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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Herstellung
elektronischer Bauteile. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung
auf eingekapselte oder isolierte Vorrichtungen mit positivem Temperaturkoeffizienten
(PTC, Englisch: Positive Temperature Coefficient).
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Es
ist wohl bekannt, dass sich der Widerstand von vielen leitfähigen Materialien
mit der Temperatur verändert.
Der Widerstand eines Materials mit positivem Temperaturkoeffizienten
("PTC") vergrößert sich,
wenn sich die Temperatur des Materials erhöht. Beispiele derartiger Materialien
sind kristalline Polymere, die durch Dispergieren von leitfähigen Füllmaterialien
darin elektrisch leitfähig
gemacht worden sind. Diese Polymere enthalten allgemein Polyolefine,
wie Polyäthylen,
Polypropylen und Äthylen/Propylencopolymere.
Kohlenscharz (Englisch: Carbon Black) ist ein Beispiel eines leitfähigen Füllmaterials.
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Typischerweise
umfasst eine Vorrichtung mit einem leitfähigen Polymer PTC eine Schicht
eines leitfähigen
Polymer PTC Materials, das zwischen oberen und unteren Metallfolienelektroden
eingelegt ist. Der Stand der Technik umfasst Vorrichtungen mit einzelnen
Schichten und Vorrichtungen mit mehreren Schichten, wobei die letzteren
zwei oder mehr leitfähige
Polymerschichten umfassen, die durch eine oder mehrere interne Metallfolienelektroden
getrennt sind, und die externe Metallfolienelektroden auf der oberen
und unteren Oberfläche
aufweisen. Beispiele derartiger Vorrichtungen und ihre Verfahren
zur Herstellung sind in den folgenden US Patenten offenbart:
US 6,429,533 ;
US 6,380,839 ;
US 6,242,997 ;
US 6,236,302 ;
US 6,223,423 ;
US 6,172,591 ;
US 6,124,781 ;
US 6,020,808 ; und
US 5,802,709 . Die externen Oberflächen der
PTC Vorrichtungen könnten mit einer
isolierenden Schicht geschützt
werden, wie das in US-A-5
884 391, FR-A-2 790 136, FR-A-2 792 764 und US-A-4 912 450 offenbart
ist.
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Bei
Temperaturen unterhalb eines bestimmten Werts, der allgemein als
die kritische oder Umschalttemperatur bezeichnet wird, zeigen PTC
Materialien des oben genannten Typs einen relativ niedrigen, konstanten
Widerstand auf. Wenn sich die Temperatur des PTC Materials jedoch über diesen
Punkt erhöht,
dann steigt der Widerstand des Materials stark mit der Temperatur
an. Wenn die Temperatur des Materials sich unterhalb der kritischen
oder Umschalttemperatur abkühlt,
dann kehrt der Widerstand auf seinen niedrigen, konstanten Wert
zurück.
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Dieser
Effekt ist bei der Herstellung von elektronischen PTC Vorrichtungen
verwendet worden und stellt in elektrischen Schaltkreises, wo sie
allgemein in Reihe mit einer Last angeordnet werden, einen Überstromschutz
bereit. Unter normalen Betriebsbedingungen ist der Widerstand der
Last und der PTC Vorrichtung derart, dass ein relativ kleiner Strom
in der PTC Vorrichtung fließt.
Unter diesen Bedingungen bleibt die Temperatur der Vorrichtung aufgrund
der ohmschen Erwärmung
unterhalb der kritischen oder Umschalttemperatur der PTC Vorrichtung.
Wenn jedoch die Last kurzgeschlossen wird oder der Schaltkreis einen
Leistungs- bzw. Spannungsstoß erfährt, dann
erhöht
sich der Strom, der durch die PTC Vorrichtung fließt, und
die Temperatur der PTC Vorrichtung steigt aufgrund der ohmschen Erwärmung schnell
an. Wenn die PTC Vorrichtung ihre kritische Temperatur erreicht,
dann wird ein bedeutsamer Anteil der Leistung in der PTC Vorrichtung dissipiert.
Typischerweise tritt diese Leistungsdissipation nur während eines
Bruchteils einer Sekunde auf, jedoch erhöht die vergrößerte Leistungsdissipation
die Temperatur der PTC Vorrichtung auf einen Wert, bei dem der Widerstand
der PTC Vorrichtung so groß wird,
dass der Strom in dem Schaltkreis auf einen relativ niedrigen Wert
begrenzt wird. Dieser begrenzte Stromwert ist ausreichend, um die
PTC Vorrichtung auf einer hoher Temperatur/hohem Widerstandsgleichgewichtspunkt
zu halten, ist jedoch geeignet entworfen bzw. gewählt, um
Schaden an anderen elektrischen Schaltkreiskomponenten zu verhindern.
Auf diese Weise führt
die PTC Vorrichtung die Funktion einer Sicherung aus, wobei sie
den Stromfluss durch die kurzgeschlossene Last auf einen sicheren,
relativ niedrigen Wert verringert, wenn die Temperatur der PTC Vorrichtung
die die kritische Temperatur erreicht oder überschreitet.
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Um
es der PTC Vorrichtung zu ermöglichen, unter
ihre kritische Temperatur abzukühlen
und in ihren normalen Betriebszustand mit niedrigem Widerstand zurückzukehren,
ist es erforderlich, die Leistung auszuschalten oder die für den Kurzschluss
verantwortliche Fehlerbedingung zu entfernen. Daher können diese
PTC Vorrichtungen dieses Typs so betrachtet werden, als ob sie als
rücksetzbare
Schutzvorrichtungen für
elektrische Schaltkreise betrieben werden.
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Chu
und andere (
US 6,377,467 )
offenbaren eine auf einer Oberfläche
montierte PTC Vorrichtung. Der Aufbau der Vorrichtung nach Chu leidet
jedoch unter einer Anzahl von Nachteilen einschließlich einer
begrenzten effektiven Fläche
für das
PTC Material und Schwierigkeiten bei der Herstellung, die von der
Bereitstellung von elektrischen Verbindungen mit den Laminarelektroden
des PTC Materials durch benachbart zu den Elektroden hindurch laufende
Leitungszusammenschaltungen herrühren.
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McGuire
und andere (
US 5,907,272 )
und McGuire (
US 5,884,391 )
offenbaren eine auf einer Oberfläche
montierte PTC Vorrichtung, die verlässliche Verbindungen mit den Laminarelektroden
bereitstellt. Es ist jedoch nahe gelegt, dass die Herstellungsverfahren
in diesen Patenten ineffizient und kostspielig bzw. teuer sein können. Darüber hinaus
ist es in bestimmten Umgebungen und Anwendungen erforderlich, die
PTC Vorrichtung vor externen Stoffen zu schützen. Die offenbarte Vorrichtung
belässt
das PTC Material offenliegend für
derartige Stoffe. Ein Beispiel einer derartigen Umgebung ist die
Verwendung der PTC Vorrichtungen in Batterieleisten. Batterieleisten
werden verwendet, um einen Schutzschaltkreis innerhalb eines Batteriegehäuses bereitzustellen,
um Schaden an der Batterie zu vermeiden.
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Typischerweise
umfassen Batterieleisten eine PTC Vorrichtung, die zwei Leitungsdrähte (Streifen)
aufweist, die durch Löten
oder auf andere Weise an ihren Anschlusseinheiten befestigt sind.
Diese Leitungsdrähte
werden verwendet, um Geräteanschlüsse vorzusehen.
In Anwendungen von Lithiumbatterien können Lithiumsalze oder andere
Elektrolyte auf die PTC Vorrichtung auslaufen und das PTC Material
beschädigen.
Folglich ist es notwendig, die PTC Vorrichtung zu schützen. Eine
bekannte Art und Weise zum Bereitstellen von Schutz besteht darin, die
PTC Vorrichtung in einem Schutzband einzuwickeln. Jedoch ist dies
ein teurer und zeitaufwendiger Vorgang. Darüber hinaus neigen PTC Vorrichtungen zu
Beschädigungen
aufgrund mechanischer Fehlbehandlung.
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Ein
anderer Nachteil bestehender PTC Vorrichtungen ist, dass der Kriechabstand
zwischen den zwei Anschlusseinheiten effektiv die Dicke des PTC Materials
ist. In bestimmten Umgebungen, beispielsweise Batterien, kann dieser
Abstand durch Verunreinigungen, wie Schleifsand (Englisch: Swarf)
oder Batteriesalze, überbrückt werden,
was die PTC Vorrichtung ineffektiv werden lässt.
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Folglich
besteht eine Notwendigkeit für
eine verbesserte PTC Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen
derselben.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine eingekapselte
elektronische Vorrichtung bereit, deren Merkmale im Patentanspruch
1 offenbart sind. Sie umfasst ein Element eines elektronisch aktiven
Materials, das zwischen einer ersten Laminarelektrode und einer
zweiten Laminarelektrode eingelegt ist. Ein Bereich des Isoliermaterials
umschließt
die erste Laminarelektrode, die zweite Laminarelektrode und das
Element aus aktivem Material. Eine erste Anschlusseinheit ist zur
Erleichterung einer externen elektrischen Verbindung mit der ersten Laminarelektrode
vorgesehen und eine zweite Anschlusseinheit ist zur Erleichterung
einer externen elektrischen Verbindung mit der zweiten Laminarelektrode
vorgesehen. Die erste Anschlusseinheit und die erste Laminarelektrode
sind durch eine erste Leitungszusammenschaltung bzw. leitfähige Verbindung,
die durch den Bereich des Isoliermaterials hindurchläuft, verbunden.
Eine zweite Leitungszusammenschaltung bzw. leitfähige Verbindung, die durch den
Bereich des Isoliermaterials hindurchläuft, verbindet die zweite Anschlusseinheit
und die zweite Laminarelektrode elektrisch miteinander. Mindestens eine
der Zusammenschaltungen umfasst einen galvanischen Metallüberzug auf.
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Durch
Einkapseln des aktiven Materials und der Laminarelektroden innerhalb
eines Bereichs aus Isoliermaterial wird das aktive Material vor
externen Stoffen geschützt.
Die Verwendung eines galvanischen Metallüberzugs zum Bereitstellen der
Zusammenschaltungen zwischen der Elektrode und den Anschlusseinheiten
erleichtert die Herstellung der Vorrichtungen unter Verwendung von
standardmäßigen PCB
Verarbeitungstechniken. In geeigneter Weise sind die erste Leitungszusammenschaltung
und die zweite Leitungszusammenschaltung beide mit einem galvanischen
Metallüberzug
versehen.
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Die
elektronische Vorrichtung kann eine mit einer Leitung versehene
Vorrichtung sein, die einen an ihrer ersten Anschlusseinheit befestigten
ersten Anschlussdraht, und einen an ihrer zweiten Anschlusseinheit
befestigten zweiten Anschlussdraht aufweist. Eine dritte Anschlusseinheit
kann auf derselben Seite der Vorrichtung als die erste Anschlusseinheit
bereitgestellt sein und elektrisch mit der zweiten Anschlusseinheit
durch eine zwischen gegenüberliegenden
Seiten der Vorrichtungen durch den Bereich des Isoliermaterials
hindurch ausgebildete, erste elektrische Verbindung verbunden sein.
Die erste elektrische Verbindung kann ein galvanischer beschichteten
Durchlochweg sein.
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Der
Bereich des Isoliermaterials kann eine erste Schicht aus Isoliermaterial,
die die erste Laminarelektrode und die erste Anschlusseinheit trennt, und/oder
eine zweite Schicht aus Isoliermaterial, die die zweite Laminarelektrode
von der zweiten Anschlusseinheit trennt, umfassen. Der Bereich des Isoliermaterials
kann ein gedrucktes Leiterplattenmaterial mit einer darin vorgegebenen Öffnung,
in der das Element aus aktivem Material aufgenommen wird, aufweisen.
In geeigneter Weise ist das aktive Material ein Material mit einem
positiven Temperaturkoeffizienten, optional ein Polymermaterial.
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Ferner
wird eine eingekapselte PTC Vorrichtung bereitgestellt, die ein
Element bzw. Segment aus Isoliermaterial mit einer darin vorgegebenen Öffnung umfasst.
Ein Element aus PTC Material wird innerhalb der vorgegebenen Öffnung aufgenommen. Eine
erste Oberfläche
des PTC Elements ist durch eine erste Laminarelektrode überzogen
und eine zweite Oberfläche
des PTC Elements ist durch eine zweite Laminarelektrode überzogen.
Die erste Elektrode ist im wesentlichen durch eine erste Schicht aus
Isoliermaterial überzogen
und die zweite Elektrode ist im wesentlichen von einer zweiten Schicht
aus Isoliermaterial überzogen.
Eine erste Anschlusseinheit zum Bereitstellen einer externen elektrischen Verbindung
mit der ersten Elektrode ist auf der Oberseite der ersten Isolationsschicht
bereitgestellt und eine zweite Anschlusseinheit ist auf der zweiten
Isolationsschicht zum Vorsehen einer externen elektrischen Verbindung
mit der zweiten Elektrode bereitgestellt. Die erste Anschlusseinheit
ist mit der ersten Elektrode durch eine erste Leitungszusammenschaltung,
die durch die erste Isolationsschicht hindurchläuft, verbunden und die zweite
Anschlusseinheit ist mit der zweiten Elektrode durch eine zweite
Leitungszusammenschaltung, die durch die zweite Isolationsschicht
hindurchläuft,
verbunden.
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Die
erzielte eingekapselte Vorrichtung weist eine Struktur auf, die
das PTC Material vor externen Stoffen schützt und die unter Verwendung
von Herstellungsverfahren für
bedruckte Leiterplatten mit niedrigen Kosten hergestellt werden
kann. Die erste und zweite Schicht des Isoliermaterials können als Harzschichten
bereitgestellt werden. In geeigneter Weise umfasst das Element bzw.
Segment des Isoliermaterials Leiterplattenmaterial. Optional ist
das Leiterplattenmaterial eine Laminatstruktur aus Glas oder Aramidfasern,
die mit einem Harzmaterial verbunden sind. Alternativ können die
erste und zweite Isolationsschicht das Element aus Isoliermaterial
bereitstellen.
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Die
eingekapselte PTC Vorrichtung kann eine mit einem Draht versehene
Vorrichtung sein, die Anschlussdrähte aufweist, die an der ersten
und zweiten Anschlusseinheit befestigt sind. Darüber hinaus ist die eingekapselte
Vorrichtung, wenn sie mit Anschlussdrähten versehen ist, besonders
für eine Batterieleiste
geeignet.
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Eine
dritte Anschlusseinheit kann vorgesehen werden, die mit der zweiten
Anschlusseinheit über
die durch das isolierende Element hindurch laufende, erste Leitungszusammenschaltung
elektrisch verbunden ist. Anschlussdrähte können an der ersten und dritten
Anschlusseinheit befestigt sein, um eine eingekapselte PTC Vorrichtung
mit verringerter Höhe
zu erzielen. Dies ist zur Verwendung als eine Batterieleiste besonders
geeignet. Die erste, durch das Isolierelement hindurchlaufende Leitungszusammenschaltung
kann ein galvanisch beschichteter Durchlochweg sein.
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Zusätzlich kann
eine vierte Anschlusseinheit bereitgestellt sein, die mit der ersten
Anschlusseinheit über
eine zweite, durch das Isolierelement hindurchlaufenden Leitungszusammenschaltung
elektrisch verbunden ist. Die zweite, durch das Isolierelement hindurchlaufende
Leitungszusammenschaltung kann einen galvanisch überzogenen Durchlochweg umfassen.
Die erste, zweite, dritte und vierte Anschlusseinheit können geeignet
angeordnet werden, um eine symmetrische Vorrichtung bereitzustellen. Die
Anschlusseinheiten der Vorrichtungen können mit einem galvanischen
Metallüberzug
versehen sein. Optional ist der galvanische Metallüberzug eine Kombination
aus Kupfer, Nickel und/oder Gold. Darüber hinaus kann die galvanische
Beschichtung drei getrennte galvanische Metallbeschichtungen aus Kupfer,
Nickel und Gold umfassen.
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Ein
Verfahren zum Herstellung einer elektrischen Vorrichtung, deren
Merkmale in Anspruch 13 offenbart sind, wird bereitgestellt. Das
Verfahren umfasst den Schritt des Bereitstellens eines Elements eines
elektrisch aktiven Materials, das eine erste Metallschicht als eine
erste Laminarelektrode und eine zweite Metallschicht als eine zweite
Laminarelektrode aufweist. Die erste Laminarelektrode, die zweite Laminarelektrode
und das Element des elektrisch aktiven Materials sind mit einem
Bereich aus Isoliermaterial umschlossen. Eine erste Anschlusseinheit
zur Erleichterung einer externen elektrischen Verbindung mit der
ersten Laminarelektrode und eine zweite Anschlusseinheit zur Erleichterung
einer externen elektrischen Verbindung mit der zweiten Laminarelektrode
werden bereitgestellt. Eine erste Öffnung wird durch den Bereich
des Isoliermaterials hindurch erzeugt und darin wird ein leitfähiger Pfad
bereitgestellt, um die erste Anschlusseinheit und die erste Laminarelektrode
elektrisch zu verbinden. In ähnlicher Weise
werden eine zweite Öffnung
durch den Bereich des Isoliermaterials erzeugt und ein Leitungspfad
bzw. leitfähiger
Pfad wird darin bereitgestellt, um die zweite Anschlusseinheit und
die zweite Laminarelektrode elektrisch zu verbinden.
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Der
Schritt des Umschließens
der ersten Laminarelektrode, der zweiten Laminarelektrode und des
Elements des elektronisch aktiven Materials mit einem Bereich isolierenden
Materials kann den Schritt des Anordnens des Elements des aktiven
Materials in einer in einem gedruckten Leiterplattenmaterial vorgegebenen Öffnung umfassen.
Leitungsdrähte
können
an der ersten Anschlusseinheit und an der zweiten Anschlusseinheit
befestigt werden.
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Das
Verfahren kann den zusätzlichen
Schritt des Bereitstellens einer dritten Anschlusseinheit auf der gleichen
Seite der Vorrichtung wie die erste Anschlusseinheit und das elektrisch
Verbinden der dritten Anschlusseinheit mit der zweiten Anschlusseinheit
unter Verwendung einer ersten elektrischen Verbindung, die zwischen
gegenüberliegenden
Seiten der Vorrichtung durch den Bereich des Isoliermaterials hindurch
ausgebildet ist, umfassen. Der Schritt des elektrisch Verbindens
der dritten Anschlusseinheit mit der zweiten Anschlusseinheit kann
durch Ausbilden eines galvanischen Metallüberzugs ausgeführt werden.
Anschlussdrähte
können
mit der ersten Anschlusseinheit und der dritten Anschlusseinheit
befestigt werden.
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Das
Verfahren kann die folgenden zusätzlichen
Schritte umfassen: Bereitstellen einer vierten Anschlusseinheit,
die auf der gleichen Seite der Vorrichtung wie die zweite Anschlusseinheit
angeordnet ist, und elektrisch Verbinden der vierten Anschlusseinheit
mit der ersten Anschlusseinheit unter Verwendung einer zweiten elektrischen
Verbindung, die zwischen gegenüberliegenden
Seiten der Vorrichtung durch den Bereich des Isoliermaterials hindurch
ausgebildet ist.
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Der
Schritt des elektrischen Verbindens der vierten Anschlusseinheit
mit der ersten Anschlusseinheit kann durch Ausbilden eines galvanischen
Metallüberzugs
implementiert werden. Der Schritt des Umschließens der ersten Laminarelektrode,
der zweiten Laminarelektrode und des Elements bzw. Segments des
elektronisch aktiven Materials mit einem Bereich aus Isoliermaterial
kann den Schritt des Abdeckens der ersten Laminarelektrode mit einer ersten
Schicht aus Isoliermaterial und/oder den Schritt des Abdeckens der
zweiten Laminarelektrode mit einer zweiten Schicht aus Isoliermaterial
umfassen.
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Das
aktive Material kann ein Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten,
optional ein Polymermaterial sein.
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Das
Verfahren zum Herstellen einer eingekapselten PTC Vorrichtung, wie
in Patentanspruch 13 definiert, kann umfassen die Schritte des Umschließens des
Umfangs eines Elements aus PTC Material mit einem Element bzw. Segment
aus Isolationsmaterial, Versehen des Elements aus PTC Material mit einer
ersten Laminarelektrode, die eine erste Hauptoberfläche des
PTC Materials im wesentlichen abdeckt, Versehen des Elements des
PTC Materials mit einer zweiten Laminarelektrode, die eine zweite Hauptoberfläche des
PTC Elements im wesentlichen abdeckt, Ausbilden einer ersten Schicht
aus Isolationsmaterial, das die erste Elektrode im wesentlichen abdeckt,
Ausbilden einer zweiten Schicht aus Isolationsmaterial, das die
zweite Elektrode im wesentlichen abdeckt, Bereitstellen einer ersten
Anschlusseinheit zur Erleichterung einer externen elektrischen Verbindung
mit der ersten Laminarelektrode, Bereitstellen einer zweiten Anschlusseinheit
zur Erleichterung einer externen elektrischen Verbindung mit der zweiten
Elektrode, Ausbilden einer elektrischen Verbindung zwischen der
ersten Anschlusseinheit und der ersten Elektrode durch die erste
Isolationsschicht und Ausbildung einer elektrischen Verbindung zwischen
der zweiten Anschlusseinheit und der zweiten Elektrode durch die
zweite Isolationsschicht.
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Das
Element des Isolationsmaterials kann ein Leiterplattenmaterial umfassen,
optional eine Laminatstruktur aus Glas oder Aramidfasern, die mit
einem Harzmaterial verbunden sind. Die erste und zweite Schicht
des Isoliermaterials können
als Harzschichten bereitgestellt werden.
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Der
Schritt des Umschließens
des Umfangs eines Elements des PTC Materials mit einem Element bzw.
Segment aus Isolationsmaterial kann unter Benutzung der ersten und
zweiten Isolationsschicht ausgeführt
werden. Das Verfahren kann den Schritt des Befestigens von Leitungsdrähten an
der ersten und zweiten Anschlusseinheit enthalten. Eine dritte Anschlusseinheit
kann elektrisch verbunden mit der zweiten Anschlusseinheit bereitgestellt
werden durch das Ausbilden einer ersten Leitungszusammenschaltung,
die durch das isolierende Segment hindurchläuft. Anschlussdrähte können an
der ersten und dritten Anschlusseinheit befestigt werden. Ein Vorgang
zum Erzeugen eines galvanischen Metallüberzugs kann zum Ausbilden
der ersten Leitungszusammenschaltung, die durch das isolierende
Segment hindurchläuft,
verwendet werden.
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Das
Verfahren kann das Bereitstellen einer vierten Anschlusseinheit
und das elektrische Verbinden derselben mit der ersten Anschlusseinheit
enthalten durch Ausbilden einer zweiten Leitungszusammenschaltung,
die durch das isolierende Segment hindurchläuft. Ein Vorgang zum Erzeugen
eines galvanischen Metallüberzugs
kann zum Bereitstellen der zweiten, durch das isolierende Segment
hindurchlaufenden Leitungszusammenführung verwendet werden.
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Das
Verfahren kann die erste, zweite, dritte und vierte Anschlusseinheit
zum Erzielen einer symmetrischen Vorrichtung anordnen. Die Anschlusseinheiten
können
galvanisch beschichtet werden unter Verwendung eines Verfahrens
zur Herstellung eines galvanischen Metallüberzugs.
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Das
Verfahren nach Anspruch 13 kann umfassen die Schritte des Bereitstellens
einer ersten Matrix, die eine Vielzahl von Vorrichtungen umfasst, wobei
jede Vorrichtung in der ersten Matrix mindestens ein Element des
elektronischen aktiven Materials, das zwischen zwei Laminarelektroden
eingelegt ist, umfassen, wobei eine Anschlusseinheit für jede der
zwei Elektroden auf beiden Seiten der ersten Matrix bereitgestellt
ist;
Ablagern eines leitfähigen
Befestigungsmaterials auf den Anschlusseinheiten auf der oberen
Oberfläche der
Matrix; und,
Anordnen einer zweiten Matrix, die eine Vielzahl
von Vorrichtungen umfasst, wobei jede Vorrichtung in der zweiten
Matrix mindestens ein Element aus zwischen zwei Laminarelektroden
eingelegtem, elektronisch aktivem Material umfasst, wobei eine Anschlusseinheit
für jede
der zwei Elektroden auf mindestens der Unterseite der Matrix bereitgestellt
ist, so dass die Anordnung der Anschlusseinheiten auf der oberen Oberfläche der
ersten Matrix sich mit der Anordnung der Anschlusseinheiten auf
der unteren Oberfläche der
zweiten Matrix ausrichtet, was zu einer kombinierten Matrix von
parallel ausgerichteten Vorrichtungen führt.
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Die
Verwendung dieses Verfahrens erleichtert die gleichzeitige Herstellung
einer bedeutsamen Anzahl von parallel ausgerichteten Vorrichtungen, die
andernfalls einzeln hergestellt werden müssten. Das Verfahren kann ferner
den Schritt des Vereinzelns bzw. Singularisierens von parallel ausgerichteten
Vorrichtungen aus der kombinierten Matrix umfassen. Das elektronisch
aktive Material kann ein PTC Material sein, optional ein polymerisches
PTC Material.
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Eine
Matrix von Vorrichtungen kann bereitgestellt werden, wobei jede
Vorrichtung umfasst: eine erste Laminarelektrode, eine zweite Laminarelektrode,
ein Element bzw. Segment von zwischen der ersten Laminarelektrode
und der zweiten Laminarelektrode eingelegten elektronisch aktivem
Material, eine erste Anschlusseinheit zum Erleichtern einer Verbindung
mit der ersten Laminarelektrode, eine zweite Anschlusseinheit zum
Erleichtern einer Verbindung mit der zweiten Laminarelektrode, eine
erste Schicht aus Isolationsmaterial, die die erste Anschlusseinheit von
der ersten Laminarelektrode trennt, und eine zweite Schicht von
Isolationsmaterial, die die zweite Anschlusseinheit von der zweiten
Laminarelektrode trennt, wobei benachbarte bzw. nebeneinander liegende
Elemente des elektronisch aktiven Materials durch einen Bereich
aus isolierendem Material voneinander getrennt sind.
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Der
Bereich aus isolierendem Material kann ein Abschnitt aus PCB Material
sein mit Öffnungen oder
Vertiefungen, die darin zum Aufnehmen der Elemente aus elektronisch
aktivem Material ausgebildet sind. Alternativ umfasst der Bereich
aus isolierendem Bereich die erste Schicht aus isolierendem Material und
die zweite Schicht aus isolierendem Material. Die Leitungszusammenschaltungen
zwischen der zweiten Anschlusseinheit und der zweiten Elektrode
kann in geeigneter Weise durch mindestens einen durch die zweite
Schicht aus isolierendem Material hindurch laufenden, galvanisch
beschichteten Blindweg bereitgestellt werden. Jede Vorrichtung in
der Matrix kann eine dritte Anschlusseinheit aufweisen, die auf der
gleichen Oberfläche
der Matrix angeordnet ist wie die erste Anschlusseinheit und die
elektrisch mit der zweiten Anschlusseinheit verbunden ist durch
eine erste elektrische Verbindung, die zwischen gegenüberliegenden
Oberflächen
der Matrix durch den Bereich aus Isolationsmaterial über einen
galvanisch beschichten Durchloch-Weg ausgebildet wird. Die einzelnen
Vorrichtungen der Matrix können
als oberflächenmontierbare
Vorrichtungen ausgebildet sein, wobei die erste und dritte Anschlusseinheit
SMT Verbindungen bereitstellen. Eine vierte Anschlusseinheit für jede Vorrichtung
kann auf der gleichen Oberfläche der
Matrix angeordnet werden wie die zweite Anschlusseinheit und elektrisch
mit der ersten Anschlusseinheit verbunden werden durch eine zweite elektrische
Verbindung, die zwischen gegenüberliegenden
Oberflächen
der Vorrichtung durch den Bereich aus isolierendem Material hindurch
durch einen galvanisch beschichteten Durchloch-Weg ausgebildet ist.
Das aktive Material in der Matrix kann ein Material mit positivem
Temperaturkoeffizienten sein, optional ein polymerisches Material,
oder es kann ein dielektrisches Material, ein Material mit elektrischem Widerstand,
ein magnetisches Material oder ein Halbleitermaterial sein. Ein
gemeinsam genutzter Bereich aus Metall kann die Anschlusseinheiten
von benachbarten Vorrichtungen in der Matrix bereitstellen.
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Ein
Bauteil kann von der Matrix vereinzelt (Englisch: singularized)
werden. Das Bauteil kann als eine SPI Komponente ausgebildet werden,
in der die erste und zweite Anschlusseinheit von jeder Vorrichtung
entlang einer Kante der Vorrichtung ausgerichtet sind. Die erste
Anschlusseinheit in der Bauteilvorrichtung kann mit einer darunter
liegenden dritten Anschlusseinheit mittels einer ersten galvanisierten Durchlochverbindung
durch den Bereich aus isolierendem Material hindurch verbunden werden.
Die zweite Anschlusseinheit in der Bauteilvorrichtung kann mit einer
darunter liegenden vierten Anschlusseinheit mittels einer zweiten
galvanisierten Durchlochverbindung, die durch den Bereich aus isolierendem
Material hindurch läuft,
verbunden werden. Alternativ kann das Bauteil als ein DIP Bauteil
konfiguriert werden. Das Bauteil kann eine mit einer Leitung versehene
Vorrichtung mit einem geeigneten Anschlussdraht sein, die an den
ersten und zweiten Anschlusseinheiten befestigt ist. Das Bauteil
kann zwei oder mehrere Vorrichtungen enthalten. Eine oder mehrere
der Vorrichtungen in dem Bauteil kann eine PTC Vorrichtung sein,
optional vom Typ eines leitfähigen
Polymers. Das Bauteil kann dazu ausgebildet sein, eine oder mehrere Schaltkreisschutzvorrichtungen
oder Bauteile eines darauf montierten anderen Typs, wie beispielsweise
einem Thyristor, einen Metalloxydvaristor und/oder eine Gasentladungsröhre aufweisen.
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Die
oben genannten Vorteile der vorliegenden Erfindung, ebenso wie andere,
werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung leichter verstanden und gewertschätzt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines PTC Elements, das ein Segment
eines zwischen zwei Metallschichten laminierten PTC Materials umfasst
und das in dem Aufbau einer PTC Vorrichtung nach der Erfindung verwendet
wird;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Abschnitts auf einer
Leiterplatine bzw. einer Platte, das eine darin ausgebildete Öffnung zum Aufnehmen
des Elements aus PTC Material aus der 1 aufweist,
wobei der einzelne Abschnitt zum Zweck der Veranschaulichung der
Schritte in dem Verfahren zum Herstellen einer PTC Vorrichtung nach
der vorliegenden Erfindung gezeigt wird;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht einer Platine bzw. Platte, die eine
Vielzahl von einzelnen Abschnitten von dem in 2 gezeigten
Typ mit einem PTC Element des in 1 gezeigten
Typs umfasst;
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer Anordnung, die den Abschnitt der
Platine bzw. Platte der 2 umfasst, genommen entlang
der Linie X-X der 2, in der das PTC Element der 1 angeordnet worden
ist;
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5 ist
eine Querschnittsansicht der Anordnung der 4, die einen
Schritt in dem Vorgang nach der Erfindung veranschaulicht;
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6 ist
eine Querschnittsansicht der Anordnung der 5, die einen
weiteren Schritt in dem Vorgang nach der Erfindung veranschaulicht;
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7 ist
eine Querschnittsansicht der Anordnung der 6, die einen
weiteren Schritt in dem Vorgang nach der Erfindung veranschaulicht;
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8 ist
eine Querschnittsansicht der Anordnung der 7, die einen
weiteren Schritt in dem Vorgang nach der Erfindung veranschaulicht;
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9 ist
eine Querschnittsansicht der Anordnung der 8, die einen
weiteren Schritt in dem Vorgang nach der Erfindung veranschaulicht;
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10 ist
eine Querschnittsansicht der Anordnung der 9, ausgebildet
zur Verwendung als eine mit einem Anschlussdraht versehene/als Leiste ausgebildete
Vorrichtung;
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11 ist
eine Querschnittsansicht der Anordnung der 6, die einen
Schritt in dem Vorgang nach der Erfindung zur Herstellung einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht;
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12 ist
eine Querschnittsansicht der Anordnung der 11, die
einen weiteren Schritt in dem Vorgang nach der Erfindung veranschaulicht;
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13 ist
eine Querschnittsansicht der Anordnung der 12, die
einen weiteren Schritt in dem Vorgang nach der Erfindung veranschaulicht;
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14 ist
eine Querschnittsansicht der Anordnung der 13, die
einen weiteren Schritt in dem Vorgang der nach Erfindung veranschaulicht;
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15 ist
eine Querschnittsansicht der Anordnung der 14, ausgebildet
zur Verwendung als eine mit einem Anschlussdraht versehene/als Streifen
ausgebildete Vorrichtung;
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16 ist
eine Querschnittsansicht der Anordnung der 11, die
einen ersten Schritt in einem alternativen Verfahren zur 12 zeigt;
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17 ist
eine Querschnittsansicht einer symmetrischen Ausführungsform
der Vorrichtung;
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18 ist
eine Aufsicht einer Matrix von Vorrichtungen des in 17 gezeigten
Typs;
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19 ist
eine Aufsicht einer einzelnen Vorrichtung, die aus der Matrix der 18 vereinzelt bzw.
singularisiert ist;
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20 ist
eine Aufsicht einer Ausführungsform
der Erfindung, die vier einzelne Vorrichtungen, die aus der Matrix
der 18 als ein einzelnes Bauteil vereinzelt worden
sind,
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21 ist
eine Aufsicht einer SIP Ausführungsform
der Erfindung, die vier einzelne Vorrichtungen umfasst;
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22 ist
eine Endansicht der SIP Ausführungsform
der 21 mit einem befestigten Anschlussdrahtrahmen;
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23 ist
eine Aufsicht einer zweiten SIP Ausführungsform der Erfindung, die
vier einzelne Vorrichtungen umfasst;
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24 ist
eine Aufsicht einer dritten SIP Ausführungsform der Erfindung, die
eine einzelne Vorrichtungen umfasst;
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25 ist
eine schematische Darstellung eines Leitungsschutzschaltkreises,
der zur Implementierung durch Vorrichtungen nach der Erfindung geeignet
ist;
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26 ist
eine Aufsicht einer Implementierung des schematischen Schaltkreises
der 25 nach der Erfindung;
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27 ist
eine Seitenansicht einer Matrix von in 18 gezeigten
Vorrichtungen;
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28 ist
eine Seitenansicht der Matrix der 27, die
einen weiteren Schritt in dem Vorgang nach der Erfindung veranschaulicht;
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29 ist
eine Seitenansicht der Matrix der 28, die
einen weiteren Schritt in einem Vorgang nach der Erfindung veranschaulicht;
und
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30 ist
eine Seitenansicht einer vereinzelten Vorrichtung, die aus der Matrix
der 29 ausgebildet worden ist.
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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnungen
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Mit
Bezugnahme nun auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 ein
laminiertes Segment bzw. einen. laminierten Bereich 10,
der eine Schicht 16 aus elektronisch aktivem Material (beispielsweise
einem leitfähigen
Polymer PTC Material) umfasst, die zwischen einer ersten oder unteren
Metallschicht 12 und einer zweiten oder oberen Metallschicht 14 eingelegt
ist, die als ein anfänglicher
Schritt in dem Vorgang der Herstellung einer elektronischen Vorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden können. Im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist der Ausdruck elektronisch
aktives Material dazu gedacht, ein Material zu bezeichnen, das in
einem Schaltkreis eine aktive Rolle ausführen kann. Beispiele von derartigen
Materialien würden,
wie elektrische, widerstandsgebende, magnetische (beispielsweise
Ferrite) und Halbleitermaterialien, mit einschließen, jedoch
sind nicht gedacht als darauf beschränkt zu sein. Die erste und
zweite Metallschicht 12, 14 wirken als laminare
Elektroden für
das eingelegte aktive Material 16. Das Segment 10 kann
aus einem größeren laminierten
Bogen vereinzelt bzw. singularisiert werden. Die Erfindung wird nun
in größerer Ausführlichkeit
in einer Ausführungsform
beschrieben, in der die elektronische Vorrichtung eine Schaltkreisschutzvorrichtung
ist und in der das Material ein leitfähiges Polymer PTC Material
ist.
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Das
leitfähige
PTC Material kann aus jedem beliebigen geeigneten PTC Material hergestellt
sein, einschließlich
beispielsweise geeigneten leitfähigen Polymerzusammensetzungen.
Ein Beispiel einer geeigneten leitfähigen Polymerzusammensetzung
wäre Polyäthylen mit
hoher Dichte (HDPE, Englisch: High Density Polyethylene), in das
eine Menge von Kohlenschwarz (Englisch: Carbon Black) eingemischt
ist, was zu den gewünschten
elektrischen Betriebsmerkmalen führt.
Ein Beispiel einer derartigen Mischung ist in WO 97/06660 offenbart,
deren Offenbarung durch Verweis hiermit eingeschlossen wird.
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Die
Metallschichten können
jede geeignete Metallfolie umfassen, wobei Kupfer bevorzugt ist,
obwohl andere Metalle, wie Nickel und Aluminium und eine Anzahl
von Legierungen ebenfalls akzeptabel sind. In einer spezifischen
bevorzugten Ausführungsform
wird eine Kupferfolie verwendet, die eine innere Oberfläche aufweist,
die mit einer mikro-strukturierten Oberfläche (einer mit Knötchen versehenen Oberfläche, Englisch: "Nodularized" Surface) ausgebildet
ist. Die mit Knötchen
versehene Oberfläche wird
mit einer sehr dünnen
Passivierungsschicht aus Nickel galvanisch beschichtet, was das
mikrostrukturierte Oberflächenprofil
schützt
für verbesserte
Haftung bzw. Adhäsion
mit einer leitfähigen
Polymerschicht, die zwischen den Folienschichten eingelegt ist.
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Ein
laminierter Bogen, von dem eine Vielzahl von individuellen PTC Segmenten 10 vereinzelt
bzw. singularisiert werden können,
kann durch ein beliebiges von mehreren geeigneten Verfahren, die
im Stand der Technik wohl bekannt sind, hergestellt werden, wie
dies durch die oben genannte Veröffentlichung
WO 97/0660 beispielhaft dargestellt ist. Geeignete Verfahren zum
Vereinzeln sind im Stand der Technik wohl bekannt und umfassen Routenplanung (Englisch:
Routing), Guillotinieren (Englisch: Guillotining), in Würfel zerteilen
(Englisch: Dicing), Ausstanzen, Laserschneiden und Ritzen (Englisch:
Scoring).
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Ein
Segment 18 einer Baugruppe bzw. Platte 17 (Englisch:
Board) wird mit einer darin gebildeten Öffnung 19 bereitgestellt,
wie in 2 veranschaulicht. Die Öffnung 19 ist geeignet
dimensioniert, um das PTC Element der 1 aufzunehmen.
Das Bauteil kann aus jedem geeigneten Isolationsmaterial hergestellt
sein, ist jedoch vorzugsweise ein Bauteil vom Typ, der bei der Herstellung
von bedruckten Leiterplatinen verwendet wird. Ein Beispiel eines
derartigen Bauteils ist ein Laminat, das Schichten aus Glas oder
anderen Fasern umfasst, die mit einem geeigneten Kunststoffmaterial,
beispielsweise Epoxyharz, imprägniert
sind. Ein geeignetes, glasgefülltes
Epoxyharzmaterial ist im Stand der Technik allgemein als ein FR4
Bauteil bzw. eine FR4 Platte beschrieben.
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In
der Praxis kann das Bauteil 17, wie in 3 gezeigt,
geeignet dimensioniert und angeordnet werden, um die gleichzeitige
Herstellung einer Matrix, die eine Vielzahl von Vorrichtungen umfasst, zu
erleichtern. Die gestrichelten Linien in 3 dienen
lediglich dazu, die einzelnen Abschnitte 18 des in 2 gezeigten
Bauteils 17 zu identifizieren. Eine Vielzahl von Öffnungen 19 sind
in dem Bauteil bereitgestellt, wobei jede Öffnung in ihrer Größe gewählt bzw.
dimensioniert ist, dass sie ein entsprechendes Segment aus PTC Material 10 aufnimmt,
wodurch es ermöglicht
wird, eine Vielzahl von PTC Vorrichtungen gleichzeitig in einer
Matrix herzustellen.
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Beispielsweise
kann ein 18 × 24
Inch (46 × 61
cm) Bauteil bzw. Brett verwendet werden, um eine Matrix von ungefähr 15.000
PTC Schaltkreisschutzvorrichtungen herzustellen. Es wird gewertschätzt, dass
die Fähigkeit
zum Herstellen einer derartig großen Anzahl von Vorrichtungen gleichzeitig unter
Verwendung herkömmlicher
Verfahren, die aus der Niedrigpreisindustrie der bedruckten elektrischen Schaltkreise
verfügbar
sind, zu Bauteilen mit sehr niedrigen Einheitskosten führt. Die
Herstellung der Vorrichtung in einer Matrixform erleichtert auch
die Herstellung von einzelnen Schutzbauteilen, die zwei oder mehrere
PTC Vorrichtungen umfassen. Die Öffnungen
in dem Bauteil bzw. in der Platte können durch jede geeignete Technik
erzeugt werden, einschließlich
beispielsweise Routenplanung (Englisch: Routing), Ausstanzen und
Lochen. Zum Erleichtern der Erklärung
werden die verbleibenden Schritte des Verfahrens mit Verweis auf
einen Plattenabschnitt bzw. Abschnitt 18 des Bauteils 17 mit
einer einzelnen Öffnung 19,
die zum Aufnehmen eines entsprechenden laminierten Segments 10 ausgebildet
ist, beschrieben. Jedoch wird gewertschätzt, dass die nachfolgenden
Verfahrensschritte dazu gedacht sind, auf einem Bauteil mit einer
Vielzahl von Öffnungen
ausgeführt
zu werden, und dass der einzelne Plattenabschnitt 18 nur
zum Erleichtern der Erklärung
gezeigt wird.
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Das
Verfahren beginnt, wie in 4 gezeigt, mit
dem Positionieren des laminierten Segments 10 innerhalb
der in dem Abschnitt des Bauteils 17 der 2 festgelegten Öffnung.
Wie in 1 veranschaulicht, kann das Segment 10 Metallschichten 12, 14,
die auf gegenüberliegenden
Seiten des PTC Materials 16 befestigt sind, aufweisen.
Als eine Alternative zum Beginnen mit einem PTC Material mit einer laminaren
Struktur aus PTC Material und Metallfolien kann ein Segment eines
PTC Materials (ohne Folien) innerhalb der in dem Bauteil festgelegten Öffnung 19 positioniert
werden und es können
Metallfolien auf der Oberseite und der Unterseite des Bauteils als
Teil des Herstellungsverfahrens positioniert werden. Dieses Verfahren
zum Anbringen laminarer Elektroden auf dem PTC Material kann kosteneffizienter
sein und effizienter als das Anbringen der Laminarelektroden als
Teil eines Extrusionsverfahrens beim Herstellen eines Bogens aus
PTC Material. Um Verkürzungen,
die aus den nachfolgenden Schritten in dem Verfahren herrühren, zu
verhindern, können
die auf der Ober- und Unterseite positionierten Metallfolien geätzt werden,
um ein geeignetes Elektrodenmuster bereitzustellen.
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Um
sicherzustellen, dass einzelne Segmente 10 mit Leichtigkeit
innerhalb der in dem Plattenabschnitt 18 bestimmten Öffnungen 19 positioniert
werden können,
sind die Öffnungen
so dimensioniert, dass sie ein wenig größer als die entsprechenden
laminierten Segmente 10 sind. Beispielsweise wenn das Segment
in seiner Größe etwa
14 mm lang und 4 mm breit ist, könnte
die Öffnung
so dimensioniert werden, dass um das Segment herum ein Abstand von
etwa 20 Mikrometern gebildet wird, wenn dieses in der Öffnung positioniert
wird.
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Es
ist vorgesehen, dass die Dicke der Segmente 10 im Wesentlichen
die gleiche ist, wie die Dicke des Bauteils bzw. der Platte. Jedoch
ist eine exakte Anpassung nicht wesentlich und geeignete Dicken
können
nach der Dienlichkeit ausgewählt
werden. Eine typische Dicke für
eine bedruckte Leiterplatte (PCB, Englisch: Printed Circuit Board)
wäre 300
Mikrometer, wohingegen eine typische Dicke für das laminierte Segment im
Bereich von 260 Mikrometer bis 280 Mikrometer ist.
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Obwohl
die Segmente innerhalb der Öffnungen
unter Verwendung einer manuellen Technik positioniert werden können, d.h.
Positionieren von Hand, gibt es eine Anzahl von Techniken, die für die Massenproduktion
geeigneter sind, beispielsweise Maschinen zum Aufnehmen und Abstellen
oder Rütteltische.
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Um
das PTC Element 10 innerhalb der Öffnung 19 des Plattenabschnitts 18 zu
halten, wird eine erste Schicht eines Isolationsmaterials 20 bereitgestellt,
um die erste Schicht 12 aus Metall und die unterseitige
Oberfläche
des Plattenabschnitts 18 abzudecken, wie in 5 gezeigt.
In ähnlicher
Weise wird eine zweite Schicht 22 aus Isolationsmaterial
gebildet, um die zweite Schicht 14 aus Metall und die gegenüberliegende
(oberseitige) Oberfläche
des Plattenabschnitts 18 abzudecken. Die erste und zweite Schicht
aus Isolationsmaterial 20, 22 wirken mit dem Plattenabschnitt 18 zusammen,
so dass das PTC Segment effektiv eingekapselt wird. In der Praxis kann
die Platte vor dem Positionieren der PTC Elemente innerhalb der Öffnungen
auf der ersten Schicht des Isolationsmaterials positioniert werden.
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Beispielhafte
Isolationsmaterialien würden Kunststoff
(beispielsweise Epoxyharz) mit einschließen. Fasern (beispielsweise
Glas) können
in dem Isolationsmaterial mit eingeschlossen werden, um mechanische
Stärke
bereitzustellen.
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Obwohl
die oben genannten Verfahrensschritte mit Verweis auf die Verwendung
mit einer Platte, die eine Vielzahl von vorgeformten Öffnungen zum
Aufnehmen von Elementen aus aktivem Material aufweist, beschrieben
worden ist, können
alternative Verfahren eingesetzt werden, um das PTC Segment effektiv
einzukapseln. Darüber
hinaus sind Konfigurationen möglich,
in denen das PTC Segment selbst die Öffnung festlegt und zum Ausbilden
der Öffnung,
in der es effektiv eingekapselt wird, verwendet wird. In einem beispielhaften
alternativen Verfahren wird eine erste Schicht aus isolierendem,
beispielsweise vorimprägnierten
Material auf einer Oberfläche
angeordnet. In vorteilhafter Weise kann die erste Schicht des Isolationsmaterials
mit einer Metallschicht [beispielsweise unter Verwendung von mit
Kunstharz beschichtetem Kupfer (RCC, Englisch: Resin Coated Copper)
Material] werden, deren Vorteil aus der unten stehenden Beschreibung
gewertschätzt
werden wird. Einzelne PTC Segmente, die eine zwischen zwei Metallelektroden
eingelegte Schicht aus PTC Material umfassen, können dann auf der Oberseite
der Schicht aus Isolationsmaterial positioniert werden, beispielsweise
unter Verwendung einer Maschine zum Aufnehmen und Anordnen bzw.
Platzieren oder anderen geeigneten Techniken. Eine zweite Schicht
aus Isolationsmaterial (vorteilhafterweise RCC Material) kann dann
auf der Oberseite der ersten Schicht aus Isolationsmaterial und den
PTC Segmenten aufgelegt werden. Die daraus resultierende Struktur
kann in einer Laminierpresse oder einen ähnlichen Vorrichtung positioniert
werden. Die Hitze und Drucke der Laminierpresse werden bewirken,
dass sich die erste und zweite Isolationsschicht verbindet und die
PTC Segmente effektiv einkapseln, was zu einem strukturellen Äquivalent
zu dem in 5 gezeigten führt, in
dem das PTC Segment von einer oberen Isolationsschicht 22 und
einer unteren Isolationsschicht 20 eingekapselt und von
einem Bereich äquivalent
zu dem Plattenabschnittsmaterial 18 eingeschlossen ist,
das jedoch effektiv durch eine Kombination aus der ersten und zweiten Isolationsschicht 20, 22 gebildet
wird. Es wird gewertschätzt
werden, dass die Dicke der Schichten des in dieser alternativen
Technik verwendeten Isolationsmaterials dicker sein müsste als
in den in Bezug auf die 1 bis 3 veranschaulichten
alternativen Techniken. Es können
auch andere Verfahren eingesetzt werden, einschließlich dem
Anordnen der PTC Vorrichtungen auf einer Oberfläche und dem Dispergieren oder
Aufsprühen
von Isolationsmaterial oder dem Schmelzformen von Isolationsmaterial
um die PTC Vorrichtungen herum, um eine Matrix aus eingekapselten
PTC Elementen bereitzustellen. Darüber hinaus kann das Verfahren
zum Bereitstellen einer Matrix von Vorrichtungen mit einem Bereich
von Isolationsmaterial um jede Vorrichtung herum unter Verwendung
einer Kombination von Techniken ausgeführt werden und der Bereich
des Isolationsmaterials kann das Ergebnis von mehreren verschiedenen Schritten
des Aufbringens von Isolationsmaterial sein und es ist nicht beabsichtigt,
dass diese auf die hierin beschriebenen spezifischen Verfahren beschränkt sind.
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Um
zu den Hauptverfahren zurückzukehren und
mit Verweis auf 6 wird eine dritte Schicht 24 aus
Metall auf der ersten Schicht 20 aus Isolationsmaterial
bereitgestellt, beispielsweise durch Auflegen einer Metallfolie
oben auf das Isolationsmaterial. In ähnlicher Weise wird eine vierte
Schicht 26 aus Metall auf der zweiten Schicht 22 aus
Isolationsmaterial bereitgestellt, beispielsweise durch Anordnen
einer Metallfolie unterhalb der zweiten Isolationsschicht 20.
Dies führt
zu der in 6 gezeigten Struktur. Geeignete
Metalle für
die Metallschichten umfassen Kupfer, Nickel, Aluminium und eine
Anzahl von Legierungen aus diesen. Die dritte und vierte Metallschicht 24, 26 werden
letztlich erste und zweite Anschlusseinheiten zum Erleichtern der
elektrischen Verbindungen mit der PTC Vorrichtung bilden. Als eine
Alternative können
die Metallschichten unter Verwendung eines galvanischen Beschichtungsverfahrens
oder anderer Ablagerungsverfahren bereitgestellt werden.
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In
vorteilhafter Weise können
die Schritte des Aufbringens einer Schicht aus Isolationsmaterial und
des Bereitstellens einer Metallschicht unter Verwendung von mit
Harz kaschiertem Metallmaterial, beispielsweise RCC, in einem einzelnen
Schritt kombiniert werden. Die Verwendung von RCC ermöglicht,
dass das Metall und die Isolationsschichten gleichzeitig aufgebracht
werden können.
Ein geeignetes RCC Material wäre
ein 1080 Glasgewebe, das mit ungefähr 62 Harzanteil imprägniert ist
und das mit einer Dicke von Kupfer von etwa 18 Mikrometern kaschiert
ist. Die Klebkraft der Isolationsschichten auf der ersten und zweiten
Metallschicht 12, 14 und auf der dritten und vierten Metallschicht 24, 26 kann durch
herkömmliche
PCB Techniken erzielt werden, einschließlich der Verwendung einer
Laminierpresse in einer Mehrschicht PCB Technik, die dem Fachmann
im Stand der Technik wohl bekannt ist. Es wird angenommen, dass
ein Vorteil der Verwendung einer Laminierpresse darin besteht, dass
die während
des Laminiervorgangs entwickelte Hitze bewirkt, dass sich das PTC
Material ausdehnt, so wie es das während eines Kurzschlussfehlers
tun würde.
Wenn die Vorrichtung nach dem Laminieren abkühlt, wird das sich zusammenziehende
bzw. kontrahierende PTC Material ein Durchbiegen des Isolationsmaterials
in einer kontrollierten Weise bewirken. Es wird angenommen, dass
dieses Selbstauslösen
(Englisch: Self-Tripping) des PTC Materials während des Laminierungsvorgangs
die endgültige
Leistungsfähigkeit der
Vorrichtung verbessert. Es wird gewertschätzt, dass die oben beschriebene
Reihenfolge nicht wesentlich ist und dass alternative Reihenfolgen
verwendet werden können.
Beispielsweise kann das Verfahren beginnen mit einem Bogen aus RCC
Material, auf dem die Platte mit darin ausgebildeten Öffnungen
positioniert werden kann. Die PTC Elemente können dann in die Öffnungen
angeordnet werden und dann kann die Platte mit einem weiteren Bogen aus
RCC Material abgedeckt werden.
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Die
Struktur der daraus resultierenden Vorrichtung nach dem Laminieren,
so wie sie in 6 gezeigt ist, stellt effektiv
ein vollständig
eingekapseltes PTC Element bereit, das vollständig innerhalb von Isolationsmaterial
eingeschlossen ist. Darüber hinaus
stellen die erste und zweite Schicht aus Isolationsmaterial 20, 22,
die in Kombination mit dem Plattenabschnitt 18 wirken,
eine das PTC Segment umringende Isolationsbarriere bereit.
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Um
eine Vorrichtung zu erzielen, die als ein PTC Gerät wirkt,
ist es erforderlich, elektrische Verbindungen mit den Laminarelektroden
(erste und zweite Metallschichten) 12, 14 des
PTC Elements durch die Isolationsbarriere 18, 20,22 hindurch
bereitzustellen. Darüber
hinaus ist es erforderlich, elektrische Zusammenschaltungen zwischen
der ersten und dritten Metallschicht 12, 24 durch
die erste Isolationsschicht 20 und zwischen der zweiten
und vierten Metallschicht 14, 26 durch die zweite
Isolationsschicht 22 hindurch bereitzustellen.
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Bevor
eine elektrische Verbindung zwischen der ersten und der dritten
Metallschicht 12, 24 begründet werden kann, ist eine Öffnung von
der unteren Oberfläche
des Bogens (dritte Metallschicht 24) hindurch bis zu der
Oberfläche
der ersten Metallschicht 12 erforderlich. Geeignete Verfahren
zum Ausbilden einer solchen Öffnung
umfassen Laserbohren und Ätzen.
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Eine
besonders geeignete Ätztechnik
ist ein Ätzverfahren
in zwei Schritten, bei dem der erste Schritt ein dem Fachmann im
Stand der Technik wohl bekannter, herkömmlicher Fotolack- und Ätzvorgang ist,
der selektiv Metall von der dritten Metallschicht 24 in
Flächen 30 entfernt,
wo eine elektrische Zwischenverbindung erforderlich ist, wobei das
Ergebnis dabei in 7 veranschaulicht ist. Ein zweiter
Schritt in dem Verfahren verwendet ein chemisches Ätzen, das geeignet
ausgewählt
wird, um selektiv Isolationsmaterial, jedoch nicht Metall, zu ätzen. In
diesem zweiten Ätzvorgang
wirkt die dritte Metallschicht als eine Maske, um das Entfernen
des Isolationsmaterials in anderen Bereichen als der in dem ersten Ätzschritt gebildeten Öffnung 30 zu
verhindern. Der zweite Ätzschritt
erweitert die Öffnung 30 durch
die erste Isolationsschicht 20. Der Ätzvorgang stoppt, wenn er die darunter
liegende erste Metallschicht 12 erreicht. So wird, wie
in 8 veranschaulicht, ein erster Pfad oder "Mikroweg" 30 geöffnet durch Ätzen durch
die dritte Metallschicht 24 und die erste Schicht aus Isolationsmaterial 20 hindurch
bis zu der ersten Metallschicht 12. Der Mikroweg kann als
ein Mikro-Blindweg betrachtet werden, weil er nicht von der oberen Oberfläche zu der
unteren Oberfläche
der Vorrichtung hindurch läuft.
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In ähnlicher
Weise kann, wie in 7 und 8 gezeigt,
ein Ätzvorgang
in zwei Schritten verwendet werden zum Ausbilden eines zweiten Wegs oder
Mikrowegs 32 in der oberseitigen Oberfläche der Vorrichtung, durch
in einem ersten Ätzschritt
die vierte Metallschicht 26 und in einem zweiten Schritt durch
die zweite Isolationsschicht 22 zu der darunter liegenden,
durch die zweite Metallschicht 14 bereitgestellten Laminarelektrode.
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Wenn
einmal die Mikrowege 30, 32 ausgebildet worden
sind, können
elektrische Leitungszusammenschaltungen durch diese hindurch ausgebildet werden,
indem leitfähiges
Material innerhalb der Mikrowege eingebracht wird. Ein Verfahren
zum Bereitstellen der Leitungszwischenverbindungen ist galvanisches
Beschichten. Die elektrischen Verbindungen können auch durch Einfügen eines
leitfähigen
Materials, beispielsweise leitfähige
Epoxy- oder Lötpaste, in
die Mikrowege 30, 32 gebildet werden. Unter Verwendung
eines geeigneten galvanischen Beschichtungsschritts, wie in 9 gezeigt,
kann eine untere galvanische Beschichtungsschicht 42 und
eine obere Beschichtungsschicht 44 auf den beabsichtigten
Bereichen der Oberfläche
des Bogens abgelagert werden, einschließlich des Aufbaus entlang der
Wände der
Mikrowege 30, 32. In der Praxis kann der Beschichtungsvorgang
eine Anzahl von einzelnen Verarbeitungsschritten kombinieren, beispielsweise kann
zuerst eine (nicht gezeigte) Ätzblockschicht
abgelagert werden (beispielsweise durch Bedrucken) in Bereichen,
wo die Metallbeschichtung nicht gewünscht ist. Ein stromloser Beschichtungsvorgang kann
dann verwendet werden, um eine dünne
(Keim) Beschichtungsschicht (nicht gezeigt) bereitzustellen in Flächen, die
nicht von der Ätzfotolackschicht
abgedeckt sind. Die Dicke dieser Keimschicht aus Metallbeschichtung
kann unter Verwendung eines nachfolgenden elektrolytischen Beschichtungsvorgangs
vergrößert werden.
Typischerweise wird das Ätzfotolackmaterial
dann entfernt. So wird, wie in 9 gezeigt,
eine erste elektrische Zwischenverbindung 46 zwischen der
ersten Metallschicht 12 und der dritten Metallschicht 24 bereitgestellt,
und eine zweite elektrische Zwischenverbindung 48 wird
zwischen der zweiten Metallschicht 14 und der vierten Metallschicht 26 bereitgestellt.
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Der
stromlose Beschichtungsvorgang kann ein kupferbasiertes, stromloses
Beschichtungssystem sein. Wenn Kupferbeschichtung verwendet wird, können jedoch
weitere Beschichtungsschritte in vorteilhafter Weise eingesetzt
werden, um das Kupfer zu passivieren und so die Migration zu verhindern
oder zu minimalisieren. Insbesondere kann ein stromloser Nickelbeschichtungsvorgang
verwendet werden, um das Kupfer zu passivieren. In einem stromlosen
Nickelbeschichtungsvorgang wird Nickel nur eine Beschichtung auf
den bloßliegenden
Flächen
des Kupfer ausbilden. Zum Ausbilden einer zum Löten und für andere Vorgänge geeigneten,
endgültigen
Abflussoberfläche
kann ein abschließender
stromloser Beschichtungsvorgang verwendet werden, um eine Goldbeschichtung
auf den bloßliegenden
Flächen des
beschichteten Nickels bereitzustellen.
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Die
daraus resultierende Struktur stellt eine PTC Vorrichtung bereit,
in der das PTC Material 16 durch den umringenden Plattenabschnitt 18 in
Kombination mit der ersten und zweiten Schicht von Isolationsmaterial 20, 22,
die die Laminarelektroden 12, 14 des Segments 10 abdecken,
isolieren. Elektrische Verbindungen zu der resultierenden Vorrichtung
stehen zur Verfügung
durch die oberen und unteren Anschlusseinheiten 42, 44 (die
beschichteten dritten und vierten Metallschichten), die mit den
darunter liegenden Laminarelektroden 12, 14 durch
die innerhalb der Mikrowege 30, 32 ausgebildeten
ersten und zweiten Zwischenverbindungen 46, 48 elektrisch
verbunden werden, wie oben beschrieben.
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Wenn
die Vorrichtung effektiv durch das Isolationsmaterial geschützt ist,
ist beim Verpacken der einzelnen Vorrichtungen weniger Sorgfalt
erforderlich, was zu niedrigeren Verpackungs- und Verarbeitungskosten
führt.
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Um
die Verwendung der Vorrichtung in bestimmten elektronischen Anwendungen
zu erleichtern, können
erste und zweite Anschlussdrähte 50, 52 an
der Vorrichtung befestigt werden, wie in 10 gezeigt.
Diese Anschlussdrähte
können
gelötet
oder anderweitig befestigt werden, und zwar direkt auf den beschichteten
oberen und unteren Anschlusseinheiten 42, 44.
In einer Batterieleisten-Anwendung
umfassen diese Anschlussdrähte
typischerweise flexible Metallleisten, die beispielsweise aus hochreinem
Nickel mit etwa 0,127 mm Dicke hergestellt werden.
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In
bestimmten Anwendungen, wo eine begrenzte Raumhöhe vorliegt, ist die Höhe der Bauteile ein
kritischer Faktor. In dem Fall der Batterieleisten-Anwendung, wo
beabsichtigt ist, dass die PTC Vorrichtung innerhalb des Gehäuses der
Batterie untergebracht ist, ist jede Verringerung der Höhe wünschenswert,
weil die Batterie dazu neigt, einen bedeutsamen Raumanteil innerhalb
moderner elektronischer Vorrichtungen, beispielsweise mobiler Telefone,
einzunehmen und jede Verringerung dieses Raums wichtig ist, um die
Gesamtgröße der elektronischen
Vorrichtung zu verringern.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird ein Gerät
mit einer verringerten Höhe
bereitgestellt, wie das in 15 veranschaulicht
ist. Diese Verringerung der Höhe
wird durch das Anordnen von zwei Anschlusseinheiten 64, 66 und
zwei Geräteanschlussdrähten 70, 72 auf
der gleichen Seite der Vorrichtung erreicht.
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Zum
Positionieren der Anschlussdrähte 70, 72 auf
der gleichen Seite der Vorrichtung ist es notwendig, eine elektrische
Verbindung 60 zwischen den gegenüber liegenden Seiten der PTC
Vorrichtung bereitzustellen. Die Bereitstellung dieser elektrischen
Verbindung wird nun mit Verweis auf 11, die
direkt mit der Struktur der 6 korrespondiert, beschrieben.
Dabei wird eine zusätzliche Öffnung 56 (durch
den Lochweg) bereitgestellt, welcher Lochweg von der oberen Oberfläche der
laminierten Plattenstruktur hindurch bis zu der unteren Oberfläche der
laminierten Plattenstruktur hindurch verläuft, ohne das PTC Material 16 zu
berühren,
d.h. durch die vierte Metallschicht 26, die zweite Isolationsschicht 22,
den Plattenabschnitt 18, die erste Isolationsschicht 20 und
die dritte Metallschicht 24. Diese Öffnung 56 kann unter
Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens einschließlich Ätzen, Bohren, Laserbohren
und Stanzen ausgebildet werden.
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Wenn
die Öffnung 56 einmal
ausgebildet ist, kann eine elektrische Verbindung 60 durch
diese Öffnung 56 hindurch
zwischen der dritten Metallschicht 24 und der vierten Metallschicht 26 ausgebildet
werden, wie in 14 gezeigt. Weil die Öffnung 56 nicht durch
das PTC Segment 16 hindurch läuft, ist die elektrische Verbindung 60 effektiv
von dem PTC Segment isoliert.
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Die
elektrische Verbindung 60 kann zur gleichen Zeit bereitgestellt
werden wie das Bereitstellen der ersten elektrischen Zwischenverbindung 46 zwischen
der ersten und dritten Metallschicht sowie der zweiten elektrischen
Zwischenverbindung 48 zwischen der zweiten und vierten
Metallschicht, oder in einem getrennten bzw. separaten Vorgang.
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So
kann die elektrische Verbindung 60 beispielsweise durch
den gleichen, oben beschriebenen Prozess oder einen separaten Beschichtungsprozess
bereitgestellt werden, oder durch Einfügen von Lötpaste oder einem anderen leitfähigen Material
innerhalb der Öffnung 56.
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Um
Verbindungen mit der Bodenoberfläche der
resultierenden Vorrichtung zu erleichtern, kann Metall selektiv
von der dritten Metallschicht (beispielsweise durch Ätzen) entfernt
werden, um zwei getrennte Anschlusseinheiten 64, 66,
die durch einen Bereich 62, wo Metall entfernt worden ist,
bereitzustellen, wie in 14 gezeigt.
Dieses selektive Entfernen von Metall kann nach der Bereitstellung
der elektrischen Verbindung zwischen der dritten und vierten Schicht
oder in weiter vorteilhafter Weise vor dem Beschichtungsprozess
ausgeführt
werden, wie das in 12, 13 und 14 veranschaulicht ist.
In Bezug auf 12 kann ein Ätzprozess in zwei Schritten
wie oben in Bezug auf 7 und 8 beschrieben,
eingesetzt werden, um Metall selektiv von der dritten Metallschicht
und dem Isolationsmaterial in den Flächen 30, wo eine elektrische
Zwischenverbindung erforderlich ist, selektiv zu entfernen, um so einen
ersten Pfad oder "Mikroweg" 30 zu öffnen. In ähnlicher
Weise kann ein Ätzprozess
mit zwei Schritten eingesetzt werden, um einen zweiten Pfad oder Mikroweg 32 in
der oberen Oberfläche
der Vorrichtung auszubilden, in einem ersten Ätzschritt durch die vierte
Metallschicht 26 und in einem zweiten Schritt durch die
zweite Isolationsschicht 22 zu der zweiten Metallschicht 14.
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Wenn
die Öffnungen 30, 32 für die Mikrowege
einmal ausgebildet worden sind, kann ein Bereich aus Metall selektiv
von der dritten Metallschicht entfernt werden (beispielsweise durch Ätzen), um
zwei getrennte Bereiche 58, 59 für Anschlusseinheiten
bereitzustellen, die durch einen Bereich 62, wo Metall entfernt
worden ist, getrennt sind, wie in 13 gezeigt.
Wie oben beschrieben kann ein Beschichtungsprozess verwendet werden,
um elektrische Verbindungen durch die Mikrowege und eine Schutzbeschichtung
auf den resultierenden Anschlusseinheiten 64, 66 bereitzustellen.
Darüber
hinaus kann ein Beschichtungsprozess ohne Strom verwendet werden,
um eine dünne
(Keim) Beschichtungsschicht auf Flächen auszubilden, die nicht
durch eine vorher aufgebrachte Ätzfotolackschicht
abgedeckt sind. Die Dicke der metallischen Beschichtung kann dann
unter Benutzung eines elektrolytischen Besichtungsprozesses vergrößert werden.
Herkömmlicherweise können die
vorher aufgebrachten Ätzfotolackmaterialien
dann entfernt werden.
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Ein
alternatives Verfahren zum Ausbilden der elektrischen Verbindungen
zu dem oben mit Verweis auf die 12 und 13 beschriebenen
Verfahren, die in vorteilhafter Weise einen Ätzschritt weniger verwenden,
verwendet, beginnend mit der Struktur der 11, einen Ätzprozess
zum Bereitstellen einer Öffnung 30 durch
selektives Entfernen von Metall aus der dritten Metallschicht 24 in
Flächen 30,
wo eine elektrische Zwischenverbindung erforderlich ist. In dem
selben Ätzprozess
wird ein Bereich von Metall selektiv von der dritten Metallschicht 24 entfernt,
um zwei getrennte Bereiche zur nachfolgenden Verwendung als durch
einen Bereich 62, wo Metall entfernt worden ist, getrennte
Anschlusseinheiten 58, 59 zu definieren. In ähnlicher
Weise, wie das in 16 gezeigt ist, kann ein Ätzprozess
verwendet werden, um eine Öffnung
bereitzustellen, indem Metall von der vierten Metallschicht 26 in
Bereichen 32, wo eine elektrische Zwischenverbindung erforderlich ist selektiv
entfernt wird. Weitere Schritte werden verwendet, um die Öffnungen/Blindwege 30, 32 durch die
Isolationsschichten 20, 22 zu den darunter liegenden
Laminarelektroden 12, 14 auszuweiten. Um jedoch
sicherzustellen, dass das Isolationsmaterial nicht von den Bereichen,
die die Bereiche der Anschlusseinheiten trennen, entfernt wird,
wird ein Laserbohr- oder ähnlicher
Prozess eingesetzt anstelle des vorher beschriebenen chemischen Ätzens, um die
Mikrowege durch die darunter liegenden Laminarelektroden 12, 14 auszudehnen.
Dies führt
zu der gleichen Struktur wie in 13 veranschaulicht,
wobei im vergleich zu dem vorher beschriebenen Verfahren bei der
Ausbildung der Anschlusseinheiten 64, 66 effektiv
ein Ätzprozess
weniger verwendet wird und die anfängliche Öffnung der Mikrowege 30, 32 wird
gleichzeitig ausgeführt.
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Wie
oben beschrieben können
Beschichtungs- oder andere Verfahren verwendet werden, um elektrische
Verbindungen durch die Mikrowege bereitzustellen (im Endeffekt um
beschichtete Mikrowege auszubilden), um Verbindungen durch die Öffnung 56 von
der oberen Oberfläche
zu der unteren Oberfläche
bereitzustellen, und um eine schützende,
leitfähige
Beschichtung auf den Anschlusseinheiten bereitzustellen.
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Die
resultierende Struktur umfasst, wie in 14 gezeigt,
eine PTC Vorrichtung, in der die Anschlüsse 64, 66,
die elektrische Verbindungen zu der Vorrichtung bieten, auf der
unteren Oberfläche
der Vorrichtung bereitzustellen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung
direkt in oberflächenmontierten
Anwendungen eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die Vorrichtung
verwendet werden, um eine mit Anschlussdrähten versehene PTC Vorrichtung
bereitzustellen, wie in 15 gezeigt,
bei der die Anschlussdrähte 70, 72 an
den Anschlusseinheiten 64, 66 auf der gleichen
Seite der Vorrichtung befestigt sind, wodurch eine Höheneinsparung äquivalent
zu der Dicke eines Anschlussdrahts, wenn dieser an der Vorrichtung
befestigt ist, bereitzustellen. Dies ist insbesondere vorteilhaft
in Anwendungen für
Batterieleisten. Die Anschlussdrähte
können
beispielsweise durch Löten
oder leitfähigen
Klebstoff befestigt werden.
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Die
in 14 veranschaulichte Vorrichtung ist nichtsymmetrisch
in dem Sinn, dass die Vorrichtung nur aufrecht stehend auf einer
Platte positioniert werden kann (wenn sie als eine SMT Vorrichtung
verwendet wird), oder die zwei Anschlussdrähte können nur auf einer Seite befestigt
sein. Eine weitere Ausführungsform,
wie in 17 veranschaulicht, stellt eine
symmetrische Vorrichtung bereit. Um eine symmetrische Vorrichtung
bereitzustellen, ist eine zweite elektrische Verbindung 80 zwischen
der oberen und unteren Oberfläche
der Vorrichtung erforderlich. In der gezeigten beispielhaften symmetrischen
Vorrichtung wird eine zweite Öffnung
oder Durchloch von der vierten Metallschicht 26 hindurch
bis zur dritten Metallschicht 24 durch die erste Isolationsschicht 20, den
Plattenbereich 18 und die zweite Isolationsschicht 22 hindurch
ausgebildet. Dieser zweite Weg kann in der gleichen Weise ausgebildet
werden, wie der vorher vorgeschriebene Weg 56 der 11,
wobei tatsächlich
derselbe Prozess verwendet werden kann. Wenn der Weg einmal erzeugt
worden ist, kann durch die Öffnung
des Weges zwischen der oberen und unteren Oberfläche der Vorrichtung eine elektrische
Verbindung ausgebildet werden, beispielsweise unter Verwendung des
vorher beschriebenen Beschichtungsvorgangs, um einen beschichteten Durchlochweg 80 herzustellen.
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Um
eine symmetrische Vorrichtung herzustellen, wird die unterseitige
Schicht, wie vorher beschrieben, in zwei Anschlusseinheiten 64, 66 unterteilt
und in ähnlicher
Weise wird die oberseitige Schicht der Vorrichtung (die beschichtete
vierte Metallschicht) in zwei Anschlusseinheiten 74, 76 unterteilt,
beispielsweise mittels eines herkömmlichen Fotolacks und Ätztechnik
unter Verwendung der vorher beschriebenen Verfahren mit Bezug auf
die Unterteilung der bodenseitigen Schicht, um zwei Anschlusseinheiten
zu bilden.
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Dies
resultiert in einer Struktur, wie in 17 gezeigt,
in der vier Anschlusseinheiten 64, 66, 74, 76 zur
Verbindung mit der PTC Vorrichtung bereitgestellt sind. Weil gepaarte
bzw. paarweise angeordnete Anschlusseinheiten 64, 74; 66, 76 auf
gegenüber
liegenden Oberflächen
der Vorrichtung bereitgestellt sind, stellt die resultierende Struktur
eine eingekapselte, symmetrische PTC Vorrichtung bereit. Insbesondere
bildet eine erste Anschlusseinheit 64 eine elektrische
Verbindung mit der ersten Laminarelektrode 12 der PTC Vorrichtung über die
erste beschichtete Zwischenverbindung 46 durch die dritte
Metallschicht 24 und die erste Isolationsschicht 20.
Eine zweite Anschlusseinheit 76 bildet eine elektrische Verbindung
mit der zweiten Laminarelektrode 14 der PTC Vorrichtung über die
zweite beschichtete Verbindung 48 durch die vierte Metallschicht 26 und
die zweite Isolationsschicht 22. Die dritte Anschlusseinheit 66 ist
mit der zweiten Anschlusseinheit 76 durch eine beschichtete
Zwischenverbindung (Durchloch-Weg) 60 durch die erste Isolationsschicht 20, den
Plattenbereich 18 und die zweite Isolationsschicht 22 hindurch
verbunden. Die vierte Anschlusseinheit 74 ist mit der ersten
Anschlusseinheit 64 durch die beschichtete Zwischenverbindung 80,
die durch die erste Isolationsschicht 20, den Platinenbereich 18 und
die zweite Isolationsschicht 22 hindurch läuft, verbunden.
Die erste und dritte Anschlusseinheit 64, 66 sind
voneinander durch einen Bereich 62, in dem die dritte Metallschicht 24 selektiv
entfernt worden ist, getrennt. In ähnlicher Weise sind die zweite
und vierte Anschlusseinheit 74, 76 voneinander
durch einen Bereich 78, in dem die vierte Metallschicht 26 durch
einen Ätzprozess
selektiv entfernt worden ist, voneinander getrennt. In vorteilhafter Weise kann
der Ätzschritt
auch eingesetzt werden, um Vorrichtungsmarkierungen auszubilden,
indem geeignete Muster in Bereichen auf der oberen und/oder unteren
Metallschicht herausgeätzt
werden, die funktionell nicht erforderlich sind.
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Wie
oben erläutert
ist es beabsichtigt, dass eine Vielzahl von Vorrichtungen in einer
einzelnen Matrix 90 aufgebaut werden, wie in 18 gezeigt. In
der Praxis wird die Matrix eine signifikant größere Anzahl von Vorrichtungen
umfassen. Es ist manchmal wünschenswert,
dass elektrische Verbindungen zu der Seite der Vorrichtungen zur
Verfügung
stehen. Die Matrix 90 der PTC Vorrichtungen 92 erleichtert diese
Möglichkeit,
weil die Vorrichtungen 92 entlang der durch die beschichteten Öffnungen 60, 80 (wie
in gestricheltem Umriss gezeigt) Linien vereinzelt werden können, was
so zu der in 19 gezeigten Struktur führt, in
der elektrische Verbindungen direkt hergestellt werden können mit
den resultierenden beschichteten Kanälen 84, 82,
die den effektiv unterteilten beschichteten Öffnungen 60, 80,
die auf den gegenüber
liegenden Enden der Vorrichtung angeordnet sind, entsprechen.
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Die
Ausführungsform
der 19 kann dazu angepasst werden, eine mehrfach PTC
Vorrichtung bereitzustellen, wie das in 20 veranschaulicht ist.
Diese Multi-PTC Vorrichtung präsentiert
eine Vielzahl von PTC Vorrichtungen von dem in 14 veranschaulichten
Typ, die in einer Matrix unter Verwendung des oben beschriebenen
Prozesses hergestellt werden. Während
des Vereinzelungs- bzw. Singularisierungsvorgangs wird eine Gruppe
der PTC Vorrichtungen als eine Anordnung 100 vereinzelt.
Die gezeigte beispielhafte Anordnung 100 umfasst vier einzelne
PTC Vorrichtungen, obwohl die genaue Anzahl der Vorrichtung in Abhängigkeit
von den Umständen geändert werden
kann. Jede der einzelnen PTC Vorrichtungen in der Anordnung weist
auf gegenüber
liegenden Seiten der Vorrichtung 100 Paare von Anschlusseinheiten 94a, 94b; 95a, 95b; 96a, 96b; 97a, 97b in
der Form von beschichteten Kanälen
auf, zu denen elektrische Verbindungen hergestellt werden können. Es
wird gewertschätzt,
dass die dritte und vierte Metallschicht geätzt werden oder anderweitig während der
Herstellung verarbeitet werden müssen, um
aneinander angrenzende PTC Vorrichtungen in der Anordnung voneinander
zu isolieren. Die Anordnung kann leicht strukturiert oder konfiguriert
werden, um für
einen nachwirkenden Einsatz von Maschinen zum Aufgreifen und Platzieren
einer Struktur eines integrierten Schaltkreises zu ähneln,.
Abgesehen vom angemessenen Dimensionieren der Anordnung und dem
Positionieren der beschichteten Kanäle, um angemessene Größen für integrierte
Schaltkreise und Verbindungen darzustellen, können in dem Herstellungsprozess
zusätzliche
Merkmale enthalten sein. Beispielsweise kann eine Nut in den oberen
Mittelpunkt der Anordnung bereitgestellt werden, um die Position
der Oberseite der Vorrichtung zu identifizieren. In ähnlicher
Weise kann ein kleiner Punkt 92 in der oberen linken Ecke
der Anordnung ausgebildet werden, um die obere linke Ecke der resultierenden Vorrichtung
zu kennzeichnen. Diese zusätzlichen Merkmale
können
unter Verwendung von herkömmlichen
PCB Techniken, einschließlich Ätzen, als
integralen Schritten innerhalb der Herstellung der Matrix wie oben
beschrieben bereitgestellt werden, bevor die Vereinzelung ausgeführt wird.
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Die
resultierende Vorrichtung vom Typ eines integrierten Schaltkreises
(Englisch: IC Type Device) kann zur Verwendung in einem Doppelreihengehäuse (DIP,
Englisch: Dual In-Line Package) durch geeignetes Anbringen eines
Gehäuses
für einen
Anschlussdraht leicht abgeändert
werden.
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Obwohl
die DIP Verpackungen bzw. Gehäuse
sehr populär
bzw. weit verbreitet sind, sind in Umständen, wo Platinenplatz ein
Hauptmerkmal sind, Einzel-Inline-Gehäuse (SIP, Englisch: Single
In-Line Packages) bevorzugt. Die vorliegende Erfindung kann zur
Verwendung als ein SIP Gehäuse
leicht angepasst werden durch Bereitstellen von paarweise vorgesehenen
Anschlusseinheiten zum Verbinden von jeder PTC Vorrichtung entlang
einer Seite der Anordnung anstelle auf gegenüber liegenden Seiten der Vorrichtung.
Eine beispielhafte Anordnung für
ein SIP Gehäuse
ist in 9 gezeigt, wo die Anschlusseinheiten zum Bereitstellen
der Verbindungen auf gegenüber
liegenden Seiten der Vorrichtung angeordnet sind, bereitgestellt
ist. Die gestrichelten Umrisse stellen die Anschlusseinheiten 110a, 110b, 110c, 110d auf
der Unterseite der Vorrichtung dar. In dieser beispielhaften Struktur
sind die Metallschichten, die die Anschlusseinheiten bereitstellen,
in geeigneter Weise geätzt
oder anderweitig verarbeitet worden, um die gezeigten Anschlusskonfigurationen
herzustellen. Tatsächlich
werden für
jede von jeder Vorrichtung paarweise bereitgestellte Anschlusseinheiten entlang
einer einzelnen Kante der Vorrichtung der Anordnung bereitgestellt.
Die paarweise bereitgestellten Anschlusseinheiten 110a, 114a; 110b, 114b; 110c, 114c; 110d, 114d für jede Vorrichtung
befinden sich auf gegenüber
liegenden Oberflächen.
Unter Verwendung eines geeigneten Anschlussdrahtgehäuses kann
ein Anschlussdraht 120 bereitgestellt werden, der eine
Verbindung mit beiden Seiten bereitstellt, wie in 22 gezeigt,
wodurch die Anforderung zum Bereitstellen von elektrischen Zwischenverbindungen
von der oberen Oberfläche
der Vorrichtung hindurch bis zu der bodenseitigen Oberfläche der
Vorrichtung überflüssig wird.
Die zweiten Anschlusseinheiten 114a, 114b, 114c, 114d von
jedem Paar der Anschlusseinheiten für die Vorrichtung sind jeweils
mit Spuren 115a, 115b, 115c, 115d mit
dem Bereich 112a, 112b, 112c, 112d in
der oberseitigen Metallschicht verbunden, wo die Mikro-Blindwege verwendet
worden sind, um eine Verbindung mit der darunter liegenden Laminarelektrode
jeder Vorrichtung bereitzustellen. Es wird gewertschätzt, dass
diese Spuren mit dem gleichen Ätzprozess
ausgebildet werden können,
wie diejenigen, die die Anschlusseinheiten ausbilden.
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Obwohl
dieses beispielhafte SIP Gehäuse geeignet
ist zur Verwendung mit einem Anschlussdrahtgehäuse, das sowohl mit der oberen
als auch der unteren Oberfläche
einer Vorrichtung befestigt wird, ist es nicht zur Verwendung in
Situationen geeignet, wo die Anschlussdrähte des Anschlussdrahtgehäuses an
einer einzelnen Oberfläche
der Vorrichtung befestigt sind. In diesen Situationen ist es notwendig,
eine Verbindung zwischen den Anschlusseinheiten auf gegenüber liegenden
Oberflächen
der Vorrichtung bereitzustellen, so wie das mit Verweis auf die
Verwendung der beschichteten Durchlöcher 60 der 14 zum
Bereitstellen eines SMT Bauteils beschrieben worden war. Eine beispielhafte
Konstruktion bzw. ein beispielhafter Aufbau ist das in 23 gezeigte
elektronische Schutzbauteil, das eine Vierfach-PTC Vorrichtung 150 aufweist
mit Anschlusseinheiten 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158 zur
Verbindung mit einem einzelseitigen Anschlussdrahtgehäuses, das
entlang eines Rands der Vorrichtung ausgerichtet ist. Beschichtete
Durchlochwege 160, 161, 162, 163 (entlang
der die Vorrichtungen vereinzelt sind) stellen die Verbindungen
zwischen der oberen und unteren Oberfläche bereit und die zugehörigen Pfade 164, 165, 166, 167 stellen Verbindungen
zwischen den oberen Rändern
der Vorrichtung dar, so wie das vorher mit Verweis auf 21 beschrieben
worden ist.
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Ein
Nachteil der Ausführungsform
der 23 ist, dass Pfade zum Ausbilden einer Verbindung
zwischen den beiden Seiten der Vorrichtung erforderlich sind. Wie
in 24 gezeigt stellt eine Verbesserte Ausführungsform
die Anschlusseinheiten entlang der gleichen Kante der Vorrichtung
ohne die Notwendigkeit für
Pfade bereit. Insbesondere weist die Vorrichtung zwei Anschlusseinheiten 170, 171 auf,
wobei jede Anschlusseinheit mit einer Laminarelektrode einer PTC
Vorrichtung, die innerhalb der Vorrichtung eingekapselt ist, verbunden
ist. Die zwei Anschlusseinheiten 170, 171 sind
entlang des gleichen Rands der Vorrichtung angeordnet. Beschichtete
Durchlochverbindungen 172, 173 (die vor der Vereinzelung
auf einer oben beschriebenen Matrixstruktur ausgebildet sind) stellen
Verbindungen zwischen der oberseitigen und unterseitigen Oberfläche der Anschlusseinheit
bereit. Wie vorher beschrieben, laufen die Durchlochverbindungen 172, 173 durch
einen Bereich von Isolationsmaterial hindurch und kommen nicht mit
dem eingebetteten PTC Material 175 (mittels der gestrichelten
Umrisslinie in 24 zur Veranschaulichung gezeigt)
in Kontakt. Eine der Anschlusseinheiten 170 ist mit einer
Laminarelektrode mittels eines Mikro-Blindwegs 177 (wie
vorhergehend beschrieben) auf der oberseitigen Oberfläche der
Vorrichtung verbunden, wohingegen die andere Anschlusseinheit 171 mit
der verbleibenden Laminarelektrode mittels eines Mikro-Blindwegs 179 (der ebenfalls
mit gestricheltem Umriss gezeichnet ist) auf der unterseitigen Oberfläche der
Vorrichtung verbunden ist. Das daraus resultierende Bauteil ist
eine SIP Vorrichtung, die zur Verwendung als ein SMT Bauteil, bei
dem die Anschlusseinheiten als SMT Verbindungen funktionieren, geeignet
ist. Alternativ kann das Bauteil durch Befestigen eines Anschlussdrahtgehäuses als
eine mit Anschlussdrähten
versehene Vorrichtung eingesetzt werden. In jedem Fall ist das Bauteil
nicht beschränkt
auf einzelne Vorrichtungen und es wird gewertschätzt, dass eine SIP Vorrichtung hergestellt
werden kann, die eine Vielzahl von. darin eingekapselten PTC Vorrichtungen
aufweisen kann, wobei jede Vorrichtung zwei entlang eines Randes des
Bauteils angeordnete Anschlusseinheiten aufweist. Darüber hinaus
wird gewertschätzt
werden, dass die genaue Anzahl der PTC Vorrichtungen für ein bestimmtes
Bauteil durch die Anzahl der PTC Vorrichtungen bestimmt wird, die
als eine Einzelkomponente während
der Singularisierung der oben beschriebenen Matrix zusammengruppiert
sind.
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In
Abhängigkeit
von den Anwendungen können
die einzelnen Merkmale der PTC Vorrichtungen der Mehrfach-PTC Vorrichtung
(beispielsweise SIPs und DIPs) äquivalent
oder verschieden sein. Verschiedene Merkmale können erzielt werden, indem man
PTC Segmentflächen
mit verschiedenen Größen hat
und entsprechend in der Größe angepasste Öffnungen
in der Platte zum Aufnehmen von jeder der einzelnen PTC Segmente.
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Weil
die hierin beschriebenen PTC Vorrichtungen unter Verwendung von
herkömmlichen
PCB Techniken hergestellt werden, können die resultierenden Vorrichtungen
als miniaturisierte, bedruckte Leiterplatinen verwendet werden,
auf die weitere Schaltkreisschutzvorrichtungen, beispielsweise eine Batterieladungssteuereinheit
oder eine Überspannungsschutzeinheit,
einschließlich
Gasentladungsröhren,
Thyristoren oder Metalloxydvaristoren (MOV) befestigt werden können, beispielsweise
durch direktes Anlöten
an die Anschlusseinheiten, um so ein Schaltkreisschutzmodul auszubilden.
Beispielsweise kann der in 25 gezeigte
Differenzleitungsschutzschaltkreis, der zwei PTC Vorrichtungen 210, 212 umfasst,
die Überstromschutz
bereitstellen, jeweils in Reihe mit einer getrennten einlaufenden
Leitung 200, 202 gefolgt durch eine Überspannungsschutzvorrichtung 214,
beispielsweise ein Metalloxydvaristor (MOV), ein Thyristor oder
eine Gasentladungsröhre (GDT,
Englisch: Gas Discharge Tube), parallel mit den Ausgängen 204, 206,
hergestellt werden, indem ein DIP Gehäuse aus der vorhergehend beschriebenen
Matrix vereinzelt wird, um zwei PTC Vorrichtungen bereitzustellen,
wobei jede der PTC Vorrichtungen mit einer Eingangsanschlusseinheit 200, 202 auf einer
Seite der Vorrichtung und eine Ausgangsanschlusseinheit 204, 206 auf
der gegenüber
liegenden Seite der Vorrichtung aufweist. Die oberseitige Oberfläche der
vereinzelten Vorrichtung ist geeignet konfiguriert, wie in 26 gezeigt,
so dass die Ausgangsanschlüsse
auf der oberseitigen Oberfläche der
Vorrichtung so dimensioniert sind, dass sie als Anschlusskissen 220, 222 zum
Aufnehmen der Spannungsschutzvorrichtung 214 funktionieren.
Die Spannungsschutzvorrichtung 214 kann aufgegriffen und
auf die Anschlusskissen 220, 224 platziert werden
und an dieser Stelle unter Verwendung geeigneter Mittel befestigt
werden, beispielsweise unter Verwendung entweder von vorher angeordneter
Lötpaste
(die dann zum Wiederfließen
gebracht werden kann) oder eines leitfähigen Epoxys. Die daraus resultierende
Vorrichtung kann als eine SMT Leitungsschutzvorrichtung verwendet
werden, wobei die unterhalb der Vorrichtung liegenden Anschlusseinheiten
(oder die beschichteten Kanäle/Nuten)
an den Seiten, die SMT Verbindungspunkte bereitstellen. Darüber hinaus
können,
wie oben beschrieben, geeignete Gerätemarkierungen eingeschlossen
werden, um die Ausrichtung der Vorrichtung zu unterstützen. Beispielsweise
kann in dem oberseitigen Mittelpunkt der Anordnung eine Nut 218 bereitgestellt
werden, um die Position auf der Oberseite der Vorrichtung zu identifizieren.
In ähnlicher
Weise können
kleine Punkte 216 in der oberen linken Ecke der Anordnung
bereitgestellt werden, um die obere linke Ecke der resultierenden
Vorrichtung zu identifizieren. Obwohl der beispielhafte Schutzschaltkreis
als ein DIP SMT Bauteil mit vier Anschlüssen gezeigt worden ist, ist
er nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Darüber hinaus wird die Größe des Gesamtbauteils
begrenzt durch die maximale Größe der Schutzvorrichtung,
die für
eine bestimmte Anwendung erforderlich/verfügbar ist.
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Ein
Nachteil der bestehenden PTC Vorrichtung ist, dass die effektive
Fläche
des PTC Materials die Fehlerströme
der Vorrichtungen begrenzen. Weil jedoch Leitungsplatinenraum allgemein
ein Hauptziel ist, sind die Entwurfsingenieure darin zurückhaltend, Vorrichtungen
einzusetzen, die große Grundflächen der
Vorrichtungen aufweisen. Eine Lösung
zu diesem Problem sind die vorher beschriebenen SIP Gehäuse. Eine
andere bekannte Lösung
ist es, PTC Vorrichtungen in parallelen Anordnungen bereitzustellen,
die eine mehrschichtige Vorrichtungskonstruktion verwenden. Jedoch
sind diese bekannten Konstruktionen in ihrer Herstellung übermäßig komplex.
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Der
Matrixaufbau der vorliegenden Erfindung erleichtert ein einfaches
und effizientes Verfahren zum Bereitstellen von zwei oder mehreren
Vorrichtungen parallel in einer Quasi-Mehrschichtkonstruktion. Eine Seitenansicht
eines Abschnitts einer Matrix von Vorrichtungen (von dem in 17 gezeigten
symmetrischen Typs) ist in 27 veranschaulicht
(der interne Aufbau der Vorrichtung wird zum Erleichtern der Erläuterung
nicht gezeigt, wobei die vertikal gestrichelten Linien Punke repräsentieren,
entlang der die Vorrichtungen vereinzelt werden würden, entsprechend
der Positionen der Durchverbindungen 60, 80 der 17).
Jede der einzelnen Vorrichtungen der Matrix weist vier Anschlusseinheiten
auf, die dazu ausgebildet sind, Gerätesymmetrie bereitzustellen,
wenn sie vereinzelt werden. Das Verfahren beginnt mit dem Platzieren
einer ersten Matrix von Vorrichtungen 120 in einer geeigneten
Spannvorrichtung oder einer Befestigungsvorrichtung (nicht gezeigt).
Lötpaste 126 oder
ein anderes leitfähiges
Befestigungsmaterial (beispielsweise leitfähiger Klebstoff) wird auf den
Bereichen 124 der Anschlusseinheiten auf der oberen Oberfläche der
Matrix aufgebracht, wie in 28 gezeigt.
Eine zweite Matrix von Vorrichtungen 128, die eine zusammenfassende
Anordnung der Bereiche 130 der Anschlusseinheiten auf ihrer
Unterseite aufweisen, wird dann auf der Oberseite der ersten Matrix
angeordnet, wie in 29 gezeigt. Im Fall der Verwendung
von Lötpaste
wird die gesamte Anordnung dann in einem Rückflussofen positioniert, um
zu bewirken, dass die Lötpaste
fließt.
Nachdem sie abgekühlt
wird, werden die beiden Matrizen in einer Doppeldecker- oder Duplikatmatrixstruktur
durch das Lötmaterial
zusammengehalten, welches die Bereiche der Anschlusseinheiten der
beiden Matrizen elektrisch verbindet. Es wird gewertschätzt, dass
wenn die daraus resultierende Duplexmatrix vereinzelt wird, die
vereinzelten Vorrichtungen, wie in 26 gezeigt,
tatsächlich
zwei Vorrichtungen 136, 138 sind, die parallel
zueinander verbunden sind mit den Anschlusseinheiten 140, 142 auf
der oberen Oberfläche
der oberen Vorrichtung, die ein Paar von Anschlusseinheiten auf
der oberseitigen Oberfläche
bereitstellen, und der Anschlusseinheiten auf der unterseitigen
Oberfläche
der unteren Vorrichtung, die ein entsprechendes Paar von Anschlusseinheiten 144, 146 auf
der unterseitigen Oberfläche
bereitstellen. Jede der oberseitigen Anschlusseinheiten 140, 142 ist
im Zusammenwirken mit dem Lötmaterial 126 mit
seinen entsprechenden unterseitigen Anschlusseinheiten 144, 146 durch
entsprechend beschichtete Kanäle
elektrisch verbunden, wie das vorher beschrieben und mit gestrichelten
Umfangslinien in 30 gezeigt ist. Dieses Verfahren
zum Herstellen der Vorrichtungen in paralleler Weise ist nicht begrenzt
auf die Verwendung von zwei Matrizen, sondern es können mehrere
Matrizen gleichzeitig miteinander verbunden werden. Wenn die Anzahl
der Matrizen sich erhöht,
treten jedoch praktische Schwierigkeiten auf beim Bewirken, dass die
Lötpaste
wieder korrekt zu fließen
beginnt. Diese Schwierigkeit kann überwunden werden, wenn leitfähiges Epoxy-
oder anderes Material anstelle der Lötpaste verwendet wird.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Verweis auf ein aktives Material vom
PTC Typ beschrieben worden ist, so wird gewertschätzt, dass
das Herstellungsverfahren für
die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auch auf andere
aktive Polymermaterialien und PTC Materialien angewendet werden kann
und ebenso auf andere Materialien, einschließlich die elektrischen, resistiven
bzw. widerstandsgebenden, magnetischen und Halbleiter-Materialien.