ТЕРМОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1996 года по МПК H01C7/02 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при разработке и промышленном выпуске терморезистивных элементов большой мощности с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

Известен терморезистивный элемент большой мощности с положительным температурным коэффициентом сопротивления, содержащий активное тело, выполненное в виде пластины из позисторной керамики на основе титаната бария, на каждое из оснований которой напылены в вакууме металлические покрытия, которые совместно с наложенными на них металлическими пластинами образуют металлические скользящие теплоотводящие электроды. Металлические пластины прижимаются к металлическому покрытию с помощью медной трубки, в которую помещается терморезистивный элемент, при этом электроизоляция металлических пластин от медной трубки обеспечивается слюдой с обеих сторон.

Известный терморезистивный элемент имеет невысокую надежность, которая является следствием невысокой прочности пластины из позисторной керамики и недолговечности работы скользящих электродов. Невысокая прочность терморезистивного элемента обусловлена хрупкостью пластины из позисторной керамики при деформации на изгиб и растяжение. Данный вид деформации возникает в известной конструкции в связи с необходимостью осуществления плотного механического прижатия теплоотводящих электродов и теплоотводящих элементов конструкции по всей поверхности рабочего тела. Несовершенная конструкция присоединения теплоотводящих электродов к пластине в известном терморезистивном элементе, выполненная в виде простого механического прижатия металлических пластин к металлизированному покрытию, не обеспечивает по всей поверхности присоединения однородного теплового контакта и, как показали экспериментальные проверки такого соединения, в ряде мест по поверхности присоединения имеются точечные неконтактные в тепловом отношении области. Это влечет за собой возникновение неоднородности распределения температуры по поверхности пластины из позисторной керамики, приводящей к деформации пластины и ее быстрому растрескиванию. Кроме того, это приводит к неполной отдаче тепла пластиной, что снижает максимальную тепловую мощность, отдаваемую терморезистивным элементом, не позволяя реализовать полностью возможности пластины по отдаче максимального количества тепла. Наличие скользящего электрического и теплового контакта в конструкции известного нагревательного элемента приводит к быстрому износу металлизации на поверхности рабочего тела и полному выходу его из строя.

Техническим результатом данного изобретения является увеличение надежности работы терморезистивного элемента большой мощности и повышение отдаваемой им мощности.

Данный технический результат достигается тем, что в терморезистивном элементе, содержащем пластину из позисторной керамики на основе титаната бария, на обоих основаниях которой размещены металлические теплоотводящие электроды, теплоотводящие электроды скреплены с основаниями пластины по всей поверхности контактирования, причем скрепление выполнено термосоединением в вакууме с осуществлением механического продольного сжатия пластины.

Указанный технический результат достигается также тем, что по краям теплоотводящих электродов на поверхности каждого основания выполнены технологические охранные зоны.

Отличительные признаки, указанные в формуле изобретения, а именно - скрепление теплоотводящих электродов с основаниями пластины по всей поверхности контактирования и закрепление их методом вакуумного термосоединения с осуществлением механического продольного сжатия пластины из позисторной керамики, являются принципиально необходимыми для достижения указанного технического результата.

В известном терморезистивном элементе металлизация сторон пластины не обладала свойством ее скрепления, тем более не обладала этим свойством вся конструкция теплоотводящих электродов, состоящая из слоя металлизации и наложенной на него и механически прижатой к слою металлизации металлической пластины.

В такой конструкции, как уже отмечалось, существенно снижается мощность выделяемая нагревательным элементом по сравнению с расчетным значением для пластины из позисторной керамики заданной конфигурации либо приводит к повышению максимальной температуры, развиваемой им, что существенно ухудшает потребительские свойства нагревательного элемента, снижает его надежность и повышает себестоимость. Кроме того, как уже было отмечено, при этом наблюдается деформация пластины, ее растрескивание и быстрый выход из строя самого терморезистивного элемента.

От этих недостатков освобожден предложенный терморезистивный элемент, в котором вся конструкция значительно упрочнена за счет обеспечения скрепления пластины из позисторной керамики по всей поверхности каждого основания с осуществлением механического продольного сжатия ее и за счет практически идеального теплового и электрического контакта поверхности пластины с присоединенными теплоотводящими электродами при полном отсутствии поперечного сжатия конструкции.

Свойство скрепления пластины по всей поверхности контактирования с теплоотводящими электродами в предложенном терморезистивном элементе обеспечивается за счет того, что теплоотводящие электроды, закрепленные на поверхности пластины, выполнены из материала достаточной для этого прочности, например из металлической пластины или фольги достаточной толщины, мелкоструктурной металлической сетки (в случае присоединения вакуумной пайкой) и т.п.

Закрепление электродов осуществляется вакуумными методами термосоединения, например такими как вакуумная пайка, термодиффузия и др. либо их сочетанием. При термических методах соединения пластина приводится в напряженное состояние из-за существенной разницы в коэффициентах теплового расширения материала пластины и материала присоединяемого электрода и с учетом того, что прочность пластины на сжатие в продольном направлении на несколько порядков превосходит ее прочность на сжатие в поперечном направлении, существенно повышается прочность всего терморезистивного элемента такой конструкции, которая сохраняется во всем диапазоне рабочих температур в силу того, что технологическая температура вакуумного термосоединения намного превышает максимальную рабочую температуру терморезистивного элемента. Кроме того, если даже по каким-либо причинам (например вследствие механического удара) в пластине из позисторной керамики появятся поперечные трещины, то это не приведет к изменению технических параметров терморезистивного элемента в силу сохранения надежного теплового и электрического контакта между теплоотводящим электродом и пластиной из позисторной керамики.

Конструкция предложенного терморезистивного элемента представлена на фиг. 1 5, при этом на фиг.1 представлен обобщенный вариант конструкции терморезистивного элемента, на фиг.2 вариант конструкции с теплоотдачей в одну сторону с термосоединением методом вакуумной пайки и полной электроизоляцией от корпуса, на фиг.3 вариант конструкции с отдачей тепла в одну сторону, в котором одним из теплоотводящих электродов служит корпус изделия, на котором закреплен терморезистивный элемент. На фиг.4 представлена конструкция терморезистивного элемента, использованного в вариантах с отдачей тепла в обе стороны с полной электроизоляцией от корпуса, на фиг.5 с отдачей тепла в обе стороны с использованием корпуса в качестве одного из теплоотводящих электродов. На фиг.1, 3, 4, 5 представлены соединения методом термодиффузии.

Терморезистивный элемент содержит (см. фиг.1 5):
1 полупроводниковую пластину, выполненную из позисторной керамики на основе титаната бария;
2 теплоотводящие электроды;
3 технологические охранные зоны;
4 электроизолирующую теплопроводящую прокладку;
5 слой металлизации;
6 слой припоя;
7 корпус изделия.

Предложенный терморезистивный элемент может быть выполнен следующим образом (см. фиг.1 5).

У пластины 1, изготовленной по стандартной технологии изготовления позисторов, производят механическую обработку поверхности каждого основания, предназначенного для размещения теплоотводящих электродов (стадия шлифовки), с целью получения гладкой поверхности, после чего ее химически очищают (стадия отмывки). Затем подготавливают электроды 2 из соответствующего материала, например из металлической фольги или металлической пластины, а в случае термосоединения методом вакуумной пайки может быть использована в качестве теплоотводящих электродов 2 металлическая мелкоструктурная, предварительно облуженная сетка, например из нержавеющей стали или меди. Размеры электродов меньше размеров оснований пластины на величину охранной зоны 3, необходимой для предотвращения электрического замыкания и пробоя по торцам пластины. Далее производят вакуумное термосоединение электрода 2 к пластине по известным технологиям вакуумных термосоединений, впервые примененным к изготовлению терморезистивных элементов большой мощности.

Например при вакуумном термосоединении методом термодиффузии (см. фиг. 1), сочетание механического прижатия теплоотводящего электрода к пластине из позисторной керамики, высокой температуры, заданного состава сильно разреженной газовой среды и выдержки по времени приводит к диффузии металла электрода в приповерхностный слой керамической пластины, образуя надежное механическое соединение поверхности пластины с электродом.

При вакуумном термосоединении методом вакуумной пайки (см. фиг.2) предварительно металлизируют поверхности пластины 1 путем напыления слоя металла 5 в вакууме либо нанесения слоя металла гальваническим методом по известным технологиям, после чего производят вакуумную пайку, предварительно подготовленного электрода 2 по известной технологии вакуумной пайки для электронных изделий.

Могут также использоваться сочетания и комбинации перечисленных и других методов.

У терморезистивных элементов, предназначенных для использования в низковольтных электрических цепях, одним из теплоотводящих электродов 2 может служить корпус 7 изделия (см. фиг.3, 5), к которому пластину 1 присоединяют одним из перечисленных методов вакуумного термосоединения.

Терморезистивные элементы, предназначенные для использования в высоковольтных цепях, закрепляются на корпусе 7 через электроизолирующую теплопроводящую прокладку 4, выполненную, например из теплопроводной, электроизолирующей керамики, и закрепленную методом вакуумного термосоединения (см. фиг.2, 4).

При изготовлении опытной партии терморезистивных элементов предложенной конструкции установлено, что технический эффект достигается у терморезистивных элементов, конструкция которых выполнена в соответствии с формулой изобретения, при этом технические характеристики изготовленных терморезистивных элементов демонстрируют максимально возможную реализацию расчетных теоретических параметров в соответствии с соотношениями:
для терморезистивных элементов применяемых в изделиях с теплоотдачей в одну сторону (см. фиг.2, 3):

где: r_т тепловое сопротивление терморезистивного элемента по фиг.1, град/Вт;
S площадь теплоотводящего электрода, м²;
d толщина пластины из позисторной керамики, м;
λ удельная теплопроводность позисторной керамики, ;
1/2 безразмерный коэффициент, соответствующий режиму максимальной рассеиваемой мощности при температуре элемента ниже температуры переключения;
l безразмерный коэффициент, соответствующий режиму температуры переключения;
для терморезистивных элементов, пpименяемых в изделиях с теплоотдачей в две противоположные стороны (см. фиг.4, 5):

где: r_т тепловое сопротивление терморезистивного элемента по фиг.1, град/Вт;
S площадь теплоотводящего электрода, м²;
d толщина пластины из позисторной керамики, м;
λ удельная теплопроводность позисторной керамики, ;
1/8 безразмерный коэффициент, соответствующий режиму максимальной рассеиваемой мощности при температуре элемента ниже температуры переключения;
1/4 безразмерный коэффициент, соответствующий режиму температуры переключения.

Использование: в радиоэлектронике при разработке и промышленном выпуске терморезистивных элементов большой мощности с положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления. Сущность изобретения: в терморезистивном элементе, содержащем пластину из позисторной керамики на основе титаната бария, теплоотводящие электроды скреплены с основаниями пластины по всей поверхности контактирования, причем скрепление выполнено термосоединением в вакууме с осуществлением механического продольного сжатия пластины. Данная конструкция позволяет повысить надежность и увеличить рассеиваемую мощность терморезистивного элемента. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Терморезистивный элемент, содержащий пластину из позисторной керамики на основе титаната бария, на обоих основаниях которой размещены металлические теплоотводящие электроды, отличающийся тем, что теплоотводящие электроды скреплены с основаниями пластины по всей поверхности контактирования, причем скрепление выполнено термосоединением в вакууме с осуществлением механического продольного сжатия пластины. 2. Терморезистивный элемент по п. 1, отличающийся тем, что по краям теплоотводящих электродов на поверхности каждого основания пластины выполнены технологические охранные зоны. 3. Терморезистивный элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве термосоединения использована термодиффузия. 4. Терморезистивный элемент по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит слой металла, нанесенный на основания пластины, оставляя свободным ее периметр, а в качестве термосоединения использована пайка.