DE19739758C1

DE19739758C1 - Kaltleiter-Widerstandselement und Verfahren zur Herstellung solcher Kaltleiter-Widerstandselemente

Info

Publication number: DE19739758C1
Application number: DE1997139758
Authority: DE
Inventors: Harald Dr Schoepf; Lutz Kirsten; Thomas Dr Trenkler
Original assignee: Siemens Matsushita Components GmbH and Co KG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 1997-09-10
Filing date: 1997-09-10
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2017-09-11

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kaltleiter-Widerstands element gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Kaltleiter ist aus der EP 0 779 630 A1 be kannt. Beim bekannten Kaltleiter besitzen die unterschiedli chen Schichten verschiedene Porositäten.

Aus der DE 25 43 314 A1 ist ein Schichtkörper bekannt, bei dem die Schichten in axialer Richtung übereinander angeordnet sind und bei dem die erste Schicht aus Kaltleiter-Material und die zweite Schicht aus einem Material mit konstantem Wi derstandswert bestehen.

Aus der DE 32 10 083 C2 ist eine Kaltleiterkeramik bekannt, die Zusätze von Mangan und Silizium besitzt.

Weiterhin ist aus der DE 30 19 098 C2 ein keramisches Kalt leitermaterial bekannt, bei dem die Sinterung in einer Bari umtitanat reduzierenden Atmosphäre durchgeführt wird, so daß sich die für das Auftreten der Kaltleitereigenschaft ausrei chende Anzahl von Barium-Leerstellen bildet.

Eine Erhöhung der Schaltfestigkeit ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kaltleitern nicht gewährleistet.

Bei elektrischen Schaltbelastungen, wie sie beispielsweise bei Telekom-Anwendungen vorkommen, bei denen ein Kaltleiter- bzw. PTC-(Positive Temperature Coefficient-)Widerstand in Reihe mit einem Vorwiderstand R_v < 2R_min geschaltet wird, wobei mit R_min der Wert eines Kaltleiterwiderstands bei der den Be ginn des Temperaturbereichs mit positivem Temperaturkoeffizi enten angebenden Temperatur bezeichnet ist, tritt nämlich in folge der Ausbildung von großen Temperaturgradienten ein ty pisches Ausfallsbild, die sogenannte Delamination, d. h. ein Querbruch einer Keramikscheibe auf.

Die Ursache für extreme Temperaturgradienten liegt einerseits in der geringen Leitfähigkeit von Kaltleiterkeramik und ande rerseits in der starken Temperaturabhängigkeit eines Kaltlei ter-Widerstandes. Diese beiden Keramikeigenschaften führen unmittelbar nach dem Zeitpunkt einer Leistungsanpassung, d. h. Kaltleiter-Widerstand = Vorwiderstand R_v, zu einem krassen Mißverhältnis zwischen Wärmeproduktion und Wärmetransport an der Oberfläche.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kaltleiter-Wider standselement dahingehend zu verbessern, daß es eine wesent lich höhere Schaltfestigkeit aufweist. Ferner sollen durch die Erfindung Verfahren zum Herstellen von Kaltleiter-Wider standselementen mit erheblich verbesserter Schaltfestigkeit geschaffen werden.

Gemäß der Erfindung ist dies mit einem Kaltleiter-Wider standselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf den An spruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Ansprüche.

Ferner sind gemäß der Erfindung Verfahren zum Herstellen sol cher Kaltleiter-Widerstandselemente mit den Merkmalen eines der Ansprüche 6 bis 10 geschaffen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind bei einem Kaltleiter-Widerstandselement eine Anzahl scheiben förmiger Schichten aus Kaltleiterkeramikmaterial unterschied licher Zusammensetzung in axialer Richtung übereinander ange ordnet. Berechnungen der Anmelderin haben gezeigt, daß durch eine derartige axiale Schichtung eines Kaltleiters (sogenann tes Gradientenmaterial) sich die extremen Temperaturgradien ten verringern lassen und damit der Ursache der Delamination, d. h. des eingangs erwähnten Querbruchs wirksam entgegenge wirkt werden kann.

Untersuchungen der Anmelderin haben ferner ergeben, daß die wichtigste kontrollierbare Einflußgröße einer Kaltleiter- bzw. PTC-Kennlinie auf die Temperaturverteilung im Verlauf eines Schaltvorgangs die maximale Steigung α[%/K] ist. Diese maximale Steigung kann daher als Maß für die Ausprägung eines Kaltleiter- bzw. PTC-Effektes angesehen werden. Daher haben gemäß der Erfindung die einzeln axial übereinander angeordne ten Scheiben aus Kaltleiterkeramik unterschiedliche Kennlini ensteigungen.

Während die axiale Änderung von anderen Kenngrößen, wie bei spielsweise Bezugstemperatur T_b [C°] und spezifischer Wider stand ρ[Ωcm], keinen stabilen, positiven und damit dämpfen den Effekt auf die zeitliche Ausbildung der Temperaturgra dienten zeigt, ist eine deutliche Abflachung des Temperatur profils erreicht worden, wenn ein in axialer Richtung variie rendes α-Profil der Kennlinie angewendet wird. Durch das sich ändernde α-Profil ist ein wirksamer Ausgleich zwischen Wärme produktion und Wärmetransport an der Oberfläche eines Kalt leiter-Widerstandselements gemäß der Erfindung erreicht.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann eine gezielte Beeinflussung der Kennliniensteigung α durch die Menge an Akzeptor-Dotierstoffen bzw. Substituenten, wie bei spielsweise Mangan (Mn) erfolgen, welche der Keramik in den einzelnen Schichten hinzugefügt sind.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Fortbildung der Erfin dung kann die gezielte Beeinflussung der Kennliniensteigung α über die Menge an Sinterhilfsmitteln (Flüssigphasensintern), wie beispielsweise Siliciumoxid erfolgen, die der Halbleiter keramik in den einzelnen Schichten hinzugefügt sind.

Bei einem vorteilhaften Verfahren zum Herstellen von Kaltlei ter-Widerstandselementen, insbesondere in Form von axial ge schichteten Kaltleiter-Widerständen, wird Kaltleiter-Keramik granulat unterschiedlicher Zusammensetzung schichtweise ver preßt und anschließend werden die verpreßten Schichten aus Kaltleiter-Keramikgranulat gesintert.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren zum Herstellen von Kaltleiter-Widerstandselementen, insbesondere in Form von axial geschichteten Kaltleiter-Widerständen werden Kaltlei ter-Keramikfolien unterschiedlicher Zusammensetzung verpreßt und anschließend gesintert.

Bei noch einem weiteren vorteilhaften Verfahren zum Herstel len von Kaltleiter-Widerstandselementen werden Kaltleiter- Keramikgrünlinge unterschiedlicher Zusammenetzung axial ge stapelt und anschließend gesintert.

Ferner können in vorteilhafter Weise gemäß der Erfindung beim Herstellen von Kaltleiter-Widerstandselementen Akzeptorsalze bzw. Lösungen von Akzeptorsalzen in Kaltleiter-Sinterlinge infiltriert und anschließend getempert werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der anliegenden Zeich nungen im einzelnen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Kaltleiter-Wider standselements gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Graphen eines axialen Temperaturprofils eines homogenen Kaltleiter-Widerstands mit einer konstanten Kennliniensteigung;

Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung eines sich ändernden a- Profils einer Kennlinie in axialer Richtung gemäß der Erfindung, und

Fig. 4 einen der Fig. 2 entsprechenden Graphen eines axialen Temperaturprofils eines Kaltleiters mit einem sich ändernden Kennlinienprofil gemäß Fig. 3.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines in seiner Gesamt heit mit 1 bezeichneten Kaltleiter-Widerstandselements darge stellt. Das Kaltleiter-Widerstandselement 1 weist eine Anzahl von beispielsweise sechs scheibenförmigen Kaltleiter-Keramik materialschichten 2a bis 2f unterschiedlicher Zusammensetzung auf, die dadurch jeweils unterschiedliche Kennliniensteigun gen α haben. Auf der Oberseite der obersten Kaltleiterkera mikschicht 2a bzw. auf der Unterseite der untersten Kaltlei terkeramikschicht 2f sind jeweils Elektroden 3 angedeutet.

Somit ist ein Kaltleiter-Widerstandselement 1 geschaffen, das aus einer Anzahl in axialer Richtung übereinander geschichte ter und miteinander verbundener Kaltleiter-Keramikscheiben unterschiedlicher Zusammensetzung gebildet ist, wodurch die Kennliniensteigung α gemäß der Erfindung unterschiedlich ist. (Siehe Fig. 3) Fig. 2 zeigt axiale Temperaturprofile in einem homogenen Kaltleiterwiderstand mit konstanter Kennliniensteigung α.

In Fig. 2 ist auf der Abszisse die Dicke z (cm) eines homoge nen Kaltleiter-Widerstandselements mit einer konstanten Kenn liniensteigung α wiedergegeben, wobei z = 0 der Elektrode und z = 0,125 cm dem Zentrum des scheibenförmigen Kaltleiterwi derstandselements entspricht. Auf der Ordinate ist die Tempe ratur T in Abhängigkeit von der Dicke z und der Zeit t aufge tragen, wobei zwanzig Zeitschritte von 10 ms von t = 350 ms bis t = 550 ms wiedergegeben sind.

Der in Fig. 2 wiedergegebene homogene Kaltleiter-Widerstand ist beispielsweise für einen Vorwiderstand R_v = 200 Ω und eine Spannung U = 450 V ausgelegt.

Fig. 2 ist zu entnehmen, daß bei einem homogenen Kaltleiter mit konstanter Kennliniensteigung mit zunehmendem Abstand vom Zentrum der Kaltleiterscheibe bei Anfangstemperaturen im Be reich von 130°C bis 140°C der Temperaturgradient ständig zu nimmt.

In Fig. 3 ist ein Beispiel eines α-Profils einer Kennlinie in axialer Richtung wiedergegeben. Hierbei sind in Fig. 3 auf der Abszisse der Abstand von der Elektrode in mm und auf der Ordinate die Kennliniensteigung in Prozent vom Maximalwert aufgetragen. Die Variation der Kennliniensteigung α in Fig. 3 hat, im Unterschied zu dem Verlauf des Temperaturprofils in Fig. 2, beispielsweise die in Fig. 4 wiedergegebene Abflachung des Temperaturprofils zur Folge.

In Fig. 4 sind analog Fig. 2 axiale Temperaturprofile in ei nem Kaltleiter-Widerstandselement 1 (siehe Fig. 1) wiederge geben. Hierbei handelt es sich jedoch im Unterschied zu Fig. 2 nicht um einen homogenen Kaltleiterwiderstand, sondern das Kaltleiter-Widerstandselement ist aus einer Anzahl Kaltlei terkeramikschichten 2a bis 2f unterschiedlicher Zusammenset zung gebildet. Aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung der benutzten Kaltleiterkeramikschichten ergibt sich bei spielsweise das Fig. 3 entnehmbare, sich ändernde α-Profil ei ner Kennlinie.

Analog zu Fig. 2 ist auch in Fig. 4 auf der Abszisse die Dic ke z [cm] und auf der Ordinate die Temperatur T in Abhängig keit von der Dicke z und der Temperatur T aufgetragen, wobei ebenfalls analog Fig. 2 zwanzig Zeitschritte von 10 ms von t = 350 ms bis t = 550 ms wiedergegeben sind. Auch sind die Schaltbedingungen in Fig. 4 dieselben wie bei Fig. 2, d. h. der Vorwiderstand R_v beträgt 200 Ω und die angelegte Spannung U ist 450 V.

Wie ein Vergleich der in Fig. 2 wiedergegebenen Temperatur profile für einen homogenen Kaltleiter und die entsprechenden Temperaturprofile für einen in axialer Richtung geschichteten Kaltleiterwiderstand zeigt, ist in Fig. 4 gegenüber Fig. 2 eine deutliche Abflachung des Temperaturgradienten erkennbar.

Kaltleiter-Widerstandselemente, die entsprechend der Prinzip darstellung in Fig. 1 ausgeführt sind, sind für Schaltungsan wendungen vorgesehen, wie sie in Telekom-Kaltleiter- bzw. Te lekom-PTC-Elementen oder als Überlast-Kaltleiter- bzw. PTC- Widerstandselemente verwendet werden, wobei der Kaltleiter- bzw. PTC-Widerstand gemäß der Erfindung in Reihe mit einem Vorwiderstand geschaltet ist.

Bezugszeichenliste

1

Kaltleiter-Widerstandselement

2

a,

2

b,

2

c,

2

d,

2

e,

2

fKaltleiterkeramikschichten

3

Elektroden
zDicke eines Kaltleiter- Widerstandselements
TTemperatur
R_v

Vorwiderstand
USpannung

Claims

1. Kaltleiter-Widerstandselement, bei dem eine Anzahl schei benförmiger Schichten aus Kaltleiterkeramikmaterial unter schiedlicher Zusammensetzung in axialer Richtung übereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten aus Kaltleiterkeramikmaterial je weils unterschiedliche Kennliniensteigungen des Temperatur koeffizenten (α) aufweisen.

2. Kaltleiter-Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennliniensteigung (α) über die Menge an Akzeptor-Dotier stoffen gesteuert ist, welche den einzelnen Kaltleiterkera mikschichten hinzugefügt ist.

3. Kaltleiter-Widerstandselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Akzeptor-Dotierstoff Mangan (Mn) ist.

4. Kaltleiter-Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennliniensteigung (α) über die Menge an Sinterhilfsmit teln gesteuert ist, welche den einzelnen Kaltleiterkeramik schichten hinzugefügt sind.

5. Kaltleiter-Widerstandselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterhilfsmittel Siliciumoxid ist.

6. Verfahren zum Herstellen von Kaltleiter-Widerstandselemen ten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kaltleiterkeramikgranulat unterschiedlicher Zusammensetzung schichtweise verpreßt und die verpreßten Schichten aus Kalt leiterkeramikgranulat anschließend gesintert werden.

7. Verfahren zum Herstellen von Kaltleiter-Widerstandselemen ten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kaltleiterkeramikfolien unterschiedlicher Zusammensetzung verpreßt und anschließend gesintert werden.

8. Verfahren zum Herstellen von Kaltleiter-Widerstandselemen ten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kaltleiterkeramikgrünlinge unterschiedlicher Zusammensetzung axial gestapelt und anschließend gesintert werden.

9. Verfahren zum Herstellen von Kaltleiter-Widerstandselemen ten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Akzeptorsalze in Kaltleitersinterlinge infiltriert und an schließend getempert werden.

10. Verfahren zum Herstellen von Kaltleiter-Widerstandsele menten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Lösungen von Akzeptorsalzen in Kaltleitersinterlinge infil triert und anschließend getempert werden.