DE69308497T2

DE69308497T2 - Schutzvorrichtung für Telekommunikationsanlagen

Info

Publication number: DE69308497T2
Application number: DE69308497T
Authority: DE
Inventors: Gennady Baskin; Ronald J Candelet; Pravin N Popat; Gary L Tonnies; Diethard Unterweger
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1992-12-07
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2013-12-04
Also published as: JPH06261448A; US5327318A; DE69308497D1; US5334553A; EP0601809A1; EP0601809B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Das Gebiet der Erfindung betrifft Überspannungsschutzsysteme und insbesondere Schutzvorrichtungen für vorübergehende Hochspannungs- und Hochstromzustände, die an den A-Adern oder B-Adern von Telefonleitungen auftreten können.
Festkörperüberspannungsschutzsysteme verwenden herkömmlicherweise eine Überspannungsschutzvorrichtung mit einem Halbleiterelement, das zwischen zwei Elektroden angeordnet ist. Dieses Element ist derart in der Schaltung vorgesehen, daß es selektiv elektrische Energie zwischen der B-Ader und der C-Ader, der A-Ader und der C-Ader sowie gegebenenfalls zwischen der B- Ader und der A-Ader leitet. Tritt beispielsweise als Ergebnis eines Blitzschlags oder eines Wechselstromleitungsschlusses oder ähnlichem in der Telefonschaltung eine elektrische Überspannung auf, dann ist das System derart ausgelegt, daß Strom in Nebenschluß zu mit der Schaltung verbundenen Telekommunikationsanlagen geführt wird und diese dadurch gegen Schäden aufgrund der Überspannungsbedingung geschützt werden. Die Schaltung kann gelegentlich eine elektrische Überspannung erfahren, was die Zerstörung des Halbleiterelements zur Folge hat, so daß die Schaltungskomponenten und Telekommunikationsanlagen dann nicht mehr gegen nachfolgend auftretende elektrische Überspannungszustände geschützt wären. Demnach weisen die herkömmlichen Überspannungsschutzsysteme typischerweise Mittel auf, die so ausgelegt sind, daß die Elektroden nach der Zerstörung des Halbleiterelements in elektrischen Eingriff bewegt werden, um dadurch zwischen den Elektroden eine Kurzschlußbedingung aufrechtzuerhalten und so die Schaltungskomponenten und die mit der Schaltung gekoppelten Telekommunikationsanlagen gegen nachfolgend auftretende, vorübergehende Überspannungsbedingungen zu schützen, bis das Halbleiterelement ersetzt ist. Bei einem typischen System stehen beispielsweise die Vorrichtungselektroden elastisch zwischen federbelasteten elektrischen Kontaktarmen oder ähnlichem in Eingriff, so daß sie durch die Federkontaktarmbelastung zueinander vorgespannt werdenffalls das Halbleiterelement durch die genannten Überspannungsbedingungen zerstört wird. Allerdings ergeben sich häufig Schwierigkeiten beim Aufbau und beim Aufrechterhalten der gewünschten Kurzschlußbedingung zwischen den Elektroden nach der Zerstörung des Halbleiterelements.
In der gleichzeitig anhängigen europäischen Patentanmeldung Nr. 92305150.2, die am 30. Dezember 1992 unter der Nummer 0 520 636 veröffentlicht wurde (Stand der Technik nach Art. 54(3) EPÜ), ist eine verbesserte Überspannungsschutzvorrichtung beschrieben und beansprucht, die ein Halbleiterelement mit einer ersten und einer zweiten Elektrode aufweist, die in elektrisch leitender Beziehung mit jeweils entgegengesetzten Seiten des Elements angeordnet sind, und das Element ist normalerweise so zu betreiben, daß es selektiv elektrische Energie zwischen den Elektroden leitet, um einen ersten Pegel eines Überspannungsschutzes für die Schaltung vorzusehen. Das Element wird beispielsweise leitend, wenn aufgrund von Blitzschlag oder ähnlichem in der Schaltung eine ausgewählte Überspannung auftritt, um die Schaltung mit Masse zu verbinden und die Schaltung sowie die Schaltungskomponenten gegen die Überspannung zu schützen. Ist die Überspannungsbedingung vorbei, dann kehrt das Halbleiterelement in seinen nichtleitenden Zustand zurück, womit der normale Schaltungsbetrieb wiederaufgenommen werden kann. Wird die Vorrichtung zerstört, da sie einer höheren elektrischen Überspannung unterworfen wurde, die den oben beschriebenen ersten Überspannungspegel überschreitet, dann können die Elektroden miteinander in Kontakt treten, um eine Kurzschlußbedingung aufrechtzuerhalten und dadurch einen zweiten Pegel des Überspannungsschutzes vorzusehen. Eine erste Elektrode ist in elektrischem Eingriff mit einem begrenzten Abschnitt einer Seite des Halbleiterelements angeordnet, um bei einer Zerstörung des Elements den Aufbau und das Aufrechterhalten der gewünschten Kurzschlußbedingung zwischen den Elektroden zu erleichtern. Die erste Elektrode weist einen Scheibenteil und einen Stift mit kleinerem Querschnitt als dem Scheibenteil auf. Ein distales Ende des Stiftteils der ersten Elektrode ist in elektrisch leitfähiger Beziehung an dem ausgewählten begrenzten Abschnitt der einen Seite des Elements befestigt, wodurch bei Zerstörung des Halbleiterelements längs eines Pfades mit kritischer Energiebedingung der Stiftteil der Elektrode entlang dieses Pfades durch das Element läuft, um unter einer Kurzschlußbedingung mit der zweiten Elektrode elektrisch in Eingriff zu gelangen, und den zweiten Pegel des Überspannungsschutzes vorzusehen. Diese Schutzvorrichtung ist zwar wirksam, es wäre allerdings wünschenswert, eine Vorrichtung vorzusehen, die besonders zum Anbringen auf einer Leiterplatte geeignet ist.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue und verbesserte Überspannungsschutzvorrichtung vorzusehen, die besonders zum Anbringen auf einer Leiterplatte geeignet ist, eine solche verbesserte Überspannungsschutzvorrichtung vorzusehen, die zuverlässiger einen Überspannungsschutz liefert, sowie eine solche Überspannungsschutzvorrichtung vorzusehen, die bei Auftreten einer wesentlichen Überspannung im System den gewünschten Überspannungsschutz mit höherer Geschwindigkeit liefert, um die Schaltungskomponenten im System zu schützen.
Die vorliegende Erfindung sieht demnach eine Überspannungsschutzvorrichtung zum Schutz von Telekommunikationsanlagen vor, die mit der A-Ader, der B-Ader und der C-Ader von Telefonleitungen gekoppelt sind, mit einem Siliciumhalbleiterelement mit einem Sperrdurchbruchs-pn-Übergang und einer oberen sowie einer unteren Fläche, einer ersten Elektrode, die an der oberen Fläche angeordnet ist, sowie einer zweiten Elektrode, die an der unteren Fläche angeordnet ist, einer allgemein flachen, elektrisch leitfähigen Wärmeableiterplatte, wobei das Siliciumhalbleiterelement an der Wärmeableiterplatte derart angebracht ist, daß die zweite Elektrode damit in elektrischer und Wärmeverbindung steht, einem ersten Anschlußleiter mit einem in einer Ebene liegenden Anschlußabschnitt, wobei der Anschlußleiter einen Plattformabschnitt aufweist, der über dem Anschlußabschnitt angeordnet ist und einen Finger aufweist, der sich zu der Ebene nach unten erstreckt sowie eine flache Anschlußfläche mit Seitenwänden und einer Bodenfläche aufweist, wobei die Bodenfläche über eine dünne Lotschicht in physischem Eingriff mit der ersten Elektrode steht und mit ausreichend Lot daran gelötet ist, damit das Lot wie bei einem Docht nach oben an die Seitenwände der Anschlußfläche steigt und damit einen Meniskus bildet, sowie einem zweiten, allgemein flachen Anschlußleiter, der in der Ebene liegt und einen distalen Endabschnitt hat, der physisch und elektrisch mit dem Wärmeableiter verbunden ist, und wobei elektrisch isolierendes, wärmeleitfähiges Material das Element, die Wärmeableiterplatte sowie Abschnitte der ersten und der zweiten Anschlußleiter verkapselt, wodurch eine Zerstörung des Siliciumhalbleiterelements, die Hohlraume in dem Silicium erzeugt, und die durch Überspannungs und Überstrombedingungen verursacht wird, zur Folge hat, daß das Lot zwischen der Anschlußfläche des ersten Anschlußleiters und der ersten Elektrode schmilzt und beim Schmelzen in die Hohlräume in dem Siliciumelement zwischen der ersten und der zweiten Elektrode fließt, um zu bewirken, daß die Überspannungsschutzvorrichtung beim Ausfall geschlossen ist, wodurch verhindert wird, daß Strom mit den Telefonleitungsadern gekoppelte Telekommunikationsanlagen erreicht.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Herstellung einer Überspannungsschutzvorrichtung nach dem vorhergehenden Absatz vor, die inbesondere zum Schutz von Telekommunikationsanlagen geeignet ist, die mit der A-Ader, der B-Ader und der C-Ader von Telefonleitungen gekoppelt sind, das folgende Schritte umfaßt: man nimmt ein Siliciumhalbleiterelement mit einem Sperrdurchbruchs-pn-Übergang und einer ersten und einer zweiten Elektrode, der Körper wird an einem elektrisch leitfähigen Wärmeableiter angebracht, wobei eine Elektrode elektrisch mit dem Wärmeableiter verbunden ist, man nimmt einen ersten, elektrisch leitfähigen Anschlußleiter mit einem distalen Endabschnitt, man gibt eine ausgewählte Menge Lotpaste auf die andere Elektrode, der distale Endabschnitt wird über die Lotpaste an der anderen Elektrode angeordnet, der erste, elektrisch leitfähige Anschlußleiter wird mit einer ausgewählten Kraft gegen die andere Elektrode gezwungen, wobei die an der anderen Elektrode angeordnete Lotmenge ausreicht, damit das Lot wie bei einem Docht nach oben an die Seitenwände gelangt, die den distalen Endabschnitt bilden, wenn der distale Endabschnitt gegen die andere Elektrode gezwungen wird, und der erste, elektrisch leitfähige Anschlußleiter wird an die andere Elektrode gelötet, wobei ein zweiter, elektrisch leitfähiger Anschlußleiter mit dem Wärmeableiter elektrisch verbunden wird, und der Körper, der Wärmeableiter sowie Abschnitte der ersten und der zweiten, elektrisch leitfähigen Anschlußleiter werden eingekapselt, wodurch eine Zerstörung des Siliciumhalbleiterelements, die Hohlräume in dem Silicium erzeugt, und die durch Überspannungs und Überstrombedingungen verursacht wird, zur Folge hat, daß das Lot zwischen der Anschlußfläche des ersten Anschlußleiters und der ersten Elektrode schmilzt und beim Schmelzen in die Hohlräume in dem Siliciumelement zwischen die erste und die zweite Elektrode fließt, um zu bewirken, daß die Überspannungsschutzvorrichtung beim Ausfall geschlossen ist, wodurch verhindert wird, daß Strom mit den Telefonleitungsadern gekoppelte Telekommunikationsanlagen erreicht.
Kurz gesagt, nach einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Halbleiterelement mit einem Sperrdurchbruchs-pn-Übergang und einer ersten Elektrode, die im Zentrum einer Seite des Elements vorgesehen ist, sowie mit einer zweiten Elektrode, die an einer entgegengesetzten Seite des Elements angeordnet ist, an einem Wärmeableiter angebracht, wobei die zweite Elektrode elektrisch damit verbunden ist. Ein Leiterrahmen aus nickelplattiertem Kupfer, der in einer Ebene liegt, weist zwei erste Anschlußleiter auf, die jeweils einen Querschnitt von wenigstens etwa 0,516128 mm² (800 mil²) besitzen, und er ist so ausgebildet, daß er einen Plattformabschnitt aufweist, der aus der Ebene herausgehoben ist und einen ersten und einen zweiten sich nach unten bzw. quer erstreckenden Finger mit jeweils einem sich horizontal erstreckenden Anschlußstück aufweist, das am distalen Ende gebildet ist, wobei eines in der Ebene und das andere entweder in der Ebene oder zwischen der Ebene und dem Plattformabschnitt liegt. Der Leiterrahmen weist einen zweiten Anschlußleiter auf, der in der Ebene des Leiterrahmens liegt. Ein Wärmeableiter mit einem ersten und einem zweiten, im Abstand angeordneten Halbleiterelement, die daran mit einer ausgewählten Menge elektrisch leitfähiger Lotpaste jeweils an der ersten Elektrode angebracht sind, ist unter dem ersten und dem zweiten Anschlußleiter angeordnet, und auf den Plattformabschnitt jedes Anschlußleiters wird derart eine Kraft aufgebracht, daß die Anschlußfläche jedes ersten Fingers gegen eine entsprechende erste Elektrode vorgespannt wird. Die Anschlußflächen der ersten Anschlußleiter sind mit ausreichend Lot an einen zentralen Abschnitt der ersten Elektrode eines jeweiligen Halbleiterelements gelötet, so daß das Lot mit der Seitenwand der Anschlußfläche wenigstens um einen Abschnitt ihres Umfangs einen Meniskus bildet. Die zweite Elektrode ist unter Verwendung einer herkömmlichen Lotmenge an den Wärmeableiter gelötet. Ein zweiter Wärmeableiter mit einem daran angebrachten einzigen Halbleiterelement ist unter der Anschlußfläche eines zweiten Fingers angeordnet, wobei die Wärmeableiterflche unter der Anschlußfläche des anderen zweiten Fingers angeordnet ist, und womit eine Dreizellenschutzvorrichtung gebildet wird. Bei einer zweiten Ausführungsform sind zwei Zellen vorgesehen, indem wie bei der ersten Ausführungsform zwei Halbleiterelemente an einer einzigen Wärmeableiterplatte angebracht sind. Die Schutzvorrichtung mit drei Halbleiterelementen nach der ersten Ausführungsform oder mit zwei Halbleiterelementen nach der zweiten Ausführungsform wird dann in einem wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Material eingekapselt, und schließlich werden die Anschlußleiter zur Fertigstellung der Schutzvorrichtung von dem Leiterrahmen abgetrennt.
Wird die Schutzvorrichtung Spannungs- und Strombedingungen einer solchen Größe unterworfen, daß das Halbleiterelement zerstört wird, dann schmilzt das Lot und fließt in in dem Silicium des Halbleiterelements gebildete Hohlräume, wodurch eine elektrische Brücke zwischen einer Anschlußfläche und der entsprechenden, vertikal ausgerichteten zweiten Elektrode gebildet wird.
Das verwendete Lot ist hochleitfähig und weist etwa 65% Zinn, 25% Silber und 10% Antimon auf.

Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Aufgaben, Vorteile und Einzelheiten der neuen und verbesserten Überspannungsschutzvorrichtung und des Systems nach der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, wobei sich die detaillierte Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht; darin zeigen:
Fig. 1 und 2 elektrische Schaltbilder der ersten bzw. zweiten Ausführungsform einer Schutzvorrichtung nach der Erfindung;
Fig. 3 und 4 Vorder- bzw. Seitenansichten der Schutzvorrichtung aus Fig. 1 oder 2;
Fig. 5 und 6 eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht der in Fig. 2 gezeigten, teilweise zusammengebauten Vorrichtung;
Fig. 7 und 8 eine Draufsicht bzw. eine Rückansicht eines Abschnitts des in Fig. 5 und 6 gezeigten Leiterrahmens;
Fig. 9 eine Perspektivansicht eines Teils der in Fig. 5 und 6 gezeigten, teilweise zusammengebauten Vorrichtung;
Fig. 10 einen herausgebrochenen Abschnitt zur Veranschaulichung einer Lötverbindung zwischen einer Anschlußfläche des Leiterrahmens und einer Elektrode eines Halbleiterelements, wie es in jeder Ausführungsform verwendet wird;
Fig. 11 und 12 Ansichten, die Fig. 5 bzw. 6 ähneln, aber die eingekapselte Vorrichtung vor dem Abtrennen von dem Leiterrahmen zeigen; und
Fig. 13 und 14 Ansichten einer teilweise zusammengebauten, in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, die Fig. 5 bzw. 6 ähneln.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Unter Bezug auf die Zeichnungen stehen die Bezugsziffer 10 aus Fig. 1 für eine Zweizellenschutzvorrichtung und die Bezugsziffer 12 in Fig. 2 für eine Dreizellenschutzvorrichtung, die beide nach der vorliegenden Erfindung hergestellt sind. Die Anschlüsse A, B und C stehen für die A-Ader bzw. die B-Ader und die C-Ader von herkömmlichen Telefonleitungen. In Fig. 3 und 4 ist eine Vorrichtung mit zwei oder drei Zellen gezeigt, die ein Gehäuse aufweist, das aus einem Verkapselungsmaterial 14 gebildet ist, von dem sich zwei erste Anschlußleiter A, B sowie ein zweiter oder ein zentraler Anschlußleiter C erstrecken.
Unter Bezug auf Fig. 5-12, die eine Dreizellenvorrichtung betreffen, ist ein Leiterrahmen 20 aus einem geeigneten elektrisch leitfähigen Material wie Kupfer CDA 151 oder KFC mit einer Dicke von etwa 0,508 mm (0,020 Inch) ausgebildet, der auf herkömmliche Weise mit einer dünnen Beschichtung aus Sulfamatnickel plattiert ist, mit zwei ersten Anschlußleitern A und B mit einem Anschlußabschnitt 22 herkömmlicher Breite, z.B. 0,762 mm (0,030 Inch) zur Verbindung mit einer Leiterplatte auf bekannte Weise gebildet, die in einer Ebene liegen, in der die obere und untere Schiene des Leiterrahmens liegen. Die Anschlußleiter A und B sind jeweils mit einem Plattformabschnitt 24 gebildet, der über die Ebene des Leiterrahmens angehoben ist, indem bei 26 eine Biegung gebildet ist, um einen ausgewählten Abstand von den unten zu beschreibenden Halbleiterelementen vorzusehen. Der erste und der zweite Finger 28 bzw. 30 des Anschlußleiters A und 28 bzw. 30' des Anschlußleiters B erstrecken sich quer von den Plattformabschnitten zueinander und nach unten zu der Ebene des Leiterrahmens und münden in sich horizontal erstreckenden Anschlußflächen 32. Die Plattform 24 und die Finger 28, 30, 31' besitzen eine Breite von etwa 1,016 mm (0,040 Inch), so daß die Querschnittsfläche der Plattform und der Finger etwa 0,516128 mm² (800 mil²) beträgt, und die Anschlußflächen sind allgemein so ausgestaltet, daß sie eine Unterseite in Form eines Quadrats mit einer Seite von 1,016 mm (0,040 Inch) aufweisen.
Der Anschlußleiter C hat einen Anschlußabschnitt 22 mit der gleichen Breite wie die Anschlußleiter A und B sowie einen Anschlußflächenabschnitt 34, der in der Ebene des Leiterrahmens liegt und sich etwa bis zu einer imaginären Linie erstreckt, die zwischen dem Ende der Finger 28 der Anschlußleiter A und B gezogen ist, und er ist etwas dünner in der Breite, d.h. etwa 0,8128 mm (0,032 Inch).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung für jede Zelle ein bidirektionales Siliciumhalbleiterelement auf, das von Texas Instruments Inc. hergestellt und verkauft wird und einen Sperrdurchbruchs-pn-Übergang aufweist, und das dem in der britischen Patentveröffentlichung 21139078 gezeigten Element TISP3180 ähnlich ist. Bei der dreizelligen Ausführungsform von Fig. 2 sind erste und zweite, im Querabstand voneinander angeordnete Halbleiterelemente 40 an einem ersten Wärmeableiter 42 angebracht, und ein drittes Halbleiterelement 40 ist aus der Sicht von Fig. 5 an der rechten Seite eines zweiten Wärmeableiters 44 angebracht. Die Elemente 40 sind durch geeignete Mittel wie mittels eines stark silbergefüllten, leitfähigen Epoxids elektrisch und physisch an dem Wärmeableiter befestigt.
Die Wärmeableiter 42, 44 sind aus einem geeigneten, elektrisch und thermisch leitfähigen Material wie dem mit Sulfamatnickel plattierten Kupfer des Leiterrahmens gebildet, weisen aber eine Dicke von etwa 7,016 mm (0,040 Inch), jeweils eine Länge von etwa 7,493 mm (0,295 Inch) und eine Breite von etwa 3,1242 mm (0,123 Inch) auf.
Die Wärmeableiter 42, 44 sind unter den Anschlußflächen 32 angeordnet, wobei der Wärmeableiter 42 derart positioniert ist, daß zwei Finger 28 mit dem zentralen Abschnitt eines entsprechenden Halbleiterelements 40 ausgerichtet sind, und wobei der Wärmeableiter 44 derart positioniert ist, daß die Anschlußfläche 32 des Fingers 30' mit einem zentralen Abschnitt eines dritten Halbleiters 40 ausgerichtet ist.
Die Halbleiterelemente 40 sind mit einer Bodenelektrode an der Bodenfläche gebildet, die auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Seiten des Elements liegt, die sich zum Außenumfang der entgegengesetzten oberen Fläche erstrecken. Eine obere Elektrode ist an dem zentralen Abschnitt der oberen Fläche angebracht und durch einen engen Isolierpfad von dem Außenumfang getrennt. Eine dünne Goldbeschichtung ist an der Elektrode an der oberen Fläche angeordnet.
Ehe die Wärmeableiter unter den Anschlußflächen 32 angeordnet werden, wird eine ausgewählte Lotmenge an jeder oberen Elektrode angeordnet, und dann wird eine Kraft 50 auf den Plattformabschnitt 24 aufgebracht, wie dies in Fig. 9 durch die Pfeile 50 angedeutet ist, um die Anschlußflächen 32 über eine dünne Schicht aus Lot 48 aus der Sicht von Fig. 10 in Eingriff mit den oberen Elektroden der Halbleiterelemente 40 vorzuspannen, wobei der tatsächliche Abstand zwischen den Anschlußflächen 32 und den Elektroden in der Größenordnung von 0,0508 mm (0,002 Inch) oder weniger liegt. Das Lot 48 ist aus einem elektrisch hochleitfähigen Material gebildet und über seiner eutektischen Temperatur relativ viskos. Ein geeignetes Lot weist z.B. 65% Zinn, 25% Silber und 10% Antimon auf. Dieses spezielle Lot ist dadurch gekennzeichnet, daß es Rückflußeigenschaften aufweist, die zur Folge haben, daß das Lot nur in dem gewünschten Elektrodenbereich gehalten wird, und daß der Pegel des elektrischen Widerstandes in der Größenordnung von weniger als 1 Milliohm liegt. Das Eutektikum liegt bei etwa 232ºC und wird in Form einer Paste aufgebracht, die aus der Sicht von Fig. 10 einen Meniskus mit der Seitenwand bildet, die die Unterseite der Anschlußfläche 32 begrenzt. Auf die obere Elektrode wird eine ausreichende Menge Lot aufgebracht, so daß das Lot bei einer Zerstörung des Halbleiterelements schmilzt und eine ausreichende Menge bleibt, um die Hohlräume in dem Silicium zu füllen und eine elektrische Brücke von der Anschlußfläche 32 zu der damit ausgerichteten Bodenelektrode des Elements 40 und dem Wärmeableiter 42 zu bilden. Andererseits muß darauf geachtet werden, daß nicht soviel Lot auf die obere Elektrode aufgebracht wird, daß der Pfad überbrückt und die Vorrichtung unbrauchbar werden könnte, wenn die Anschlußfläche 32 ursprünglich gelötet wird.
In Fig. 8 ist am besten zu sehen, daß die Plattformen 24 über die Ebene angehoben sind, in der der Leiterrahmen 20 liegt, womit ein Freiraum zwischen den Plattformen und den Halbleiterelementen vorgesehen wird, und wobei sich die Finger 30 und 30' nach unten und zueinander erstrecken. Die Anschlußfläche 32 des Fingers 30 liegt in der Ebene des Leiterrahmens, während die Anschlußfläche 32 des Fingers 30' in einem Abstand über der Ebene des Leiterrahmens angeordnet ist, der so gewählt ist, daß die Dicke des Halbleiterelements 40 untergebracht wird. Die Anschlußflächen 32 beider Finger 28 sind im Abstand über der Ebene des Leiterrahmens angeordnet, um auch entsprechende Halbleiterelemente unterzubringen. Die Anschlußflächen 32 des Fingers 30 und die Anschlußfläche 34 des Anschlußleiters C, die in der gleichen Ebene wie der Leiterrahmen liegt, sind also an die Wärrneableiterplatten 44 bzw. 42 gelötet, während die Anschlußflächen 32 der Finger 28, 28 und 30' an die obere Elektrode der entsprechenden Halbleiterelemente 40 gelötet sind, während eine Kraft 50 auf die Plattformen 24 aufgebracht wird, um sicherzustellen, daß die Anschlußflächen 32 der Finger 28, 28 und 30' im wesentlichen an eine entsprechende obere Elektrode angrenzen.
Nach dem Abschluß des Lötschritts wird die Kraft 50 aufgehoben, und die Plattformen 24 der Anschlußleiter A und B sowie die Anschlußfläche 34 des Anschlußleiters C zusammen mit den Wärmeableiterplatten 42, 44 und den Halbleiterelementen 40 werden in ein geeignetes wärmeleitfähiges und elektrisch isolierendes Material 14 eingekapselt. Man hat herausgefunden, daß beispielsweise ein geeignetes Harzmaterial, das mit 70-80% Aluminiumoxid und 5-10% Siliciumoxid gefüllt ist, akzeptabel ist. Nach dem Aushärten der Einkapselung wird die Schutzvorrichtung zusammen mit dem Streifen, der die Anschlußleiter A, B und C verbindet, von dem Leiterrahmen getrennt.
Die wie oben beschrieben hergestellte Schutzvorrichtung sieht einen ausgeglichenen Überspannungsschutz zwischen der B-Ader und der A-Ader, der B-Ader und C-Ader sowie der A-Ader und der C-Ader, d.h. zwischen A und B, A und C sowie B und C vor.
Fig. 13 und 14 zeigen eine Ausführungsform, die auch in Fig. 1 gezeigt ist und bei der zwischen der B-Ader und der C-Ader sowie der A-Ader und der C-Ader ein Schutz vorgesehen wird, indem erste und zweite Halbleiterelemente 40 verwendet werden, die auf einer Wärmeableiterplatte 42 angebracht sind. Die Anschlußflächen 32 der Finger 28 werden an die obere Elektrode eines entsprechenden Halbleiterelements gelötet, nachdem eine Kraft aufgebracht ist, um sicherzustellen, daß die Anschlußfläche wie bei der vorhergehenden Ausführungsform im wesentlichen mit der oberen Elektrode in Eingriff steht. Die Anschlußfläche 34, die in der Ebene des Leiterrahmens 20 liegt, wird gleichzeitig an die Wärmeableiterplatte 42 gelötet. Dann wird die Vorrichtung auf die gleiche Weise wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform eingekapselt und von dem Leiterrahmen getrennt.
Die erfindungsgemäß hergestellten Vorrichtungen sehen zuverlässig und wirksam einen gewünschten ersten Pegel eines Überspannungsschutzes vor und können den zweiten Pegel des Überspannungsschutzes mit besserer Geschwindigkeit und zuverlässigkeit vorsehen, indem sie beim Ausfall geschlossen oder im Kurzschluß sind, wobei keine bewegten Teile vorgesehen sind, um einen geeigneten Schutz für Schaltungskomponenten und Telekommunikationsanlagen bei dem neuen Überspannungsschutzsystem der Erfindung vorzusehen.
Es versteht sich, daß zwar spezielle Ausführungsformen der Erfindung zur Veranschaulichung beschrieben wurden, daß die Erfindung aber alle Modifizierungen und Äquivalente der offenbarten Ausführungsformen erfaßt, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

1. Überspannungsschutzvorrichtung (10, 12) zum Schutz von Telekommunikationsanlagen, die mit der A-Ader, der B-Ader und der C-Ader von Telefonleitungen gekoppelt sind, mit einem Siliciumhalbleiterelement (40) mit einem Sperrdurchbruchs-pn-Übergang und einer oberen sowie einer unteren Fläche, einer ersten Elektrode, die an der oberen Fläche angeordnet ist, sowie einer zweiten Elektrode, die an der unteren Fläche angeordnet ist, einer allgemein flachen, elektrisch leitfähigen Wärmeableiterplatte (42, 44), wobei das Siliciumhalbleiterelement (40) an der Wärmeableiterplatte (42, 44) derart angebracht ist, daß die zweite Elektrode damit in elektrischer und Wärmeverbindung steht, einem ersten Anschlußleiter (A, B) mit einem in einer Ebene liegenden Anschlußabschnitt (22), wobei der Anschlußleiter (A, B) einen Plattformabschnitt (24) aufweist, der über dem Anschlußabschnitt (22) angeordnet ist und einen Finger (28, 30) aufweist, der sich zu der Ebene nach unten erstreckt sowie eine flache Anschlußfläche (32) mit Seitenwänden und einer Bodenfläche aufweist, wobei die Bodenfläche über eine dünne Lotschicht (48) in physischem Eingriff mit der ersten Elektrode steht und mit ausreichend Lot daran gelötet ist, damit das Lot (48) wie bei einem Docht nach oben an die Seitenwände der Anschlußfläche (32) steigt und damit einen Meniskus bildet, sowie einem zweiten, allgemein flachen Anschlußleiter (C), der in der Ebene liegt und einen distalen Endabschnitt hat, der physisch und elektrisch mit dem Wärmeableiter (42) verbunden ist, und wobei elektrisch isolierendes, wärmeleitfähiges Material das Element (40), die Wärmeableiterplatte (42, 44) sowie Abschnitte der ersten und der zweiten Anschlußleiter (A, B, C) verkapselt, wodurch eine Zerstörung des Siliciumhalbleiterelements (40), die Hohlräume in dem Silicium erzeugt und die durch Überspannungs- und Überstrombedingungen verursacht wird, zur Folge hat, daß das Lot (48) zwischen der Anschlußfläche (32) des ersten Anschlußleiters (A, B) und der ersten Elektrode schmilzt und beim Schmelzen in die Hohlräume in dem Siliciumelement (40) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode fließt, um zu bewirken, daß die Überspannungsschutzvorrichtung (10, 12) beim Ausfall geschlossen ist, wodurch verhindert wird, daß Strom mit den Telefonleitungsadern gekoppelte Telekommunikationsanlagen erreicht.

2. Überspannungsschutzvorrichtung (10, 12) nach Anspruch 1, bei welcher der erste Anschlußleiter (A, B) aus einem flachen, nickeiplattierten Kupfermaterial mit einem Querschnitt von 0,516128 mm² (800 mil²) gebildet ist.

3. Überspannungsschutzvorrichtung (10, 12) nach Anspruch 1, bei welcher zwei Siliciumhalbleiterlemente (40) mit jeweils einem Sperrdurchbruchs-pn-Übergang an der Wärmeableiterplatte (42, 44) angebracht sind und zwei erste Anschlußleiter (A, B) mit einer Plattform (24) und einem Finger (28, 30) mit einer Anschlußfläche (32) vorgesehen sind, wobei mit jedem Element (40) jeweils ein erster Anschlußleiter elektrisch verbunden ist.

4. Überspannungsschutzvorrichtung (10, 12) nach Anspruch 3, die ferner eine zweite, allgemein flache, elektrisch leitfähige Wärmeableiterplatte (42, 44) aufweist, wobei ein drittes Siliciumhalbleiterlement (40) mit Sperrdurchbruchs-pn-Übergang an der zweiten Wärmeableiterpiatte (42, 44) angebracht ist, wobei die beiden ersten Anschlußleiter (A, B) einen zweiten Finger (28, 30) aufweisen, der sich nach unten zu der Ebene erstreckt und eine flache Anschlußfläche (32) aufweist, wobei die Anschlußfläche (32) eines zweiten Fingers (28, 30) an eine erste, an der oberen Fläche des Halbleiterelements (40) angeordnete Elektrode gelötet ist und die Anschlußfläche (32) des anderen zweiten Fingers (28, 30) an die zweite Wärmeableiterplatte (42, 44) gelötet ist.

5. Überspannungsschutzvorrichtung (10, 12) nach Anspruch 1, bei welcher das elektrisch leitfähige Lot (48) zum Löten des distalen Endabschnitts an die erste Elektrode etwa 65% Zinn, 25% Silber und 10% Antimon aufweist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Überspannungsschutzvorrichtung (10, 12) nach Anspruch 1, die inbesondere zum Schutz von Telekommunikationsanlagen geeignet ist, die mit der A-Ader, der B-Ader und der C-Ader von Telefonleitungen gekoppelt sind, das folgende Schritte umfaßt: man nimmt ein Siliciumhalbleiterelement (40) mit einem ersten Sperrdurchbruchs-pn-Übergang und einer ersten und einer zweiten Elektrode, der Körper wird an einem elektrisch leitfähigen Wärmeableiter (42, 44) angebracht, wobei eine Elektrode elektrisch mit dem Wärmeableiter (42, 44) verbunden ist, man nimmt einen ersten elektrisch leitfähigen Anschlußleiter (A, B) mit einem distalen Endabschnitt, man gibt eine ausgewählte Menge Lotpaste auf die andere Elektrode, der distale Endabschnitt wird über die Lotpaste an der anderen Elektrode angeordnet, der erste, elektrisch leitfähige Anschlußleiter (A, B) wird mit einer ausgewhlten Kraft gegen die andere Elektrode gezwungen, wobei die an der anderen Elektrode angeordnete Lotmenge ausreicht, damit das Lot wie bei einem Docht nach oben an die Seitenwände gelangt, die den distalen Endabschnitt bilden, wenn der distale Endabschnitt gegen die andere Elektrode gezwungen wird, und der erste, elektrisch leitfähige Anschlußleiter (A, B) wird an die andere Elektrode gelötet, wobei ein zweiter, elektrisch leitfähiger Anschlußleiter (C) mit dem Wärmeableiter (42, 44) elektrisch verbunden wird, und der Körper, der Wärmeableiter (42, 44) sowie Abschnitte der ersten und der zweiten, elektrisch leitfähigen Anschlußleiter (A, B, C) werden eingekapselt, wodurch eine Zerstörung des Halbleiterelements (40), die Hohlräume in dem Silicium erzeugt und die durch Überspannungs und Überstrombedingungen verursacht wird, zur Folge hat, daß das Lot zwischen der Anschlußfläche des ersten Anschlußleiters (A, B) und der ersten Elektrode schmilzt und beim Schmelzen in die Hohlräume in dem Siliciumelement (40) zwischen die erste und die zweite Elektrode fließt, um zu bewirken, daß die Überspannungsschutzvorrichtung (10, 12) beim Ausfall geschlossen ist, wodurch verhindert wird, daß Strom mit den Telefonleitungsadern gekoppelte Telekommunikationsanlagen erreicht.

7. Verfahren zur Herstellung einer Überspannungsschutzvorrichtung (10, 12) nach Anspruch 6, bei welchem der erste, elektrisch leitfähige Anschlußleiter (A, B) vor dem Löten etwa 0,0508 mm (0,002 Inch) von der anderen Elektrode angeordnet wird.

8. Verfahren zur Herstellung einer Überspannungsschutzvorrichtung (10, 12) nach Anspruch 7, bei welchem der erste, elektrisch leitfähige Anschlußleiter (A, B) aus Kupfer mit einem Querschnitt von wenigstens etwa 0,516128 mm² (800 mil²) gebildet ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Überspannungsschutzvorrichtung (10, 12) nach Anspruch 6, bei welchem das zum Löten des ersten, elektrisch leitfähigen Anschlußleiters an die andere Elektrode verwendete Lot etwa 65% Zinn, 25% Silber und 10% Antimon aufweist.