierungselementen 9, die so angeordnet sind, daß aneinandergrenzende Trenn- und Maskierungselemente mit dem PTC-Element 7 eine Vielzahl von Kontaktflächen bilden.
Fig. 5 zeigt die Anordnung von Fig. 4, nachdem sie mit einem Lot elektroplattiert worden ist, um Lotschichten 61 und 62 auf den Kontaktflächen und ferner Lotschichten auf den Querleitern zu bilden.
Es ist ersichtlich, daß die Kontaktflächen so angeordnet sind, daß dann, wenn eine Einzelvorrichtung durch Aufteilen der Anordnung hergestellt wird, die Lotschichten nur in der Nähe des Querleiters einander überlappen, so daß dann, wenn Lot während der Installation der Vorrichtung von der Oberseite zur Unter seite der Vorrichtung fließt, es die Lotschicht auf der zweiten Elektrode nicht berührt.
Die Fig. 6 bis 10 sind schematische Querschnitte durch Vorrichtungen gemäß der Erfindung, die bei Betrachtung in Draufsicht eine rechteckige oder quadratische Gestalt haben. In jeder der Fig. 6 bis 10 weist die Vorrichtung ein laminares PTC-Element 17 auf, das eine erste Fläche, an der eine erste Metallfolienelektrode 13 angebracht ist, und eine zweite Fläche hat, an der eine zweite Metallfolienelektrode 15 angebracht ist. Ebenfalls an der zweiten Fläche des PTC-Elements angebracht ist ein zusätzliches leitfähiges Metallfolienelement 49, das mit der Elektrode 15 nicht elektrisch verbunden ist. Ein Querleiter 51 liegt innerhalb einer Öffnung, die von der ersten Elektrode 13, dem PTC-Element 17 und dem zusätzlichen Element 49 gebildet ist.
Der Querleiter ist ein hohles Rohr, das durch einen Plattierungsvorgang gebildet ist, der ferner in Plattierungen 52, 53 und 54 auf den Oberflächen der Elektrode 13, der Elektrode 15 bzw. des zusätzlichen Elements 49 resultiert, die während des Plattierungsvorgangs freigelegt waren. Außerdem sind Lotschichten 64, 65, 66 und 67 vorhanden, und zwar (a) auf der ersten Elektrode 13 im Bereich des Querleiters 51, (b) auf dem zusätzlichen Element 49, (c) auf der zweiten Elektrode 15 bzw. (d) auf dem Querleiter 51.
Fig. 6 zeigt auch ein Maskierungselement 81, das aus einem Lot mit einem Schmelzpunkt besteht, der erheblich höher als der der Lotschichten 64, 65, 66 und 67 ist. Das Maskierungselement 81 wird vor den Schichten 64, 65, 66 und 67 in seine Lage gebracht und maskiert somit die Elektrode 13, so daß die Lotschicht 64 die Lotschicht 66 nicht überlappt. Das Element 81 kann auch als eine Stelle zum permanenten Markieren der Vorrichtung dienen. Das Element 81 kann alternativ aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, das nicht fließt, wenn die Vorrichtung installiert wird.
Fig. 7 zeigt ein Produkt, das von einer Vorrichtung, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, erhalten wird, indem das Maskierungselement 81 entfernt wird, so daß ein Teil der plattierten ersten Elektrode 13 freigelegt wird, der als eine Stelle zum permanenten Markieren der Vorrichtung verwendet werden kann.
Fig. 8 ist der Fig. 7 ähnlich, weist aber ebenfalls ein Trennelement 85 auf, das (a) aus einem elektrisch isolierenden Material 85 besteht, (b) den Kanal zwischen der zweiten Elektrode 15 und dem zusätzlichen Element 49 ausfüllt und (c) sich über einen Teil der Elektrode 15 und des Elements 49 erstreckt, so daß die Lotschichten 65 und 66 weniger ausgedehnt sind.
Fig. 9 gleicht Fig. 8, mit der Ausnahme, daß sie ebenfalls ein Maskierungselement 82 enthält, das aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.
Fig. 10 ist der Fig. 9 ähnlich, zeigt jedoch eine symmetrische Vorrichtung, die von beiden Seiten der Vorrichtung auf die gleiche Weise verbunden werden kann.
Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel erläutert.

Beispiel

Eine leitfähige Polymerzusammensetzung wurde hergestellt durch Vormischen von 48,6 Gew.-% HD-Polyethylen (PetrotheneTM LB 832, von USI erhältlich) mit 51,4 Gew.-% Ruß (RavenTM 430, von Columbian Chemicals erhältlich), Mischen des Gemischs in einem BanburyTM-Mischer, Extrudieren der gemischten Verbindung zu Pellets und Extrudieren der Pellets durch einen 3,8 cm (1,5 inch) Extruder, um einen Flächenkörper mit einer Dicke von 0,25 mm (0,010 inch) herzustellen. Der extrudierte Flächenkörper wurde in Stücke von 0,31 · 0,41 m (12 · 16 inches) geschnitten, und jedes Stück wurde zwischen zwei Flächenkörpern aus 0,025 mm (0,001 inch) dicker galvanisch aufgebrachter Nickelfolie (von Fukuda erhältlich) gestapelt. Die Schichten wurden unter Wärme und Druck laminiert, um eine Platte mit einer Dicke von ca. 0,25 mm (0,010 inch) zu bilden. Jede Platte wurde auf 10 Mrad bestrahlt. Jede Platte wurde dazu verwendet, eine große Anzahl von Vorrichtungen durch das folgende Verfahren herzustellen.
Löcher mit einem Durchmesser von 0,25 mm (0,01 inch) wurden durch die Platte in einem regelmäßigen Muster gebohrt, so daß ein Loch für jede Vorrichtung erhalten wurde. Die Löcher wurden gereinigt, und die Platte wurde dann so behandelt, daß die freiliegenden Oberflächen der Folien und der Löcher mit einer stromlosen Verkupferung und dann mit einer elektrolytischen Verkupferung mit einer Dicke von ca. 0,076 mm (0,003 inch) versehen wurden.
Nach dem Reinigen der plattierten Platte wurden Photoresists verwendet, um Masken über den plattierten Folien außer entlang parallelen Streifen, die den Zwischenräumen zwischen den zusätzlichen leitfähigen Elementen und den zweiten Elektroden in den Vorrichtungen entsprachen, zu erzeugen. Die freiliegenden Streifen wurden abgeätzt, um die plattierten Folien in diesen Bereichen zu entfernen, und die Masken wurden entfernt.
Nach dem Reinigen der abgeätzten, plattierten Platte wurde ein Maskierungsmaterial durch Siebdruck auf die eine Seite der Platte aufgebracht und gehärtet und dann durch Siebdruck auf die andere Seite der Platte aufgebracht und gehärtet. Das durch Siebdruck aufgebrachte Maskierungsmaterial war ungefähr in dem gewünschten endgültigen Muster, hatte aber etwas Über größe. Das endgültige Muster wurde hergestellt, indem die gewünschten Teile des Maskierungsmaterials durch eine Maske hindurch präzise photogehärtet wurden, gefolgt von Waschen, um das Maskierungsmaterial, das nicht vollständig ausgehärtet war, zu entfernen.
Auf jeder Seite der Platte maskierte das vollständig ausgehärtete Material (a) die der ersten Elektrode in jeder Vorrichtung entsprechenden Bereiche, mit Ausnahme eines den Querleiter enthaltenden Streifens, (b) die abgeätzten Streifen, (c) die der zweite Elektrode entsprechenden Bereiche, mit Ausnahme eines Streifens an dem von dem Querleiter fernen Ende, und (d) die dem zusätzlichen leitfähigen Element entsprechenden Bereiche, mit Ausnahme eines an den Querleiter angrenzenden Streifens.
Das Maskierungsmaterial wurde dann durch Aufbringen einer Druckfarbe durch Siebdruck in den Bereichen, die der ersten Elektrode entsprachen (die die obere Oberfläche der installierten Vorrichtung bildet), gefolgt von einem Härten der Druckfarbe, markiert (beispielsweise mit einem elektrischen Nennwert und/oder einer Chargennummer).
Die Bereiche der Platte, die von dem Maskierungsmaterial nicht bedeckt waren, wurden dann mit Zinn/Blei (63/37)-Lot auf eine Dicke von ca. 0,025 mm (0,001 inch) elektrolytisch plattiert.
Schließlich wurde die Platte zerschnitten und zerteilt, um sie in Einzelvorrichtungen aufzuteilen.

Claims

1. Elektrische Vorrichtung, die folgendes aufweist:

(1) ein laminares PTC-Widerstandselement (17), das ein leitfähiges Polymer mit einem PTC-Verhalten aufweist und das eine erste Fläche und eine zweite Fläche hat;

(2) eine erste laminare Elektrode (13), die (i) eine innere Fläche, welche die erste. Fläche des PTC-Elementes (17) berührt, und (ii) eine äußere Fläche hat;

(3) eine zweite laminare Elektrode (15), die (i) eine innere Fläche, welche die zweite Fläche des PTC-Elementes (17) berührt, und (ii) eine äußere Fläche hat;

(4) ein zusätzliches laminares leitfähiges Element (49), das

(a) (i) eine innere Fläche, welche die zweite Fläche des PTC-Elementes (17) berührt, und (ii) eine äußere Fläche hat und

(b) von der zweiten Elektrode (15) beabstandet ist;

wobei das PTC-Element (17), die erste Elektrode (13) und das zusätzliche leitfähige Element (49) eine Öffnung bilden, die zwischen der ersten Elektrode (13) und dem zusätzlichen leitfähigen Element (49) durch das PTC-Element (17) verläuft;

(5) ein quer angeordnetes leitfähiges Element (51), das

(a) aus Metall besteht,

(b) innerhalb der Öffnung liegt und

(c) mit der ersten Elektrode (13) und dem zusätzlichen leitfähigen Element (49) physisch und elektrisch verbunden ist;

(6) eine erste Schicht (65) aus Lot, die an der äußeren Fläche des zusätzlichen leitfähigen Elementes (49) befestigt ist;

(7) eine zweite Schicht (66) aus Lot, die an der äußeren Fläche der zweiten Elektrode (15) befestigt ist; und

(8) ein Trennelement (85), das

(a) aus einem festen, nichtleitfähigen Material besteht,

(b) zwischen der ersten und der zweiten Schicht (65, 66) aus Lot liegt und

(c) bei Temperaturen, bei denen die Lotschichten geschmolzen sind, fest bleibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Widerstandselement aus einem leitfähigen Polymer besteht, das ein PTC-Verhalten zeigt, und die laminaren Elektroden und das zusätzliche laminare leitfähige Element Metallfolien sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Öffnung einen geschlossenen Querschnitt besitzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Querschnitt der Öffnung ein Halbkreis ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine viereckige Gestalt besitzt und wobei das Trennelement in Form eines Stabes ausgebildet ist, der die volle Breite der Vorrichtung kreuzt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine dritte Lotschicht aufweist, die an der äußeren Fläche der ersten Elektrode um das quer angeordnete leitfähige Element herum befestigt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, die ein Maskierungselement aufweist, das

(a) aus einem festen Material besteht und

(b) an der äußeren Fläche der ersten Elektrode angrenzend an die dritte Lotschicht befestigt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Maskierungselement

(a) bei Temperaturen, bei denen die erste, zweite und dritte Lotschicht geschmolzen sind, fest bleibt und

(b) Identifikationsmarken trägt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die dritte Lotschicht die zweite Lotschicht nicht überlappt, wenn die Vorrichtung unter rechten Winkeln zu ihrer Hauptebene betrachtet wird.

10. Anordnung, die folgendes aufweist:

(1) ein laminares PTC-Widerstandselement (7), das ein leitfähiges Polymer mit PTC-Verhalten aufweist und das eine erste Fläche und eine zweite Fläche hat;

(2) eine Vielzahl von oberen laminaren leitfähigen Elementen (30), wobei die oberen Elemente in Form von voneinander beabstandeten Streifen ausgebildet sind, die zueinander parallel sind, wobei aneinandergrenzende Paare der oberen Elemente mit Zwischenbereichen des Widerstandselementes eine Vielzahl von oberen parallelen Kanälen bilden und jedes der oberen Elemente (i) eine innere Fläche, welche die erste Fläche des PTC-Elementes berührt, und (ii) eine äußere Fläche hat;

(3) eine Vielzahl von unteren laminaren leitfähigen Elementen (50), wobei die unteren Elemente in Form von voneinander beabstandeten Streifen ausgebildet sind, die zueinander und zu den oberen Elementen parallel sind, wobei aneinandergrenzende Paare der unteren Elemente mit Zwischenbereichen des Widerstandselementes eine Vielzahl von unteren parallelen Kanälen bilden und jedes der unteren Elemente (i) eine innere Fläche, welche die erste Fläche des PTC-Elementes berührt, und (ii) eine äußere Fläche hat;

wobei das PTC-Element und die laminaren leitfähigen Elemente eine Vielzahl von voneinander beabstandeten Öffnungen bilden, von denen jede zwischen wenigstens einem der oberen leitfähigen Elemente und wenigstens einem der unteren leitfähigen Elemente durch das PTC- Element verläuft;

(4) eine Vielzahl von voneinander beabstandeten, quer angeordneten leitfähigen Elementen (1), von denen jedes

(a) aus Metall besteht,

(b) innerhalb von einer der Öffnungen liegt und

(c) mit wenigstens einem der oberen leitfähigen Elemente und wenigstens einem der unteren leitfähigen Elemente physisch und elektrisch verbunden ist;

(5) eine Vielzahl von voneinander beabstandeten nichtleitfähigen Trennelementen (8), wobei die Trennelemente in Form von voneinander beabstandeten Streifen ausgebildet sind, die parallel zueinander und zu den oberen und unteren leitfähigen Elementen angeordnet sind, wobei jedes der Trennelemente einen der oberen oder unteren parallelen Kanäle ausfüllt und sich über einen Teil der äußeren Flächen der leitfähigen Elemente, die den Kanal bilden, erstreckt; und

(6) eine Vielzahl von voneinander beabstandeten nichtleitfähigen Maskierungselementen (9), wobei die Maskierungselemente in Form von voneinander beabstandeten Streifen ausgebildet sind, die (i) parallel zueinander und zu den oberen und unteren leitfähigen Elementen angeordnet sind und (ii) mit den Trennelementen alternieren und davon beabstandet sind, so daß aneinandergrenzende Trennelemente und Maskierungselemente mit dazwischen befindlichen Bereichen des Widerstandselementes eine Vielzahl von Kontaktflächen bilden, von denen jede wenigstens eine der Öffnungen aufweist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, wobei das laminare PTC-Widerstandselement aus einem leitfähigen Polymer besteht, das ein PTC-Verhalten zeigt, die laminaren leitfähigen Elemente Metallfolien sind und jedes der quer angeordneten leitfähigen Elemente eine Metallschicht aufweist, die auf die Öffnung plattiert ist, und wobei Schichten aus dem gleichen Metall auf die äußeren Flächen der oberen und unteren leitfähigen Elemente plattiert sind.

12. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren das Unterteilen einer Anordnung nach Anspruch 10 oder 11 aufweist.