DE3606388A1

DE3606388A1 - Varistor in chip-bauweise

Info

Publication number: DE3606388A1
Application number: DE19863606388
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Ott
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-02-27
Filing date: 1986-02-27
Publication date: 1987-09-03

Description

Die Erfindung betrifft einen Varistor in Chip-Bauweise zur Verwendung in gedruckten Schaltungen für den auf liegenden Einbau auf Leiterbahnkontaktstellen einer Trä gerplatte der gedruckten Schaltung, bestehend aus einem quaderförmigen Keramikkörper aus Varistormaterial, der an gegenüberliegenden Stirnflächen mit lötfähigen Metallbe legungen als Elektroden versehen ist, die wenigstens auf die der Trägerplatte zugewandte Fläche des Keramikkör pers reichen und dort Lötkontaktauflagen bilden.

In der nicht vorveröffentlichten DE-OS 35 01 419 ist ein Varistor beschrieben, der diese Merkmale aufweist, jedoch besteht der Keramikkörper bei diesem bekannten Varistor aus einem aus einer Vielzahl von Schichten aus Varistor material hergestellten monolithischen Körper. Dieser Varistor ist für niedere Spannungen bestimmt, denn die zwi schen den in dem monolithischen Körper enthaltenen Me tallschichten befindlichen Schichten aus Varistormaterial sind sehr dünn, so daß die elektrischen Eigenschaften und Kennwerte eines solchen Varistors durch die Dicke die ser Schichten gegeben ist. Dieser durch die Dicke der Schichten bestimmte Abstand ist auf jeden Fall wesentlich kleiner, als der Abstand zwischen den Enden der auf die äußere Oberfläche des Keramikkörpers reichenden Metall belegungen der Stirnflächen. Die Probleme, die durch die vorliegende Erfindung gelöst werden sollen, treten somit bei diesem bekannten Varistor nicht auf.

In der DE-OS 34 28 242 ist ebenfalls ein Varistor in Chip-Bauweise beschrieben, der die eingangs aufgezählten Merkmale enthält. Sofern es sich bei einer in der ge nannten DE-OS beschriebenen Möglichkeit der Ausgestal tung eines solchen Varistors handelt, die nicht zum Gegenstand jener Erfindung gehört, so handelt es sich um einen vollmassiven, quaderförmigen Keramikkörper. Bei einem solchen vollmassiven Keramikkörper treten aber Probleme auf. Die Dicke des Keramikkörpers, die eigentlich den Abstand zwischen den Belegungen und damit die Wirkungsweise des Varistors bestimmen sollte, wird durch den Abstand der Enden der auf die der Trä gerplatte zugewandte Seite des Keramikkörpers reichenden Teile der Metallbelegungen auf ein wesentlich geringeres Maß verringert, wobei noch hinzu kommt, daß dieser Ab stand durch den Lötvorgang nicht definiert eingehalten werden kann.

Die der genannten Offenlegungsschrift zugrundeliegende Erfindung befaßt sich somit mit dem Problem, daß die Dicke des Körpers und damit der Abstand zwischen den Metallbelegungen für die Varistoreigenschaften maßgebend bleibt. Dies wird dort dadurch erreicht, daß der Körper zwischen den Enden der Metallbelegungen mit Einsenkungen versehen ist, bei denen die Länge längs der Oberfläche größer ist als die Dicke des Keramikkörpers. Ein sol cher Körper läßt sich in großen Stückzahlen herstellen, wofür in der genannten DE-OS ein besonders wirtschaftli ches Verfahren angegeben ist, bei dem davon ausgegangen wird, eine Vielzahl von Körpern durch Strangpressen zu erzeugen. Wird die Metallisierung der gebrannten Strang preßkörper noch vor ihrem Zertrennen vorgenommen, so bleiben die Trennflächen praktisch von Metall frei. Die ses Verfahren ist jedoch nicht in jedem Fall vorteilhaft, insbesondere wenn es darum geht, besonders kleine Va ristorkörper herzustellen, deren Abmessungen wie folgt sind: Länge 5,5 bis 6,5 mm, Breite 4,8 bis 5,0 mm und einer Höhe, die kleiner als 5,0 mm ist. Derartige Vari storen in Chip-Bauweise sind für gedruckte Schaltungen mit einem Rastermaß von 5,0 mm erforderlich. Derart kleine Körper erschweren ihre Handhabung während der Fertigherstellung und können nicht durch das an sich bekannte Strangpressen erzeugt werden; vielmehr empfiehlt sich hier die Einzelpressung der Körper durch Schnell preßautomaten.

In der US-PS 43 64 021 ist ein Varistor beschrieben, der aus einem scheibenförmigen Keramikkörper aus Metalloxid material besteht, dessen Scheibenflächen auf beiden Sei ten mit je einer Metallbelegung versehen sind, wobei we nigstens eine Scheibenfläche eine Vertiefung aufweist, in die die zugehörige Metallbelegung hineinreicht. Durch diese Vertiefung oder auch durch Vertiefungen in beiden Scheibenflächen wird die Dicke der Scheibe zum Teil er heblich verringert, wobei ihre Stabilität im wesentlichen erhalten bleiben soll. Sinn und Zweck dieser Maßnahme ist es, Varistoren mit geringer Durchbruchfeldstärke zu er halten, also Varistoren für niedere Spannungen. Mechani sche Stabilitätsprobleme treten bei den Varistoren der vorliegenden Erfindung nicht auf. Außerdem sind die be kannten Scheibenvaristoren nicht in Chip-Bauweise ausführ bar und somit für den Zweck der vorliegenden Erfindung nicht geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Varistor der eingangs angegebenen Art derart aus zugestalten, daß die resultierenden Körper - trotz Chip-Bauweise - stets definierte Varistoreigenschaften sicherstellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Varistor in Chip-Bau weise der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß ge kennzeichnet durch die Merkmale

a) jede der gegenüberliegenden Stirnseiten des Keramik körpers weist eine Vertiefung auf, deren Oberfläche je von einem Teil der Metallbelegungen bedeckt ist, deren jeweils anderer Teil bis auf die äußere Ober fläche des Keramikkörpers verlängert ist und dort die Lötkontaktauflagen bildet,
b) die Tiefe jeder der beiden Vertiefungen ist größer als die Breite der Teile der Metallbelegungen, die auf die äußere Oberfläche des Keramikkörpers reichen und die Lötkontaktauflagen bilden.

Durch diese Ausgestaltung der Keramikkörper der Varistoren wird erreicht, daß der Abstand zwischen den Bodenteilen der Vertiefungen geringer ist als der Abstand zwischen den Enden der Teile der Metallbelegungen, die auf die äußere Oberfläche des Keramikkörpers hinüberreichen. Damit be stimmt der Abstand zwischen den Bodenteilen die Varistor eigenschaften, ohne daß beispielsweise durch den Lötvor gang beim Einbau des Varistors in die gedruckte Schaltung Veränderungen befürchtet werden müssen.

Es versteht sich von selbst, daß im Bedarfsfalle die äuße re Oberfläche des Keramikkörpers, die frei von Metallbele gungen ist, mit einem der Isolierung und dem Feuchteschutz dienenden Überzug versehen sein können.

Vorzugsweise verlaufen die Flanken der Vertiefungen gera de und bilden die Übergänge der Flanken sowohl zu den Stirnflächen des Keramikkörpers als auch zu den Boden teilen der Vertiefungen stumpfe Winkel.

Diese Ausführungsform ermöglicht eine besonders exakte Herstellung des Körpers auf einem Preßautomaten, weil die zum Pressen notwendigen Stempel und Oberflächen der Preßmulde stets gerade Flächen aufweisen.

Es kann aber auch für gewisse Methoden der Herstellung vorteilhaft sein, wenn die Flanken der Vertiefungen ge rade oder geringfügig gewölbt verlaufen und die Übergänge der Flanken sowohl zu den Stirnflächen des Keramikkörpers als auch zu den Bodenteilen der Vertiefungen rund aus gebildet sind.

Diese Ausführungsform ist besonders dann von Vorteil, wenn die Flanken der Vertiefungen mit den Bodenteilen rechte Winkel bilden, so daß dann das Preßwerkzeug einfa cher aus den Vertiefungen herausführbar ist.

Bei einem oben bereits erwähnten Varistor mit den Abmes sungen: Länge 5,5 bis 6,5 mm, Breite 4,8 bis 5,0 mm und einer Höhe kleiner als 5,0 mm betragen die Tiefe der Vertiefungen 0,4 mm und die Breite der Teile der Me tallbelegungen auf der äußeren Oberfläche des Keramikkör pers maximal 0,3 mm.

Diese Ausführungsform führt zu einem Varistor, bei dem das Volumen des Keramikkörpers so weitgehend als möglich für die Varistoreigenschaften ausgenutzt wird.

Es ist bekannt, dem keramischen Varistormaterial auf ZnO-Basis durch entsprechende Dotierung (Zusatzstoffe wie z.B. Ti oder Sn) Niederspannungseigenschaften zu verleihen, d.h. je nach Dimmensionierung des Körpers 20 bis 100 V (= 20 bis 50 V/mm). Andererseits resultie ren bei anderen Zusatzstoffen, wie z.B. Sb oder Cr, Varistoren mit Hochspannungseigenschaften, d.h. je nach Dimmensionierung des Körpers 100 bis 1000 V (= 50 bis 300 V/mm). Dies gilt auch für Varistoren der vorliegenden Erfindung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen zum Stand der Technik gehörenden Varistor gemäß DE-OS 35 01 419;

Fig. 2 ebenfalls einen zum Stand der Technik gehörenden Varistor gemäß DE-OS 34 28 242;

Fig. 3 einen Varistor gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine andere Ausführungsform der Vertiefungen in einem Varistor gemäß Fig. 3.

Der zum Stand der Technik gehörende Varistor gemäß Fig. 1 und entsprechend der DE-OS 35 01 419 besteht aus einem Keramikkörper 2 aus Metalloxidmaterial. Der Keramikkör per 2 ist an seinen gegenüberliegenden Stirnflächen mit Metallbelegungen 3 und 4 versehen, die als Elektroden dienen. Die Metallbelegungen 3 und 4 sind auf der äuße ren Oberfläche des Keramikkörpers und insbesondere auf der der Trägerplatte 11 der gedruckten Schaltung zuge wandten Seite mit Verlängerungen 5 und 6 versehen, die Lötkontaktauflagen bilden und auf die im Rastermaß 8 auf der Trägerplatte 11 befindlichen Kontaktstellen 9 und 10 der gedruckten Schaltung aufgelegt und dort durch Lötung befestigt sind. Der Abstand 7 zwischen den Ver längerungen 5 und 6 ist bestimmend für die elektrischen Eigenschaften des Varistors, wobei aber darauf hinzu weisen ist, daß dieser Abstand nicht stets gleichblei bend ist, so daß reproduzierbare Werte bei großen Stück zahlen nicht erwartet werden können.

In Fig. 2 ist ebenfalls ein zum Stand der Technik ge hörender Varistor 12 gemäß DE-OS 34 28 242 gezeigt, der aus einem Keramikkörper 13 aus Metalloxidmaterial besteht und im vorliegenden Fall mit zwei Einsenkungen 14 versehen ist, die in den Seitenteilen des Körpers 13, die zwischen den auf die seitlichen Oberflächen hinüberreichenden Teile 21 und 22 der Metallbe legungen 15 und 16 sich befinden. Der Abstand 17 zwischen den Metallbelegungen 15 und 16, durch den Keramikkörper 13 hindurch gemessen, ist bestimmend für die elektrischen Eigenschaften des Varistors 13, weil der Stromweg längs der Oberfläche der Einsenkungen 14 zwischen den Teilen 21 und 22 der Metallbelegungen 15 und 16 länger ist als der erwähnte Abstand 17.

Auch hier sind auf der Trägerplatte 11 der gedruckten Schaltung Kontaktstellen 9 und 10 Rastermaßabstand 8 vorhanden, an die die Teile 21 und 22 der Metallbelegungen 15 und 16 des Keramikkörpers 13 angelötet sind.

Bei der Einzelherstellung der Keramikkörper 13 und der damit verbundenen separaten Herstellung der Me tallbelegung 15 und 16 kommt es zu unerwünschten Me tallflächen 19 und 20 auf der dem Betrachter zuge wandten Stirnfläche des Keramikkörpers 13. Hierdurch resultieren wiederum Unregelmäßigkeiten, die den Ab stand 17 zum Teil erheblich beeinflussen und damit die Herstellung von Varistoren mit reproduzierbar gleichen elektrischen Eigenschaften verhindern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der in Fig. 3 gezeigte Varistor 23 ausgebildet. Er besteht aus dem Keramikkörper 24 aus Metalloxidmaterial, das an sich hinreichend bekannt und vielfach in der Litera tur beschrieben ist und vornehmlich aus Material auf der Basis von Zinkoxid (ZnO) besteht.

Die gegenüberliegenden Stirnflächen des Keramikkörpers 24 sind mit Vertiefungen 25 und 26 versehen, so daß die Metallbelegungen 27 und 28 Teile 29 und 31 aufwei sen, die die Oberfläche der Vertiefungen 25 und 26 bedecken, während andere Teile 30 und 32 bis auf die äußere Oberfläche des Keramikkörpers 24 verlängert sind und dort die Lötkontaktauflagen bilden. Im gezeig ten Ausführungsbeispiel reichen die Teile 30 und 32 auf alle vier Außenoberflächen des Keramikkörpers 24, es ist jedoch auch möglich, daß diese Teile 30 und 32 nur auf der der Trägerplatte 11 der gedruckten Schaltung zugewandten äußeren Oberfläche vorhanden sind. Diese Teile 30 und 32 sind mit den Kontaktstellen 9 und 10 der gedruckten Schaltung durch Lötung verbunden. Die Kontaktstellen stehen im Abstand 8 voneinander, der wiederum im Rastermaß ausgeführt ist, d.h. ein ganzes Vielfaches von 2,5 mm darstellt.

Die Tiefe 40 der Vertiefungen 25 und 26 ist größer als die Breite 39 der Teile 30 und 32. Dadurch ist gewähr leistet, daß der Abstand 35 zwischen den Bodenteilen 33 und 34 der Vertiefungen 25 und 26 kleiner ist als der Abstand 36 zwischen den Teilen 30 und 32 der Metallbe legungen 27 und 28. Die Länge des Keramikkörpers 24 ist mit 37 bezeichnet, seine Höhe ist mit 38 bezeichnet. Die in die Zeichenebene ragende Breite des Keramikkörpers 24 ist in aller Regel größer als die Höhe 38.

In Fig. 3 ist ferner gezeigt, daß die Flanken 41 der Vertiefungen 25 und 26 gerade verlaufen und einerseits mit den Bodenteilen 33 und 34 und andererseits mit den Stirnflächen des Keramikkörpers 24 stumpfe Winkel bilden.

Demgegenüber ist in Fig. 4 gezeigt, daß die Flanken 41 mit dem Bodenteil 33 einen nahezu rechten Winkel bilden, während die Übergänge einerseits zwischen Bodenteil 33 und Flanke 41 und andererseits zur Stirn fläche hin abgerundet ausgebildet sind.

Bezugszeichenliste 1 Varistor gemäß Stand der Technik
2 Keramikkörper des Varistors 1 aus Metalloxidmaterial
3 Metallbelegung am Körper 2
4 Metallbelegung am Körper 2
5 Verlängerung der Metallbelegung 3 auf die Seitenfläche des Keramikkörpers 2
6 Verlängerung der Metallbelegung 4 auf die Seitenfläche des Keramikkörpers 2
7 Abstand zwischen den Verlängerungen 5 und 6
8 Rastermaßabstand
9 Kontaktstelle der gedruckten Schaltung
10 Kontaktstelle der gedruckten Schaltung
11 Trägerplatte der gedruckten Schaltung
12 Varistor gemäß Stand der Technik
13 Keramikkörper des Varistors 12 aus Metalloxidmaterial
14 Einsenkungen in den Seitenteilen des Körpers 13
15 Metallbelegung auf dem Körper 13
16 Metallbelegung auf dem Körper 13
17 Abstand zwischen den Metallbelegungen 15 und 16 durch den Körper 13 gemessen
18 Stromweg längs der Oberfläche der Einsenkungen 14 zwischen den Teilen 21 und 22 der Metallbelegungen 15 und 16
19 unerwünschte Metallflächen, von der Metallbelegung 15 ausgehend
20 unerwünschte Metallflächen, von der Metallbelegung 16 ausgehend
21 Teil der Metallbelegung 15 als Lötkontaktauflage
22 Teil der Metallbelegung 16 als Lötkontaktauflage
23 Varistor gemäß der Erfindung
24 Keramikkörper des Varistors 23 aus Metalloxidmaterial
25 Vertiefung in einer Stirnseite des Keramikkörpers 24
26 Vertiefung in der gegenüberliegenden Stirnseite des Keramikkörpers 24
27 Metallbelegung als Elektrode
28 Metallbelegung als Elektrode
29 Teil der Metallbelegung 27, die die Oberfläche der Vertiefung 25 bedeckt
30 Teil der Metallbelegung 27, die auf die äußere Oberfläche des Keramikkörpers 24 verlängert ist
31 Teil der Metallbelegung 28, die die Oberfläche der Vertiefung 26 bedeckt
32 Teil der Metallbelegung 28, der auf die äußere Oberfläche des Keramikkörpers 24 verlängert ist
33 Bodenteil der Vertiefung 25
34 Bodenteil der Vertiefung 26 35 Abstand zwischen den Bodenteilen 33 und 34
36 Abstand zwischen den Teilen 30 und 32 der Metallbelegungen 27 und 28
37 Länge des Keramikkörpers 24
38 Höhe des Keramikkörpers 24
39 Breite der Teile 30 und 32
40 Tiefe der Vertiefungen 25 und 26
41 Flanken der Vertiefungen 25 und 26

Claims

1. Varistor (23) in Chip-Bauweise zur Verwendung in ge druckten Schaltungen für den aufliegenden Einbau auf Leiterbahnkontaktstellen (9, 10) einer Trägerplatte (11) der gedruckten Schaltung, bestehend aus einem quaderförmigen Keramikkörper (24) aus Varistormaterial, der an gegenüberliegenden Stirnflächen mit lötfähigen Metallbelegungen (27, 28) als Elektroden versehen ist, die wenigstens auf die der Trägerplatte (11) zugewandte Fläche des Keramikkörpers (24) reichen und dort Löt kontaktauflagen bilden, gekennzeichnet durch die Merkmale

a) jede der gegenüberliegenden Stirnseiten des Keramik körpers (24) weist eine Vertiefung (25, 26) auf, deren Oberfläche je von einem Teil (29, 31) der Metallbelegungen (27, 28) bedeckt ist, deren jeweils anderer Teil (30, 32) bis auf die äußere Oberfläche des Keramikkörpers (24) verlängert ist und dort die Lötkontaktauflagen bildet,
b) die Tiefe (40) jeder der beiden Vertiefungen (25, 26) ist größer als die Breite (39) der Teile (30, 32) der Metallbelegungen (27, 28), die auf die äußere Ober fläche des Keramikkörpers (24) reichen und die Löt kontaktauflagen bilden.

2. Varistor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Flanken (41) der Vertiefungen (25, 26) gerade verlaufen und daß die Übergänge der Flanken (41) sowohl zu den Stirnflächen des Keramikkörpers (24) als auch zu den Bodenteilen (33, 34) der Vertiefungen (25, 26) stumpfe Winkel bilden.

3. Varistor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Flanken (41) der Ver tiefungen (25, 26) gerade oder geringfügig gewölbt ver laufen und daß die Übergänge der Flanken (41) sowohl zu den Stirnflächen des Keramikkörpers (24) als auch zu den Bodenteilen (33, 34) der Vertiefungen (25, 26) rund aus gebildet sind.

4. Varistor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, da durch gekennzeichnet, daß bei einem Keramikkörper (24) mit den Abmessungen: Länge (37) 5,5 bis 6,5 mm, Breite 4,8 bis 5,0 mm und einer Höhe (38) kleiner als 5,0 mm die Tiefe (40) der Vertiefungen (25, 26) 0,4 mm und die Breite (39) der Teile (30, 32) der Metallbelegungen (27, 28) maximal 0,3 mm betragen.