DE19808025A1

DE19808025A1 - Method for producing a PTC thermistor arrangement and use of the PTC thermistor arrangement as a current limiter

Info

Publication number: DE19808025A1
Application number: DE1998108025
Authority: DE
Inventors: Reinhard Fried; Jorgen Skindhoj; Martin Veenstra; Peter Etter
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 1999-09-02
Also published as: EP0939410A2; EP0939410A3

Description

Technical field

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kaltleiteranord nung mit wenigstens einer Metallschicht, deren elektrischer Widerstand einen positi ven Temperaturkoeffizienten aufweist und zur elektrischen Isolation beidseitig zu ih ren 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 Kaltlei teranordnung verwendet werden kann.The invention relates to a method for producing a PTC thermistor arrangement with at least one metal layer, the electrical resistance of which is positive ven has temperature coefficients and for electrical insulation on both sides to ih ren two opposite main surfaces each provide a ceramic plate, as well as with at least one cooling element, which with a ceramic plate in thermal Contact is there. It also describes how a cold lead is used to limit current can be used.

State of the art

Kaltleiteranordnungen der vorstehend genannten Gattung werden in an sich be kannter Weise bevorzugt in elektrischen Schaltkreisen eingesetzt, um stromsensible Bauelemente vor Kurzschlußströmen zu schützen.PTC thermistor arrangements of the type mentioned above are in themselves be Known way preferably used in electrical circuits to current sensitive Protect components from short-circuit currents.

Aus der EP 0 642 199 A1 geht eine Schutzschaltung für einen Stromkreis mit einer Kondensatorschaltung hervor, die einen reversibel betreibbaren Kurzschlußstrombe grenzer vorsieht, der einen Kaltleiter aufweist, der in Reihe zu einer Kondensator bank sowie parallel zu einem Varistor und/oder einem ohmschen Widerstand ge schaltet ist. Eine ähnliche Strombegrenzungsschaltung ist der EP 0 713 228 A1 zu entnehmen, die überdies nicht sperrende Kaltleiterstrukturen auf Metallbasis be schreibt. 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 Kaltleiterwiderstands bahn 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.EP 0 642 199 A1 describes a protective circuit for a circuit with a Capacitor circuit, which has a reversible short-circuit current provides limiters that have a PTC thermistor in series with a capacitor bank and parallel to a varistor and / or an ohmic resistor is switched. A similar current limiting circuit is known from EP 0 713 228 A1 refer to the non-blocking thermistor structures based on metal writes. The PTC thermistor structure has at least one, preferably made of Cr / Ni layer existing resistance track, which is thermally coupled to a cooling element. For electrical insulation of the resistance track are electrically insulating and thermally conductive insulation layers are provided. For the best possible Thermal contacting of all layers composing the PTC thermistor is one Pressure compensation element provided, in particular the PTC resistor web separated by an insulation layer presses against the cooling element. To this In this way it can be ensured that the PTC metal layer is electrically separated is coupled to the cooling element by a ceramic layer.

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.A disadvantage of the known PTC thermistor arrangements, which have a mechanical Pressing device is their large and sometimes very heavy structure that not least due to the device itself which causes the contact pressure.

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 Anpreßvorrich tung kompakt und klein auszugestalten, doch verfügt die Polymermatrix über nur schlechte Wärmeleitungseigenschaften.In the same document, EP 0 713 228 A1, PTC thermistor arrangements are shown (see in particular FIG. 10 in this regard) which do not provide such a device which generates a contact pressure, rather the metal layers 16 with a ceramic layer are in the exemplary embodiment according to FIG. 10 20 firmly connected on one side, for example via a solder connection, and otherwise cast with a polymer matrix. Cooling elements are attached directly to the polymer matrix and adhere to the polymer matrix. Although the known PTC thermistor arrangement according to the exemplary embodiment in FIG. 10 is compact and small, without a pressing device, the polymer matrix has only poor heat conduction properties.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Kalt leiteranordnung 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 effizi enten Kühlung des Kaltleiterelementes vorsieht. Insbesondere soll auf den Einsatz eines Varistors sowie ohmschen Widerstandes zur Strombegrenzung verzichtet wer den 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. The invention has for its object a method for producing a cold specify conductor arrangement and a thermistor arrangement produced therewith, the on the one hand, avoiding clamping devices, a compact and lightweight Has structure and moreover about improved thermal conductivity for effizi provides cooling of the PTC thermistor element. In particular, it aims to use a varistor and ohmic resistance to limit the current who that can. Finally, the PTC thermistor required for the current limitation be introduced with as little movement as possible within the PTC thermistor arrangement can, even when the highest current peaks occur, across the interconnects to resist occurring forces.

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 Herstel lung einer Kaltleiteranordnung, die Ansprüche 5 und 6 beziehen sich auf erfindungs gemäß ausgebildete Kaltleiteranordnungen sowie Anspruch 12 richtet sich auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Strombegrenzung, die aus einer erfindungsge mäßen Kaltleiteranordnung zusammengesetzt ist. Den Erfindungsgedanken vorteil haft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.The object on which the invention is based is achieved in claims 1, 5, 6, and 12. The claim 1 is directed to a method of manufacture development of a PTC thermistor arrangement, claims 5 and 6 relate to the invention trained PTC thermistor arrangements and claim 12 is directed to a Current limiting device according to the invention, which consists of a fiction moderate PTC thermistor arrangement is composed. Advantage of the idea of the invention Further features are the subject of the subclaims.

Zur Vermeidung von voluminösen, schweren und durch mechanische Preßkräfte zu sammenhaltende Kaltleiteranordnungen ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Her stellung einer Kaltleiteranordnung, die wenigstens eine Metallschicht, deren elektri scher 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.To avoid voluminous, heavy and mechanical press forces Holding PTC thermistor arrangements is a method according to the invention position of a PTC thermistor arrangement, the at least one metal layer, the electri has a positive temperature coefficient and to their resistance a ceramic plate is provided for two opposite main surfaces are, and has at least one cooling element which with a ceramic plate in is thermal contact, indicated such that the metal layer at its two Main surfaces each with the ceramic plates using a solder or adhesive layer with each other.

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.Through the solder or adhesive layer between the metal layer and the ceramic plates an intimate, cohesive connection is created, on the one hand for a firm Fixing the metal layer on the respective ceramic plates ensures and on the other has very good thermal conductivities, so that the heat flow between the cooling element, the ceramic plates and the metal layer directly and without great thermal resistance is possible.

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 bei spielsweise 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 Ausgangstempe ratur nach einer gewissen Abkühlzeit wieder erreicht. Da das Auftreten von Über strömen innerhalb weniger Mikrosekunden erfolgt, muß zum einen die Ansprechzeit der Kaltleiteranordnung, d. h. die Zeitspanne, innerhalb der die kaltleitende Material schicht auf ein Temperaturniveau erwärmt wird, bei der ihr elektrischer Widerstand zur Strombegrenzung einen nennenswerten Betrag annimmt, sowie auch die Zeit dauer, innerhalb der die erwärmte kaltleitende Metallschicht auf ihre normale Be triebstemperatur abgesenkt wird, so klein wie möglich gehalten werden. Um den Ab kühlvorgang so effizient wie nur möglich zu gestalten, sind die zwischen dem Kühl element und der kaltleitenden Metallschicht vorgesehenen Wärmeübergänge zu opti mieren. 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 Ke ramikplatte angrenzt.To meet the requirements of high thermal conductivity for the soldered or adhesive connection To meet, solders or adhesive layers must be used that over have particularly good thermal conductivity properties. If the PTC thermistor arrangement at used as a current limiter, for example, in cases of overcurrents cold-conductive metal layer warms up, causing its electrical resistance to skyrocket increases. By increasing the resistance of the PTC thermistor arrangement current flowing through is limited until the cold-conducting material reaches its initial temperature reached after a certain cooling time. Because the occurrence of over flow within a few microseconds, the response time must firstly the PTC thermistor assembly, d. H. the period of time within which the cold conducting material layer is heated to a temperature level at which its electrical resistance takes a significant amount to limit the current, as well as the time duration within which the heated, cold-conducting metal layer returns to its normal loading drive temperature is reduced, be kept as small as possible. To the Ab The cooling process is to make the cooling process as efficient as possible element and the cold-conducting metal layer provided heat transfers to opti lubricate. This applies in particular to the correct choice of material for the soldering or Adhesive connection that fixes the cold-conducting metal layer to the ceramic plates is, and the connection layer with which the cooling element on at least one Ke ceramic plate adjacent.

Bei der Materialwahl hinsichtlich der Löt- bzw. Klebeverbindung zwischen kaltleiten der Metallschicht und Keramikplatte ist überdies die elektrische Leitfähigkeit des Materials von besonderer Bedeutung, zumal die Lot- bzw. Klebeschicht auch im er wärmten Zustand der kaltleitenden Metallschicht, d. h. im Strombegrenzungsfall, in dem die kaltleitende Metallschicht sprunghaft einen sehr großen elektrischen Wider stand 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 kaltlei tenden 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 thermi schen Zerstörung der typischerweise 1/10 mm dicken Lot- oder Klebeschicht führen würde.When choosing the material with regard to the solder or adhesive connection between cold conduct The metal layer and ceramic plate is also the electrical conductivity of the Material of particular importance, especially since the solder or adhesive layer in the er warmed state of the cold conductive metal layer, d. H. in the event of a current limitation, in which the cold-conducting metal layer suddenly has a very large electrical resistance assumes the highest possible electrical resistance. Just in the event that the electrical resistance of the solder or adhesive layer is greater than that electrical resistance of the cold-conducting metal layer, it is ensured that the Current limitation through the temperature-dependent resistance behavior of the cold tendency metal layer is determined. Otherwise a current flow through the solder or adhesive layer take place, which not only the current limiting effect of PTC thermistor arrangement runs contrary, but in the case of high currents to thermi lead to destruction of the typically 1/10 mm thick solder or adhesive layer would.

Besonders geeignete Lote für die vorstehende Anwendung sind NiZrTi-Legierungen, die vorzugsweise aus folgenden Mischungsverhältnissen zusammenzusetzen sind:
Ni₂₂Zr₆₃Ti₁₅-Legierung. Particularly suitable solders for the above application are NiZrTi alloys, which should preferably be composed of the following mixing ratios:
Ni ₂₂ Zr ₆₃ Ti ₁₅ alloy.

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.Pure zirconium or pure titanium are also suitable as soldered connections. For the use of an adhesive layer has proven to be particularly suitable for silicone rubber proven, which is mixed with a metallic powder, preferably aluminum or Silver. High-temperature plastics such as PEEk, PSU, PAI, PES can also be used for this be used.

Bevorzugte Materialien für kaltleitende Metallschichten stellen Vacon, Eisen oder Nickel dar. Letzteres weist beispielsweise einen spezifischen elektrischen Wider stand von 7,3 µΩcm auf. Hingegen weist ein NiZrTi-Lot einen spezifischen elektri schen Widerstand von 170 µΩcm auf, so daß der Parallelwiderstand aus dem Lot weniger als 2% des Nickelwiderstandes, bei einer 0,5 mm dicken Nickelschicht, be trägt.Preferred materials for cold-conducting metal layers are Vacon, iron or Nickel represents the latter, for example, has a specific electrical resistance rose from 7.3 µΩcm. In contrast, a NiZrTi solder has a specific electri rule of 170 µΩcm on, so that the parallel resistance from the plumb less than 2% of the nickel resistance, with a 0.5 mm thick nickel layer, be wearing.

Um den Einfluß der Lot- oder Klebeschicht auf den Stromfluß durch die Kaltlei teranordnung 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 Querschnittsflä chen der an der Metallschicht angrenzenden Lot- oder Klebeschichten und der Quer schnittsfläche der Metallschicht < 4/5, vorzugsweise 0,12 ist.The influence of the solder or adhesive layer on the current flow through the cold lead To limit the arrangement to the lowest possible level, they are mutually exclusive solder or adhesive layers applied to the cold-conducting metal layer in such a way Cross-section dimensioned that the ratio of the sum of the cross-sectional area chen of the solder or adhesive layers adjacent to the metal layer and the cross cutting surface of the metal layer is <4/5, preferably 0.12.

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 Nickelbasis beruhen und über einen ungleich geringeren elektrischen Widerstand verfü gen 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 Kaltlei teranordnung bei.Even when using solders known per se, e.g. B. Ticusil, Ticuni, Incusil, CS1, CB4, CB10, ceramite, which are based essentially on a silver, copper or Nickel-based and have a much lower electrical resistance such as a NiZrTi alloy, these connecting layers bear due to their small cross-sectional area in a subordinate way to the due to the temperature-changing electrical conductivity of the entire cold lead arrangement at.

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 an nimmt, an denen sich jeweils geradlinig verlaufende Bahnabschnitte anschließen. In a manner known per se, the cold-conducting metal layer, which is in the manner of a Sandwich structure is inserted between two ceramic plates, a meandering shape which has areas in which the metal layer has a curved shape takes, which are each followed by straight line sections.

Insbesondere bei einer möglichst kleinen Dimensionierung der Mäanderstruktur der Metallschicht, die an den Mäanderkurven sehr kleine Bogenradien aufweisen, ver sucht der sich durch die Metallschicht fließende Strom jeweils auf der Radiusinnen seite zu konzentrieren, was zu einer Überhitzung bis hin zu einer Zerstörung der Mä anderstruktur führen kann.Particularly when the meandering structure is dimensioned as small as possible Metal layer, which have very small arc radii on the meander curves, ver is looking for the current flowing through the metal layer on the inside of the radius side focus, resulting in overheating and destruction of the males other structure can lead.

Um die Kaltleiteranordnung so kompakt und klein wie möglich ausgestalten zu kön nen, ist erfindungsgemäß erkannt worden, daß die gekrümmten Bereiche der Metall schicht 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 strom führenden Querschnitt innerhalb der Mäanderkurven zu vergrößern und/oder dessen Leitfähigkeit zu erhöhen.In order to make the PTC thermistor arrangement as compact and small as possible NEN, it has been recognized according to the invention that the curved areas of the metal layer and / or the solder or adhesive layers adjacent to these areas must at least partially have a lower electrical resistance, than those who are straight. So on the one hand it is necessary to use the electricity to enlarge and / or its leading cross-section within the meander curves Increase conductivity.

Typischerweise besteht die erfindungsgemäße Kaltleiteranordnung aus jeweils zwei deckungsgleichen durch jeweils eine Keramikschicht voneinander getrennten mäan derförmig 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 aus gebildetes Kühlelement an die vorzugsweise als Aluminiumnitrit bestehende Kera mikplatte festgelötet. Vor dem Lötvorgang, bei dem als Lot: Pfarr SnPb₃₆Ag₁ verwen det wird, wird das Kühlelement vorher vernickelt sowie die Aluminiumnitrit- Keramikplatte metallisiert. Das Lot wird bei etwa 250°C zwischen den beiden Ele menten zur festen Verbindung eingebracht. Die gesamte Kaltleiteranordnung und insbesondere die Metall/Mäanderbahnen können dabei derart dimensioniert werden, daß ihre elektrischen Eigenschaften hinsichtlich Kapazität, Induktivität und elektri scher Widerstand vollständig einer Strombegrenzerschaltung entsprechen, die in an sich bekannter Weise aus einem gekühlten nichtlinearen PTC-Widerstand und par allel dazu einem Varistor und einem linearen Widerstand bestehen. Mit Hilfe der er findungsgemäßen Maßnahmen und geeigneten Dimensionierungen der Metall schichten innerhalb der Kaltleiteranordnung ist es möglich, eine vollständige Vor richtung zur Strombegrenzung in elektrischen Schaltkreisen zum Schutz von elektri schen Bauelementen vor auftretenden Kurzschlußströmen unter Verwendung aus schließlich einer einzigen erfindungsgemäßen Kaltleiteranordnung zu realisieren.Typically, the PTC thermistor arrangement according to the invention consists of two congruent meander-shaped cold-conducting metal layers each separated by a ceramic layer, which in turn are enclosed on both sides by ceramic plates. On at least one ceramic plate, a cooling element formed as an aluminum cooler or AlSiC cooler is soldered to the ceramic plate, which preferably consists of aluminum nitride, via a preferably soft solder connection. Before the soldering process, in which solder: Pfarr SnPb ₃₆ Ag ₁ is used, the cooling element is previously nickel-plated and the aluminum nitride ceramic plate is metallized. The solder is introduced at about 250 ° C between the two elements for a firm connection. The entire PTC thermistor arrangement and in particular the metal / meander tracks can be dimensioned such that their electrical properties with regard to capacitance, inductance and electrical resistance fully correspond to a current limiter circuit which, in a manner known per se, consists of a cooled non-linear PTC resistor and in parallel with one Varistor and a linear resistor exist. With the help of measures and suitable dimensions of the metal layers within the PTC thermistor arrangement, it is possible to implement a complete device for current limitation in electrical circuits for protecting electrical components from occurring short-circuit currents using finally a single PTC thermistor arrangement according to the invention.

Brief description of the invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge dankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention is hereinafter without limitation of the general inventions thanks based on exemplary embodiments with reference to the drawings described as an example. Show it:

Fig. 1 Querschnittsdarstellung durch eine Kaltleiteranordnung in integrierter Version, Fig. 1 is a cross sectional view of a thermistor arrangement in an integrated version,

Fig. 2a, b Querschnittsdarstellungen durch zwei Keramikplatten mit eingelöteter kaltleitenden Metallschicht mit unterschiedlichen Querschnittsflächen, FIG. 2a, b are sectional views through two ceramic plates with cold soldered conductive metal layer having different cross-sectional areas,

Fig. 3a, b mäanderförmige, kaltleitende Metallschicht mit gekrümmten Mäanderkurven, Fig. 3a, b meandering, cold conductive metal layer having curved meandering curves,

Fig. 4a, b Mäanderkurvenstruktur mit angrenzender Lötschicht hoher elektrischer Leitfähigkeit, Fig. 4a, b Mäanderkurvenstruktur with adjacent solder layer of high electrical conductivity,

Fig. 5a, b, c Mäanderkurvenstruktur, bestehend aus Material höherer elektrischer Leitfähigkeit, sowie Fig. 5a, b, c meander curve structure, consisting of material with higher electrical conductivity, and

Fig. 6a, b Mäanderkurvenstruktur mit aus der Mäanderebene erhabenen Kurvenbögen, Fig. 6a, b Mäanderkurvenstruktur with raised from the Mäanderebene arcs,

Fig. 7 Mäanderstruktur mit hochkant verlaufenden Mäanderbahnen. Fig. 7 meandering structure with edged meandering tracks.

Description of exemplary embodiments and industrial applicability

Aus Fig. 1 ist eine Querschnittsdarstellung durch eine erfindungsgemäße Kaltlei teranordnung zu entnehmen, deren Herzstück eine 5-Schichtstruktur aufweist, be stehend aus drei Keramikplatten 1, die vorzugsweise aus Aluminiumnitrit (AlN) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) bestehen und dazwischen jeweils eine kaltleitende Metall schicht 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 platzbe dürftige Varistor und Parallelwiderstand, wie sie aus den bekannten Strombegren zerschaltungen hervorgehen, nicht mehr nötig sind. Erfindungsgemäß sind die Me tallschichten 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 elek trischen Leitfähigkeit, vorzugsweise aus einer NiZrTi-Legierung, die bei einer typi schen Lotschichtdicke von 30 µm eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von 8 W/mK aufweist. Überdies weist das Lot einen spezifischen elektrischen Widerstand von 170 µΩcm auf.From Fig. 1 is a cross-sectional view through an inventive Kaltlei teranordnung can be seen, the core of which has a 5-layer structure, be standing from three ceramic plates 1 , which are preferably made of aluminum nitride (AlN) or aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) and in between each provide cold-conducting metal layer 2 , which is made of pure nickel in the example shown. The metal layers 2 have a meandering structure perpendicular to the plane of the drawing, which will be discussed further below. The shape and size of the metal layers 2 are designed such that they can absorb the entire capacitor energy that occurs in the event of a short circuit when used as a current limiter, as a result of which the space-consuming varistor and parallel resistor, as they result from the known current limiters, are no longer necessary. According to the Me tallschichten 2 between the ceramic plates 1 on both sides by means of a solder layer 3 with the ceramic plates 2 integrally connected. The solder layer 3 consists of the considerations already mentioned with regard to the thermal and electrical conductivity, preferably of a NiZrTi alloy, which has a specific thermal conductivity of 8 W / mK at a typical solder layer thickness of 30 μm. Furthermore, the solder has a specific electrical resistance of 170 µΩcm.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Kaltleiteranordnung ist die unterste Keramikplatte 1 thermisch an ein Kühlelement 4 über eine weitere Lot schicht 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 Ver bindung geeignetes Lotmaterial ist Pfarr SnPb₃₆Ag₁.In the embodiment of a PTC thermistor arrangement shown in FIG. 1, the lowermost ceramic plate 1 is thermally coupled to a cooling element 4 via a further solder layer 5 . The thermal coupling between the cooling element 4 and the ceramic plate 1 typically takes place with a soft solder layer, the cooling element 4, which preferably consists of aluminum, being nickel-plated on its surface and the ceramic plate being metallized before the soldering. A solder material suitable for this connection is Pfarr SnPb ₃₆ Ag ₁ .

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.In a similar manner, a further cooling element can be applied to the side 6 of the PTC thermistor arrangement according to FIG. 1 opposite the cooling element 4 in order to improve the cooling effect of the entire PTC thermistor arrangement.

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 konven tionellen Kaltleiteranordnungen, bei denen der Zusammenhalt der einzelnen Schich ten mit Hilfe geeigneter Klemmvorrichtungen erfolgt.By soldering the individual layers that make up the invention PTC thermistor assembly is composed, the overall height is based to significantly reduce suitable dimensions for the individual metal layers, for example to only 35 mm, compared to construction heights of 150 mm from konven tional PTC thermistor arrangements in which the cohesion of the individual layers suitable clamping devices.

Die in der erfindungsgemäßen Kaltleiteranordnung verwendeten kaltleitenden Metall schichten 1 weisen in an sich bekannter Weise eine Mäanderstruktur auf und verfü gen über eine Form und Schichtdicke, die einem gewünschten Widerstandswert so wie der Aufnahmefähigkeit einer gewissen Maximalenergie entspricht. Ausgehend von einer gewünschten Dimensionierung wird eine Umrißzeichnung der mäander förmigen Metallschicht, beispielsweise im DXF-Format angefertigt, die direkt von ei ner Erodiermaschine lesbar ist. Mit Hilfe dieser Maschine werden die Mäanderstruk turen vorzugsweise aus einer 250 bis 500 mm dicken Nickelfolie herausgearbeitet.The cold-conducting metal layers 1 used in the PTC thermistor arrangement according to the invention have a meandering structure in a manner known per se and have a shape and layer thickness which corresponds to a desired resistance value and the absorption capacity of a certain maximum energy. Based on a desired dimensioning, an outline drawing of the meandering metal layer, for example in DXF format, is made, which can be read directly by an eroding machine. With the help of this machine, the meandering structures are preferably worked out of a 250 to 500 mm thick nickel foil.

Gleichsam der Mäanderstruktur wird als Lot eine Folie, bestehend aus amorphen Ni₂₂Zr₆₃Ti₁₅ verwendet. Typischerweise können derartige Lotfolien mit Breiten von 35 mm und Dicken von 30 µm 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 er halten, werden entsprechend mehrere einzelne Lotschichten mit Kleber, mittels Punktschweißen oder anderen Fügeverfahren miteinander verbunden.Like the meandering structure, a foil consisting of amorphous Ni ₂₂ Zr ₆₃ Ti _{15 is} used as the solder. Typically, such solder foils with widths of 35 mm and thicknesses of 30 μm can be obtained as strips. Usual solder layer thicknesses for the cohesive connection between the cold-conducting metal layer 2 and the corresponding ceramic plate 1 should be between 35 and 100 μm in order to allow the soldering process to take place without any voids. In order to keep thicker layers of solder, several individual layers of solder are connected with adhesive, by means of spot welding or other joining methods.

Nachfolgend werden auf beiden Seiten der aus Nickel bestehenden Metallschicht die vorbereiteten Lotfolien aufgebracht, die nachstehend an überhängenden Bereichen entsprechend der Mäanderform der Nickelschicht auserodiert werden. Die nun mä anderförmig 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 wäh rend des Lötens die Schichtanordnung mit einem Druck von ca. 50 g/cm² zusam mengepreßt werden. Die auf diese Weise zusammengefügte Schichtenabfolge zeigt eine besonders große Festigkeit bei Thermozyklus-Versuchen, in denen Tempera turwechsel zwischen -50°C und 150°C durchgeführt werden. So überstehen derartige Kaltleiteranordnungen weit mehr als 1900 Thermozyklen unbeschadet.Subsequently, the prepared solder foils are applied to both sides of the metal layer consisting of nickel, which are subsequently eroded in overhanging areas in accordance with the meandering shape of the nickel layer. The meandering layer sequences consisting of nickel and solder are positioned between two ceramic plates and soldered accordingly. The soldering process takes place under high vacuum conditions at a maximum temperature of approximately 920 ° C., the layer arrangement being pressed together during the soldering with a pressure of approximately 50 g / cm ² . The layer sequence assembled in this way shows a particularly high strength in thermal cycle tests in which temperature changes between -50 ° C and 150 ° C are carried out. Such PTC thermistor arrangements survive far more than 1900 thermal cycles without damage.

Neben dem erwähnten hochreinen Nickel als kaltleitendes Metall kann auch Eisen oder Vacon CF25 verwendet werden, das eine neue Legierung aus einer Vacon schmelze mit einem besonders hohen Anstieg im Widerstand bei hohen Temperatu ren ist. Vacon CF25 hat einen Widerstandshub von 17,5 bei einer Wärmung von 20°C bis 1000°C, wohingegen Nickel lediglich einen Widerstandshub von 6,5 auf weist.In addition to the high-purity nickel mentioned as a cold-conducting metal, iron can also be used or Vacon CF25 can be used, which is a new alloy from a Vacon melt with a particularly high increase in resistance at high temperatures ren is. Vacon CF25 has a resistance stroke of 17.5 with a heating of 20 ° C to 1000 ° C, whereas nickel only has a resistance stroke of 6.5 points.

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 Klemmvor richtungen betreiben zu müssen, die überdies die gesamte Schichtanordnung um greifen müßten und auf diese Weise zu einer noch größeren Bauform führen.In principle, a PTC thermistor arrangement can consist of any number of layer sequences be built up between ceramic plates and metal layers and in this way can be expanded modularly, without the effort of specially provided clamps to have to operate directions that also change the entire shift arrangement would have to grip and in this way lead to an even larger design.

Auch ist es möglich, auf einem einzigen Kühlelement mehrere Strombegrenzermo dule nebeneinander aufzulöten, die in Reihe oder parallelgeschaltet werden können.It is also possible to have several current limiters on a single cooling element to solder the side by side which can be connected in series or in parallel.

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.The above-mentioned solder material, consisting of a NiZrTi alloy, has particularly suitable electrical and thermal properties that particularly are advantageous with regard to the cold-conducting properties of the metal layer. Become for the cohesion between the metal layer and those adjacent to it Ceramic plates conventional solders, for example Ticusil, Ticuni, Incusil, CS1, CB4, CB10, Keramitil etc. is used, so make sure that the solder layer thickness in the Comparison to the metal layer thickness is only of minor dimension, so that a possible current flow in the case of current limitation through the solder layers due to their only a very small layer thickness is largely prevented.

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 zusam men. Bei Verwendung der vorstehend verwendeten Lote, die im Falle eines Kurz schlusses 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 unbefriedi gend.In FIGS. 2a and 2b two layer arrangements are each specified, consisting of two ceramic plates 1 with an intermediate metal layer 2. In the case of Fig. 2a, the current flow leading cross-section of the arrangement consists of about 50% of solder material 3 and the rest as cold-conducting metal 1 together. When using the solders used above, which in the event of a short circuit do not act like the cold-conducting metal layer, which limits the current with increasing temperature and thus increasing resistance, but act like a conductor short-circuiting the resistance, the effect of the current limitation is only unsatisfactory.

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 elek trischen Leitfähigkeit auch im Kurzschlußfall erheblich reduziert wird. Neben der Ver größerung des Strömungsquerschnittes durch die Metallschicht können die Lot schichtdicken reduziert werden auf 0,05 bis 0,025 mm, wobei jedoch die Gefahr be steht, daß während des Lötvorganges Lunkerstellen entstehen.In Fig. 2b, however, the thickness of the cold-conducting metal layer 2 is significantly greater than the sum of the cross sections of both solder layers 1 , whereby their contribution to the electrical conductivity is significantly reduced even in the event of a short circuit. In addition to the enlargement of the flow cross-section through the metal layer, the solder layer thicknesses can be reduced to 0.05 to 0.025 mm, but there is a risk that void spots will occur during the soldering process.

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 Kon densatorbank und erwünschter Maximalstrom geeignet zu wählen. So können je nach Einsatzmöglichkeiten die Metallschichtlängen bis zu 1 m betragen, die in ver nünftigen Abmessungen in eine Kältleiteranordnung zu integrieren sind.In addition to the correct choice of the cross-sectional area of the cold-conducting metal layer, through which the electric current is directed is also the length of the metal layer by the desired electrical specifications, such as the size of the con suitable choice of capacitor bank and desired maximum current. So you can Depending on the application, the metal layer lengths are up to 1 m, which in ver future dimensions are to be integrated in a cold conductor arrangement.

Als besonders geeignet hierfür wird die Mäanderform angesehen, die in Fig. 3a ab gebildet ist. Die in Mäanderform ausgebildete kaltleitende Metallschicht 2 weist je weils parallelverlaufende geradlinige Bereiche 7 sowie die geradlinigen Bereiche verbindende gekrümmte Bereiche 8 auf, die sogenannten Mäanderkurven. Eine typi sche Dimensionierung einer aus Nickel bestehenden Metallschicht weist ein Breiten- Dickenverhältnis von 5 × 0,25 mm auf, so daß über eine möglichst große Fläche die Verlustwärme im Normalbetrieb als auch die Wärme aus dem Kurzschlußstrom durchgang möglichst schnell über die stoffschlüssige Lötverbindung in den angren zenden 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.The meander shape which is formed in FIG. 3a is considered to be particularly suitable for this. The cold-conducting metal layer 2 , which is formed in a meandering shape, has in each case parallel rectilinear regions 7 and curved regions 8 connecting the rectilinear regions, the so-called meandering curves. A typical dimensioning of a metal layer made of nickel has a width-thickness ratio of 5 × 0.25 mm, so that the heat loss in normal operation as well as the heat from the short-circuit current pass as quickly as possible via the integral soldered connection in the over a large area adjacent cooler can be removed. However, the meandering geometry has the disadvantage that the smaller the arc radii in the meander curves 8 , the more the current flowing through the metal layer tries to concentrate on the inside of the meander curve, which results in local overheating in the metal layer, which can lead to destruction of the metal layer itself. In particular in the miniaturization of PTC thermistor arrangements with meandering structures that are as small as possible, it has been recognized according to the invention that, in order to avoid thermal overheating in the meandering curves, either the current-carrying cross section within the curves has to be enlarged and / or the electrical conductivity in the curved regions has to be increased.

Beispielsweise hat man unter Verwendung einer Nickelmäanderschicht herausge funden, 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 verlau fenden Bereiche. Überdies soll die Breite h der Metallschicht im Scheitelpunkt der Mäanderkurve wenigstens 1,5 mal größer als die Breite d sein.For example, using a nickel meandering layer, it has been found that thermal overheating in the meandering curves can be avoided, provided the smallest inner radius of curvature r is at least 0.8 times larger than the web width d of the metal layer within the rectilinearly extending regions, as shown in FIG. 3b. In addition, the width h of the metal layer at the apex of the meander curve should be at least 1.5 times larger than the width d.

Alternativ oder in Ergänzung zu der vorstehend genannten Maßnahme der Quer schnittsvergrößerung innerhalb der Mäanderkurve können die Mäanderkurven mit einem sehr gut leitfähigem Metall überzogen werden, wodurch die Stromdichte in nerhalb der Metallschicht reduziert wird, da der Stromfluß nunmehr auf die umlie gende gut leitfähige Metallschicht ausweichen kann. Insbesondere sollte das zusätz lich auf die Mäanderkurven aufgebrachte Material kein PTC-Material sein, so daß der elektrische Widerstand in diesem aufgebrachten Material 9 mit steigender Tempera tur weitgehend konstant bleibt.Alternatively or in addition to the above-mentioned measure of cross-sectional enlargement within the meander curve, the meander curves can be covered with a very highly conductive metal, whereby the current density within the metal layer is reduced, since the current flow can now switch to the surrounding, highly conductive metal layer . In particular, the additional material applied to the meandering curves should not be a PTC material, so that the electrical resistance in this applied material 9 remains largely constant as the temperature increases.

Eine derartige Anordnung ist in den Fig. 4a und b dargestellt. Zwischen den Kera mikplatten 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 Mä anderkurvenbereich 8 wird im Unterschied zum geradlinigen Bereich 7 zum Stoff schluß zwischen Metallschicht 2 und Keramikplatten 1 ein Lot 9 mit höherer elektri scher Leitfähigkeit verwendet. Lote mit derartig höheren elektrischen Leitfähigkeiten sind beispielsweise auf Kupfer oder Silber basierende Verbindungen. Such an arrangement is shown in FIGS. 4a and b. Between the Kera mikplatten 1 is in the rectilinear meandering areas 7, the metal layer 2 consisting of nickel on both sides with a solder layer 3 , consisting of a NiZrTi alloy, with the ceramic plates 1 cohesively. In the meandering curve area 8 , in contrast to the rectilinear area 7 for the material connection between the metal layer 2 and ceramic plates 1, a solder 9 with higher electrical conductivity is used. Solders with such higher electrical conductivities are, for example, connections based on copper or silver.

Als Beispiel für ein derartiges Lot eignet sich AgCuTi (Ticusil), das bei einer Lot schichtdicke 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.An example of such a solder is AgCuTi (Ticusil), which has a specific resistance of 2.6 µΩcm with a solder layer thickness of 100 µm. This measure would reduce the electrical resistance in the meandering curves by a factor of 2 with a 500 μm thick nickel metal layer 2 and a 100 μm thick solder. When using a 250 µm thick nickel metal layer 2 and a solder layer of the same thickness (100 µm), the electrical resistance can even be reduced by a factor of 3.

Alternativ zur Verwendung von Lote mit höherer elektrischer Leitfähigkeit kann un mittelbar 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.As an alternative to using solders with a higher electrical conductivity, pure copper or silver can be sprayed directly onto the metal layer, the sprayed-on layer having to be kept so thin that a further solder layer can be introduced to the ceramic plate 1 .

Eine weitere Möglichkeit den elektrischen Widerstand in der Mäanderkurve zu redu zieren 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 Trennlot schicht 11 abgeschnitten ist. Im Mäanderkurvenbereich 8 schließt sich zur Fortset zung der Metallschicht 2 ein Material 10 an, das über eine höhere elektrische Leitfä higkeit verfügt, als die Metallschicht 2 im geradlinig verlaufenden Bereich.Another possibility to reduce the electrical resistance in the meandering curve is to use a non-cold-conducting material 10 with higher electrical conductivity in the meandering curves instead of the cold-conducting metal layer. In Fig. 5a is a plan view and in Fig. 5b is a cross-sectional representation of this arrangement. In the usual way, the metal layer 2 in the rectilinear regions 7 consists of nickel, the layer 11 is cut off in the transition to the curved regions by a solder. In the meandering curve area 8 , a material 10 adjoins the continuation of the metal layer 2 and has a higher electrical conductivity than the metal layer 2 in the rectilinear area.

Gemäß Fig. 5c kann die Materialschicht 10 einen größeren Querschnitt als im gerad linigen Bereich aufweisen, um zusätzlich durch die Biegung verursachende Strom verdichtungen zu vermeiden.According to FIG. 5c, the material layer 10 can have a larger cross section than in the straight-line region in order to additionally avoid current densifications caused by the bend.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das eine weitere Miniaturisierung der Mäander struktur 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 Bezugszei chen zum Verständnis der Materialabfolge in Fig. 6b verwiesen.A further exemplary embodiment, which enables a further miniaturization of the meander structure, is shown in FIGS. 6a and b. It is thus possible to realize several meandering arches on the same contact surface by twisting the current-conducting metal layer in the meandering curves 8 with the cross section remaining the same from the plane of the meandering structure. In Fig. 6b is a cross sectional view of the edgewise twisted Mäanderkurvenbereiche is shown by the distance between two parallel straight portions 7 can be shortened. To avoid repetition, reference is made to the originally introduced reference characters for understanding the material sequence in FIG. 6b.

Aus Gründen der Platzersparnis und Miniaturisierung von Kaltleiteranordnungen ist es besonders vorteilhaft, wenn die einzelnen Mäanderstrukturen hochkant nebenein ander verlaufen, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Die einzelnen kaltleitenden Metall schichten 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 ver laufenden Mäanderbahnen, die im Querschnitt in Fig. 7 dargestellt sind, enger zu sammengebracht werden. Vor allem ist es denkbar, neben im Querschnitt rechteckig geformte Mäanderbahnen auch mäanderförmige Metallschichten mit kreisrundem Querschnitt zu verwenden. For reasons of space saving and miniaturization of PTC thermistor arrangements, it is particularly advantageous if the individual meander structures run upright next to each other, as shown in FIG. 7. The individual cold-conducting metal layers 2 are introduced into a ceramic body 1 prepared in a fan-shaped manner and connected to this via a solder layer 3 . Due to the upright arrangement of the meandering metal layer 2 , the individual rectilinearly running meander tracks, which are shown in cross section in FIG. 7, can be brought closer together. Above all, it is conceivable to use meandering metal layers with a circular cross section in addition to meandering tracks with a rectangular cross section.

Reference list

11

Keramikplatte
Ceramic plate

22nd

Kaltleitende Metallschicht
Cold conductive metal layer

33rd

Lötschicht
Solder layer

44th

Kühlelement
Cooling element

55

Lötschicht
Solder layer

66

obere Seite des Kaltleiteranordnung
upper side of the PTC thermistor assembly

77

Geradlinige Bereiche
Straight lines

88th

Gekrümmte Bereiche, Mäanderkurve
Curved areas, meandering curve

99

Lot mit höherer elektrischer Leitfähigkeit
Solder with higher electrical conductivity

1010th

Material mit höherer elektrischer Leitfähigkeit
Material with higher electrical conductivity

1111

Trennlotschicht
Separating solder layer

Claims

1. A method for producing a PTC thermistor arrangement with at least one metal layer ( 2 ), the electrical resistance of which has a positive temperature coefficient and provides a ceramic plate ( 1 ) for electrical insulation on both sides of its two opposite main surfaces, and with at least one cooling element ( 4 ), that is in thermal contact with a ceramic plate ( 1 ), characterized in that the metal layer ( 2 ) on its two main surfaces each with the ceramic plates ( 1 ) by means of a solder or adhesive layer ( 3 ) is permanently provided with one another.

2. The method according to claim 1, characterized in that a NiZrTi alloy, preferably a Ni ₂₂ Zr ₆₃ Ti ₁₅ alloy, or Zr or Ti is used as the solder for the solder connection.

3. The method according to claim 1, characterized in that the adhesive layer has silicone rubber, the one metallic powder is added, preferably Al or Ag.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the solder or adhesive layer ( 3 ) has a greater speci ﬁ c electrical resistance than the metal layer ( 2 ).

5. PTC thermistor arrangement with at least one metal layer ( 2 ), the electrical resistance of which has a positive temperature coefficient and for electrical insulation on both sides to its two opposite main surfaces, each has a ceramic plate ( 1 ), and with at least one cooling element ( 4 ) with a ceramic plate ( 1 ) is in thermal contact, characterized in that a solder or adhesive layer ( 3 ) is provided between the main surfaces of the metal layer ( 2 ) and the ceramic plates ( 1 ), and that the ratio of the sum of the cross-sectional areas of the other Metal layer ( 2 ) adjacent solder or adhesive layers ( 3 ) and the cross-sectional area of the metal layer is less than 4/5, preferably 0.12.

6. PTC thermistor arrangement according to claim 5 or the preamble of claim 5, wherein the metal layer ( 2 ) is formed in a meandering shape and has areas ( 8 ) in which the metal layer ( 2 ) is curved and to these adjoining areas ( 7 ) run largely rectilinearly, characterized in that the curved regions ( 8 ) of the metal layer ( 2 ) and / or the solder layers adjacent to these regions at least partially have a lower electrical resistance than those which run in a straight line.

7. PTC thermistor arrangement according to claim 6, characterized in that the meandering metal layer ( 2 ) in the ge curved areas ( 8 ) has a radius of curvature r which is at least 0.8 times larger than the width d of the rectilinear metal layer.

8. PTC thermistor arrangement according to claim 6 or 7, characterized in that the width h of the metal layer at the apex of the curved areas is at least 1.5 times larger than the width d.

9. PTC thermistor arrangement according to one of claims 6 to 8, characterized in that in the curved areas ( 8 ) a solder for the solder connection between the ceramic plate ( 1 ) and metal layer ( 2 ) is used, which has a higher electrical conductivity, for example. AgCu or AgCuTi solder, as the solder in the rectilinear areas.

10. PTC thermistor arrangement according to one of claims 6 to 8, characterized in that a thin, well electrically conductive layer, preferably Cu or Ag, is applied directly to the curved regions ( 8 ) of the metal layer ( 2 ).

11. PTC thermistor arrangement according to one of claims 6 to 10, characterized in that the curved region ( 8 ) of the metal layer ( 2 ) is rotated with a constant cross-sectional area from the plane of the meandering structure.

12. Current limiting device in electrical circuits for protection of electrical components before short-circuit currents occur Eventual use of a PTC thermistor arrangement according to one of Claims 1 to 11.

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the PTC thermistor arrangement has a 5-fold layer structure has, with three ceramic plates, between which two metal layers, each in alternating order are arranged.

14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the metal layers each have a meandering structure have and are arranged between the ceramic layers such that their meandering paths are in line with each other and so with each other are electrically connected, that they are each in the opposite direction from electri flow through it.