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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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ERFINDUNGSGEBIET
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Diese
Erfindung betrifft elektrische Vorrichtungen.
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EINFÜHRUNG IN DIE ERFINDUNG
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In
der Internationalen Offenlegungsschrift Nr. WO 94/01876 (Raychem
Corporation) werden Schaltungsschutzvorrichtungen offenbart, welche
erste und zweite Laminarelektroden, ein beidseitig zwischen den
Elektroden eingeschlossenes PTC-Laminarwiderstandselement, ein drittes
leitendes Laminarbauteil, welches an derselben Stirnfläche des PTC-Elements
wie die zweite Elektrode befestigt aber davon abgetrennt ist, und
einen Querleiter umfassen, welcher durch eine Öffnung im PTC-Element hindurchgeht
und das dritte leitende Bauteil und die erste Elektrode verbindet.
Dies erlaubt eine Verbindung zu beiden Elektroden von derselben
Seite der Vorrichtung aus, so dass die Vorrichtung flach auf einer
gedruckten Leiterplatte mit der ersten Elektrode nach oben angeordnet
werden kann, ohne irgendwelche Kabel zu benötigen. Das Widerstandselement
umfasst vorzugsweise ein Laminarelement, das aus einem PTC-leitenden
Polymer aufgebaut ist. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ein
zusätzliches leitendes
Bauteil und einen zusätzlichen
Querleiter, so dass die Vorrichtung symmetrisch ist und auf die eine
oder andere Weise nach oben auf einer Leiterplatte angeordnet werden
kann. In der Internationalen Offenlegungsschrift Nr. WO 95/31816
(Raychem Corporation) werden verbesserte Vorrichtungen der Art,
die in der Internationalen Offenlegungsschrift Nr. WO 94/01876 dargestellt
ist, beschrieben, welche isolierende Bauteile enthalten, die Lötbrücken zwischen
dem leitenden Bauteil und der benachbarten Elektrode verhindern.
In der Internationalen Offenlegungsschrift Nr. WO 95/34084 wird
ein verbessertes Verfahren zur Herstellung derartiger Vorrichtungen beschrieben.
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In
US 5488348 wird ein PTC-Thermistor
offenbart, welcher einen Keramikkörper, der einen positiven Temperaturkoeffizienten
des Widerstandes aufweist, ein Paar von Elektrodenschichten, eine
keramischen Verstärkungsplatte
und eine Ausgangselektrode umfasst.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Es
besteht ein Bedarf an Schaltungsschutzvorrichtungen, die auf einer
Leiterplatte eine sehr kleine Fläche
einnehmen und die einen geringeren Widerstand aufweisen, als durch
bekannte Verfahren leicht erzeugt werden kann. Wir haben gemäß der vorliegenden
Erfindung herausgefunden, dass zwei oder mehrere der symmetrischen
Vorrichtungen, die in der Internationalen Offenlegungsschrift WO 94/01876
beschrieben sind, einfach und ökonomisch miteinander
verbunden werden können,
um eine Kompositschaltungsschutzvorrichtung herzustellen, die leicht
einzubauen ist und die einen geringeren Widerstand pro Flächeneinheit
aufweist als die einzelnen Vorrichtungen.
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Die
Kompositvorrichtungen der Erfindung umfassen
- (A)
eine erste Laminarschaltungsschutzvorrichtung und
- (B) eine zweite Laminarschaltungsschutzvorrichtung,
wobei
jede der ersten und zweiten Laminarschaltungsschutzvorrichtungen
umfasst: - (1) eine erste Laminarelektrode,
- (2) eine zweite Laminarelektrode,
- (3) ein laminares PTC-Widerstandselement, das (i) ein PTC-Verhalten
zeigt, (ii) eine erste Stirnfläche,
an welcher die erste Elektrode befestigt ist, und eine gegenüberliegende
zweite Stirnfläche aufweist,
an der die zweite Elektrode befestigt ist, (iii) erste und zweite Öffnungen
festlegt, die zwischen den ersten und zweiten Stirnflächen verlaufen,
und (iv) aus einem PTC-leitenden Polymer aufgebaut ist,
- (4) ein drittes leitendes Laminarbauteil, welches (i) an der
zweiten Stirnfläche
des PTC-Widerstandselements
im Bereich der ersten Öffnung befestigt
ist und (ii) abseits von der zweiten Elektrode ist,
- (5) ein viertes leitendes Laminarbauteil, welches (i) an der
ersten Stirnfläche
des PTC-Widerstandselements
im Bereich der zweiten Öffnung
befestigt ist und (ii) abseits von der ersten Elektrode ist,
- (6) ein erstes leitendes Querbauteil, welches
- (a) zwischen den ersten und zweiten Stirnflächen des PTC-Elements verläuft,
- (b) am PTC-Element befestigt ist,
- (c) körperlich
und elektrisch mit der ersten Laminarelektrode und dem dritten leitenden
Laminarbauteil verbunden ist, aber nicht mit der zweiten Laminarelektrode
verbunden ist, und
- (d) in der ersten Öffnung
liegt, die durch das PTC-Widerstandselement festgelegt ist, und
- (7) ein zweites leitendes Querbauteil, welches
- (a) zwischen den ersten und zweiten Stirnflächen des PTC-Elements verläuft,
- (b) am PTC-Element befestigt ist,
- (c) körperlich
und elektrisch mit der zweiten Laminarelektrode und dem vierten
leitenden Laminarbauteil verbunden ist, aber nicht mit der ersten
Laminarelektrode verbunden ist, und
- (d) in der zweiten Öffnung
liegt, die durch das PTC-Widerstandselement festgelegt ist, wobei
die ersten und zweiten Laminarvorrichtungen miteinander körperlich
in einer Stapelanordnung verbunden sind und die Vorrichtungen miteinander elektrisch
durch elektrische Zwischenflächenverbindungen
zwischen benachbarten Elektroden und leitenden Laminarbauteilen
verbunden sind, so dass die ersten und zweiten Laminarschaltungsschutzvorrichtungen
elektrisch parallel angeschlossen sind, wenn eine elektrische Stromversorgung
an (i) eine der Elektroden und (ii) das dritte oder vierte Laminarbauteil
auf derselben Stirnfläche
des PTC-Widerstandselements wie die Elektrode (i) angeschlossen
wird.
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Wir
haben zusätzlich
zu den oben dargestellten Vorzügen
gefunden, dass die Leistungsverluste einer derartigen Kompositvorrichtung
sich nicht wesentlich von den Leistungsverlusten aus einer der Vorrichtungen
allein unterscheidet. Folglich weist die Kompositvorrichtung für einen
gegebenen Haltestrom einen geringeren Widerstand auf, wobei der "Haltestrom" der größte Strom
ist, welcher durch eine Vorrichtung hindurchgeleitet werden kann,
ohne ihren Ausfall zu verursachen. Außerdem können durch ein geeignetes Sortieren
der einzelnen Vorrichtungen vor ihrem Einbau in die Kompositvorrichtungen
die Streuungen innerhalb einer Gruppe von Kompositvorrichtungen
verringert werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird in den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht, in denen
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Laminarschaltungsschutzvorrichtung
ist, die zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Kompositschaltungsschutzvorrichtung
geeignet ist;
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2 und 3 Draufsicht
und Querschnittsansicht der Vorrichtung von 1 sind,
die auf einer gedruckten Leiterplatte parallel zur Platte angebracht sind;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer weiteren Laminarschaltungsschutzvorrichtung
ist, die zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Kompositschaltungsschutzvorrichtung
geeignet ist;
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5 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kompositschaltungsschutzvorrichtung
ist;
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6 eine
auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Vorrichtung von 5 ist;
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7 eine
Draufsicht der Vorrichtung von 5 ist;
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8 eine
Querschnittsansicht längs
der Linie 8-8 von 7 ist; und
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9 eine
Querschnittsansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Kompositschaltungsschutzvorrichtung
ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
erfindungsgemäße Kompositschaltungsschutzvorrichtung
enthält
mindestens zwei Laminarschaltungsschutzvorrichtungen, d.h. erste
und zweite Schaltungsschutzvorrichtungen. Die ersten und zweiten
Schaltungsschutzvorrichtungen können
im Wesentlichen gleich sein, oder sie können unterschiedlich sein.
Zum Beispiel können
die ersten und zweiten Vorrichtungen unterschiedliche Formen (so lange
wie sie körperlich
verbunden werden können und
ein elektrischer Anschluss passend hergestellt werden kann) oder
unterschiedliche Dicken aufweisen, oder sie können unterschiedliche Typen
von Widerstandselementen enthalten, wie nachfolgend beschrieben
wird. In einer Ausführungsform
kann die Kompositvorrichtung mehrere Schaltungsschutzvorrichtungen,
d.h. drei oder mehr Laminarschaltungsschutzvorrichtungen, aufweisen.
Für eine
einfache Montage ist es bevorzugt, dass die mehreren Vorrichtungen
im Wesentlichen gleich sind. In einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Kompositvorrichtung auch ein isolierendes Bauteil, welches in
der Stapelanordnung zwischen der ersten und zweiten Vorrichtung
angeordnet ist.
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PTC-GEMISCHE
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Jede
der ersten und zweiten Laminarschaltungsschutzvorrichtungen umfasst
ein laminares PTC-Widerstandselement,
welches ein PTC-Verhalten, d.h. einen steilen Anstieg des Widerstandes
mit der Temperatur über
einen verhältnismäßig kleinen Temperaturbereich,
zeigt. In dieser Anmeldung wird der Begriff "PTC" verwendet,
um ein Gemisch oder eine Vorrichtung zu bezeichnen, die einen R14-Wert von mindestens 2,5 und/oder einen
R100-Wert von mindestens 10 aufweisen, und
es ist bevorzugt, dass das Gemisch oder die Vorrichtung einen R30-Wert von mindestens 6 aufweisen sollte,
wobei R14 das Verhältnis der spezifischen Widerstände am Ende und
Anfang eines Bereichs von 14 °C,
R100 das Verhältnis der spezifischen Widerstände am Ende
und Anfang eines Bereichs von 100 °C und R30 das
Verhältnis
der spezifischen Widerstände
am Ende und Anfang eines Bereichs von 30 °C ist. Allgemein zeigen die
Gemische, die in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendet
werden, Anstiege im spezifischen Widerstand, die weit größer sind
als diese Minimalwerte.
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Das
Widerstandselement kann aus einem leitenden Polymer aufgebaut sein,
d.h. aus einem Gemisch, das ein Polymer und darin dispergiert oder auf
andere Weise verteilt einen leitenden partikelförmigen Füllstoff oder eine Keramik enthält, z.B.
ein dotiertes Bariumtitanat. Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten
PTC-Gemische sind vorzugsweise leitende Polymere, die eine kristalline
Polymerkomponente und in der Polymerkomponente dispergiert eine
partikelförmige
Füllstoffkomponente
enthalten, welche einen leitenden Füllstoff umfasst, wie z.B. Ruß oder ein
Metall. Die Füllstoffkomponente kann
auch einen nichtleitenden Füllstoff
enthalten, der nicht nur die elektrischen Eigenschaften des leitenden
Polymers sondern auch seine physikalischen und/oder thermischen
Eigenschaften verändert.
Die kristalline Polymerkomponente kann zwei oder mehr unterschiedliche
Polymere umfassen. Das Gemisch kann auch eine oder mehrere andere
Komponenten enthalten, wie z.B. ein Antioxidationsmittel, Vernetzungsmittel,
Kopplungsmittel oder Elastomer. Das PTC-Gemisch weist vorzugsweise
bei 23 °C
einen spezifischen Widerstand von weniger als 50 Ohm cm, vornehmlich
weniger als 10 Ohm cm, insbesondere weniger als 5 Ohm cm und ganz
besonders weniger als 2 Ohm cm auf. Geeignete leitende Polymere zur
Verwendung in dieser Erfindung sind zum Beispiel in den US-Patentschriften mit
den Nr. 4237.441 (van Konynenburg u.a.), 4.304.987 (van Konynenburg),
4.388.607 (Toy u.a.) 4.514.620 (Cheng u.a.), 4.534.889 (van Konynenburg
u.a.), 4.545.926 (Fouts u.a.), 4.560.498 (Horsma u.a.), 4.591.700
(Sopory), 4.724.417 (Au u.a.), 4.774.024 (Deep u.a.), 4.935.156
(van Konynenburg), 5.049.850 (Evans u.a.), 5.378.407 (Chandler u.a.),
5.51.919 (Chu u.a.), 5.582.770 (Chu u.a.), 5.747.147 (Wartenberg
u.a.) und 5.801.612 (Chandler u.a.) sowie in den Internationalen
Offenlegungsschriften Nr. WO 96/29711 (Raychem Corporation) und
WO 99/05689 (Raychem Corporation) offenbart.
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Das
PTC-Widerstandselement ist ein Laminarelement und kann aus einem
oder mehreren leitenden Polymerbauteilen zusammengesetzt sein, von
denen mindestens eines aus einem PTC-Material aufgebaut ist. Liegen
mehr als ein leitendes Polymerbauteil vor, dann fließt der Strom
vorzugsweise der Reihe nach durch die verschiedenen Gemische, wie
zum Beispiel, wenn jedes Gemisch in der Form einer Schicht vorliegt,
die sich über
die gesamte Vorrichtung hinweg erstrect. Liegt ein einziges PTC-Gemisch
vor und ist die gewünschte
Dicke des PTC-Elements größer als
jene, die in einem einzigen Schritt mühelos bereitgestellt werden
kann, dann kann ein PTC-Element der gewünschten Dicke mühelos durch Aneinanderfügen erzeugt
werden, d.h. indem mittels Wärme
und Druck zwei oder mehr Schichten, z.B. schmelzfließgepresste
Schichten, des PTC-Gemischs laminiert werden. Ist mehr als ein PTC-Gemisch
vorhanden, dann wird das PTC-Element gewöhnlich durch Aneinanderfügen erzeugt,
d.h. indem die Elemente unterschiedlicher Gemische mittels Wärme und
Druck laminiert werden. Zum Beispiel kann ein PTC-Element zwei Laminarelemente,
die aus einem ersten PTC-Gemisch bestehen, und ein von ihnen beidseitig
eingeschlossenes Laminarelement umfassen, das aus einem zweiten
PTC-Gemisch besteht, das einen höheren
spezifischen Widerstand aufweist als das erste.
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Das
Widerstandselement der ersten und zweiten Schaltungsschutzvorrichtungen
kann unterschiedliche leitende Polymergemische enthalten. Zum Beispiel
können
die Gemische der ersten und zweiten Schaltungsschutzvorrichtungen
variieren durch den Einsatz unterschiedlicher Polymere, was unterschiedliche
Schalttemperaturen zur Folge haben kann (d.h. die Temperatur, bei
der die Vorrichtung von einem niederohmigen Zustand in einen hochohmigen
Zustand schaltet), durch unterschiedliche Füllstoffe, welche die thermischen
und/oder elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung beeinflussen können oder
durch unterschiedliche spezifische Widerstände.
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LAMINARELEKTRODEN
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Jede
der ersten und zweiten Laminarschaltungsschutzvorrichtung umfasst
eine erste Laminarelektrode und eine zweite Laminarelektrode. Die
erste Stirnfläche
des PTC-Widerstandselements ist an der ersten Elektrode befestigt
und die gegenüberliegende
zweite Stirnfläche
des PTC-Widerstandselements ist
an der zweiten Elektrode befestigt, und in einer bevorzugten Ausführungsform
sind erste und zweite Öffnungen
festgelegt, die zwischen der ersten und zweiten Stirnfläche verlaufen.
Die Elektroden können direkt
an dem Widerstandselement befestigt sein oder mit Hilfe eines Klebemittels
oder einer Haftschicht angeheftet sein. Besonders geeignete Folienelektroden
sind die mikrorauen Metallfolienelektroden, die insbesondere elektrisch
abgeschiedene Nickelfolien- und vernickelte elektrisch abgeschiedene Kupferfolienelektroden
einschließen,
speziell wie sie in den US-Patentschriften Nr. 4.689.475 (Matthiessen)
und 4.800.523 (Kleiner u.a.) sowie in der Internationalen Offenlegungsschrift
Nr. WO 95/34081 (Raychem Corporation) offenbart sind. Die Elektroden
können
modifiziert werden, um die gewünschten thermischen
Effekte zu erzeugen.
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DRITTE UND
VIERTE LEITENDE LAMINARBAUTEILE
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Jede
der ersten und zweiten Schaltungsschutzvorrichtungen umfasst ein
drittes leitendes Laminarbauteil, das an der zweiten Stirnfläche des PTC-Widerstandselements
befestigt und abseits der zweiten Elektrode ist, sowie ein viertes
leitendes Laminarbauteil, das an der ersten Stirnfläche des PTC-Widerstandselements
befestigt und abseits der ersten Elektrode ist. In einer bevorzugten
Ausführungsform
ist das dritte leitende Laminarbauteil im Bereich der ersten Öffnung und
das vierte leitende Laminarbauteil im Bereich der zweiten Öffnung.
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Die
dritten und vierten leitenden Laminarbauteile sind vorzugsweise
Restbauteile, die durch Beseitigen eines Teils eines leitenden Laminarbauteils
gebildet werden, wobei das Übrigbleibende
des einen leitenden Laminarbauteils, welches das dritte leitende
Laminarbauteil bildet, dann die zweite Elektrode ist, und das Übrigbleibende
des ersten leitenden Laminarbauteils, welches das vierte leitende
Laminarbauteil bildet, dann die erste Elektrode ist. Die Form des
dritten und vierten Bauteils und die Form der Zwischenraums zwischen
dem dritten Bauteil und der zweiten Elektrode sowie des Zwischenraums zwischen
dem vierten Bauteil und der ersten Elektrode kann für eine Anpassung
an die gewünschten Kennwerte
der Vorrichtung und für
eine einfache Herstellung variiert werden. So ist geeigneterweise
das dritte Bauteil ein kleines Rechteck an dem einen Ende einer
rechteckigen Vorrichtung, das von der zweiten Elektrode durch einen
rechteckigen Zwischenraum getrennt ist, und das vierte Bauteil ist
geeigneterweise ein kleines Rechteck an dem einen Ende einer rechteckigen
Vorrichtung, das von der ersten Elektrode durch einen rechteckigen
Zwischenraum getrennt ist. Wechselnde Anordnungen sind möglich, und
die Form des dritten Bauteils und seines zugehörigen Zwischenraums kann die
gleiche sein wie die des vierten Bauteils und seines zugehörigen Zwischenraums
oder sich von ihr unterscheiden.
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ÖFFNUNGEN
UND LEITENDE QUERBAUTEILE
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Das
laminare PTC-Widerstandselement legt erste und zweite Öffnungen
fest, die zwischen den ersten und zweiten Stirnflächen verlaufen.
Der Begriff "Öffnung" wird hier verwendet,
um eine Lücke
zu kennzeichnen, die dann, wenn sie unter rechten Winkeln zur Ebene
der Vorrichtung gesehen wird,
- (a) einen geschlossenen
Querschnitt, z.B. einen Kreis, ein Oval oder eine weitgehend rechteckige Form
aufweist, oder
- (b) einen einspringenden Querschnitt aufweist, wobei der Begriff "einspringender Querschnitt" verwendet wird,
um einen offenen Querschnitt zu kennzeichnen, der (i) eine Tiefe
von mindestens dem 0,15-fachen, vorzugsweise mindestens dem 0,5-fachen,
insbesondere mindestens dem 1,2-fachen
der maximalen Breite des Querschnitts aufweist, z.B. ein Viertelkreis
oder ein Halbkreis oder ein offen endender Schlitz ist, und/oder
der (ii) mindestens einen Teil aufweist, wo die gegenüberliegenden
Ränder
des Querschnitts parallel zueinander sind.
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Zur
Vereinfachung des elektrischen Anschlusses und der Überprüfbarkeit
ist es bevorzugt, dass mindestens eine und vorzugsweise beide Öffnungen
einen offenen Querschnitt aufweisen und am Rand des Widerstandselements
angeordnet sind. Wenn zum Beispiel die ersten und zweiten Laminarschaltungsschutzvorrichtungen
durch eine Baugruppe des Typs erzeugt sind, der in der Internationalen Offenlegungsschrift
Nr. WO 94/01876 beschrieben ist, d.h. eine, die in mehrere elektrische
Vorrichtungen unterteilt werden kann, dann werden die Öffnungen
gewöhnlich
einen offenen Querschnitt aufweisen, wenn aber eine oder mehrere
Trennlinien durch eine Öffnung
mit einem geschlossenen Querschnitt hindurchlaufen, dann werden
die Öffnungen
in den sich ergebenden Vorrichtungen offene Querschnitte aufweisen.
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Die Öffnung kann
ein kreisförmiges
Loch sein, und für
viele Zwecke ist das sowohl in einzelnen Vorrichtungen als auch
in Vorrichtungsbaugruppen ausreichend. Enthält die Baugruppe jedoch Öffnungen,
die durch mindestens eine Trennlinie durchlaufen werden, dann können längliche Öffnungen
bevorzugt sein, weil sie an den Trennlinien eine geringere Genauigkeit
erfordern.
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Jede
der ersten und zweiten Laminarschaltungsschutzvorrichtungen enthält (a) ein
erstes leitendes Querbauteil, welches zwischen der ersten und zweiten
Stirnfläche
des PTC-Elements verläuft, am
PTC-Element befestigt
ist und körperlich
sowie elektrisch an die erste Laminarelektrode und an das dritte
leitende Laminarelement angeschlossen ist, das aber nicht an die
zweite Laminarelektrode angeschlossen ist, und (b) ein zweites leitendes
Querbauteil, welches zwischen der ersten und zweiten Stirnfläche des
PTC-Elements verläuft,
am PTC-Element befestigt ist und körperlich sowie elektrisch an
die zweite Laminarelektrode und das vierte leitende Laminarelement
angeschlossen ist, das aber nicht an die erste Laminarelektrode
angeschlossen ist. Wenn Öffnungen
vorhanden sind, dann liegt das erste leitende Querbauteil in der
ersten Öffnung,
und das zweite leitende Querbauteil liegt in der zweiten Öffnung.
Die ersten und zweiten leitenden Querbauteilen sind auch als Querleiter
bekannt.
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Wird
die Öffnung
nicht von einer Trennlinie durchlaufen, dann kann sie so klein sein,
wie es für ein
Querbauteil zweckmäßig ist,
welches das benötigte
Stromleitvermögen
aufweist. Für
Schaltungsschutzvorrichtungen sind Löcher mit einem Durchmesser
von 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise 0,15 bis 1,0 mm, z.B. 0,2 bis 0,5
mm im Allgemeinen ausreichend. Normalerweise kann jede elektrische
Verbindung, z.B. zwischen der ersten Laminarelektrode und dem dritten
leitenden Laminarbauteil, durch ein einziges Querbauteil hergestellt
werden, aber es können zwei
oder mehr Querbauteile verwendet werden, um diese einzelne Verbindung
zu erzeugen. Die Anzahl und die Größe der Querbauteile und damit
ihre Wärmekapazität kann einen
erheblichen Einfluss auf die Geschwindigkeit haben, mit welcher
die Kompositschaltungsschutzvorrichtung in ihren hochohmigen Zustand übergehen
wird.
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Wenn Öffnungen
vorhanden sind, können sie
ausgebildet werden, bevor die Querbauteile angeordnet werden, oder
das Ausbilden der Öffnungen und
das Anordnen der Querbauteile kann gleichzeitig ausgeführt werden.
Ein bevorzugter Arbeitsablauf besteht darin, die Öffnungen
z.B. durch Bohren, Schneiden oder eine anderes geeignetes Verfahren auszubilden
und dann zu metallisieren oder auf andere Weise zu beschichten oder
die Innenfläche
der Öffnungen
auszufüllen.
Das Metallisieren kann durch stromloses Metallisieren oder elektrolytisches
Metallisieren oder durch eine Kombination von beiden ausgeführt werden.
Der Metallüberzug
kann eine einzige Schicht oder mehrere Schichten sein, und er kann aus
einem einzigen Metall oder einem Mischung von Metallen, insbesondere
aus einem Lötmittel,
bestehen. Der Metallüberzug
wird oft auch auf anderen freiliegenden leitenden Flächen der
Baugruppe ausgebildet. Ist eine solche Metallisierung nicht erwünscht, dann
müssen
die anderen freiliegenden leitenden Flächen abgedeckt oder auf andere
Weise unempfindlich gemacht werden. Im Allgemeinen wird jedoch das
Metallisieren bei einer Prozessstufe ausgeführt, bei der ein solches zusätzliches
Metallisieren keine ungünstige
Wirkung erzeugt. In einigen Ausführungsformen
ist es möglich,
dass das Metallisieren nicht nur die Querbauteile sondern auch mindestens
einen Teil der leitenden Laminarbauteile in der Vorrichtung erzeugt.
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Es
können
in der vorliegenden Erfindung die Metallisierungsverfahren eingesetzt
werden, welche zur Herstellung leitender Kontaktlöcher in
isolierenden Leiterplatten verwendet werden. In dieser Erfindung
dient das Metallisieren jedoch lediglich dem Stromtransport über die
Vorrichtung hinweg, während
ein metallisiertes Kontaktloch einen guten elektrischen Kontakt
mit einer weiteren Komponente herstellen muss. Folglich kann die
in dieser Erfindung geforderte Metallisierungsqualität geringer
sein als die für
ein Kontaktloch erforderliche.
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Ein
weiteres Verfahren für
das Bereitstellen der Querbauteile ist das Anordnen eines formbaren oder
flüssigen
leitenden Gemischs in vorgeformten Öffnungen und – falls
gewünscht
oder notwendig – das
Behandeln des Gemischs, während
es in den Öffnungen
ist, um so Querbauteile der gewünschten Eigenschaften
herzustellen. Das Gemisch kann den Löchern wahlweise, z.B. mit Hilfe
einer Maske, oder der gesamten Baugruppe zugeführt werden, falls gewünscht nach
der Vorbehandlung von mindestens einigen Teilen der Baugruppe, so
dass das Gemisch nicht an ihr haftet. Zum Beispiel könnte ein
geschmolzenes leitendes Gemisch, z.B. ein Lötmittel, auf diesem Wege verwendet
werden, falls gewünscht
unter Verwendung von Wellenlötverfahren.
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Die
Querbauteile können
auch als ein vorgeformtes Bauteil, z.B. ein Metallstab oder eine
Röhre, bereitgestellt
werden, so zum Beispiel ein Niet. Wird ein derartiges vorgeformtes
Bauteil verwendet, dann kann es die Öffnung erzeugen, wenn es in
die Vorrichtung eingesetzt wird.
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Die
Querbauteile können
die Öffnungen
teilweise oder vollständig
ausfüllen.
Wenn die Öffnungen
teilweise ausgefüllt
sind, dann können
sie während
des Prozesses, in welchem die Vorrichtung mit anderen elektrischen
Komponenten, insbesondere durch einen Lötprozess, verbunden wird, weiter
ausgefüllt
(einschließlich
vollständig
ausgefüllt)
werden. Das kann durch Bereitstellen von zusätzlichem Lötmittel in den und um die Öffnungen
unterstützt
werden, insbesondere durch Einbeziehen eines Metallüberzugs
des Lötmittels
in den und um die Öffnungen. Üblicherweise
wird mindestens ein Teil der Querbauteile eingesetzt, bevor die
Vorrichtung mit den anderen elektrischen Komponenten verbunden wird.
Für einige Ausführungsformen
werden die Querbauteile jedoch während
eines Verbindungsprozesses ausgebildet, zum Beispiel durch die Kapillarwirkung
des Lötmittels
während
eines Lötprozesses.
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In
einer weiteren Ausführungsform
liegen keine Öffnungen
vor, und jedes leitende Querbauteil kann am Rand der Vorrichtung
angeordnet werden, um die erste und zweite Stirnfläche auf
einem Teil einer flachen Querstirnfläche der Vorrichtung oder insgesamt
zu verbinden. Jedes der Querbauteile weist eine Metallschicht auf,
z.B. ein Metallüberzug
des Metalls, das in den oben beschriebenen Verfahren für die Beschichtung
der Löcher
verwendet wird.
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ISOLIERENDES
LAMINARBAUTEIL
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Die
ersten und zweiten Laminarschaltungsschutzvorrichtungen sind körperlich
aneinander in einer Stapelanordnung befestigt und weisen in einer bevorzugten
Ausführungsform
zwischen einander ein isolierendes Bauteil auf. Das isolierende
Bauteil kann ein festes, nichtleitendes Material, z.B. ein Polyester,
des Typs enthalten, das in der Internationalen Offenlegungsschrift
Nr. WO 95/31816 beschrieben ist, welches auch dazu dient, Lötbrücken zwischen dem
leitenden Bauteil und der benachbarten Elektrode zu verhindern.
Alternativ oder zusätzlich
kann das isolierende Bauteil ein elektrisch nicht leitendes Klebemittel,
z.B. ein Epoxidharz oder einen Schmelzklebstoff enthalten, zu dem
Füllmittel
hinzugefügt werden
können,
um besondere thermische Effekte zu erreichen. Für die meisten Anwendungen weist
das isolierende Bauteil einen spezifischen Widerstand von mindestens
106 Ohm cm, vorzugsweise mindestens 109 Ohm cm auf. Für einige Ausführungsformen kann
das isolierende Bauteil selbst jedoch leitend sein, solange wie
es bei 23 °C
einen spezifischen Widerstand aufweist, der mindestens das 104-fache, vorzugsweise mindestens das 105-fache und insbesondere mindestens das 106-fache des Widerstandes des leitenden PTC-Polymers
ist. (Wenn die ersten und zweiten Schaltungsschutzvorrichtungen
unterschiedliche leitende Polymere enthalten, dann wird der spezifische
Widerstand des isolierenden Bauteils mit dem spezifischen Widerstand
der höherohmigen
Vorrichtung verglichen.) Für
diese Ausführungsformen
wird unter normalen Betriebsbedingungen ein sehr geringer Strom,
wenn überhaupt
einer, durch das isolierende Bauteil transportiert, aber wenn die
Vorrichtung in den hochohmigen Zustand übergegangen ist, dann kann
das isolierende Bauteil einen bedeutenden Anteil des Stromes transportieren.
Das isolierende Bauteil kann verhältnismäßig klein sein, wobei es nur
eine kleine verfügbare
Fläche abdeckt,
oder es kann im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der ersten und/oder zweiten
Laminarschaltungsschutzvorrichtung abdecken. Es kann eine dielektrische
Schicht sein, auf der eine Kennzeichnung angebracht werden kann.
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ELEKTRISCHE ZWISCHENFLÄCHENVERBINDUNGEN
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Die
ersten und zweiten Laminarschaltungsschutzvorrichtungen werden in
einer Weise zusammengestapelt, die es erlaubt, dass die Vorrichtungen elektrisch
parallel angeschlossen werden, um die Kompositvorrichtung auszubilden.
Dieser Anschluss wird derart ausgeführt, dass die ersten und zweiten Laminarschaltungsvorrichtungen
parallel geschaltet sind, wenn eine elektrische Spannungsquelle
an (i) eine der Elektroden und (ii) das dritte oder vierte Laminarbauteil
auf derselben Stirnfläche
des PTC-Widerstandselements
wie die Elektrode (i) angeschlossen ist. Die elektrische Verbindung
ist eine elektrische Zwischenflächenverbindung.
In dieser Beschreibung bedeutet der Begriff "Zwischenflächen-", dass die Verbindung zwischen gegenüberliegenden Flächen verschiedener
Vorrichtungen hergestellt ist. Wenn die erste Laminarschaltungsschutzvorrichtung der
Kompositvorrichtung vermittels der zweiten Laminarelektrode und
des dritten leitenden Laminarbauteils an dem Substrat, z.B. einer
gedruckten Leiterplatte, angebracht ist, dann können so zum Beispiel, wie in 8 dargestellt
ist, das vierte leitende Bauteil und die fünfte Laminarelektrode über eine
elektrische Zwischenflächenverbindung
mit der gegenüberliegenden
zweiten Laminarelektrode bzw. dem dritten leitenden Laminarbauteil
der zweiten Schaltungsschutzvorrichtung verbunden werden. Alternativ
sind, wie in 9 dargestellt ist, das vierte
leitende Laminarbauteil und die erste Laminarelektrode der ersten Schaltungsschutzvorrichtung über eine
Zwischenflächenverbindung
mit dem dritten leitenden Laminarbauteil bzw. der zweiten Laminarelektrode
der zweiten Schaltungsschutzvorrichtung verbunden. In Abhängigkeit
davon, wie die Vorrichtungen gestapelt sind, um die Kompositvorrichtung
zu bilden, können sich
die Zwischenräume
zwischen der Elektrode und dem Laminarbauteil benachbarter gestapelter
Vorrichtungen überlappen
oder sie können
ausgerichtet sein. Der in 9 dargestellte
Aufbau, in dem die Zwischenräume
zwischen der Elektrode und dem Laminarbauteil der benachbarten gestapelten
Vorrichtung ausgerichtet sind, ist bevorzugt, wenn kein isolierendes
Laminarbauteil vorhanden ist.
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Obwohl
das Material, das zur Herstellung der Zwischenflächenverbindung verwendet wird,
ein beliebiges geeignetes elektrisch leitendes Material sein kann,
ist es bevorzugt, dass die Zwischenflächenverbindungen Lötverbindungen
sind. Wenn die Vorrichtung für
eine Aufschmelzlötung
auf einem Substrat vorgesehen ist, dann ist es möglich, die Zwischenflächenverbindungen
aus einem ersten Lötmittel
herzustellen und auf freiliegenden Flächen der ersten und/oder zweiten
Elektroden sowie der dritten und/oder vierten Laminarbauteile ein
zweites Lötmittel
zu verwenden, welches eine höhere
Aufschmelztemperatur aufweist als das erste Lötmittel. Somit wird der Lötmittelaufschmelzvorgang
dann, wenn die Vorrichtung am Substrat angebracht wird, nicht zur Folge
haben, dass die Vorrichtung an den Zwischenflächenverbindungen zerfällt.
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VORRICHTUNGEN
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Erfindungsgemäße Vorrichtungen
weisen bei 23 °C
einen geringen Widerstand auf, üblicherweise
weniger als 10 Ohm, vorzugsweise weniger als 5 Ohm, stärker vorzuziehen
sind weniger als 1 Ohm, insbesondere weniger als 0,5 Ohm und speziell
weniger als 0,1 Ohm, wobei ein noch geringerer Widerstand möglich ist,
z.B. weniger als 0,5 Ohm.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mehrere Schaltungsschutzvorrichtungen
zusammen gestapelt werden können,
um eine Kompositvorrichtung zu erzeugen, die einen sogar noch geringeren
Widerstand aufweist. Für
eine einfache Herstellung ist es bevorzugt, dass die Vorrichtungen
im Wesentlichen gleich sind, obwohl es für einige Anwendungen möglich ist,
Vorrichtungen verschiedener Bauformen zu verwenden, z.B. kann eine
Vorrichtung mit einer abweichenden Dicke zwischen zwei gleiche Vorrichtungen
gestapelt werden. Für
Kompositvorrichtungen, die mehr als zwei Schaltungsschutzvorrichtungen
umfassen, ist bevorzugt, dass p im Wesentlichen gleiche Laminarschaltungsschutzvorrichtungen,
wobei p gleich 3 oder größer ist, und
(p – 1)
isolierende Laminarbauteile vorhanden sind. Es ist bevorzugt, dass
diese im Wesentlichen gleichen Laminarschaltungsschutzvorrichtungen symmetrisch
sind. Derartige symmetrische Vorrichtungen erlauben beim Stapeln
ein Anbringen der Kompositvorrichtung auf dem Substrat mit beiden Seiten
nach oben.
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Die
erfindungsgemäßen Vorrichtungen
können
eine beliebige geeignete Größe haben.
Es ist jedoch ein bedeutender Vorteil, dass sehr kleine Vorrichtungen
einfach erzeugt werden können.
Bevorzugte Vorrichtungen weisen eine maximale Abmessung von höchstens
12 min, vorzugsweise höchstens 7
min, und/oder einen Platzbedarf (Flächenbereich) auf dem Substrat,
unter einem rechten Winkel zur Ebene der Kompositvorrichtung gesehen,
von höchstens
30 mm2, vorzugsweise höchstens 20 mm2 und insbesondere
höchstens
15 mm2 auf.
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PROZESSE
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Die
erfidungsgemäßen Vorrichtungen,
die Querleiter enthalten, können
auf einem beliebigen Wege erzeugt werden. Es ist jedoch bevorzugt,
die Vorrichtungen zu erzeugen, indem alle oder die meisten Prozessschritte
auf einem großen
Laminat ausgeführt
werden und das Laminat dann in mehrere einzelne Vorrichtungen oder
in verhältnismäßig kleine
Gruppen von Vorrichtungen unterteilt wird, welche körperlich
miteinander verbunden sind und die miteinander elektrisch in Reihe
oder parallel oder auf beiden Wegen verbunden sein können. Das
Aufteilen des Laminats kann entlang von Linien erfolgen, die durch
eines oder beide oder keines der beiden leitenden Laminarbauteile
oder durch keinen, einige oder alle Querleiter hindurchgehen. Die
Prozessschritte vor der Unterteilung können im Allgemeinen in jeder beliebigen
geeigneten Abfolge ausgeführt
werden. Bevorzugte Prozesse zum Herstellen der Vorrichtungen sind
in den Internationalen Offenlegungsschriften Nr. WO 95/31816 und
WO 95/34084 offenbart.
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Erfindungsgemäße Kompositvorrichtungen können auch
durch einen Prozess hergestellt werden, in dem eine Gruppe von Laminarschaltungsschutzvorrichtungen
in mehrere Untergruppen hinein sortiert wird, wobei jede Untergruppe
Vorrichtungen enthält,
die einen Widerstand in einem bestimmten Bereich aufweisen. Die
Kompositvorrichtungen werden dann erzeugt, indem Laminarvorrichtungen
aus einer der Untergruppen körperlich
und elektrisch verbunden werden. Das erlaubt die Fertigung von Vorrichtungen
in einem engen Widerstandsfenster und minimiert die Streuung zwischen
den Vorrichtungen.
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ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird in den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht, in denen die Größe der Öffnungen und die Dicke der
Komponenten im Interesse der Klarheit übertrieben worden sind. 1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Laminarschaltungsschutzvorrichtung,
die zur Verwendung entweder als der ersten oder der zweiten Schaltungsschutzvorrichtung
in einer erfindungsgemäßen Kompositvorrichtung
geeignet ist. 2 ist eine Draufsicht der Vorrichtung
von 1, die auf einer gedruckten Leiterplatte befestigt
ist, und 3 ist ein Querschnitt längs einer
Linie 3-3 von 2. Die Vorrichtung enthält ein laminares
PTC-Element 17, das eine erste Stirnfläche aufweist, an der die erste
Laminarelektrode 13 und das vierte leitende Bauteil 35 angebracht sind,
und eine zweite Stirnfläche,
an der die zweite Laminarelektrode 15 und das dritte leitende
Bauteil 49 angebracht sind. Die Vorrichtung ist symmetrisch, so
dass sie auf einer Leiterplatte auf die eine oder andere Weise nach
oben angeordnet werden kann. Das erste leitende Querbauteil 51 liegt
in einer Öffnung, die
durch die erste Elektrode 13, das PTC-Element 17 und
das dritte leitende Bauteil 49 festgelegt ist. Das zweite
leitende Querbauteil 31 liegt in einer Öffnung, die durch die zweite
Elektrode 15, das PTC-Element 17 und das vierte
leitende Bauteil 35 festgelegt ist, wobei es somit die
zweite Elektrode 15 mit dem vierten leitenden Bauteil 35 verbindet.
Sowohl das erste als auch das zweite Querbauteil 51 und 31 sind
Hohlröhren,
die durch einen Metallisierungsprozess gebildet werden, in dem die
freiliegenden Flächen
zuerst mit Kupfer und dann mit Lötmittel metallisiert
werden. Der Prozess ergibt einen Metallüberzug 52 auf den
Flächen
der Vorrichtung, die während
des Metallisierungsprozesses ungeschützt waren. Die Vorrichtung
wurde an die Spuren 41 und 43 auf einem isolierenden
Substrat 9 gelötet.
Der Lötmittelüberzug fließt während des
Lötprozesses
auf der Vorrichtung und füllt
die Löcher
vollständig.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung, die zu der 1 bis 3 dargestellten ähnlich ist,
in der aber jede Öffnung
einen offenen Querschnitt aufweist, der ein Halbkreis ist.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kompositschaltungsschutzvorrichtung 10,
und 6 zeigt diese Kompositvorrichtung in einer auseinandergezogenen
Ansicht. Die erste Laminarschaltungsschutzvorrichtung 11 ist durch
das isolierende Bauteil 53 an der zweiten Schaltungsschutzvorrichtung 12 befestigt.
Die dielektrische Schicht 55 bedeckt den größten Teil
der oberen Fläche
der Vorrichtung 10. In 6 ist der
Zwischenraum zwischen dem dritten leitenden Bauteil 49 und
der zweiten Elektrode 15, der unter der dielektrischen
Schicht 55 liegt und in 8 deutlicher
gezeigt ist, in gestrichelten Linien dargestellt.
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7 ist
eine Draufsicht der Vorrichtung von 5, und 8 ist
eine Querschnittsansicht längs der
Linie 8-8 von 7 (in der die dielektrische Schicht 55 nicht
dargestellt ist). Die Zwischenflächenverbindungen 54 verbinden
das dritte leitende Bauteil 49 der ersten Schaltungsschutzvorrichtung 11 mit
der ersten Elektrode 13 der zweiten Schaltungsschutzvorrichtung 12,
und sie verbinden die zweite Elektrode 15 der ersten Schaltungsschutzvorrichtung 11 mit
dem vierten leitenden Bauteil 35 der zweiten Schaltungsschutzvorrichtung 12.
In dieser Ausführungsform
sind die Zwischenräume
zwischen dem leitenden Bauteil und der Elektrode der entsprechenden
ersten und zweiten Vorrichtungen 11, 12 gegeneinander
versetzt.
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9 zeigt
einen Querschnitt ähnlich
zu 8, aber in dieser Kompositvorrichtung ist der Zwischenraum
zwischen der zweiten Elektrode 15 und dem dritten leitenden
Bauteil 49 der ersten Vorrichtung 11 ausgerichtet
mit dem Zwischenraum zwischen dem vierten leitenden Bauteil 35 und
der ersten Elektrode 13 der zweiten Vorrichtung 12.
Obwohl ein isolierendes Bauteil 53 dargestellt ist, muss
es nicht vorhanden sein.
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Alle
oben dargelegten Ausführungsformen und
Ausbildungen der Erfindung sind als Teil der Erfindung der Anmelder
anzusehen, selbst wo die ausführliche
Beschreibung breiter angelegt ist als die oben gegebene Kurzdarstellung
der Erfindung. Umgekehrt sollte die ausführliche Beschreibung nicht
in irgendeiner Weise als eine Einschränkung der Allgemeinheit der
oben gegebenen Kurzdarstellung der Erfindung angesehen werden. Wie
oben beschrieben ist und nachfolgend beansprucht wird und wie in
den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht ist, kann die vorliegende Erfindung
zusätzlich
von einer Anzahl besonderer Merkmale Gebrauch machen. Wo ein derartiges
Merkmal in einem besonderen Zusammenhang oder als Teil einer speziellen
Kombination offenbart ist, kann es auch in anderen Zusammenhängen oder
anderen Kombinationen verwendet werden, wobei zum Beispiel andere
Kombinationen von zwei oder mehreren derartigen Merkmalen eingeschlossen
sind.