УСТРОЙСТВО ПТК
POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
[0001] Данное изобретение относится к устройствам ПТК, имеющим элемент ПТК, в частности полимерный элемент ПТК (с положительным температурным коэффициентом) и электрический прибор, содержащий данное устройство ПТК.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Полимерный элемент ПТК имеет свойство быстрого увеличения коэффициента сопротивления, чтобы, например, предотвратить перегрев электрического прибора или повреждение, возникающего от избыточного тока, например, если температура элемента ПТК превышает заданную критическую величину, то есть он имеет свойство положительного температурного коэффициента или свойство ПТК. Такая критическая температура далее называется «температура отключения».
[0003] Подложка (плата), на которую монтируется интегральная микросхема и которая встроена в электроприбор, обычно имеет радиаторную пластину для рассеивания тепла, образующегося при использовании электроприбора, на наружную сторону. В случае если такая подложка нагревается до чрезмерно высокой температуры по каким-либо причинам, например, из-за протекания избыточного тока через подложку, рассеивание тепла через радиаторную пластину может быть недостаточным, и поэтому радиаторная пластина и подложка разогреваются и сохраняют чрезмерно высокую температуру. Вследствие этого, к радиаторной пластине крепится керамический элемент ПТК (например, POSISTOR (зарегистрированная торговая марка), произведенный «Murata Manifacturing Co., Ltd.», Япония), таким образом, выявляется температура подложки и косвенно предотвращается разогрев подложки до чрезвычайно высокой температуры.
[Ссылка на патент 1]
Японский патент, опубликованный для ознакомления, №04-162701
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Проблема, рассматриваемая в изобретении.
[0004] Хотя данный керамический элемент ПТК имеет функцию предотвращения разогрева подложки до чрезвычайно высокой температуры, такая функция не является достаточной в некоторых случаях. Например, увеличение коэффициента сопротивления в течение времени при увеличении температуры не так высоко, то есть коэффициент сопротивления не возрастает резко за короткий интервал, так что такой элемент ПТК иногда не способен отключить ток за необходимо короткое время. Поэтому везде используется способ, при котором ток отключается не элементом ПТК, а непрямым способом, когда сопротивление керамического элемента ПТК достигает заданной величины. В частности, желательно быстрее выявить возможность разогрева подложки до чрезвычайно высокой температуры, чтобы напрямую и заранее предотвратить разогрев подложки до такой чрезвычайно высокой температуры.
Способы решения проблемы
[0005] Проводились обширные исследования по данной проблеме, и было обнаружено, что данную проблему можно решить с помощью устройства ПТК, в котором используется полимерный элемент ПТК, который далее подвергается вплавлению при условии, когда ПТК элемент установлен в основание.
[0006] Соответственно, в первом аспекте данное изобретение представляет устройство ПТК, включающее в себя многослойное основание, которое выступает в качестве теплопроводной среды, и полимерный элемент ПТК, расположенный на основании, так что полимерный элемент ПТК расположен на поверхности многослойного основания (в термически подключенном состоянии), и элемент ПТК и многослойное основание впаяны в связующее (смолу) так, что снаружи остается другая стороны многослойного основания.
[0007] В данном изобретении в устройстве ПТК элемент ПТК впаян в смолу. В результате впаянный элемент ПТК изолирован от окружающей устройство ПТК среды смолой. Например, эта смола может предотвратить попадание влаги на элемент ПТК, его окисление и/или другое воздействие среды вокруг устройства. Так, особенно важно, чтобы смола выполняла функции защиты от влаги, кислорода и тому подобного.
[0008] Многослойное основание может термически контактировать с объектом, температура которого должна выявляться устройством ПТК. Термин «термический контакт (термически контактировать)» означает, что наружная сторона многослойного основания контактирует с поверхностью объекта, поэтому тепло быстро проводится от объекта на наружную сторону многослойного основания. В результате такого термического контакта внешняя сторона многослойного основания предпочтительно достигает температуры, практически равной температуре поверхности объекта. В результате такого термического контакта внешняя сторона многослойного основания более вероятно приобретает температуру, практически равную температуре противоположной стороны (не внешней) многослойного основания.
[0009] Предпочтительно использовать теплопроводный материал, в частности, материал, имеющий превосходную теплопроводность, например, металл, такой как нержавеющая сталь, медь и подобные им материалы для изготовления многослойного основания. Также возможно использование материала, имеющего худшую теплопроводность, например, композитный материал, такой как эпоксистеклопластик (композиционный материал на эпоксидной матрице, армированный стекловолокном) или другие керамические материалы, если материал достаточно тонкий, что приводит к не такому большому сопротивлению теплопроводности.
[0010] Полимерный элемент ПТК термически соединен с многослойным основанием. В результате получается конструкция, в которой тепло отводится, предпочтительно быстро, от внешней стороны многослойного основания и, следовательно, от объекта, на котором установлен элемент ПТК. Так, выражение «многослойное основание выступает в качестве теплопроводной среды» используется в данном описании в том смысле, что тепло отводится от объекта на элемент ПТК. Отмечено, что полимерный элемент ПТК может быть прямо или непрямо соединен с многослойным основанием.
[0011] Напрямую соединенный с многослойным основанием полимерный элемент ПТК относится к варианту осуществления, в котором никакой материал не находится между элементом и основанием, а не напрямую соединенный, соответственно, относится к варианту осуществления в котором между элементом и основанием есть материал. Такой материал может быть клеящим веществом (например, клей, припой, электропроводящий клей, электропроводящая паста и тому подобное) и электроизолирующим веществом и тому подобным, и такой материал обычно является слоем.
[0012] Как уже видно из вышесказанного, многослойное основание соединено с элементом ПТК посредством теплопроводного материала, в частности, материала, имеющего превосходную теплопроводность, например, металла в случае непрямого соединения. Также возможно использование материала с меньшей теплопроводностью, например, керамического материала, если он имеет относительно небольшую толщину, что приводит к не такому большому сопротивлению при передаче тепла.
[0013] Во втором аспекте данное изобретение представляет собой способ изготовления устройства ПТК, состоящего из многослойного основания и прикрепленного к нему полимерного элемента ПТК; способ включает в себя:
расположение полимерного элемента ПТК на поверхности многослойного основания; и
сплавление многослойного основания с полимерным элементом ПТК таким образом, что снаружи остается другая сторона многослойного основания.
В соответствии с таким способом изготавливается вышеупомянутое устройство ПТК. Отмечено, что полимерный элемент ПТК может быть прямо или непрямо расположен на многослойном основании, аналогично соединению вышеупомянутого полимерного элемента ПТК с многослойным основанием.
[0014] Третий аспект настоящего изобретения представляет электрический прибор, который включает в себя вышеупомянутое устройство ПТК. Например, такой электрический прибор включает в себя схемную плату, в частности, подложку интегральной микросхемы для схемы регулирования мощности, электронный модуль, детектор перегрева и тому подобное, что составляет данное устройство ПТК.
НАЗНАЧЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015] Данное устройство ПТК изготавливается путем комбинации полимерного элемента ПТК, имеющего большую чувствительность, чем керамический элемент ПТК, и многослойного основания, которые спаиваются таким образом, что одна поверхность основания остается снаружи. В результате повышение температуры объекта быстро передается на полимерный элемент ПТК, и затем полимерный элемент ПТК может активизироваться в зависимости от повышения температуры, когда устройство ПТК помещается на объект таким образом, что наружная сторона многослойного основания контактирует с объектом, аномальная температура которого должна быть выявлена. То есть высокую чувствительность полимерного элемента ПТК можно эффективно использовать, так как повышение температуры может быстро отводиться от объекта на полимерный элемент ПТК.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СХЕМ
[0016]
Фиг.1 демонстрирует схематическое поперечное сечение устройства ПТК данного изобретения.
Фиг.2 демонстрирует схематический план устройства ПТК, показанного на фиг.1, с левой стороны фиг.1 устройства.
Фиг.3 демонстрирует результат измерения характеристики сопротивления-температуры данного устройства ПТК в примере 1.
Фиг.4 демонстрирует результат измерения характеристики сопротивления-температуры данного устройства ПТК в примере 5.
Фиг.5 демонстрирует результат измерения характеристики сопротивления-температуры данного устройства ПТК в примере 6.
Фиг.6 демонстрирует переход температуры термопары и коэффициент сопротивления в течение времени данного устройства ПТК в примере 1, когда увеличивается окружающая температура.
Фиг.7 демонстрирует переход температуры термопары и коэффициент сопротивления в течение времени неорганического элемента ПТК, когда увеличивается окружающая температура.
ПОЯСНЕНИЕ К ССЫЛКАМ
[0017] 10: устройство ПТК; 12: элемент ПТК; 14: многослойное основание; 15, 15': основные поверхности; 16: формовочная смола; 18: слой припойного материала; 20: слой изоляционного материала; 22: слой серебряной пасты; 24: элемент заливки; 26, 26': контакты; 28, 28': провод; 30: отверстие; 32: объект.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Полимерный элемент ПТК, который составляет основу устройства ПТК данного изобретения, хорошо известен, и различные типы элементов имеются в продаже. Такой полимерный элемент ПТК используется здесь как предмет в повседневном значении. Полимерный элемент ПТК состоит из полимерного компонента ПТК, имеющего слоистую структуру, которая образуется из так называемого полимерного состава ПТК, и преимущественно содержит каждый из первых металлических электродов (в частности, электрод из металлизированной фольги) и второго металлического электрода (в частности, электрод из металлизированной фольги), помещенных на каждой из поверхностей элемента ПТК соответственно. Полимерный компонент ПТК выполнен из так называемого электропроводного полимерного состава, в котором электропроводный наполнитель, например, угольный наполнитель, металлический наполнитель (включая наполнитель из меди, никеля и кобальт-никелевого сплава или аналогичных материалов), распылен на полимерном материале (например, полиэтилене, поливинилидене, поливинилиден флюориде и т.п.). Компонент ПТК можно изготовить путем формовки выдавливанием из такого состава.
[0019] В качестве многослойного основания можно использовать любой материал; он должен иметь две противоположные поверхности, и его можно размещать, прямо или непрямо, на одной из основных поверхностей элемента ПТК в качестве теплопроводного материала для полимерного элемента ПТК. Точнее, металлический слой, например, металлическая пластина или металлическое покрытие, может использоваться как многослойное основание. В одном варианте выполнения материал такой же, как материал металлической выводной рамки (например, нержавеющая сталь или другой соответствующий металл), который используется в подложке с печатными соединениями. В другом варианте выполнения многослойное основание может быть сделано из керамического материала. Предпочтительно, чтобы многослойное основание имело большую площадь поверхности, чем площадь элемента ПТК, который располагается на ней. То есть предпочтительно, чтобы часть многослойного основания выходила хотя бы за часть периферии элемента ПТК, и предпочтительно, чтобы за всю периферию элемента ПТК при размещении элемента ПТК на многослойном основании так, чтобы элемент ПТК был виден сверху.
[0020] В случае если многослойное основание изготовлено из электропроводного материала, при размещении полимерного элемента ПТК на многослойном основании необходимо поместить электроизолирующий материал между элементом ПТК и многослойным основанием. В случае если многослойное основание изготовлено из электроизолирующего материала, нет необходимости помещать таковой электроизолирующий материал между ними. Предпочтительно, чтобы электроизолирующий материал имел слоистую структуру.
[0021] В случае если электроизолирующий материал расположен между основанием и элементом, слой электроизолирующего материала прикрепляется к многослойному основанию посредством клеящего материала, и элемент ПТК также крепится к этому слою электроизолирующего материала посредством клеящего материала. Эти клеящие материалы, которые могут быть идентичными или разными, предпочтительно должны иметь теплопроводность, и более предпочтительно должны иметь превосходную теплопроводность. Например, припой, электропроводный клей, электропроводная паста (например, серебряная паста), припойная паста, электропроводный клей и тому подобное могут использоваться для такого крепления.
[0022] В данном устройстве ПТК элемент ПТК и многослойное основание подвергаются формовке пайкой, так что противоположная сторона многослойного основания (т.е. сторона, на которой не расположен элемент ПТК) остается снаружи. При формовке многослойное основание, на которое помещается элемент ПТК, устанавливается в заранее определенную форму таким образом, что другая сторона многослойного основания остается снаружи; после этого в форму заливается смола, после чего смола затвердевает и/или вулканизируется.
[0023] Смола, заливаемая в форму, то есть формовочная смола, является отверждаемой смолой, например, можно использовать термоотверждаемую смолу или светоотверждаемую смолу, радиационноотверждаемую смолу, или, например, различные эпоксидные смолы или силиконовые смолы и тому подобное. В другом варианте осуществления заливаемая смола может быть термопластичной смолой. В этом случае смола в расплавленном состоянии заливается в форму, а затем она застывает в процессе охлаждения. Вышеупомянутый процесс формования сам по себе хорошо известен и выполняется таким образом, чтобы по крайне мере часть, предпочтительно большая часть, и еще более предпочтительно практически вся обратная сторона многослойного основания была снаружи. Формовочная смола служит для того, чтобы элемент ПТК, будучи вплавленным в нее, изолировался бы от среды устройства ПТК. В частности, она предохраняет элемент ПТК от неблагоприятного воздействия влаги, кислорода и тому подобного, что окружает устройство ПТК.
[0024] В особенно предпочтительном варианте осуществления данного изобретения элемент ПТК, помещенный на многослойное основание, предварительно герметизируется предварительной заливкой отверждаемой смолой, после чего смола отвердевает, таким образом получается заливочный элемент, который затем подвергается формовке. В этом контексте термин «заливка» означает процесс покрытия элемента смолой с помощью так называемого «набрасывания смолы», после чего покрывающая смола затвердевает. Обычно отверждаемая смола набрасывается на элемент ПТК, помещенный на многослойное основание, после чего оно затвердевает. Набрасывание смолы выполняется таким образом, что весь элемент ПТК, помещенный на многослойное основание, покрывается смолой. В результате элемент ПТК покрыт твердой смолой на многослойном основании, то есть покрытие на элементе ПТК образует заливочный элемент. Безусловно требуется, чтобы по крайней мере часть противоположной стороны многослойного основания оставалась снаружи во время процедуры заливки. Поэтому процедура заливки может подразумевать способ, при котором снаружи остается часть многослойного основания, остальная же часть герметизируется. Следует отметить, что, чтобы ток проходил через элемент ПТК, провод(а) или проводка, подсоединенные к элементу ПТК, должны выходить наружу заливочного элемента. Таким образом, элемент ПТК, расположенный на многослойном основании, покрыт заливочным элементом, после чего осуществляется формовка.
[0025] В случае если элемент ПТК, покрытый заливочным элементом, подвергается формовке, расплавленная или размягченная горячая смола вводится в форму, в которую помещается ПТК элемент. В этом случае горячая смола не контактирует напрямую с элементом ПТК, так что воздействие температуры от горячей смолы на элемент ПТК гасится.
[0026] В частности, в случае, когда в качестве смолы для элемента ПТК используется полиэтилен, точка плавления которого варьируется, например, от 180°С до 240°С, а горячая эпоксидная смола в жидком состоянии при температуре около 180°С вводится в форму в качестве смолы для формования элемента, заливочный элемент располагается между элементом ПТК и формовочной смолой. В результате заливочный элемент выступает в качестве изолирующего материала от температурного воздействия горячей жидкости на элемент ПТК.
[0027] Помимо, или вместо, буферных функций относительно вышеупомянутого температурного воздействия, когда формовочная смола, в частности, смола, заливаемая в форму, может оказать отрицательное химическое воздействие на элемент ПТК, заливочный элемент может служить буферным материалом для предотвращения негативного воздействия на элемент ПТК. Например, такой полимер как полиэтилен, который составляет компонент ПТК, может разрушаться или разлагаться под воздействием органического растворителя или масла. Заливочный элемент предохраняет элемент ПТК, насколько возможно, от прямого контакта с химическим компонентом (например, отверждающим веществом), содержащимся в расплавленной и/или размягченной смоле, которая вливается в форму во время процесса формовки.
[0028] В связи с вышесказанным отверждаемая смола, образующая заливочный элемент, может быть любой из подходящих отверждаемых смол. Например, предпочтительны термореактивные смолы (например, эпоксидная смола, силиконовая смола и тому подобное). В другом варианте осуществления отверждаемая смола, образующая заливочный элемент, может быть светоотверждаемой смолой или радиационноотверждаемой смолой. В случае если смола, используемая для формовки, является отверждаемой смолой, такая отверждаемая смола должна отличаться от отверждаемой смолы, которая образует заливочный элемент. В качестве отверждаемой смолы, которая образует заливочный элемент, предпочтительно использовать смолу, имеющую больший коэффициент линейного расширения после отвердения, чем такой же коэффициент формовочной смолы при температуре отключения элемента ПТК. Кроме того, предпочтительно, чтобы отверждаемая смола для заливочного элемента после отвердевания имела коэффициент линейного расширения, равный или меньший, чем такой же коэффициент полимере в компоненте ПТК, который образует элемент ПТК.
-5
-5
-5
-5
-5
-5
-5
[0029] В целом, предпочтительно, чтобы смола, которая образует заливочный элемент, имела коэффициент линейного расширения не менее 3,0×10/°С и не более 40,0×10/°С, особенно не более 30,0×10/°С при температуре выше, чем Тс (температура стеклования) после отвердевания. Коэффициент линейного расширения смолы после отвердевания может варьироваться, например, от 10×10/°С до 20×10/°С. В случае, если полимер, образующий полимерный элемент ПТК, является полиэтиленом, особенно предпочтительно, чтобы смола после отвердевания имела коэффициент линейного расширения в пределах вышеупомянутых параметров. Например, в случае, когда смола, образующая заливочный элемент, является эпоксидной смолой, предпочтительно иметь коэффициент линейного расширения не меньший 3,0×10/°C и не больший 40,0×10/°С после отвердевания при температуре, приблизительно равной температуре отключения элемента ПТК.
[0030] Когда полимерный компонент ПТК термически расширяется, если температура элемента ПТК увеличивается, сила волюметрического расширения компонента ПТК сдавливает периферию элемента ПТК. В результате сила расширения элемента приходит в равновесие с силой, возникающей от волюметрического сжатия периферии элемента ПТК. Поэтому в случае, когда формируемый материал около элемента ПТК сравнительно твердый, то есть формовочный материал только слегка расширяется при увеличении температуры (т.е. в случае, когда материал имеет малый коэффициент линейного расширения), очевидно, что компонент ПТК не может в достаточной степени расширяться, поэтому качества ПТК могут ухудшаться. Например, может случиться так, что элемент ПТК не сможет достигнуть достаточно высокого сопротивления при отключении.
[0031] В этом случае, когда относительно мягкий материал находится между элементом ПТК и формуемым материалом, такой мягкий материал окружает компонент ПТК таким образом, что компонент ПТК может легко расширяться. Такой мягкий материал имеет относительно большой коэффициент линейного расширения. Поэтому если материал, имеющий больший коэффициент линейного расширения, используется в качестве заливочного элемента, он предохраняет компонент ПТК от сдерживания расширения, и в результате он помогает максимально сохранять его качества как элемента ПТК. Например, если устройство ПТК с компонентом ПТК, включающее в себя заливочный элемент, сравнить с устройством ПТК с компонентом ПТК без заливочного элемента, характеристика R-T (сопротивление/температура) первого ПТК устройства демонстрирует коэффициент сопротивления от 2 до 4 раз больший после отключения из-за температурного расширения (см. фиг.5, который будет описываться ниже).
[0032] Поэтому в устройстве ПТК в данном изобретении особенно предпочтительно, чтобы формуемый материал имел коэффициент линейного расширения меньший, чем такой же коэффициент заливочного элемента. Предпочтительно, чтобы такое соотношение коэффициентов линейного расширения достигалось при температуре в пределах температуры отключения элемента ПТК±20°С, более предпочтительно в пределах температуры отключения ±10°С, например, в пределах температуры отключения ±5°С.
[0033] Далее, устройство ПТК в данном изобретении более подробно описывается в схемах. Фиг.1 демонстрирует схематическое поперечное сечение устройства ПТК данного изобретения. Далее, боковой вид устройства ПТК на фиг.1 с левой стороны фиг.1 демонстрируется на фиг.2 в виде схематического плана таким образом, что видно положение элемента ПТК, помещенного в формовочную смолу. Как легко можно понять, поперечное сечение по линии, которая горизонтально пересекает фиг.2 в центре (линия, соединяющая стрелки А-А' на фиг.2) соответствует виду на фиг.1.
[0034] Устройство ПТК 10 данного изобретения содержит полимерный элемент ПТК 12 и многослойное основание 14. Многослойное основание 14 имеет две основные поверхности, то есть основную поверхность 15 (называемая одна сторона) и основную поверхность 15' (называемая другая сторона), противолежащие друг другу, и элемент ПТК 12 расположен на одной основной поверхности 15. В данном устройстве ПТК 10 основная поверхность 15' является наружной поверхностью. Основная поверхность 15' контактирует с объектом 32, аномальное состояние (например, избыточно высокая температура, избыточный ток и тому подобное) которого и должно выявляться. В результате обнаружения такого аномального состояния элемент ПТК 12 отключается в зависимости от самого аномального состояния.
[0035] Как минимум участок основной поверхности 15', предпочтительно большая часть основной поверхности 15', и наиболее предпочтительно практически вся основная поверхность 15', как показано на фиг.2, контактирует с объектом 32 (не показан на фиг.2). Тепло быстро проводится от объекта 32 на устройство ПТК 10 через многослойное основание 14 по такому контакту.
[0036] В проиллюстрированном варианте осуществления слой электроизолирующего материала (например, слой керамического материала, слой стеклопластика на основе эпоксидной смолы, слой полимерной смолы, которые можно использовать для вышеупомянутой формовки, и тому подобное) 20 находится между элементом ПТК 12 и многослойным основанием 14. Если многослойное основание 14 сделано из электропроводящего материала, желательно, чтобы слой электроизолирующего материала был помещен между вышеупомянутыми частями. Многослойное основание 14 соединено со слоем электроизолирующего материала 20 с помощью слоя припойного материала 18, а между слоем электроизолирующего материала 20 и элементом ПТК 12 находится слой серебряной пасты 22. Поэтому в проиллюстрированном варианте осуществления элемент ПТК 12 соединен с многослойным основанием 14 не напрямую, и оба слоя непрямо термически контактируют друг с другом. Каждый их этих слоев, существующих между элементом ПТК 12 и многослойным основанием 14, изготовлен из материала, имеющую теплопроводность, предпочтительно хорошую теплопроводность.
[0037] В проиллюстрированном варианте осуществления существует также заливочный элемент 24, который покрывает элемент ПТК 12 и вышеупомянутые слои (18, 20 и 22), которые расположены на многослойном основании 14. Отмечается, что к верхней стороне элемента ПТК 12 (то есть одному металлическому электроду элемента ПТК) одним концом подсоединен провод 28, и этот провод выходит через заливочный элемент 24 наружу. Другой конец провода 28 соединен с контактом 26. К нижней стороне элемента ПТК 12 (то есть другому металлическому электроду элемента ПТК) одним концом через слой серебряной пасты 22 подсоединен провод 28', и провод проходит через заливочный элемент 24 наружу. Другой конец провода 28' соединен с контактом 26'. Контакт 26' и провод 28' не изображены на фиг.1 для простоты восприятия.
[0038] Элемент ПТК 12, расположенный на многослойном основании 14, впаян, как описано выше таким образом, что формовочная смола 16 покрывает элемент ПТК 12 и различные слои, расположенные ниже. Как показано на рисунке, формовочная смола 16 не покрывает другую поверхность 15' многослойного основания 14, таким образом, снаружи остается другая поверхность 15'. То есть так мы получаем устройство ПТК данного изобретения, в котором элемент ПТК 12 впаян в смолу 16. Отмечается, что многослойное основание 14 имеет отверстие 30 для шурупа, чтобы устройство ПТК можно было прикрутить, зафиксировав на объекте.
[0039] Устройство ПТК 10 данного изобретения, описанное выше, изготавливается путем помещения элемента ПТК 12 напрямую или не напрямую на многослойное основание 14 сначала, а потом соединением элементов ПТК 12 и каждого из контактов 26 и 26' проводами 28 и 28' соответственно. Как вариант, в форму заливается смола, после чего она затвердевает, и так образует заливочный элемент 24. Таким образом, получается конструкция, которая содержит элемент ПТК 12, соединенный с контактом 26, расположенным на многослойном основании 14. Затем полученная конструкция впаивается таким образом, что получается устройство ПТК 10 данного изобретения, впаянное в смолу 16.
[0040] Следует отметить, что при изготовлении данного устройства ПТК удобно заранее соорудить выводную рамку, в которую первоначально встраиваются многослойное основание 14 и контакты 26 и 26', и выполнить соединение каждого из проводов 28 и 28' и после отделить контакты от многослойного основания, как это показано. Также хороший способ - напрямую соединить каждый из контактов 26 и 26' с верхней поверхностью и нижней поверхностью элемента ПТК, соответственно без проволочного соединения.
ПРИМЕР 1
[0041] Устройство ПТК данного изобретения было изготовлено в соответствии с описанием ниже. Элемент ПТК: были получены два вида элементов ПТК путем формовки прессованием электропроводящего полимерного состава, содержащего полиэтилен (РЕ, 46% веса) и сажу (54% веса), получая таким образом экструдируемую заготовку, к противоположным основным поверхностям которой первый и второй металлический электроды (покрытая никелем медная фольга) подсоединены термокомпрессией. Эти элементы ПТК имеют температуру отключения (Tr) 95°С и 125°С соответственно. Затем каждый металлический электрод элементов ПТК покрывался золотом (толщина покрытия: не более 0,03 мкм). Элементы ПТК имели размеры 1,6 мм × 0,8 мм × 0,3 мм (толщина) для элемента с Tr 95°С и 3,2 мм х 2,5 мм × 0,3 мм (толщина) для элемента с Tr 125°С.
[0042] Элемент ПТК был помещен на выводную рамку, изготовленную из медно-оловянного сплава с грунтовочным никелевым покрытием и серебряным покрытием поверх первого (сначала рама из сплавов покрывается никелем, после чего она покрывается серебром), а выводная рамка соответствовала многослойному основанию, имеющему толщину 1,3 мм. При размещении к выводной рамке припаивалась электроизолирующая керамическая подложка (Tn/Ni, 0,6 мм толщиной) размерами 5 мм × 3 мм в качестве изолирующего слоя (М705, «Senju Metal Industry Co., Ltd»), и элемент ПТК фиксировался на ней с помощью серебряной пасты (DBC 130SD, производство «Panasonic Corporation))), после чего паста отвердевала при поддерживаемой температуре 150°С в течение 10 минут. Таким образом, элемент ПТК 12 укреплялся на многослойном основании 14 с помощью слоя припойного материала 18, слоя изоляционного материала 20, и слоя серебряной пасты 22 в качестве клеящего материала, как показано на фиг.1.
[0043] Затем верхняя поверхность элемента ПТК прикреплялась проволокой к одному концу контакта 26, а слой серебряной пасты 22 на керамической изолирующей подложке был прикреплен проволокой к одному контакту выводной рамки 26' алюминиевыми проволоками 28 и 28' (диаметр 150 мкм), как показано на фиг.2, и этим электрически соединялся элемент ПТК с выводной рамкой, чтобы получить конструкцию, состоящую из элемента ПТК 12, расположенного на многослойном основании 14.
[0044] Далее, эпоксидная смола 24 (EPIFORM К-8908, производство «Somar Corp.») заливалась на данную конструкцию таким образом, чтобы покрыть элемент ПТК 12 и нижележащие слои полученной конструкции, а затем эпоксидная смола затвердевала при температуре 80°С в течение 7 часов, и таким образом элемент ПТК 12 и нижележащие слои помещаются на многослойном основании, покрытом заливочным элементом 24, как показано на фиг.1, в итоге получается заготовка для устройства ПТК.
[0045] Затем заготовка крепилась к заливочной форме таким образом, что поверхность 15' выводной рамки, на которой расположен элемент ПТК, оставалась снаружи, и в форму заливалась расплавленная формовочная смола (эпоксидная смола Sumikon ЕМЕ6200, производство «Sumimoto Bakelite Co., Ltd»), после чего она временно затвердевала при температуре 180°С в течение 3 минут. После такого временного затвердевания конструкция вынималась из формы и подвергалась зачистке. Затем конструкция подвергалась воздействию температуры 175°С в течение 8 часов, чтобы формовочная смола 16 окончательно затвердела, и таким образом получались устройства ПТК 10 данного изобретения (одно устройство ПТК с элементом ПТК, имеющее температуру отключения Tr 95°С, и другое устройство ПТК с элементом ПТК, имеющее температуру отключения Tr 125°С), как показано на фиг.1.
ПРИМЕР 2
[0046] Процесс, описанный в примере 1, повторялся за исключением того момента, что заливочный элемент получался с помощью другой эпоксидной смолы (EPIFORM К-8908, производство «Somar Corp.»), после чего формовка не проводилась, так что получалась заготовка устройства ПТК данного изобретения, имеющая заливочный элемент. В этом примере использовался элемент ПТК, имеющий Tr 95°С.
ПРИМЕР 3
[0047] Процесс, описанный в примере 2, повторялся за исключением того момента, что заливочный элемент получался с помощью другой эпоксидной смолы (SOMAKOTE KZ-106, производство «Somar Corp.»), так что получалась заготовка устройства ПТК данного изобретения, имеющая заливочный элемент. В этом примере использовался элемент ПТК, имеющий Tr 95°С.
ПРИМЕР 4
[0048] Процесс, описанный в примере 2, повторялся за исключением того момента, что заливочный элемент получался с помощью другой эпоксидной смолы (SOMAKOTE KZ-107, производство «Somar Corp.»), так что получалась заготовка устройства ПТК данного изобретения, имеющая заливочный элемент. В этом примере использовался элемент ПТК, имеющий Tr 95°С.
ПРИМЕР 5
[0049] Процесс, описанный в примере 1, повторялся за исключением того, что использовалась силиконовая смола (КЕ-1867, производство «Shin-Etsu Polymer Co. Ltd.»). В этом примере использовался элемент ПТК, имеющий Tr 95°С.
ПРИМЕР 6
[0050] Процесс, описанный в примере 1, повторялся для получения устройства ПТК данного изобретения. В этом примере данное устройство ПТК изготавливалось без описанного выше заливочного элемента. Использованный элемент ПТК имел Tr 125°С.
[0051] (1) Подтверждение характеристик ПТК
Сопротивление каждого из различных устройств ПТК и их заготовок, полученных согласно вышеописанным способам, измерялось следующим образом:
Температура у устройства ПТК или заготовки повышалась на 5°С единовременно, и эта температура поддерживалась в течение 10 минут, а затем измерялось сопротивление устройства ПТК или заготовки; повторялось повышение температуры и ее поддержание; и таким образом измерялась характеристика сопротивления (R)-температуры (Т) устройства ПТК или заготовки. Температура измерялась в пределах от 20°С до 160°С.
Следует отметить, что значение сопротивления было получено при измерении величины сопротивления между двумя контактами. Помимо данных устройств ПТК и их заготовок такое же измерение сопротивления проводилось на самом элементе ПТК (не имеющем заливочного элемента и также не подвергаемого формовке) и на неорганическом элементе ПТК (POSISTOR (зарегистрированная торговая марка, произведено «Murata Manifacturing Co., Ltd.», Япония, данный элемент выявляет температуру в 125°С) как примерах для сравнения.
[0052] Результаты измерения показаны в таблицах 1 и 2 ниже. Следует отметить, что в таблицах также показаны каждое значение температуры стеклования (Тс), коэффициент линейного расширения, который при температуре Т выше, чем Тс (Т>Тс), и коэффициент линейного расширения, который при температуре Т ниже, чем Тс (Т<Тс) смолы после затвердевания (за исключением РЕ). Относительно измерений устройств в примере 1 (где использовался элемент ПТК с Tr 125°С), примеров 5 и 6, результаты показаны на фиг.3-5.
[0053]
(Таблица 1)
Характеристики R-T (включая характеристики смолы, образующей формовочный элемент и формуемый материал)
№
Элемент ПТК Tr 95°С
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Пример 5
Формуемый материал
Смола
Эпоксидная смола
Эпоксидная смола
Эпоксидная смола
Эпоксидная смола
Силикон
Эпоксидная смола
№ изделия
К-8908
R-2101
KZ-106
KZ-107
КЕ-1867
ЕМЕ6200
Торговая марка
Epiform
Epiform
Somakote
Somakote
КЕ-1867
Sumikon
Температура стеклования
РЕ -30°С
-3°С
120°С
90°С
55°С
150°С
160-180°С
Коэффициент линейного расширения (Т>Тс)
РЕ 20, 0Е-5/°С
15,0Е-5/°С
17,0Е-5/°С
13,0Е-5/°С
17,5Е-5/°С
20-40Е-5/°С
5,5-7,5Е-5/°С
Коэффициент линейного расширения (Т<Тс)
РЕ 14, 0Е-5/°С
4,0Е-5/°С
6,5Е-5/°С
4,5Е-5/°С
6,0Е-5/°С
-
1,4-2,0Е-5/°С
Условия затвердевания
-
80°С 7 часов
100°С 5 часов
85°С 1 час
80°С 45 мин
120°С 1 час
180°С, 3 мин 175°С, 8 часов
Сопротивление (при 25°С)
15,8 0 м
Заготовка 10,9 Ом Устройство 11,6 0 м
Заготовка 12,5 Ом
Заготовка 9,2 Ом
Заготовка 6,3 Ом
Заготовка 8,8 Ом Устройство 20,1 Ом
-
Сопротивление (при 60°С)
34,8 Ом
Заготовка 29.6 Ом Устройство 24.7 Ом
Заготовка 34,8 Ом
Заготовка 26,5 Ом
Заготовка 19,9 Ом
Заготовка 23,3 Ом Устройство 43,0 Ом
-
Сопротивление (при 100°С)
72,3 Ом
Заготовка 217 кОм Устройство 42 кОм
Заготовка 2130 кОм
Заготовка 124 кОм
Заготовка 221 кОм
Заготовка 104 кОм Устройство 176 кОм
-
[0054]
(Таблица 2)
Характеристики R-T
№
Элемент ПТК Tr 95°С
Пример 1
Пример 2
Устройство ПТК
Устройство ПТК (без формовочного элемента)
Смола
Эпоксидная смола
Эпоксидная смола
№ изделия
К-8908
ЕМЕ6200
Торговая марка
Epiform
Sumikon
Температура стеклования
РЕ -30°С
-3°С
160-180°С
Коэффициент линейного расширения (Т>Тс)
РЕ 20,0Е-5/°С
15,0Е-5/°С
5,5-7,5Е-5/°С
Коэффициент линейного расширения (Т<Тс)
РЕ 14,0Е-5/°С
4,0Е-5/°С
1,4-2,0Е-5/°С
Условия затвердевания
-
80°С 7 часов
180°С, 3 мин 175°С, 8 часов
Сопротивление (при 25вС)
0,20 Ом
0,86 Ом
0,54 Ом
Сопротивление (при 100°С)
0,35 Ом
2,48 Ом
1,03 Ом
Сопротивление (при 130°С)
1420 кОм
1820 кОм
1030 кОм
[0055] Как очевидно из результатов в таблице 1, каждое из устройств ПТК, имеющее температуру обнаружения 95°С, показало очень низкое сопротивление в условиях комнатной температуры (25°С), показало не такое высокое сопротивление при более высокой температуре, которая ниже температуры отключения (60°С), но показало очень высокое сопротивление при температуре отключения, как в случае с элементом ПТК. Это означает, что устройство ПТК данного изобретения имеет соответствующие характеристики как элемент ПТК.
[0056] Как очевидно из результатов в таблице 2, в любом случае, когда использовался элемент ПТК, имеющий температуру отключения 125°С, включая случай, когда использовался элемент ПТК, оборудованный заливочным элементом (пример 1), и случай, когда использовался элемент ПТК без заливочного элемента (пример 6), устройства ПТК, которые подвергались формовке, продемонстрировали очень низкое сопротивление в условиях комнатной температуры (25°С), показали не такое высокое сопротивление при более высокой температуре, которая ниже температуры отключения (100°С), но показали очень высокое сопротивление при температуре отключения, как в случае с элементом ПТК. Это означает, что устройство ПТК данного изобретения имеет соответствующие характеристики как элемент ПТК. Исходя из этих результатов, показатель сопротивления в примере 6, в котором элемент ПТК не подвергался процессу заливки (то есть без заливочного компонента) при отключении был вдвое меньше показателя примера 1, в котором элемент ПТК подвергался процессу заливки, так что можно предположить, что процесс заливки может повлиять на расширение элемента ПТК отчасти.
[0057] Фиг.3 демонстрирует результат измерения характеристики сопротивления-температуры данного устройства ПТК в примере 1 (используется элемент ПТК с Tr 125°С). Следует отметить, что на фиг.3 также графически показаны результаты измерения характеристики сопротивление-температура самого элемента ПТК, который имеет Tr 125°С, и керамического элемента ПТК для сравнения.
[0058] Из фиг.3 следует, что каждое из данных устройств ПТК в примере 1 и неорганический элемент ПТК в сравнительном примере (который выявляет температуру в 125°С) имеет пороговую температуру (температура, которая может называться температурой- отключения, при достижении которой сопротивление элемента ПТК повышается от комнатной температуры) в пределах приблизительно от 120°С до 130°С и показатель сопротивления, измеренный после отключения, в 106 раз или более больше, чем показатель сопротивления перед отключением у каждого из элементов ПТК. Поэтому каждое из устройств ПТК и неорганический элемент ПТК имеет функцию переключения как элемент ПТК. Следует отметить, что в целом можно понять, что элемент имеет функцию переключения как элемент ПТК, когда его показатель сопротивления после отключения как минимум в 103 раз или более больше, чем показатель сопротивления перед отключением.
[0059] Когда данное устройство ПТК, которое подвергалось процессу формовки, сравнивалось с неорганическим элементом ПТК, оказалось, что данное устройство ПТК существенно превосходит неорганический элемент ПТК по показателю увеличения сопротивления измеренного после отключения по сравнению с показателем, измеренным до отключения, а также по резкому росту сопротивления. То есть данное устройство ПТК демонстрирует характеристики R-T, которые практически не отличаются от характеристик полимерных элементов ПТК, чьи характеристики, очевидно, превосходят характеристики неорганических элементов ПТК.
[0060] Фиг.4 демонстрирует результат измерения характеристики R-T устройства ПТК в примере 5 (используется элемент ПТК с Tr 95°С). Следует отметить, что на фиг.4 также графически показаны результаты измерения R-T самого элемента ПТК, который имеет Tr 95°С.
[0061] Из фиг.4 следует, что каждое из данных устройств ПТК (пример 5) и элемент ПТК, который не подвергался никакой обработке, имеет пороговую температуру около 95°С, при которой устройство ПТК отключается, и имеет достаточные характеристики отключения, основанные на том, что устройство демонстрирует рост сопротивления более чем 104 раз или более. То есть даже в том случае, если другие заливочные материалы, такие как силиконовая смола, используются в устройстве данного изобретения, устройство ПТК данного изобретения демонстрирует характеристики R-T, которые практически не отличаются от характеристик элементов ПТК, и эти характеристики достаточны, чтобы устройства можно было использовать как элементы ПТК.
[0062] Фиг.5 демонстрирует результат измерения характеристики R-T устройства ПТК в примере 6 (используется элемент ПТК с Tr 125°С). Следует отметить, что на фиг.5 также графически показаны результаты измерения R-T самого элемента ПТК, который имеет Tr 125°С и результаты измерения данного устройства ПТК, содержащего вышеупомянутый элемент ПТК.
[0063] Из фиг.5 следует, что устройство ПТК данного изобретения (пример 6) без заливочного элемента имеет пороговую температуру около 125°С, при которой устройство ПТК отключается, как в случае примера 1, который имеет заливочный элемент. Кроме того, понятно, что расширение компонента ПТК нарушено из-за того, что пример 6 не имеет заливочного элемента. Хотя показатель сопротивления после отключения в примере 6 ниже на половину или на четверть такого показателя в примере 1, показатель увеличения сопротивления все еще больше чем в 104 раз или более, так что оказывается, что он имеет достаточные характеристики отключения. Соответственно даже в случае, если заливочного элемента нет, устройство ПТК данного изобретения демонстрирует характеристики R-T, которые существенно не отличаются от характеристик элементов ПТК, и эти характеристики достаточны, чтобы устройства можно было использовать как элементы ПТК.
[0064] (2) Подтверждение температурных характеристик устройств ПТК
Испытание температурных характеристик устройств ПТК на устройстве ПТК данного изобретения в примере 1 (где используется элемент ПТК с Tr 125°С) проводилось путем измерения показателей температуры и сопротивления устройства ПТК в состоянии, при котором внешняя температура устройства ПТК повышалась с заданной периодической интенсивностью.
[0065] В частности, устройство фиксировалось на нагревательной плитке (ЕС-1200NP, производство «As One Corporation») посредством теплостойкой ленты, так что наружная сторона многослойного основания устройства ПТК контактировала с нагревательной плиткой, а термопары (TC-K-H-0.1-1WP) касались поверхности нагревательной плитки и наружной стороны многослойного основания устройства ПТК, а затем температура нагревательной плитки повышалась с 20°С до 160°С.
[0066] Показатель сопротивления устройства ПТК и температура термопары измерялись в заданных интервалах при повышении температуры. Эти измерения выполнялись с помощью устройства регистрации данных Data Logger GR-3000 (производство «KEYENCE CORPORATION»), а измерения откладывались по оси согласно времени на фиг.6. Для сравнения, данные по неорганическому элементу ПТК (керамический элемент ПТК формовочного типа, PTFM04BB222Q2N34B0, производство «Murata Manufacturing Co., Ltd.») показаны на фиг.7, где элемент также подогревался на нагревательной плитке.
[0067] Из результатов фиг.6 очевидно, что данное устройство ПТК достигает состояния отключения через 20-25 секунд в течение около 25 секунд, при котором температура нагревательной плитки повышалась с 100°С до 130°С.
[0068] Из результатов фиг.7 очевидно, что относительно керамического устройства ПТК, температура элемента ПТК мало изменялась в течение 25 секунд, при котором температура нагревательной плитки аналогично повышалась с 100°С до 130°С и начала медленно подниматься после того, как прошло 30 секунд, после чего элемент ПТК отключился.
[0069] Из этих результатов при сравнении с неорганическим элементом ПТК устройство ПТК данного изобретения быстро реагирует на изменение температуры нагревательной плитки, которая и является объектом определения, и показывает резкое повышение сопротивления. Соответственно, выявлено, что устройство ПТК данного изобретения более быстро и точно регистрирует температуру объекта.