EP0939410A2

EP0939410A2 - Verfahren zur Herstellung einer Kaltleiteranordnung sowie Verwendung der Kaltleiteranordnung als Strombegrenzer

Info

Publication number: EP0939410A2
Application number: EP99810105A
Authority: EP
Inventors: Reinhard Fried; Jorgen Dr. Skindhoj; Martin Veenstra; Peter Etter
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; DaimlerChrysler AG
Current assignee: Bombardier Transportation GmbH
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1999-02-09
Publication date: 1999-09-01
Also published as: DE19808025A1; EP0939410A3

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung einer Kaltleiteranordnung sowie eine Kaltleiteranordnung mit wenigstens einer Metallschicht, deren elektrischer Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und zur elektrischen Isolation beidseitig zu ihren zwei gegenüberliegenden Hauptflächen jeweils eine Keramikplatte vorsieht, sowie mit wenigstens einem Kühlelement, das mit einer Keramikplatte in thermischen Kontakt steht. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Metallschicht an ihren zwei Hauptoberflächen jeweils mit den Keramikplatten mittels einer Lot- oder Klebeschicht. miteinander fest verfügt wird. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kaltleiteranordnung mit wenigstens einer Metallschicht, deren elektrischer Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und zur elektrischen Isolation beidseitig zu ihren zwei gegenüberliegenden Hauptflächen jeweils eine Keramikplatte vorsieht, sowie mit wenigstens einem Kühlelement, das mit einer Keramikplatte in thermischen Kontakt steht. Überdies wird beschrieben, wie zur Strombegrenzung eine Kaltleiteranordnung verwendet werden kann.

Stand der Technik

Kaltleiteranordnungen der vorstehend genannten Gattung werden in an sich bekannter Weise bevorzugt in elektrischen Schaltkreisen eingesetzt, um stromsensible Bauelemente vor Kurzschlußströmen zu schützen.

Aus der EP 0 642 199 A1 geht eine Schutzschaltung für einen Stromkreis mit einer Kondensatorschaltung hervor, die einen reversibel betreibbaren Kurzschlußstrombegrenzer vorsieht, der einen Kaltleiter aufweist, der in Reihe zu einer Kondensatorbank sowie parallel zu einem Varistor und/oder einem ohmschen Widerstand geschaltet ist. Eine ähnliche Strombegrenzungsschaltung ist der EP 0 713 228 A1 zu entnehmen, die überdies nicht sperrende Kaltleiterstrukturen auf Metallbasis beschreibt. Der Kaltleiteraufbau weist mindestens eine, vorzugsweise aus Cr/Ni-Schicht bestehende Widerstandsbahn auf, die thermisch an ein Kühlelement gekoppelt ist. Zur elektrischen Isolierung der Widerstandsbahn sind elektrisch isolierende und thermisch leitfähige Isolationsschichten vorgesehen. Für eine möglichst optimale thermische Kontaktierung aller den Kaltleiter zusammensetzende Schichten ist ein Druckausgleichselement vorgesehen, das insbesondere die Kaltleiterwiderstandsbahn getrennt durch eine Isolationsschicht gegen das Kühlelement preßt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß die Kaltleitermetallschicht elektrisch getrennt durch eine Keramikschicht an das Kühlelement angekoppelt ist.

Nachteilhaft bei den bekannten Kaltleiteranordnungen, die über eine mechanische Anpreßvorrichtung verfügen, ist ihre große und zum Teil sehr schwere Struktur, die nicht zuletzt durch die den Anpreßdruck hervorrufende Vorrichtung selbst bedingt ist.

Zwar sind in der gleichen Druckschrift, der EP 0 713 228 A1, Kaltleiteranordnungen gezeigt (siehe hierzu insbesondere Fig. 10), die keine derartige, einen Anpreßdruck erzeugende Vorrichtung vorsehen, Vielmehr sind in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 die Metallschichten 16 mit einer Keramikschicht 20 einseitig, beispielsweise über eine Lötverbindung, fest verbunden und im übrigen mit einer Polymermatrix. umgossen. Unmittelbar auf der Polymermatrix sind Kühlelemente angebracht, die adhäsiv auf der Polymermatrix anhaften. Zwar ist die bekannte Kaltleiteranordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 unter Verzicht auf eine Anpreßvorrichtung kompakt und klein auszugestalten, doch verfügt die Polymermatrix über nur schlechte Wärmeleitungseigenschaften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Kaltleiteranordnung sowie eine damit hergestellte Kaltleiteranordnung anzugeben, die zum einen unter Vermeidung von Klemmvorrichtungen einen kompakten und leichten Aufbau aufweist und überdies über verbesserte Wärmeleiteigenschaften zur effizienten Kühlung des Kaltleiterelementes vorsieht. Insbesondere soll auf den Einsatz eines Varistors sowie ohmschen Widerstandes zur Strombegrenzung verzichtet werden können. Schließlich soll der für die Strombegrenzung erforderliche Kaltleiter möglichst bewegungsarm innerhalb der Kaltleiteranordnung eingebracht werden können, um auch bei Auftreten höchster Stromspitzen den quer zu den Leitbahnen auftretenden Kräften zu widerstehen.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1, 5, 6, und 12 angegeben. Der Anspruch 1 richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kaltleiteranordnung, die Ansprüche 5 und 6 beziehen sich auf erfindungsgemäß ausgebildete Kaltleiteranordnungen sowie Anspruch 12 richtet sich auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Strombegrenzung, die aus einer erfindungsgemäßen Kaltleiteranordnung zusammengesetzt ist. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zur Vermeidung von voluminösen, schweren und durch mechanische Preßkräfte zusammenhaltende Kaltleiteranordnungen ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer Kaltleiteranordnung, die wenigstens eine Metallschicht, deren elektrischer Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und zu deren zwei sich gegenüberliegenden Hauptflächen jeweils eine Keramikplatte vorgesehen sind, sowie wenigstens ein Kühlelement aufweist, das mit einer Keramikplatte in thermischem Kontakt steht, derart angegeben, daß die Metallschicht an ihren zwei Hauptoberflächen jeweils mit den Keramikplatten mittels einer Lot- oder Klebeschicht miteinander fest verfügt wird.

Durch die Lot- oder Klebeschicht zwischen der Metallschicht und den Keramikplatten wird eine innige stoffschlüssige Verbindung hergestellt, die zum einen für eine feste Fixierung der Metallschicht auf den jeweiligen Keramikplatten sorgt und zum anderen über sehr gute thermische Leitfähigkeiten verfügt, so daß der Wärmefluß zwischen dem Kühlelement, den Keramikplatten und die Metallschicht unmittelbar und ohne große Wärmewiderstände möglich ist.

Um den Anforderungen hoher Wärmeleitfähigkeit an die Löt- bzw. Klebeverbindung gerecht zu werden, müssen Lote bzw. Klebeschichten verwendet werden, die über besonders gute Wärmeleiteigenschaften verfügen. Wird die Kaltleiteranordnung beispielsweise als Strombegrenzer eingesetzt, so wird in Fällen von Überströmen die kaltleitende Metallschicht erwärmt, wodurch ihr elektrische Widerstand sprunghaft ansteigt. Durch die Erhöhung des Widerstandes wird der die Kaltleiteranordnung durchströmende Strom begrenzt, bis das kaltleitende Material seine Ausgangstemperatur nach einer gewissen Abkühlzeit wieder erreicht. Da das Auftreten von Überströmen innerhalb weniger Mikrosekunden erfolgt, muß zum einen die Ansprechzeit der Kaltleiteranordnung, d.h. die Zeitspanne, innerhalb der die kaltleitende Materialschicht auf ein Temperaturniveau erwärmt wird, bei der ihr elektrischer Widerstand zur Strombegrenzung einen nennenswerten Betrag annimmt, sowie auch die Zeitdauer, innerhalb der die erwärmte kaltleitende Metallschicht auf ihre normale Betriebstemperatur abgesenkt wird, so klein wie möglich gehalten werden. Um den Abkühlvorgang so effizient wie nur möglich zu gestalten, sind die zwischen dem Kühlelement und der kaltleitenden Metallschicht vorgesehenen Wärmeübergänge zu optimieren. Dies betrifft insbesondere die richtige Wahl des Materials für die Löt- bzw. Klebeverbindung, über die die kaltleitende Metallschicht an den Keramikplatten fixiert ist, sowie die Verbindungsschicht, mit der das Kühlelement an wenigstens einer Keramikplatte angrenzt.

Bei der Materialwahl hinsichtlich der Löt- bzw. Klebeverbindung zwischen kaltleitender Metallschicht und Keramikplatte ist überdies die elektrische Leitfähigkeit des Materials von besonderer Bedeutung, zumal die Lot- bzw. Klebeschicht auch im erwärmten Zustand der kaltleitenden Metallschicht, d.h. im Strombegrenzungsfall, in dem die kaltleitende Metallschicht sprunghaft einen sehr großen elektrischen Widerstand annimmt, einen möglichst hohen elektrischen Widerstand aufweisen soll. Nur im Falle, daß der elektrische Widerstand der Lot- oder Klebeschicht größer ist als der elektrische Widerstand der kaltleitenden Metallschicht, ist gewährleistet, daß die Strombegrenzung durch das temperaturabhängige Widerstandsverhalten der kaltleitenden Metallschicht bestimmt ist. Andernfalls würde ein Stromfluß durch die Lot- oder Klebeschicht stattfinden, der nicht nur der strombegrenzenden Wirkung der Kaltleiteranordnung zuwider läuft, sondern im Falle hoher Stromstärken zur thermischen Zerstörung der typischerweise 1/10 mm dicken Lot- oder Klebeschicht führen würde.

Besonders geeignete Lote für die vorstehende Anwendung sind NiZrTi-Legierungen, die vorzugsweise aus folgenden Mischungsverhältnissen zusammenzusetzen sind: Ni₂₂Zr₆₃Ti₁₅-Legierung.

Ferner eignen sich als Lötverbindungen auch reines Zirkonium oder reines Titan. Für die Verwendung einer Klebeschicht hat sich als besonders geeignet Silikongummi erwiesen, dem ein metallisches Pulver beigemengt ist, vorzugsweise Aluminium oder Silber. Auch können Hochtemperaturkunststoffe wie PEEk, PSU, PAI, PES hierfür verwendet werden.

Bevorzugte Materialien für kaltleitende Metallschichten stellen Vacon, Eisen oder Nickel dar. Letzteres weist beispielsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von 7,3 µΩcm auf. Hingegen weist ein NiZrTi-Lot einen spezifischen elektrischen Widerstand von 170 µΩcm auf, so daß der Parallelwiderstand aus dem Lot weniger als 2% des Nickelwiderstandes, bei einer 0,5 mm dicken Nickelschicht, beträgt.

Um den Einfluß der Lot- oder Klebeschicht auf den Stromfluß durch die Kaltleiteranordnung auf ein möglichst geringes Maß zu begrenzen, werden die beidseitig an der kaltleitenden Metallschicht aufgebrachten Lot- oder Klebeschichten derart im Querschnitt dimensioniert, daß das Verhältnis aus der Summe der Querschnittsflächen der an der Metallschicht angrenzenden Lot- oder Klebeschichten und der Querschnittsfläche der Metallschicht < 4/5, vorzugsweise 0,12 ist.

Selbst bei Verwendung von an sich bekannten Loten, z.B. Ticusil, Ticuni, Incusil, CS1, CB4, CB10, Keramitil, die im wesentlichen auf einer Silber-, Kupfer- oder Nikkelbasis beruhen und über einen ungleich geringeren elektrischen Widerstand verfügen als beispielsweise eine NiZrTi-Legierung, tragen diese Verbindungsschichten aufgrund ihrer nur geringen Querschnittsfläche in untergeordneter Weise zu der sich durch die Temperatur ändernde elektrische Leitfähigkeit der gesamten Kaltleiteranordnung bei.

In an sich bekannter Weise weist die kaltleitende Metallschicht, die in Art einer Sandwichstruktur zwischen zwei Keramikplatten eingebracht ist, eine Mäanderform auf, die Bereiche aufweist, in denen die Metallschicht eine gekrümmte Form annimmt, an denen sich jeweils geradlinig verlaufende Bahnabschnitte anschließen.

Insbesondere bei einer möglichst kleinen Dimensionierung der Mäanderstruktur der Metallschicht, die an den Mäanderkurven sehr kleine Bogenradien aufweisen, versucht der sich durch die Metallschicht fließende Strom jeweils auf der Radiusinnenseite zu konzentrieren, was zu einer Überhitzung bis hin zu einer Zerstörung der Mäanderstruktur führen kann.

Um die Kaltleiteranordnung so kompakt und klein wie möglich ausgestalten zu können, ist erfindungsgemäß erkannt worden, daß die gekrümmten Bereiche der Metallschicht und/oder der an diesen Bereichen angrenzenden Lot- oder Klebeschichten wenigstens teilweise einen geringeren elektrischen Widerstand aufweisen müssen, als diejenigen, die geradlinig verlaufen. So ist es zum einen notwendig, den stromführenden Querschnitt innerhalb der Mäanderkurven zu vergrößern und/oder dessen Leitfähigkeit zu erhöhen.

Typischerweise besteht die erfindungsgemäße Kaltleiteranordnung aus jeweils zwei deckungsgleichen durch jeweils eine Keramikschicht voneinander getrennten Mäanderförmig geformten kaltleitende Metallschichten, die ihrerseits jeweils beidseitig von Keramikplatten eingeschlossen sind. An wenigstens einer Keramikplatte ist über eine vorzugsweise Weichlötverbindung ein als Aluminiumkühler oder AlSiC-Kühler ausgebildetes Kühlelement an die vorzugsweise als Aluminiumnitrit bestehende Keramikplatte festgelötet. Vor dem Lötvorgang, bei dem als Lot: Pfarr SnPb₃₆Ag₁ verwendet wird, wird das Kühlelement vorher vernickelt sowie die Aluminiumnitrit-Keramikplatte metallisiert. Das Lot wird bei etwa 250°C zwischen den beiden Elementen zur festen Verbindung eingebracht. Die gesamte Kaltleiteranordnung und insbesondere die MetallMäanderbahnen können dabei derart dimensioniert werden, daß ihre elektrischen Eigenschaften hinsichtlich Kapazität, Induktivität und elektrischer Widerstand vollständig einer Strombegrenzerschaltung entsprechen, die in an sich bekannter Weise aus einem gekühlten nichtlinearen PTC-Widerstand und parallel dazu einem Varistor und einem linearen Widerstand bestehen. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen und geeigneten Dimensionierungen der Metallschichten innerhalb der Kaltleiteranordnung ist es möglich, eine vollständige Vorrichtung zur Strombegrenzung in elektrischen Schaltkreisen zum Schutz von elektrischen Bauelementen vor auftretenden Kurzschlußströmen unter Verwendung ausschließlich einer einzigen erfindungsgemäßen Kaltleiteranordnung zu realisieren.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: Querschnittsdarstellung durch eine Kaltleiteranordnung in integrierter Version,
Fig. 2a, b: Querschnittsdarstellungen durch zwei Keramikplatten mit eingelöteter kaltleitenden Metallschicht mit unterschiedlichen Querschnittsflächen,
Fig. 3 a, b: Mäanderförmige, kaltleitende Metallschicht mit gekrümmten Mäanderkurven,
Fig. 4a, b: Mäanderkurvenstruktur mit angrenzender Lötschicht hoher elektrischer Leitfähigkeit,
Fig. 5a, b, c: Mäanderkurvenstruktur, bestehend aus Material höherer elektrischer Leitfähigkeit, sowie
Fig. 6a, b: Mäanderkurvenstruktur mit aus der Mäanderebene erhabenen Kurvenbögen,
Fig. 7: Mäanderstruktur mit hochkant verlaufenden Mäanderbahnen.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen und gewerbliche Anwendbarkeit

Aus Fig. 1 ist eine Querschnittsdarstellung durch eine erfindungsgemäße Kaltleiteranordnung zu entnehmen, deren Herzstück eine 5-Schichtstruktur aufweist, bestehend aus drei Keramikplatten 1, die vorzugsweise aus Aluminiumnitrit (AIN) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) bestehen und dazwischen jeweils eine kaltleitende Metallschicht 2 vorsehen, die im gezeigten Beispiel aus reinem Nickel gefertigt ist. Die Metallschichten 2 weisen senkrecht zur Zeichenebene eine Mäanderstruktur auf, auf die im weiteren noch eingegangen wird. Die Form und Größe der Metallschichten 2 sind derart ausgelegt, daß sie im Einsatz als Strombegrenzer die im Kurzschlußfalle auftretende gesamte Kondensatorenergie aufnehmen können, wodurch der platzbedürftige Varistor und Parallelwiderstand, wie sie aus den bekannten Strombegrenzerschaltungen hervorgehen, nicht mehr nötig sind. Erfindungsgemäß sind die Metallschichten 2 zwischen den Keramikplatten 1 beidseitig mittels einer Lötschicht 3 mit den Keramikplatten 2 stoffschlüssig verbunden. Die Lötschicht 3 besteht aus den bereits vorstehend genannten Überlegungen hinsichtlich der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit, vorzugsweise aus einer NiZrTi-Legierung, die bei einer typischen Lotschichtdicke von 30µm eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von 8 W/mK aufweist. Überdies weist das Lot einen spezifischen elektrischen Widerstand von 170 µΩcm auf.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Kaltleiteranordnung ist die unterste Keramikplatte 1 thermisch an ein Kühlelement 4 über eine weitere Lotschicht 5 angekoppelt. Typischerweise erfolgt die thermische Ankopplung zwischen dem Kühlelement 4 und der Keramikplatte 1 mit einer Weichlotschicht, wobei vor der Verlötung das vorzugsweise aus Aluminium bestehende Kühlelement 4 an seiner Oberfläche vernickelt n und die Keramikplatte metallisiert m wird. Ein für diese Verbindung geeignetes Lotmaterial ist Pfarr SnPb₃₆Ag₁.

In ähnlicher Weise kann auf der dem Kühlelement 4 gegenüberliegenden Seite 6 der Kaltleiteranordnung gemäß Fig. 1 ein weiteres Kühlelement aufgebracht werden, um den Kühleffekt der gesamten Kaltleiteranordnung zu verbessern.

Durch die Verlötung der einzelnen Schichten, aus denen die erfindungsgemäße Kaltleiteranordnung zusammengesetzt ist, ist die Bauhöhe unter Zugrundelegung geeigneter Dimensionen für die einzelnen Metallschichten erheblich zu reduzieren, beispielsweise auf nur 35 mm, im Vergleich zu Bauhöhen von 150 mm von konventionellen Kaltleiteranordnungen, bei denen der Zusammenhalt der einzelnen Schichten mit Hilfe geeigneter Klemmvorrichtungen erfolgt.

Die in der erfindungsgemäßen Kaltleiteranordnung verwendeten kaltleitenden Metallschichten 1 weisen in an sich bekannter Weise eine Mäanderstruktur auf und verfügen über eine Form und Schichtdicke, die einem gewünschten Widerstandswert sowie der Aufnahmefähigkeit einer gewissen Maximalenergie entspricht. Ausgehend von einer gewünschten Dimensionierung wird eine Umrißzeichnung der mäanderförmigen Metallschicht, beispielsweise im DXF-Format angefertigt, die direkt von einer Erodiermaschine lesbar ist. Mit Hilfe dieser Maschine werden die Mäanderstrukturen vorzugsweise aus einer 250 bis 500 mm dicken Nickelfolie herausgearbeitet.

Gleichsam der Mäanderstruktur wird als Lot eine Folie, bestehend aus amorphen Ni₂₂Zr₆₃Ti₁₅ verwendet. Typischerweise können derartige Loffolien mit Breiten von 35 mm und Dicken von 30µm als Streifen bezogen werden. Übliche Lotschichtdicken für die stoffschlüssige Verbindung zwischen der kaltleitenden Metallschicht 2 und der entsprechenden Keramikplatte 1 sollen zwischen 35 und 100 µm betragen, um den Lötvorgang möglichst lunkerfrei ablaufen zu lassen. Um dickere Lotschichten zu erhalten, werden entsprechend mehrere einzelne Lotschichten mit Kleber, mittels Punktschweißen oder anderen Fügeverfahren miteinander verbunden.

Nachfolgend werden auf beiden Seiten der aus Nickel bestehenden Metallschicht die vorbereiteten Loffolien aufgebracht, die nachstehend an überhängenden Bereichen entsprechend der Mäanderform der Nickelschicht auserodiert werden. Die nun mäanderförmig aus Nickel und Lot bestehenden Schichtabfolgen werden zwischen zwei Keramikplatten positioniert und entsprechend verlötet. Der Lötvorgang erfolgt unter Hochvakuumbedingungen bei einer Maximaltemperatur von etwa 920°C, wobei während des Lötens die Schichtanordnung mit einem Druck von ca. 50 g/cm² zusammengepreßt werden. Die auf diese Weise zusammengefügte Schichtenabfolge zeigt eine besonders große Festigkeit bei Thermozyklus-Versuchen, in denen Temperaturwechsel zwischen -50°C und 150°C durchgeführt werden. So überstehen derartige Kaltleiteranordnungen weit mehr als 1900 Thermozyklen unbeschadet.

Neben dem erwähnten hochreinen Nickel als kaltleitendes Metall kann auch Eisen oder Vacon CF25 verwendet werden, das eine neue Legierung aus einer Vaconschmelze mit einem besonders hohen Anstieg im Widerstand bei hohen Temperaturen ist. Vacon CF 25 hat einen Widerstandshub von 17,5 bei einer Wärmung von 20°C bis 1000°C, wohingegen Nickel lediglich einen Widerstandshub von 6,5 aufweist.

Grundsätzlich kann eine Kaltleiteranordnung aus beliebig vielen Schichtabfolgen zwischen Keramikplatten und Metallschichten aufgebaut sein und auf diese Weise modular erweitert werden, ohne den Aufwand von extra vorzusehenden Klemmvorrichtungen betreiben zu müssen, die überdies die gesamte Schichtanordnung umgreifen müßten und auf diese Weise zu einer noch größeren Bauform führen.

Auch ist es möglich, auf einem einzigen Kühlelement mehrere Strombegrenzermodule nebeneinander aufzulöten, die in Reihe oder parallelgeschaltet werden können.

Das vorstehend genannte Lotmaterial, bestehend aus einer NiZrTi-Legierung, weist besonders geeignete elektrische und thermische Eigenschaften auf, die besonders vorteilhaft hinsichtlich der kaltleitenden Eigenschaften der Metallschicht sind. Werden für den Zusammenhalt zwischen der Metallschicht und die an diese angrenzenden Keramikplatten herkömmliche Lote, beispielsweise Ticusil, Ticuni, Incusil, CS1, CB4, CB10, Keramitil usw. verwendet, so ist darauf zu achten, daß die Lotschichtdicke im Vergleich zur Metallschichtdicke nur von untergeordneter Dimension ist, so daß ein möglicher Stromfluß im Strombegrenzungsfall durch die Lotschichten aufgrund ihrer nur sehr geringen Schichtdicke weitgehend unterbunden wird.

In den Fig. 2a und 2b sind jeweils zwei Schichtanordnungen angegeben, die aus zwei Keramikplatten 1 mit einer dazwischenliegenden Metallschicht 2 bestehen. Im Fall der Fig. 2a setzt sich der Stromfluß führende Querschnitt der Anordnung aus etwa knapp 50% aus Lotmaterial 3 und der Rest als kaltleitendem Metall 1 zusammen. Bei Verwendung der vorstehend verwendeten Lote, die im Falle eines Kurzschlusses nicht wie die kaltleitende Metallschicht, die mit steigender Temperatur und damit steigendem Widerstand den Strom begrenzt, sondern wie ein den Widerstand kurzschließenden Leiter wirken, ist der Effekt der Strombegrenzung nur unbefriedigend.

In Fig. 2b hingegen ist die Dicke der kaltleitenden Metallschicht 2 wesentlich größer als die Summe der Querschnitte beider Lotschichten 1, wodurch ihr Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit auch im Kurzschlußfall erheblich reduziert wird. Neben der Vergrößerung des Strömungsquerschnittes durch die Metallschicht können die Lotschichtdicken reduziert werden auf 0,05 bis 0,025 mm, wobei jedoch die Gefahr besteht, daß während des Lötvorganges Lunkerstellen entstehen.

Neben der richtigen Wahl der Querschnittsfläche der kaltleitenden Metallschicht, durch die der elektrische Strom gerichtet ist, ist auch die Länge der Metallschicht durch die gewünschten elektrischen Vorgaben, wie beispielsweise Größe der Kondensatorbank und erwünschter Maximalstrom geeignet zu wählen. So können je nach Einsatzmöglichkeiten die Metallschichtlängen bis zu 1 m betragen, die in vernünftigen Abmessungen in eine Kaltleiteranordnung zu integrieren sind.

Als besonders geeignet hierfür wird die Mäanderform angesehen, die in Fig. 3a abgebildet ist. Die in Mäanderform ausgebildete kaltleitende Metallschicht 2 weist jeweils parallelverlaufende geradlinige Bereiche 7 sowie die geradlinigen Bereiche verbindende gekrümmte Bereiche 8 auf, die sogenannten Mäanderkurven. Eine typische Dimensionierung einer aus Nickel bestehenden Metallschicht weist ein Breiten-Dickenverhältnis von 5 x 0,25 mm auf, so daß über eine möglichst große Fläche die Verlustwärme im Normalbetrieb als auch die Wärme aus dem Kurzschlußstromdurchgang möglichst schnell über die stoffschlüssige Lötverbindung in den angrenzenden Kühler abgeführt werden kann. Die mäanderförmige Geometrie weist jedoch den Nachteil auf, daß je kleiner die Bogenradien in den Mäanderkurven 8 werden, um so mehr versucht der durch die Metallschicht hindurchfließende Strom sich auf der Mäanderkurveninnenseite zu konzentrieren, wodurch lokale Überhitzungen in der Metallschicht entstehen, die bis hin zur Zerstörung der Metallschicht selbst führen. Insbesondere bei der Miniaturisierung von Kaltleiteranordnungen mit möglichst klein ausgebildeten Mäanderstrukturen ist erfindungsgemäß erkannt worden, daß zur Vermeidung der thermischen Überhitzung in den Mäanderkurven entweder der stromführende Querschnitt innerhalb der Kurven vergrößert und/oder die elektrische Leitfähigkeit in den gekrümmten Bereichen erhöht werden muß.

Beispielsweise hat man unter Verwendung einer Nickelmäanderschicht herausgefunden, daß thermische Überhitzungen in den Mäanderkurven vermieden werden können, sofern gemäß Fig. 3b der kleinste innere Krümmungsradius r wenigstens 0.8 mal größer ist als die Stegbreite d der Metallschicht innerhalb der geradlinig verlaufenden Bereiche. Überdies soll die Breite h der Metallschicht im Scheitelpunkt der Mäanderkurve wenigstens 1,5 mal größer als die Breite d sein.

Alternativ oder in Ergänzung zu der vorstehend genannten Maßnahme der Querschnittsvergrößerung innerhalb der Mäanderkurve können die Mäanderkurven mit einem sehr gut leitfähigem Metall überzogen werden, wodurch die Stromdichte innerhalb der Metallschicht reduziert wird, da der Stromfluß nunmehr auf die umliegende gut leitfähige Metallschicht ausweichen kann. Insbesondere sollte das zusätzlich auf die Mäanderkurven aufgebrachte Material kein PTC-Material sein, so daß der elektrische Widerstand in diesem aufgebrachten Material 9 mit steigender Temperatur weitgehend konstant bleibt.

Eine derartige Anordnung ist in den Fig. 4a und b dargestellt. Zwischen den Keramikplatten 1 ist in den geradlinig verlaufenden Mäanderbereichen 7 die aus Nickel bestehende Metallschicht 2 beidseitig jeweils mit einer Lötschicht 3, bestehend aus einer NiZrTi-Legierung, mit den Keramikplatten 1 stoffschlüssig verbunden. Im Mäanderkurvenbereich 8 wird im Unterschied zum geradlinigen Bereich 7 zum Stoffschluß zwischen Metallschicht 2 und Keramikplatten 1 ein Lot 9 mit höherer elektrischer Leitfähigkeit verwendet. Lote mit derartig höheren elektrischen Leitfähigkeiten sind beispielsweise auf Kupfer oder Silber basierende Verbindungen.

Als Beispiel für ein derartiges Lot eignet sich AgCuTi (Ticusil), das bei einer Lotschichtdicke von 100 µm einen spezifischen Widerstand von 2,6 µΩcm aufweist. Durch diese Maßnahme würde bei einer 500 µm dicken Nickelmetallschicht 2 und einem 100 µm dicken Lot der elektrische Widerstand in den Mäanderkurven um den Faktor 2 reduziert. Bei Verwendung einer 250 µm dicken Nickelmetallschicht 2 und einer Lotschicht von gleicher Dicke (100 µm) kann der elektrische Widerstand sogar um den Faktor 3 reduziert werden.

Alternativ zur Verwendung von Lote mit höherer elektrischer Leitfähigkeit kann unmittelbar auf der Metallschicht reines Kupfer oder Silber aufgespritzt werden, wobei die aufgespritzte Schicht derart dünn gehalten sein muß, daß eine weitere Lotschicht zur Keramikplatte 1 eingebracht werden kann.

Eine weitere Möglichkeit den elektrischen Widerstand in der Mäanderkurve zu reduzieren ist der Einsatz eines nicht kaltleitenden Materials 10 mit höherer elektrischer Leitfähigkeit in den Mäanderkurven anstelle der kaltleitenden Metallschicht. In Fig. 5a ist eine Draufsicht und in Fig. 5b eine Querschnittsdarstellung für diese Anordnung gezeigt. In üblicher Weise besteht die Metallschicht 2 in den geradlinigen Bereichen 7 aus Nickel, das im Übergang zu den gekrümmten Bereichen durch eine Trennlotschicht 11 abgeschnitten ist. Im Mäanderkurvenbereich 8 schließt sich zur Fortsetzung der Metallschicht 2 ein Material 10 an, das über eine höhere elektrische Leitfähigkeit verfügt, als die Metallschicht 2 im geradlinig verlaufenden Bereich.

Gemäß Fig. 5c kann die Materialschicht 10 einen größeren Querschnitt als im geradlinigen Bereich aufweisen, um zusätzlich durch die Biegung verursachende Stromverdichtungen zu vermeiden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das eine weitere Miniaturisierung der Mäanderstruktur ermöglicht, ist in den Fig. 6a und b dargestellt. So ist es möglich, mehrere Mäanderbögen auf gleicher Auflagefläche zu realisieren, indem die stromleitende Metallschicht in den Mäanderkurven 8 bei gleichbleibendem Querschnitt aus der Ebene der Mäanderstruktur verdreht sind. In Fig. 6b ist eine Querschnittsdarstellung der hochkant verdrehten Mäanderkurvenbereiche dargestellt, durch die der Abstand zwischen zwei parallel verlaufende geradlinige Bereiche 7 verkürzt werden kann. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden auf die ursprünglich eingeführten Bezugszeichen zum Verständnis der Materialabfolge in Fig. 6b verwiesen.

Aus Gründen der Platzersparnis und Miniaturisierung von Kaltleiteranordnungen ist es besonders vorteilhaft, wenn die einzelnen Mäanderstrukturen hochkant nebeneinander verlaufen, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Die einzelnen kaltleitenden Metallschichten 2 sind in einen fächerförmig vorgearbeiteten Keramikkörper 1 eingebracht und mit diesem über eine Lötschicht 3 verbunden. Durch die Hochkantanordnung der mäanderförmig verlaufenden Metallschicht 2 können die einzelnen geradlinig verlaufenden Mäanderbahnen, die im Querschnitt in Fig. 7 dargestellt sind, enger zusammengebracht werden. Vor allem ist es denkbar, neben im Querschnitt rechteckig geformte Mäanderbahnen auch mäanderförmige Metallschichten mit kreisrundem Querschnitt zu verwenden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: Keramikplatte
2: Kaltleitende Metallschicht
3: Lötschicht
4: Kühlelement
5: Lötschicht
6: obere Seite des Kaltleiteranordnung
7: Geradlinige Bereiche
8: Gekrümmte Bereiche, Mäanderkurve
9: Lot mit höherer elektrischer Leitfähigkeit
10: Material mit höherer elektrischer Leitfähigkeit
11: Trennlotschicht

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Kaltleiteranordnung mit wenigstens einer Metallschicht (2), deren elektrischer Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und zur elektrischen Isolation beidseitig zu ihren zwei gegenüberliegenden Hauptflächen jeweils eine Keramikplatte (1) vorsieht,
sowie mit wenigstens einem Kühlelement (4), das mit einer Keramikplatte (1) in thermischen Kontakt steht,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (2) an ihren zwei Hauptoberflächen jeweils mit den Keramikplatten (1) mittels einer Lot- oder Klebeschicht (3) miteinander fest verfügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß als Lot zur Lötverbindung eine NiZrTi-Legierung, vorzugsweise eine Ni₂₂Zr₆₃Ti₁₅-Legierung, oder Zr oder Ti verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Klebeschicht Silikongummi aufweist, dem ein metallisches Pulver beigemengt ist, vorzugsweise Al oder Ag.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lot- oder Klebeschicht (3) einen größeren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, als die Metallschicht (2).
Kaltleiteranordnung mit wenigstens einer Metallschicht (2), deren elektrischer Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und zur elektrischen Isolation beidseitig zu ihren zwei gegenüberliegenden Hauptflächen jeweils eine Keramikplatte (1) vorsieht,
sowie mit wenigstens einem Kühlelement (4), das mit einer Keramikplatte (1) in thermischen Kontakt steht,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Hauptoberflächen der Metallschicht (2) und den Keramikplatten (1) jeweils eine Lot- oder Klebeschicht (3) vorgesehen ist, und daß das Verhältnis aus der Summe der Querschnittsflächen der an der Metallschicht (2) angrenzenden Lot- oder Klebeschichten (3) und der Querschnittsfläche der Metallschicht kleiner 4/5, vorzugsweise 0,12 ist.
Kaltleiteranordnung nach Anspruch 5
oder dem Oberbegriff des Anspruchs 5, wobei die Metallschicht (2) in Mäanderfrom ausgebildet ist und Bereiche (8) aufweist, in denen die Metallschicht (2) gekrümmt ist und an diese anschließende Bereiche (7) aufweist, die weitgehend geradlinig verlaufen,
dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmten Bereiche (8) der Metallschicht (2) und/oder der an diesen Bereichen angrenzenden Lotschichten wenigstens teilweise einen geringeren elektrischen Widerstand aufweisen gegenüber denjenigen, die geradlinig verlaufen.
Kaltleiteranordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die mäanderförmige Metallschicht (2) in den gekrümmten Bereichen (8) einen Krümmungsradius r aufweist, der wenigstens 0,8 mal größer ist als die Breite d der geradlinig verlaufenden Metallschicht.
Kaltleiteranordnung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Breite h der Metallschicht im Scheitelpunkt der gekrümmten Bereiche wenigstens 1,5 mal größer ist als die Breite d.
Kaltleiteranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß in den gekrümmten Bereichen (8) ein Lot für die Lötverbindung zwischen Keramikplatte (1) und Metallschicht (2) verwendet wird, das über eine höhere elektrische Leitfähigkeit, bspw. AgCu- oder AgCuTi-Lot, verfügt, als das Lot in den geradlinigen Bereichen.
Kaltleiteranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar auf den gekrümmten Bereichen (8) der Metallschicht (2) eine dünne, gut elektrisch leitende Schicht, vorzugsweise Cu oder Ag, aufgebracht ist.
Kaltleiteranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Bereich (8) der Metallschicht (2) mit gleichbleibender Querschnittsfläche aus der Ebene der Mäanderstruktur verdreht ist.
Vorrichtung zur Strombegrenzung in elektrischen Schaltkreisen zum Schutz von elektrischen Bauelementen vor auftretenden Kurzschlußströmen unter ausschließlicher Verwendung einer Kaltleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltleiteranordnung eine 5-fach Schichtstruktur aufweist, mit drei Keramikplatten zwischen denen zwei Metallschichten, jeweils in abwechselnder Reihenfolge, angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten jeweils eine Mäanderstruktur aufweisen und derart zwischen den Keramikschichten angeordnet sind, daß sich ihre Mäanderbahnen untereinander in Deckung befinden und derart miteinander elektrisch verschaltet sind, daß sie jeweils in entgegengesetzter Richtung von elektrischen Strom durchflossen werden.