Beschreibung

NTC-Keramik, elektronisches Bauelement zur

Einschaltstrombegrenzung und Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements

Die Erfindung betrifft eine NTC-Keramik, ein elektronisches Bauelement zur Einschaltstrombegrenzung und ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements.

Start-Stopp Systeme im Automotive Bereich (PKW, LKW) stellen eine wesentliche Möglichkeit zur Treibstoffersparnis dar und werden deshalb in nahezu allen neuen Fahrzeugen eingebaut. Bei diesen Systemen muss der Einschaltstrom des Anlassers begrenzt werden, um ein Absinken der Bordnetzspannung

zu verhindern, damit insbesondere sicherheitsrelevante

Anwendungen (ABS, ESP) ausreichend versorgt werden.

Bei bekannten Start-Stopp Systemen wird die Versorgung verbessert (verstärkte Batterie) und die Bordspannung wird aufwendig und teuer mittels eines DC/DC-Wandlers

stabilisiert. Der DC/DC-Wandler benötigt dabei einerseits viel Platz und enthält andererseits teure Halbleiter (Relais bzw. MosFET) .

Daher wird nach preisgünstigeren und kompakteren Lösungen gesucht, beispielsweise durch den Einsatz von Vorwiderständen oder SE-Magneten. Dabei tritt jedoch ein größerer Abfall der Bordspannung auf.

Bekannt ist ferner die Idee, mittels Einschaltstrombegrenzer auf Basis von NTC-Keramiken den Spannungsabfall beim Start eines Elektromotors zu begrenzen. Es sind jedoch keine NTC- Einschicht-Elemente verfügbar, die bei Raumtemperatur einen Widerstand im mOhm-Bereich aufweisen. Daher wurden bislang Bauelemente favorisiert, bei denen die benötigte elektrische Leitfähigkeit durch Reduzierung der Schichtdicke und

Querschnittvergrößerung mittels Vielschichtbauweise

realisiert wurde.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte NTC- Keramik und ein verbessertes elektronisches Bauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die NTC-Keramik gemäß Anspruch 1, das Bauelement gemäß Anspruch 4 und das Verfahren gemäß

Anspruch 13 bzw. Anspruch 14 gelöst.

Gemäß einem Aspekt wird eine NTC-Keramik angegeben. Die NTC- Keramik ist zur Verwendung in einem elektronischen Bauelement ausgebildet, beispielsweise in einem Vielschicht-NTC- Bauelement und/oder in einem monolithischen NTC-Bauelement . Das Bauelement ist vorzugsweise ein Einschaltstrombegrenzer (ICL) .

Die NTC-Keramik weist bei einer Temperatur von 25°C einen elektrischen Widerstand im mQ-Bereich auf. Alternativ oder zusätzlich weist die NTC-Keramik bei Raumtemperatur einen elektrischen Widerstand im mQ-Bereich auf. Als Raumtemperatur wird die Temperatur verstanden, die üblicherweise in

bewohnten Räumen herrscht. Der genannte elektrische

Widerstand beschreibt vorzugsweise den elektrischen

Widerstand der unbelasteten Keramik zwischen Außenkontakten bei einer Umgebungstemperatur von 25°C. Beispielsweise weist die NTC-Keramik bei der angegeben

Temperatur einen elektrischen Widerstand von kleiner oder gleich 30 mQ auf, vorzugsweise kleiner 20 mQ, beispielsweise 14 mQ, 15 mQ, 16 mQ oder 17 mQ. Die NTC-Keramik weist

folglich einen äußerst geringen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur bzw. bei 25 °C und damit eine sehr hohe

elektrische Leitfähigkeit auf. Damit ist die NTC-Keramik besonders gut zum Einsatz in einem Einschaltstrombegrenzer mit hoher Stromlast geeignet.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die NTC-Keramik die Zusammensetzung La(i- _X )EA( _X ) Mn <i-a-b-c) Fe( _a )CO( _b )Ni _(c) 0(3±6) auf.

Dabei ist 0 < x < 0,5 und 0 < (a+b+c) < 0,5. EA bezeichnet ein Erdalkali-Element. Vorzugsweise wird das Erdalkali- Element aus Magnesium, Calcium, Strontium oder Barium

ausgewählt, δ bezeichnet die Abweichung vom stöchiometrischen SauerstoffVerhältnis ( Sauerstoffüberschuss bzw.

Sauerstoffdefizit). Vorzugsweise ist |δ| ^ 0,5. Besonders bevorzugt ist |δ| = 0.

Durch diese Zusammensetzung wird eine NTC-Keramik

bereitgestellt, welche sich durch eine außerordentlich hohe elektrische Leitfähigkeit und einen ausreichenden B-Wert auszeichnet. Durch (eine) Dicke und (einen) Querschnitt bzw. Fläche der Keramik können Widerstand und Stromtragfähigkeit weiter variiert und gesteuert werden.

Gemäß einem Aspekt wird ein elektronisches Bauelement

angegeben. Das elektronische Bauelement ist vorzugsweise ein Einschaltstrombegrenzer. Das Bauelement weist wenigstens eine Funktionsschicht oder aktive Schicht auf. Die

Funktionsschicht weist die oben beschriebene NTC-Keramik auf. Vorzugsweise besteht die Funktionsschicht aus der NTC- Keramik .

Das Bauelement zeichnet sich auf Grund der NTC-Keramik durch seine hohe elektrische Leitfähigkeit und den ausreichenden NTC-Effekt (B-Wert) aus. Damit wird ein einfaches und

kostengünstiges Bauelement zur Begrenzung des

Einschaltstroms bereitgestellt, welches auch bei den

niedrigen Spannungen und hohen Strömen, wie es für diese Anwendung gefordert wird, betrieben werden kann.

Durch den geringen elektrischen Widerstand im mQ-Bereich kann insbesondere erreicht werden, dass ein ausreichend hoher Einschaltstrom eines elektrischen Verbrauchers, welcher beispielsweise in einer entsprechenden Anwendung in Reihe zu dem elektronischen Bauelement geschaltet ist, zur Verfügung gestellt wird, aber soweit begrenzt wird, dass beispielsweise die elektrische Spannung beim Einschaltvorgang für die elektrische Versorgung weiterer wichtiger elektrischer

Komponenten noch ausreichend hoch ist. Mit Hilfe des

Bauelements wird der Spannungseinbruch beim Startvorgang des Verbrauchers im Vergleich zu einem Verbraucher ohne

Bauelement vorzugsweise um ca. I V reduziert. Dies kann bei der Anwendung des elektronischen Bauelements im Automobilbereich, insbesondere beim Einsatz als

Einschaltstrombegrenzer für elektrische Anlassermotoren bei Kraftfahrzeugen („Start-Stopp-Systemen") vorteilhaft oder wesentlich sein. Wenn der Einschaltstrom nicht ausreichend oder angemessen begrenzt wird, so kann eine Bordnetzspannung soweit absinken, dass auch weitere sicherheitsrelevante

Anwendungen wie ABS und ESP nicht mehr mit der vorgesehenen elektrischen Spannung versorgt werden können. In diesem Sinne trägt das elektronische Bauelement unmittelbar zu Sicherheitsaspekten und/oder zur Energieeffizienz im

Straßenverkehr bei. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt der spezifische elektrische Widerstand der wenigstens einen Funktionsschicht in einem Grundzustand des elektronischen Bauelements zwischen 0,1 Qcm und 2,0 Qcm. Vorzugsweise liegt der spezifische elektrische Widerstand der wenigstens einen Funktionsschicht in einem Grundzustand des elektronischen Bauelements zwischen 0,1 Qcm und 1,0 Qcm, beispielsweise bei 0,3 Qcm.

Der Grundzustand beschreibt dabei eine Temperatur des

Bauelements von 25 °C und/oder bei Raumtemperatur. Bei dem Grundzustand kann es sich um einen unbelasteten Zustand, in dem beispielsweise keine elektrische Leistung an das

Bauelement angelegt ist, handeln.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Bauelement eine Dicke von kleiner oder gleich 1,0 mm, beispielsweise 0,5 mm, auf. Damit wird ein kompaktes und kleines Bauelement

bereitgestellt, das in unterschiedlichsten Einbausituationen Anwendung finden kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Bauelement ein monolithisches Bauelement. Vorzugsweise ist das Bauelement scheibenförmig oder plättchenförmig ausgebildet. Das

Bauelement kann in Form eines Substrats ausgebildet sein. Vorzugsweise weist das Bauelement genau eine Funktionsschicht auf. Die Funktionsschicht weist eine Dicke von kleiner oder gleich 1,0 mm, beispielsweise 0,3 mm, auf. Auf der

Funktionsschicht ist eine Metallisierung angeordnet. Die Metallisierung weist vorzugsweise Silber auf. Alternativ dazu kann die Metallisierung auch Kupfer oder Gold aufweisen.

Vorzugsweise kann eine Kontaktierung des Bauelements über ein metallisches Element, beispielsweise eine Zunge erfolgen. Die Zunge kann beispielsweise an einer Außenseite des Bauelements aufgelötet sein. Damit kann ein Einschaltstrombegrenzer in Form eines kompakten und kostengünstigen monolithisches

Bauelements (Scheibchen, Plättchen, etc.) bereitgestellt werden . Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Bauelement ein

Vielschichtbauelement . Beispielsweise weist das Bauelement eine Vielzahl von übereinander zu einem Stapel angeordneten Funktionsschichten, beispielsweise 10, 30 oder 50

Funktionsschichten, auf. Ferner weist das Bauelement eine Vielzahl von ersten Innenelektroden und zweiten

Innenelektroden auf, wobei jede der ersten und zweiten

Innenelektroden zwischen zwei benachbarten Funktionsschichten angeordnet. Die ersten Innenelektroden sind mit einem ersten Außenkontakt und die zweiten Innenelektroden mit einem zweiten Außenkontakt elektrisch leitend verbunden.

Vorzugsweise weisen die Außenkontakte Silber auf. Die

Außenkontakte können aber auch Kupfer oder Gold aufweisen.

Die Funktionsschichten sind so angeordnet und ausgebildet, insbesondere haben die Funktionsschichten einen derart kleinen spezifischen Widerstand, dass der erste und der zweite Außenkontakt sowohl in einem Grundzustand als auch in einem heißen Zustand des elektronischen Bauelements über die Funktionsschichten elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

Der heiße Zustand bezeichnet einen Zustand des Bauelements bei einer Temperatur, welche größer ist als diejenige des elektronischen Bauelements in dem Grundzustand. Der Temperaturbereich zwischen dem Grundzustand und dem heißen Zustand kann beispielsweise jeden Temperaturbereich zwischen -55°C und +180°C überspannen oder sich über diesen Bereich erstrecken. Bevorzugt kann sich der Temperaturbereich

zwischen dem Grundzustand und dem heißen Zustand über den Bereich von -40°C bis +150°C erstrecken. Weiterhin ist das elektronische Bauelement ein NTC-Bauelement , das heißt ein heißleitendes Bauelement mit einem negativen

Temperaturkoeffizienten. Der heiße Zustand des elektronischen Bauelements beschreibt in diesem Sinne vorzugsweise einen beispielsweise durch eine anliegende elektrische Leistung erwärmten Zustand des elektronischen Bauelements. Bei dem heißen Zustand handelt es sich vorzugsweise weiterhin um einen stationären Temperaturzustand des Bauelements.

Durch die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem ersten Außenkontakt und dem zweiten Außenkontakt,

insbesondere in dem Grundzustand des elektronischen

Bauelements kann gegenüber herkömmlichen NTC-Bauelementen, welche in einem Grundzustand bei 25°C einen elektrischen Widerstand im Ω- oder kQ-Bereich aufweisen, erreicht werden, dass ein Einschaltstrom eines elektrischen Verbrauchers, welcher beispielsweise in einer entsprechenden Anwendung in Reihe zu dem elektronischen Bauelement geschaltet ist, soweit begrenzt wird, dass die elektrische Spannung beim

Einschaltvorgang für die elektrische Versorgung weiterer wichtiger elektrischer Komponenten noch ausreichend hoch ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Bauelement wenigstens an einen Kühlkörper thermisch angebunden. Dies kann zur

Begrenzung der Erwärmung des Bauelements während eines

Betriebs des Bauelements beitragen. Vorzugsweise wird dadurch die Erwärmung beim Starten und/oder die Peaktemperatur beeinflusst bzw. begrenzt. Damit wird die Funktionalität und die Langlebigkeit des Bauelements erhöht. Der Kühlkörper weist beispielsweise Kupfer auf. Beispielsweise ist der

Kühlkörper ein Kupferblech.

Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements beschrieben. Vorzugsweise wird durch das Verfahren das oben beschriebene Bauelement

hergestellt. Alle Merkmale, die im Zusammenhang mit dem

Bauelement und/oder der NTC-Keramik beschrieben wurden, gelten auch für das Verfahren und umgekehrt.

Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Bereitstellen von Keramikpulver. Beispielsweise werden La ₂ Ü3, SrCC>3 und Mn3Ü ₄ bereitgestellt und in stöchiometrischen Mengen eingewogen. Aber auch andere Materialien für das

Keramikpulver sind vorstellbar.

- Kalzinieren des Keramikpulvers. Beispielsweise wird das Pulver in einem Kalzinierprozess sechs Stunden lang auf 900°C aufgeheizt. Dabei kann das CO ₂ entweichen und die einzelnen Rohstoffe reagieren zu der gewünschten chemischen Verbindung.

- Vermengen des Keramikpulvers mit Wasser zur Erzeugung eines Granulats. Das Vermengen mit Wasser und ein anschließendes Mahlen dient dazu eine ausreichende Sinteraktivtät zu

erhalten. Nach dem Verdampfen des Wassers wird vorzugsweise ein Bindemittel beigegeben, um das Granulat zu erzeugen. - Pressen des Granulats. Beispielsweise werden in diesem Schritt zylindrische Bauelemente durch Trockenpressen erzeugt . - Ausbrennen des Bindemittels (Entkohlen) . Das Bindemittel wird vorzugsweise bei 400 bis 500 °C ausgebrannt.

- Sintern des Granulats. In diesem Schritt wird das Granulat bzw. die aus dem Granulat gepressten Bauelemente

beispielsweise bei 1250°C gesintert.

- Kontaktierung des gesinterten Körpers mit einer

Silberpaste . Durch das Verfahren wird ein kompaktes und kostengünstiges Bauelement hergestellt, das zur Begrenzung des

Einschaltstroms eingesetzt werden kann. Durch die sehr hohe elektrische Leitfähigkeit der Funktionsschicht des

Bauelements (NTC-Keramik) kann der Einschaltstrombegrenzer als kostengünstiges, monolithisches Bauelement (Scheibchen, Plättchen, etc.) ausgeführt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur

Herstellung eines elektronischen Bauelements beschrieben. Vorzugsweise wird durch das Verfahren das oben beschriebene Bauelement hergestellt. Alle Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Bauelement und/oder der NTC-Keramik beschrieben wurden, gelten auch für das Verfahren und umgekehrt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Bereitstellen von Grünfolien zur Ausbildung von

Funktionsschichten. Die Grünfolien weisen vorzugsweise das oben beschriebene NTC-Keramikmaterial auf. Insbesondere sind die Grünfolien Folien für eine herzustellende NTC-Keramik oder NTC-Keramikschicht . Bei den Grünfolien handelt es sich vorzugsweise um Schichten aus einem Rohmaterial, welches beispielsweise nicht gesintert ist.

- Versehen der Grünfolien mit Innenelektroden. Die Grünfolien werden vorzugsweise jeweils mit mindestens einer

Innenelektrode oder Innenelektrodenschicht bedruckt. Die Innenelektroden können beispielsweise durch Siebdruck auf die Grünfolien gedruckt werden.

- Stapeln der mit den Innenelektroden versehenen Grünfolien zu einem Stapel. Das Stapeln erfolgt vorzugsweise derart, dass die Innenelektroden jeweils zwischen zwei benachbarten Grünfolien angeordnet werden.

- Pressen des Stapels. Vorzugsweise wird der Stapel zu einem Block gepresst. Das Verfahren umfasst beispielsweise

weiterhin das Vereinzeln des Blocks in Teilblöcke.

Vorzugsweise wird der Block zum Vereinzeln des Blocks

geschnitten .

- In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Stapel bzw. der gepresste Block anschließend thermisch behandelt. Das

thermische Behandeln umfasst beispielsweise ein Entkohlen des Stapels bzw. des Blocks. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Stapel bzw. der Block während des thermischen

Behandeins gesintert. Die Sinterung erfolgt zweckmäßigerweise nach dem Entkohlen. - Versehen des Stapels bzw. des Blocks mit Außenkontakten. Die Außenkontakte weisen vorzugsweise Silber, Kupfer oder Gold auf. Durch das Verfahren wird ein Bauelement hergestellt, das zur Begrenzung des Einschaltstroms eingesetzt werden kann. Durch die sehr hohe elektrische Leitfähigkeit der Funktions ^¬ schichten des Bauelements (NTC-Keramik) kann ein besonders effizienter Einschaltstrombegrenzer bereitgestellt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein System mit wenigstens einem elektronischen Bauelement beschrieben. Das Bauelement entspricht vorzugsweise dem oben beschriebenen Bauelement. Alle Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Bauelement

beschrieben wurden, gelten auch für das System und umgekehrt.

Das System kann auch mehr als ein Bauelement, beispielsweise drei elektronische Bauelemente, aufweisen. Die mehreren bzw. die überwiegenden Bauelemente sind zueinander parallel geschaltet. Das System weist ferner eine

Verbrauchereinrichtung auf, welche elektrisch zu dem

elektronischen Bauelement in Reihe geschaltet ist und

zusammen mit dem elektronischen Bauelement einer

Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Das System kann

entsprechend weiterhin eine elektrische Leistungsquelle umfassen, die dazu ausgebildet ist, den genannten

Einschaltstrom bereitzustellen.

Das System ist derart ausgebildet, dass eine Erwärmungszeit, das heißt die Zeit, in der ein Einschaltstrom der

Verbrauchereinrichtung das elektronische Bauelement auf eine stationäre Temperatur erwärmt, auf eine elektrische

Anlaufzeit der Verbrauchereinrichtung abgestimmt ist. Die elektrische Anlaufzeit bestimmt, wann der Einschaltstrom auf den Nennstrom der Verbrauchereinrichtung abgefallen ist.

Die stationäre Temperatur stellt vorzugsweise die Temperatur des oben genannten heißen Zustands des elektronischen

Bauelements dar. Weiterhin beschreibt die stationäre

Temperatur vorzugsweise alternativ oder zusätzlich eine

Gleichgewichtstemperatur und/oder eine Betriebstemperatur des Systems. Die stationäre Temperatur beträgt vorzugsweise

120°C.

Durch die Abstimmung der Erwärmungszeit auf die Anlaufzeit oder umgekehrt kann, beispielsweise gegenüber der Situation, in der die Erwärmungszeit im Vergleich zu der elektrischen Anlaufzeit zu kurz bemessen ist, einer Beschädigung weiterer elektrisch mit dem System oder der Verbrauchereinrichtung wechselwirkender Komponenten, vorgebeugt werden. Weiterhin kann durch die genannte Abstimmung, beispielsweise gegenüber der Situation, in der die Erwärmungszeit im Vergleich zu der elektrischen Anlaufzeit zu lang bemessen ist, ein

ordnungsgemäßer zuverlässiger Betrieb der Verbrauchereinrichtung beispielsweise im Zusammenwirken mit den oben genannten weiteren, mit dem System oder der Verbrauchereinrichtung wechselwirkenden Komponenten, erreicht werden. Die weiteren genannten Komponenten können, wie oben

angedeutet, elektrische Komponenten des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, wie das ABS oder ESP-System bezeichnen.

Die Erwärmungszeit ist vorzugsweise oder zweckmäßigerweise gleich der oder geringfügig kürzer als die Anlaufzeit.

Insgesamt ist das elektronische Bauelement und/oder das

System vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Erwärmungszeit und die Anlaufzeit zumindest weitgehend gleich sind .

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungs ^¬ beispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.

Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines

elektronischen Bauelements.

Figur 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines

elektronischen Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Systems

umfassend ein Bauelement gemäß Figur 1 oder 2 und einer Verbrauchereinrichtung.

Figur 4 zeigt das Einschaltverhalten einer

Verbrauchereinrichtung mit und ohne Verschaltung des elektronischen Bauelements.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines elektronischen Bauelements 10. Das elektronische Bauelement 10 ist vorzugsweise ein NTC-Bauelement . Das elektronische Bauelement 10 findet vorzugsweise Anwendung als Einschaltstrombegrenzer, insbesondere für elektrische

Anlassermotoren in „Start-Stopp-Systemen" für Kraftfahrzeuge.

In diesem Ausführungsbeispiel ist das Bauelement 10 ein

Vielschichtbauelement . Das Bauelement 10 weist eine Vielzahl von ersten Innenelektroden 1 auf. Das Bauelement 10 weist eine Vielzahl von zweiten Innenelektroden 2 auf. Die ersten und zweiten Innenelektroden 1, 2 sind alternierend

übereinander angeordnet. Die ersten und zweiten

Innenelektroden 1, 2 sind vorzugsweise gleichartig

ausgebildet. Weiterhin überlappen die ersten Innenelektroden 1, in Aufsicht auf das Bauelement 10 betrachtet, mit den zweiten Innenelektroden 2, beispielsweise um einen elektrisch aktiven Bereich, den Überlappbereich, zu bilden.

Das Bauelement 10 weist ferner einen ersten Außenkontakt 11 auf. Der erste Außenkontakt 11 ist an einer ersten

Seitenfläche des elektronischen Bauelements 10 angeordnet. Die ersten Innenelektroden 1 sind elektrisch leitend mit dem ersten Außenkontakt 11 verbunden. Vorzugsweise weist der erste Außenkontakt 11 Silber auf.

Das elektronische Bauelement 10 weist weiterhin einen zweiten Außenkontakt 12 auf. Der zweite Außenkontakt 12 ist an einer zweiten Seitenfläche des elektronischen Bauelements 10 angeordnet. Die zweite Seitenfläche liegt der ersten

Seitenfläche gegenüber. Die zweiten Innenelektroden 2 sind elektrisch leitend mit dem zweiten Außenkontakt 12 verbunden. Vorzugsweise weist der zweite Außenkontakt 12 Silber auf.

Das elektronische Bauelement 10 weist eine Vielzahl von

Funktionsschichten oder aktiven Schichten 3 auf. Die

Funktionsschichten 3 sind übereinander zu einem Stapel angeordnet. Die Innenelektroden 1, 2 und die Funktions ^¬ schichten 3 sind insbesondere abwechselnd bzw. alternierend zu einem Stapel angeordnet. Jede der ersten und zweiten

Innenelektroden 1, 2 ist zwischen zwei benachbarten

Funktionsschichten 3 angeordnet.

Die jeweilige Funktionsschicht 3 weist ein keramisches

Material auf. Insbesondere weist die Funktionsschicht 3 eine NTC-Keramik auf. Die jeweilige Funktionsschicht 3 besteht aus der NTC-Keramik. Die NTC-Keramik weist die folgende

Zusammensetzung auf:

La (i-x) EA( _X ) Mn ₍₁ _ _a _ _b _ _c) Fe < _a > Co <b> Ni _(c) 0(3+5) ·

Dabei gilt 0 < x < 0,5 und 0 < (a+b+c) < 0,5. EA steht für ein Erdalkali-Element, beispielsweise Mg, Ca, Sr oder Ba. δ bezeichnet die Abweichung vom stöchiometrischen

Sauerstoff erhältnis ( Sauerstoffüberschuss bzw.

Sauerstoffdefizit). Vorzugsweise ist |δ| -S 0,5, besonders bevorzugt ist |δ| = 0. Beispielsweise weist die NTC-Keramik die Zusammensetzung Lao. ₉₅ Sro.osMn03 auf.

Die Funktionsschichten 3 sind vorzugsweise gleichartig oder ähnlich ausgebildet. Die jeweilige Funktionsschicht 3 weist eine Dicke oder vertikale Ausdehnung auf (im Folgenden als „Schichtdicke" bezeichnet) . Die Schichtdicke der

Funktionsschichten 3 beträgt vorzugsweise zwischen 10 ym und 100 ym oder zwischen 10 ym und 50 ym, beispielsweise 40 ym. Die Schichtdicke 3 der jeweiligen Funktionsschicht 3 ist so gewählt, dass die jeweilige Funktionsschicht 3 einen

vorbestimmten bzw. speziellen Widerstand aufweist.

Insbesondere kann durch die Dicke der Funktionsschicht 3 ein Widerstand und eine Stromtragfähigkeit der Funktionsschicht 3 variiert und gesteuert werden. Die jeweilige Funktionsschicht 3 weist eine bestimmte Fläche oder einen bestimmten Querschnitt auf (im Folgenden

bezeichnet als „horizontale Ausdehnung") . Die horizontale Ausdehnung wird festgelegt durch eine Breite und eine Länge der Funktionsschicht 3. Die Breite beträgt vorzugsweise 4,0 bis 5,0 mm, beispielsweise 4,8 mm. Die Länge beträgt

vorzugsweise 5,0 mm bis 6,0 mm, beispielsweise 5,6 mm. Die horizontale Ausdehnung der jeweiligen Funktionsschicht 3 ist so gewählt, dass die jeweilige Funktionsschicht 3 einen vorbestimmten bzw. speziellen Widerstand aufweist.

Insbesondere kann durch die horizontale Ausdehnung der

Funktionsschicht 3 der Widerstand und die Stromtragfähigkeit der Funktionsschicht 3 variiert und gesteuert werden.

Vorzugsweise liegt der elektrische Widerstand der jeweiligen Funktionsschicht 3 bei einer Temperatur von 25°C im mQ- Bereich, beispielsweise bei 15 mQ oder 20 mQ. Mit anderen Worten, die Funktionsschicht 3 weist vorzugsweise einen sehr geringen elektrischen Widerstand und damit eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit bei einer Temperatur von 25°C auf.

Durch Wahl einer bestimmten horizontalen und/oder vertikalen Ausdehnung der jeweiligen Funktionsschicht 3, kann die

Strombelastbarkeit und/oder Stromtragfähigkeit des

elektronischen Bauelements bis hin zu Stromstärken von einigen 100 A, beispielsweise gegenüber konventionellen NTC- Bauelementen, erhöht werden. Die Funktionsschichten 3 sind vorzugsweise so ausgebildet, dass der erste und der zweite Außenkontakt 11, 12 des elektronischen Bauelements 10 sowohl in einem Grundzustand als auch in einem heißen Zustand (Betriebszustand) des elektronischen Bauelements 10 über die Funktionsschichten 3 elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind.

Der spezifische elektrische Widerstand der jeweiligen

Funktionsschicht 3 im Grundzustand des elektronischen

Bauelements 10, beispielsweise bei einer Temperatur von 25°C, liegt vorzugsweise zwischen 0,1 Qcm und 0,2 Qcm,

beispielsweise bei 0,145 Qcm (siehe hierzu auch Tabelle 1) . Der B-Wert (Thermistorkonstante) der Funktionsschichten 3 beträgt vorzugsweise weniger als 3000 K und mehr als 1500 K, beispielsweise 1650 bis 1750 K, bevorzugt 1700 K (siehe hierzu auch Tabelle 1) . Der oben erwähnte Grundzustand beschreibt vorzugsweise eine Temperatur des elektronischen Bauelements 10 von 25°C

und/oder bei Raumtemperatur. Der heiße Zustand beschreibt vorzugsweise eine Temperatur des elektronischen Bauelements 10, welche größer ist als die Temperatur des elektronischen Bauelements 10 in dem Grundzustand. Bei dem heißen Zustand handelt es sich vorzugsweise um einen Betriebszustand, in dem das elektronische Bauelement 10 eine Betriebstemperatur angenommen hat. Die Betriebstemperatur kann eine stationäre Temperatur, beispielsweise des belasteten Bauelements 10, darstellen. Demgegenüber beschreibt der Grundzustand

vorzugsweise einen unbelasteten Zustand des Bauelements 10.

Der Temperaturbereich zwischen dem Grundzustand und dem heißen Zustand kann sich beispielsweise über den

Temperaturbereich zwischen -55°C und +180°C erstrecken.

Besonders bevorzugt erstreckt sich der Temperaturbereich zwischen dem Grundzustand und dem heißen Zustand über den Bereich von -40°C bis +150°C. Um die Erwärmung des Bauelements 10 während dessen Betrieb zu begrenzen, kann das Bauelement 10 thermisch an einen

Kühlkörper angebunden sein. Der Kühlkörper kann

beispielsweise ein Cu-Blech aufweisen. Mit Hilfe des

Kühlkörpers kann die Erwärmung beim Starten und die

Peaktemperatur beeinflusst bzw. begrenzt werden.

Anders als in der Figur 1 dargestellt, kann das elektronische Bauelement 10 in einem besonders bevorzugten

Ausführungsbeispiel in Form eines Scheibchens oder eines Substrats ausgeführt sein (Figur 2) . Insbesondere ist das Bauelement 10 in diesem Ausführungsbeispiel ein

monolithisches Bauelement.

Das Bauelement 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel nur eine Funktionsschicht oder aktive Schicht 3 auf. Die

Funktionsschicht 3 weist eine Außenmetallisierung

beispielsweise in Form von einem ersten und einem zweiten Außenkontakt 11, 12 auf. Die Außenkontakte 11, 12 sind beispielsweise an den gegenüberliegenden Seitenflächen der Funktionsschicht 3 angeordnet. Alternativ dazu können die Außenkontakte 11, 12 aber auch an einer Oberseite und einer Unterseite der Funktionsschicht 3 angeordnet sein, wie in Figur 2 dargestellt ist. Die Außenkontakte 11, 12 weisen vorzugsweise Silber auf. Eine elektrische Kontaktierung des Bauelements 10 erfolgt beispielsweise mittels einer

aufgelöteten leitfähigen Zunge (nicht explizit dargestellt) . Die Funktionsschicht 3 hat in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise einen Durchmesser von weniger als 15 mm, beispielsweise 10 mm. Die Funktionsschicht 3 hat vorzugsweise eine Dicke von weniger als 0,5 mm, beispielsweise 0,1 mm, besonders bevorzugt 0,3 mm. Wie bereits in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben, wird durch die Dicke der Funktionsschicht 3 der Widerstand und die Stromtragfähigkeit der

Funktionsschicht 3 variiert und gesteuert.

Das Bauelement 10 gemäß Figur 2 weist eine geringe Dicke oder vertikale Ausdehnung auf als das in Zusammenhang mit Figur 1 beschriebene Bauelement 10. Das fertige Bauelement 10 mit Metallisierung und Kontaktierung weist beispielsweise eine Dicke von kleiner oder gleich 0,5 mm auf.

Der spezifische elektrische Widerstand der Funktionsschicht 3 im Grundzustand des elektronischen Bauelements 10 liegt, wie bereits in Zusammenhang mit Figur 1 erläutert, vorzugsweise zwischen 0,1 Qcm und 0,2 Qcm, beispielsweise bei 0,145 Qcm (siehe hierzu auch Tabelle 1) . Damit weist die

Funktionsschicht 3 bei Raumtemperatur bzw. bei 25°C einen sehr geringen Widerstand und folglich eine sehr hohe

elektrische Leitfähigkeit auf. Damit ist ein einfaches und kostengünstiges Bauelement 10 zur Begrenzung des

Einschaltstroms realisiert, welches auch bei den niedrigen Spannungen und hohen Strömen, wie es für diese

Anwendung gefordert wird, betrieben werden kann. Die Strombelastbarkeit und/oder Stromtragfähigkeit des

Bauelements 10 kann durch eine Parallelschaltung von mehreren Bauelementen 10 gemäß Figur 2 noch weiter verstärkt werden. Beispielsweise können drei Bauelemente 10 parallel geschaltet werden, um die Stromtragfähigkeit weiter zu erhöhen und den elektrischen Widerstand abzusenken.

Alle weiteren Merkmale des Bauelements 10 gemäß Figur 2, insbesondere dessen Funktionsweise und der Aufbau der Funktionsschicht 3 (NTC-Keramik) entsprechen den in

Zusammenhang mit der Figur 1 beschriebenen Merkmalen.

Das Bauelement 10 gemäß der Figur 2 wird beispielsweise folgendermaßen hergestellt. Dabei wird exemplarisch ein

Bauelement 10 mit einer Funktionsschicht 3 beschrieben, die eine NTC-Keramik der Zusammensetzung Lao. ₉₅ Sro.osMn03 aufweist. Selbstverständlich sind in diesem Zusammenhang auch andere Zusammensetzungen der NTC-Keramik gemäß der oben angegeben Formel möglich.

Die Herstellung des Bauelements 10 erfolgt nach dem so genannten „Mixed Oxide Verfahren". Zunächst werden dabei La ₂ Ü ₃ , SrC0 ₃ und Mn ₃ Ü ₄ in stöchiometrischen Mengen eingewogen und nass vermählen. Die Mahlung erfolgt auf einer

Planetenkugelmühle mit Mahlperlen aus ZrÜ ₂ . Der Fortgang der Mahlung wird durch Kontrolle der Korngrößenverteilung beobachtet und beendet wenn d(90%) < 1,5 ym. Die Suspension wird anschließend getrocknet und gesiebt. Das erhaltene Pulver wird in einem Kalzinierprozess 6 Stunden lang auf 900°C aufgeheizt. Dabei kann das gebildete CO ₂ entweichen und die einzelnen Rohstoffe reagieren zu

der gewünschten chemischen Verbindung. Die Vollständigkeit der Umsetzung wird mittels XRD-Analyse überprüft und

bestätigt .

Um eine ausreichende Sinteraktivität zu erhalten, wird das Pulver neuerlich mit Wasser gemischt und gemahlen bis eine mittlere Korngröße von 0,5 ym erreicht ist. Nach dem

Verdampfen des Wassers wird das Pulver mit einem geeigneten Bindemittel vermengt, so dass ein zum Trockenpressen

geeignetes Granulat erzeugt wird. Nun werden zylindrische Bauelemente auf einer Tablettenpresse hergestellt und

anschließend im Laborofen bei 1250°C gebrannt.

Die dicht gesinterten Bauelemente werden danach auf Maß geschliffen und mit einer Silberpaste kontaktiert. Von den fertigen Bauelementen wird der Widerstand im

Temperaturbereich von -30°C bis +180°C gemessen.

Die Ergebniswerte von drei nach dem obigen Herstellungs- verfahren hergestellten Bauelementen 10 sind in der Tabelle 1 dargestellt. Die Tabelle 1 zeigt insbesondere die gesinterte Dichte, den spezifischen Widerstand bei 25 °C sowie den B- Wert des jeweiligen Bauelements 10.

Tabelle 1: Ergebniswerte von drei Bauelementen gemäß dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren

Die Tabelle 2 zeigt im Folgenden andere Ausführungen der Keramikzusammensetzung. Dabei wurden unter ähnlichen

Herstellungsbedingungen verschiedene Keramikzusammensetzungen getestet .

Tabelle 2: Ergebnisse von verschiedenen Rezepturen aus dem Bereich der Zusammensetzung der NTC-Keramik Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 200, in dem das elektronische Bauelement 10 in Reihe zu einer elektrischen Verbrauchereinrichtung 20 verschaltet und/oder angeordnet ist. In dem System 200 ist - bei einer gemeinsamen Umgebungstemperatur des elektronischen Bauelements 10 und der

Verbrauchereinrichtung 20 - die Erwärmungszeit, das heißt die Zeit, in der der Einschaltstrom der Verbrauchereinrichtung 20 das elektronische Bauelement 10 auf eine stationäre

Temperatur erwärmt oder erwärmt hat, vorzugsweise auf die elektrische Anlaufzeit der Verbrauchereinrichtung 20

abgestimmt. Die elektrische Anlaufzeit bestimmt, wann der Einschaltstrom der Verbrauchereinrichtung 20 auf den Nennstrom derselben abgefallen ist. Beispielsweise beträgt die Anlaufzeit circa 50 ms. Die stationäre Temperatur kann beispielsweise einen Zustand beschreiben, in dem die dem Bauelement 10 zugeführte elektrische Leistung über

Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung derart an die Umgebung abgegeben wird, dass sich die Temperatur des Bauelements 10 nicht weiter erhöht.

In einer beispielhaften Ausgestaltung des Systems 200 sind die Erwärmungszeit und die elektrische Anlaufzeit gleich. In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Systems 200 stehen die Erwärmungszeit und die elektrische Anlaufzeit in einem Verhältnis zwischen 0,5 und 1,5 zueinander. Durch die genannte Abstimmung kann insbesondere der Betrieb des Systems 200 beispielsweise als Einschaltstrombegrenzung in Kraftfahrzeugen optimiert werden.

Das System 200 kann entsprechend weiterhin eine elektrische Leistungsquelle (in den Figuren nicht explizit dargestellt) umfassen, die zweckmäßigerweise ausgebildet ist, den

genannten Einschaltstrom bereitzustellen.

Die Figur 4 zeigt das elektrische Einschaltverhalten der Verbrauchereinrichtung 20 mit und ohne Einschaltstrombegrenzung. Bei der Verbrauchereinrichtung 20 handelt es sich vorzugsweise um einen elektrischen Anlassermotor eines

Kraftfahrzeugs. Dabei ist beispielhaft das Bauelement 10 aus Figur 2 in Reihe zu der Verbrauchereinrichtung 20 geschaltet. Bei dem Bauelement 10 handelt es sich folglich beispielhaft um ein als Scheibchen ausgeführtes Bauelement 10 mit einer Funktionsschicht 3 aus der oben beschriebenen NTC-Keramik. Die Funktionsschicht 3 weist hierbei einen Durchmesser von 10 mm und eine Dicke von 0,1 mm auf. Selbstverständlich sind auch andere Durchmesser und Dicken oder ein anderer Aufbau des Bauelements 10, beispielsweise ein Aufbau gemäß Figur 1, vorstellbar .

In Figur 4 ist der elektrische Strom (I) über der Zeit aufgetragen (siehe linke Ordinatenachse) . Eine Zeit von 0 Sekunden entspricht dabei instantan dem Einschaltvorgang. Weiterhin ist auf der rechten Ordinatenachse die elektrische Spannung (U) über dem elektronischen Bauelement 10

aufgetragen .

Die gestrichelten Linien beschreiben jeweils den Strombeziehungsweise Spannungsverlauf mit dem in Reihe

geschalteten Bauelement 10 als Einschaltstrombegrenzer, wohingegen die durchgezogenen Linien den Strom- und

Spannungsverlauf der Verbraucher-einrichtung 20 entsprechend ohne das Bauelement 10, das heißt ohne Begrenzung des

Einschaltstroms darstellen.

Es ist zu erkennen, dass der Einschaltstrom I kurz nach dem Einschaltvorgang, also beispielsweise in den ersten 10 ms nach dem Einschaltvorgang, verglichen mit dem Fall des in Reihe geschalteten Bauelements 10 als Einschaltstrom- begrenzung, signifikant höher ist.

Dementsprechend ist auch der Spannungsabfall kurz nach dem Einschaltvorgang, beispielsweise innerhalb der ersten 40 ms, ohne Einschaltstrombegrenzung größer als mit Einschaltstrom- begrenzung. Insbesondere fällt die Spannung U ohne

Einschaltstrombegrenzung kurz nach dem Einschaltvorgang von 12 V auf etwa 6,5 V ab. Mit Hilfe des Bauelements 10 wird der Spannungseinbruch beim Startvorgang im Vergleich zu einer Verbrauchereinrichtung 20 ohne Bauelement 10 um ca. IV reduziert. Mit Bauelement 10 fällt die Spannung U kurz nach dem Einschaltvorgang insbesondere von 12 V auf etwa 7,4 V ab. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die

Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von

Merkmalen was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den

Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugs zeichenliste

1 Erste Innenelektrode

2 Zweite Innenelektrode

3 Funktionsschicht / aktive Schicht

10 Elektronisches Bauelement

11 Erster Außenkontakt

12 Zweiter Außenkontakt

20 Verbrauchereinrichtung

200 System

I Stromverlauf

u Spannungsverlauf