DE10227563B4

DE10227563B4 - Elektrisches Bauelement mit Isolationszone

Info

Publication number: DE10227563B4
Application number: DE2002127563
Authority: DE
Inventors: Martin Schwingenschuh; Hermann GRÜNBICHLER
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2022-06-21
Also published as: EP1376624A1; DE50308391D1; EP1376624B1; DE10227563A1

Abstract

Elektrisches Bauelement
– mit einem Grundkörper (1), enthaltend ein Keramikmaterial,
– mit einer auf einer ebenen Oberfläche des Grundkörpers (1) aufgebrachten Kontaktschicht (2) zur elektrischen Kontaktierung,
– und mit einer auf der Kontaktschicht (2) befestigten Elektrode (4), die mit Distanzelementen (7) versehen ist zur Einstellung eines durch die Höhe der Distanzelemente definierten Abstands (a) zwischen der Kontaktschicht (2) und der Elektrode (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einem Grundkörper, der ein Keramikmaterial enthält und bei dem auf der ebenen Oberfläche des Grundkörpers eine Kontaktschicht zur elektrischen Kontaktierung aufgebracht ist.
Es sind Bauelement der eingangs genannten Art bekannt, bei denen auf gegenüberliegenden Oberflächen des Grundkörpers Kontaktschichten zur elektrischen Kontaktierung aufgebracht sind. Solche elektrischen Bauelemente sind beispielsweise als Varistoren bekannt. Die Seitenflächen der Varistorscheibe werden üblicherweise nicht vollständig bis zum Rand der Scheibe metallisiert, vielmehr verbleibt am Rand der Metallisierung ein Freirand mit nicht metallisierter Varistoroberfläche. Dieser Freirand wird eingehalten, um die elektrische Isolation der gegenüberliegenden Kontaktschichten zu verbessern.

Aus der Druckschrift US 4,431,983 ist ein Bauelement der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Seitenflächen einer. PTC-Scheibe vollständig bis zum Rand der Scheibe metallisiert sind. Es ist jeweils für jede Seite eine Kontaktschicht vorgesehen, die mittels Federelementen mit Kontaktschichten des Bauelements kontaktiert sind.

Aus der Druckschrift DE 38 39 868 A1 ist ferner ein PTC-Termistor bekannt, bei dem das Termistorelement in eine Gehäuse eingebaut ist und von der Oberseite und von der Unterseite mittels federnder, seitlich zueinander versetzter Kontaktbügel kontaktiert wird.

Aus der Druckschrift DE 197 29 184 A1 ist ein Energievaristor bekannt, bei dem seitlich am Varistorkörper Anschlußmetallisierungen vorgesehen sind, welche frei Ränder aufweisen.

Die bekannten Bauelemente haben jedoch den Nachteil, daß es am Metallisierungsrand zu einer elektrischen Spitzenwirkung, d. h. zu einer Feldüberhöhung kommt, wodurch die Spannungsfestigkeit und mithin auch die Stromtragfähigkeit des Varistors deutlich herabgesetzt ist. Im schlimmsten Fall kommt es zum Verzundern und Abbrand des Metallisierungsrandes und somit zum Ausfall des Bauelements.

Dieser Nachteil kann vermieden werden, indem als Kontaktschicht Metallisierungen mit einer großen und gleichmäßigen Schichtdicke aufgebracht werden. Dadurch wird zwar die Stromtragfähigkeit erhöht, jedoch kann das Problem der überhöhten Randfeldstärken dadurch nicht befriedigend gelöst werden. Zudem haben Metallschichten mit großer Schichtdicke noch den Nachteil, daß zu ihrer Aufbringung auf die Oberfläche des Varistors lange Zeiten erforderlich sind, insbesondere dann, wenn sie in einer Dünnschichttechnologie wie z. B. Sputtern aufgebracht werden. Im Falle von Edelmetallgrundschichten (Silber, Gold, Platin, Palladium etc.) stellt sich bei hoher Schichtdicke darüber hinaus noch die Kostenfrage.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Bauelement bereitzustellen, bei dem die Gefahr von elektrischen Überschlägen zwischen Kontaktschichten reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Bauelement nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen zu entnehmen.

Es wird ein elektrisches Bauelement angegeben, das einen Grundkörper aufweist, der ein Keramikmaterial enthält. Auf einer ebenen Oberfläche des Grundkörpers ist eine Kontaktschicht aufgebracht, die zur elektrischen Kontaktierung des Grundkörpers dient. Auf der Kontaktschicht ist eine Elektrode befestigt, die mit Distanzelementen versehen ist. Die Distanzelemente dienen dabei zur Einstellung eines durch ihre Höhe definierten Abstands zwischen der Kontaktschicht und der Elektrode.

Das elektrische Bauelement hat den Vorteil, daß durch die in einem definierten Abstand aufgebrachte Elektrode die elektrische Feldstärke am Rand der Kontaktschicht so beeinflußt werden kann, daß eine Feldüberhöhung reduziert wird. Dadurch steigt die Spannungsfestigkeit des Bauelements in vorteilhafter Weise an.

Die Elektrode kann dabei vorteilhafterweise über den Rand der Kontaktschicht hinausragen, um somit eine besonders effektive Abschirmwirkung für die am Rand der Kontaktschicht entstehenden elektrischen Felder zu bewirken.

Es kann aber auch die Kontaktschicht unter der Elektrode hervorstehen. Dabei sollte der Abstand zwischen dem Rand der Elektrode und dem Rand der Kontaktschicht so klein gewählt werden, daß die Elektrode noch Einfluß auf die Feldverteilung am Rand der Kontaktschicht nehmen kann.

Darüber hinaus ist es auch denkbar, daß der Rand der Elektrode genau über dem Rand der Kontaktschicht zum Liegen kommt.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Elektrode bis zum Rand der ebenen Oberfläche des Grundkörpers reicht. Dadurch wird eine besonders gute Abschirmwirkung der Elektrode erzielt.

Vorteilhaft ist es, wenn die Kontaktschicht einen Freirand am Rand der Oberfläche des Grundkörpers freiläßt. Zur Einhaltung des Freirandes am Rand des elektrischen Bauelements wird der Rand der Kontaktschicht ein Stück nach innen versetzt.

Um den Effekt der elektrischen Feldüberhöhung am Rand der Elektrode möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn die Dicke der Elektrode wenigstens zweimal so groß ist wie die Dicke der Kontaktschicht. Dadurch ist gewährleistet, daß der Effekt der Feldüberhöhung am Rand bei der Elektrode kleiner ist als bei der Kontaktschicht.

Darüber hinaus ist ein elektrisches Bauelement vorteilhaft, bei dem der Grundkörper die Form einer Scheibe aufweist, auf deren Ober- und Unterseite jeweils eine Kontaktschicht angeordnet ist. Jede dieser Kontaktschichten kann mit der erfindungsgemäßen Elektrode versehen sein. Dadurch wird eine noch weitere Reduktion der Feldüberhöhung an den Rändern der Kontaktschichten erreicht.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt beispielhaft ein elektrisches Bauelement in einem schematischen Querschnitt.
Die Figur zeigt einen scheibenförmigen Varistor im schematischen Querschnitt. Der Varistor weist einen Grundkörper 1 auf, welcher aus einer Varistorkeramik hergestellt ist.
Der Grundkörper 1 weist die Form einer Scheibe auf, wobei die Oberseite der Scheibe und die Unterseite der Scheibe jeweils mit einer Kontaktschicht 2, 2a bedeckt ist. Die Kontaktschichten 2, 2a reichen dabei nicht bis zum Rand der Oberseite bzw. der Unterseite des Grundkörpers 1, sondern es bleibt am Rand der Kontaktschichten 2, 2a ein Freirand 5, der die elektrische Isolation zwischen den Kontaktschichten 2, 2a verbessert. Diese Verbesserung kommt dadurch zustande, daß mit dem Freirand 5 eine erhöhte Kriechstrecke von der Kontaktschicht 2 zur Kontaktschicht 2a auf der Oberfläche des Grundkörpers 1 vorgegeben ist.
Durch die Kriechstrecke zwischen den Rändern der Kontaktschichten 2, 2a, die entlang der Außenseite des Grundkörpers 1 verläuft, wird die Isolationszone 6 definiert, die maßgeblichen Einfluß auf die Spannungsfestigkeit des Bauelements hat.
Der Grundkörper 1 kann beispielsweise einen Durchmesser von 20 mm aufweisen und als Keramikmaterial eine Mischung aus ZnO und Bi₂O₃ enthalten. Es sind darüber hinaus aber auch weitere Keramikmaterialien denkbar, die einen Varistoreffekt aufweisen.
Die Kontaktschichten 2, 2a können beispielsweise Einbrennschichten sein, die Silber enthalten und aus einer Silbereinbrennpaste mittels Siebdruck hergestellt sind. Der Durchmesser der Kontaktschichten 2, 2a kann beispielsweise 16 mm betragen. Daraus ergibt sich für den Freirand 5 eine Breite von 2 mm. Die Kontaktschichten 2, 2a können eine Dicke d von 15 μm aufweisen.
Jede der Kontaktschichten 2, 2a trägt auf der dem Grundkörper 1 gegenüberliegenden Seite eine Elektrode 4, 4a, die beispielsweise eine verzinnte Kupferscheibe mit einem Durchmesser von 19 mm sein kann. Die Dicke D der Elektrode 4, 4a kann z. B. 0,5 mm betragen. Die Elektroden 4, 4a sind mit Distanzelementen 7 versehen, welche beispielsweise eine Stärke von 0,25 mm aufweisen und welche folglich einen Abstand a zwischen der Elektrode 4, 4a und der Kontaktschicht 2, 2a bewirken, der 0,25 mm beträgt. Der Abstand a zwischen der Kontaktschicht 2 und der Elektrode 4 kann vorteilhafterweise zwischen 0,1 und 0,5 mm betragen. Die Distanzelemente 7 können beispielsweise in Form von Abstandsnoppen in die verzinnte Kupferscheibe eingeprägt sein.
Die Elektroden 4, 4a sind mittels eines Haftmittels 3 an den Kontaktschichten 2, 2a befestigt. Dieses Haftmittel 3 kann beispielsweise Zinn sein. Das Haftmittel 3 kann aber auch Leitkleber sein. Im Falle von Zinn erfolgt die Verbindung der Elektroden 4, 4a zu den Kontaktschichten 2, 2a durch Löten. Es ist darüber hinaus noch zu beachten, daß die Elektroden 4, 4a nicht notwendigerweise wie in der Figur dargestellt die Kontaktschichten 2, 2a ganzflächig bedecken. Entscheidend ist vielmehr lediglich ein Randbereich der Elektrode 4, 4a, weswegen die Elektroden auch in Form von Ringen ausgeführt sein können.
In der Figur ist darüber hinaus noch der Verlauf von Feldlinien dargestellt, wie sie entstehen, wenn auf der oberen Kontaktschicht 2 ein positives elektrisches Potential und auf der unteren Kontaktschicht 2a ein negatives elektrisches Potential angelegt werden.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf Varistoren, sondern ist auf alle möglichen elektrischen Bauelemente, die einen Grundkörper mit Keramikmaterial enthalten, beispielsweise NTC- oder PTC-Bauelemente, anwendbar.

1: Grundkörper
2, 2a: Kontaktschicht
3: Haftmittel
4, 4a: Elektrode
5: Freirand
6: Isolationszone
7: Distanzelement
d: Dicke der Kontaktschicht
D: Dicke der Elektrode
a: Abstand

Claims

Elektrisches Bauelement – mit einem Grundkörper (1), enthaltend ein Keramikmaterial, – mit einer auf einer ebenen Oberfläche des Grundkörpers (1) aufgebrachten Kontaktschicht (2) zur elektrischen Kontaktierung, – und mit einer auf der Kontaktschicht (2) befestigten Elektrode (4), die mit Distanzelementen (7) versehen ist zur Einstellung eines durch die Höhe der Distanzelemente definierten Abstands (a) zwischen der Kontaktschicht (2) und der Elektrode (4).
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Elektrode (4) über den Rand der Kontaktschicht (2) hinausragt.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Kontaktschicht (2) unter der Elektrode (4) hervorsteht.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der Rand der Elektrode (4) im wesentlichen über dem Rand der Kontaktschicht (2) liegt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Elektrode (4) bis zum Rand der ebenen Oberfläche des Grundkörpers (1) reicht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Dicke (D) der Elektrode (4) wenigstens zweimal so groß ist wie die Dicke (d) der Kontaktschicht (2).
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Grundkörper (1) die Form einer Scheibe aufweist, auf deren Ober- und Unterseite jeweils eine Kontaktschicht (2, 2a) angeordnet ist.