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Hintergrund
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Die
Erfindung der Anmelder betrifft allgemein Vorrichtungen zum Schutz
einer elektrischen Ausrüstung
und Verfahren zur Herstellung solcher Vorrichtungen, wobei diese
Vorrichtungen gemeinhin als "Überspannungsschutzvorrichtungen" oder "Schutzvorrichtungen
gegen transiente Spannungen" bezeichnet
werden. Schutzvorrichtungen gegen transiente Spannungen wurden als
Antwort darauf entwickelt, daß die
sich ständig
vergrößernde Anzahl
von elektronischen Vorrichtungen, auf die die heutige Technologiegesellschaft
angewiesen ist, vor hohen Spannungen geschützt werden müssen. Elektrische Überspannungen
können
beispielsweise durch eine elektrostatische Entladung oder Spannungsspitzen, die
durch menschlichen Kontakt übertragen
werden, erzeugt werden. Beispiele für eine elektrische Ausrüstung, die
normalerweise eine Überspannungsschutzausrüstung verwendet,
sind u. a. Telekommunikationssysteme, Computersysteme und Steuerungssysteme.
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Jüngste Entwicklungen
in der Technologie des Überspannungsschutzes
konzentrieren sich auf die Verwendung eines Materials mit einer
variablen Impedanz, die beispielsweise einen Signalleiter mit einem
Erdleiter verbindet. Das impedanzvariable Material weist einen relativ
hohen Widerstand auf (hier als "Aus-Zustand" bezeichnet), wenn
die Spannung und/oder der Strom, der durch den Signalleiter fließt, in einem
vorgegebenen Bereich ist, während
der Signalleiter nicht geerdet ist.
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Wenn
jedoch der Signalleiter einer Spannung ausgesetzt wird, die die
Schwelle überschreitet, für die das
impedanzvariable Material (und die Überspannungsschutzvorrichtung
im allgemeinen) ausgelegt worden ist, dann ändert sich die elekt rische
Charakteristik des impedanzvariablen Materials, so daß das Material
eine relativ niedrige Impedanz aufweist (hier als "Ein-Zustand" bezeichnet). Dabei
wird die Impuls- oder Überspannung,
der der Signalleiter ausgesetzt ist, zum Erdleiter abgeleitet, und
die Spannung, die dem Impuls zugeordnet ist, wird für die Dauer
des Impulses auf einen relativ niedrigen Wert begrenzt. Dabei wird
die Schaltungsanordnung, die dem Signalleiter zugeordnet ist, geschützt.
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Das
impedanzvariable Material erholt sich, nachdem der Spannungs- oder
Stromimpuls hindurchgelaufen ist, und kehrt zu seinem Zustand hoher
Impedanz zurück.
Der Signalleiter und die zugeordnete Schaltungsanordnung können also
ihren normalen Betrieb fortsetzen, kurz nachdem der Impuls geendet
hat.
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Es
sind verschiedene Typen von impedanzvariablen Materialien, mitunter
auch als "überspannungsempfindliche
Verbindungen" bezeichnet,
bekannt. Diese Materialien können
beispielsweise als ein Gemisch aus leitenden und/oder halbleitenden Partikeln
hergestellt sein, die als Matrix in einem Bindematerial suspendiert
sind, das beispielsweise ein Isolierharz sein kann. Zahlreiche Beispiele
für diese Typen
von Materialien finden sich in der Patentliteratur, einschließlich US-Patent 5 393 596
und 5 260 848 von Childers, US-Patent 4 977 357 und 5 068 634 von
Shrier und US-Patent 5 294 374 von Martinez.
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Das
US-Patent 5 278 535 von Xu et al. beschreibt eine elektrische Überspannungsimpulsschutzvorrichtung,
die ein impedanzvariables Material verwendet. Insbesondere stellen
Xu et al. ein dünnes
flexibles Laminat zum Aufbringen als Deckschicht auf die Anschlußstifte
eines Verbinders bereit. Das Laminat weist ein elektrisch isolierendes Substrat,
eine mit Löchern
versehene leitende dünne Anschlußstiftaufnahme-Kontaktschicht, ein
getrenntes Erdungsband nahe den Kontakten und einen elektrisch isolierenden Überzug auf.
Das elektrische überlastungsimpulsempfindliche
Verbundmaterial ist so positioniert, daß es die Kontakte und das Erdungsband überbrückt.
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Das
Patent von Xu et al. verwendet jedoch herkömmliche Halbleiterherstellungstechniken,
um die Impulsschutzvorrichtung herzustellen, nämlich das Ausbilden des Substrats
aus ei nem herkömmlichen
Harzmaterial, z. B. des Typs, der normalerweise für Substrate
von gedruckten Leiterplatten verwendet wird. Ebenso beschreiben
Xu et al. die Ausbildung der leitenden Elemente unter Verwendung
von Ätztechniken,
die auch in der Halbleiterherstellung bekannt sind. Diese Techniken
sind zwar geeignet, wenn man mit Dünnfilmmetalleitern arbeitet,
aber die Anmelder haben festgestellt, daß andere Techniken und Materialien
erwünschter
sind, wenn Signal- und Erdleitungselemente mit einer größeren Dicke,
z. B. in der Größenordnung
von 0,5 bis 1,0 mil (0,0127 mm bis 0,0254 mm) oder mehr hergestellt
werden.
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US-A-3
676 742 offenbart eine Vorrichtung zum Schutz von transienten Überspannungen
mit einem Substrat mit leitenden Leitungen zum Verbinden elektrischer
Komponenten und mit einer Funkenstrecke, die mit Luft oder Glas
gefüllt
ist.
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US-A-4
586 105 offenbart eine Hochspannungsschutzvorrichtung mit einem
mit Band überzogenen
Lichtbogenspalt von 2,5 bis 15 mil (0,0635 bis 0,381 mm) zwischen
den Entladungspunkten.
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Zusammenfassung
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Bei
der Herstellung einer Funkenstrecke bzw. eines Spalts zwischen einem
Signalleiter und einem Erdleiter, der mit einem impedanzvariablen
Material zu füllen
ist, haben die Anmelder festgestellt, daß eine wiederholbare Genauigkeit
der Spaltabmessungen für
die Herstellung eines kommerziell erwünschten Produkts wichtig ist.
Die Genauigkeit der Spaltabmessungen sind bedeutsam, da die elektrische
Charakteristik der Vorrichtung, z. B. die Triggerspannung, die Begrenzungsspannung
und die Stromdichte, teilweise durch die Größe und Form des Spalts bestimmt
wird.
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Demzufolge
wäre es
erwünscht,
neue Techniken zur Herstellung von Überspannungsschutzvorrichtungen
zu entwickeln, bei denen der Spalt zwischen einem Signalleiter und
einem Erdleiter mit einem hohen Grad an Genauigkeit ausgebildet
ist, wobei die Genauigkeit in einer Herstellungsumgebung wiederholbar
ist und dennoch Techniken nicht so teuer sind, daß die entstehenden Überspannungsschutzvorrichtungen
kostenmäßig am Markt
nicht konkurrieren können.
Gleichzeitig wäre
es erwünscht,
die Materialien zu optimieren, die verwendet werden, um solche Vorrichtungen
herzustellen, um eben diese Aufgaben zu lösen. Diese Aufgaben werden
mit den Merkmalen der Ansprüche
gelöst.
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Gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der Erfindung weist ein Verfahren zur Herstellung einer Überspannungsschutzvorrichtung
beispielsweise mit einem Erdleiter und mindestens einem anderen
Leiter die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Substrats;
Ausbilden einer leitenden Schicht auf dem Substrat; und Einsägen der
leitenden Schicht auf dem Substrat, um einen Spalt zu erzeugen,
der die leitende Schicht mindestens in den Erdleiter und den mindestens
einen anderen Leiter trennt. Das Substrat kann aus einem Keramikmaterial
oder Nichtkeramikmaterialien, z. B. FR-4, ausgebildet sein. Wenn
ein Keramikmaterial als Substrat verwendet wird, dann wird bevorzugt,
daß ein
solches Keramikmaterial eine Dichte von weniger als etwa 3,8 g/cm3 hat. Beispielsweise sind Forsterit und
Calciumborsilicat zwei solche Keramikmaterialien. Das Sägen zur
Erzeugung des Spalts kann beispielsweise mit einer Diamanttrennsäge beispielsweise
mit Diamantpartikeln erfolgen, die vorzugsweise nicht größer als
5 μm sind.
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Gemäß einer
weiteren exemplarischen Ausführungsform
der Erfindung weist eine Vorrichtung auf: ein Keramiksubstrat mit
einer Dichte von weniger als etwa 3,8 g/cm3,
einen Erdleiter und mindestens einen anderen Leiter, die auf dem
Keramiksubstrat ausgebildet sind, so daß sie im wesentlichen koplanar
sind und durch einen Spalt voneinander getrennt sind; und ein impedanzvariables
Material, das im Spalt angeordnet ist und in Kontakt mit dem Erdleiter und
dem mindestens einen anderen Leiter ist. Das Keramiksubstrat hat
vorzugsweise eine Rohdichte von weniger als 3,5 g/cm3 und
optimal eine Dichte von weniger als 3,0 g/cm3.
Insbesondere haben die Anmelder Forsterit (2MgSiO2)
mit einer Volumendichte von 2,8 g/cm3 und
Calciumborsilicat mit einer Volumendichte von 2,5 g/cm3 als
Materialien erkannt, die für
erfindungsgemäße Substrate
gut geeignet sind. Durch eine erfindungsgemäße Auswahl von keramik- oder
glasbasierten Materialien kann der Spalt zwischen dem Erd- und dem
Signalleiter mit den gewünschten
Abmessungen und einer guten Kantenschärfe genau ausgebildet werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
Merkmale und Vorteile der Erfindung der Anmelder werden beim Lesen
dieser Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verständlich,
die folgenden zeigen:
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1A stellt
einen Abschnitt eines diskreten Überspannungsschutzelements
dar;
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1B stellt
das diskrete Überspannungsschutzelement
gemäß 1A mit
dem impedanzvariablen Material dar;
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2A bis 2D zeigen
diskrete Überspannungsschutzelemente
in verschiedenen Stadien der Herstellung zur Darstellung von Verfahren
zur erfindungsgemäßen Herstellung
solcher Elemente;
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3 stellt
eine Diamanttrennsäge
dar, die verwendet wird, um eine erfindungsgemäße Funkenstrecke bzw. Spalt
zwischen Leitern zu sägen;
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4A bis 4F stellen
eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzvorrichtung
dar, die an einem Verbinder angebracht werden kann; und
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5 stellt
ein Diagramm des Stroms und der Spannung bei einem Versuch einer
erfindungsgemäß hergestellten
Vorrichtung dar.
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Ausführliche Beschreibung
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Eine
exemplarische Ausführungsform
der Erfindung ist in 1A und 1B dargestellt,
wobei diese Figuren dazu dienen, die hierin verwendete Terminologie
zu erklären. 1 zeigt ein diskretes Überspannungsschutzelement,
d. h. ein Überspannungsschutzelement,
das als Teil einer Leiterplatte verwendet werden kann, wobei jedoch
auch andere Anwendungen der Erfindung denkbar sind, z. B. die Verwendung
von erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtungen
als Teil eines Verbinders. Das diskrete Überspannungsschutzelement weist
ein Substrat 10 auf, auf dem zwei Leiter 12 und 14 ausgebildet
sind. In diesem Beispiel ist der Leiter 12 der Erdleiter,
während
der Leiter 14 ein signal- oder stromführender Leiter ist. Eine Funkenstrecke
bzw. ein Spalt 16 ist zwischen den Leitern 12 und 14 ausgebildet.
Man beachte, daß 1A zwar
den Spalt als sich bis zur Oberfläche des Substrats 10 erstreckend
darstellt, aber bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung ein Erstrecken des Spalts in das Substrat hinein aufweisen.
Wie oben beschrieben, hängt die
elektrische Charakteristik des Überspannungsschutzelements
teilweise von der Genauigkeit ab, mit der der Spalt 16 ausgebildet
ist. Die Genauigkeit der Tiefe, Breite und Gleichförmigkeit
der Kanten 18 und 20 (hierin als "Kantenschärfe" bezeichnet), die
dem Spalt 16 zugeordnet ist, wird durch die nachstehend beschriebenen
Techniken genau gesteuert.
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1B zeigt
das diskrete Überspannungsschutzelement
gemäß 1A,
wobei ein impedanzvariables Material 22 den Spalt 16 füllt. Erfindungsgemäß kann jedes
bekannte impedanzvariable Material verwendet werden, einschließlich solcher,
die in den oben erwähnten
Patenten beschrieben sind, sowie solcher, die aus dielektrischen
Polymeren, Glas, Keramik und deren Verbundstoffen hergestellt sind.
Diese Materialien können
beispielsweise leitende und/oder halbleitende Partikel aufweisen
oder mit diesen gemischt sein, um die gewünschte elektrische Charakteristik
zu erreichen. Obwohl jedes impedanzvariable Material verwendet werden
kann, ist ein gegenwärtig
bevorzugtes impedanzvariables Material dasjenige, das von SurgX
Corporation hergestellt wird und von SurgX als Formulierung Nr.
F1-6B bezeichnet wird.
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Nachdem
die Struktur eines erfindungsgemäßen exemplarischen
diskreten Überspannungsschutzelements
beschrieben worden ist, wird nachstehend ein Verfahren zur Herstellung
von Überspannungsschutzvorrichtungen
mit Bezug auf 2A bis 2F beschrieben.
Viele solche Vorrichtungen können auf
einer einzelnen Scheibe hergestellt werden. Der Prozeß beginnt
mit der Auswahl eines geeigneten Materials für die Substratscheibe 30.
Obwohl der Einfachheit halber in 2A als
Rechteck dargestellt, wird der Fachmann anerkennen, daß die Form
der Scheibe, die von einem Scheibenhersteller bereitgestellt wird,
variieren kann und beispielsweise kreisförmig sein kann.
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Da
die Anmelder festgestellt haben, daß die Ausbildung des Spalts
durch Sägen
eine bevorzugte Technik ist, um den ge wünschten, genau bemessenen Spalt
zwischen den Leitern auszubilden, wird ein keramik- oder glasbasiertes
Material als Substrat 30 bevorzugt. Obwohl die vorliegende
Erfindung jedes beliebige Keramikmaterial und glasbasierte Material vorschlägt, ist
festgestellt worden, daß bestimmte
keramik- und glasbasierte Materialien vom Standpunkt der Herstellung
optimal sind. Insbesondere sollten keramik- und glasbasierte Materialien
gewählt
werden, die eine ausreichend niedrige Dichte haben, so daß eine Diamanttrennsäge den Spalt
(1) mit einer ausreichenden Kantenschärfe herstellen kann und (2)
ohne die Säge
so schnell, wie es ökonomisch nicht
tragbar wäre,
zu verschleißen.
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Auf
der Grundlage ihrer Versuche haben die Anmelder festgestellt, daß bevorzugte
keramik- und/oder glasbasierte Materialien eine Dichte von weniger
als 3,8 g/cm3, vorzugsweise weniger als
3,5 g/cm3 und optimal eine Dichte von weniger
als 3,0 g/cm3 haben. Insbesondere haben
die Anmelder Forsterit (2MgSiO2) mit einer
Volumendichte von 2,8 g/cm3 und Calciumborsilicat
mit einer Volumendichte von 2,5 g/cm3 als
Materialien erkannt, die für
erfindungsgemäße Substrate
gut geeignet sind. Der Fachmann wird jedoch anerkennen, daß jede Keramik,
z. B. ein Material im ternären MgO-A2O3-SiO2-System,
oder andere Materialien mit ähnlichen
Eigenschaften oder Glasverbundmaterialien mit einer hinreichend
niedrigen Volumendichte, bei denen Sägen anderweitig möglich ist,
als erfindungsgemäßes Substrat
verwendet werden können.
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Nach
Auswahl eines geeigneten Substrats 30 besteht der nächste Schritt,
dessen Ergebnis in 2B dargestellt ist, darin, das
Substrat mit einer Metallisierung zu strukturieren. In dieser exemplarischen
Ausführungsform,
wo diskrete Überspannungsschutzvorrichtungen
hergestellt werden, kann die Metallisierung die Form von langgestreckten
Leitungen 32 haben, die auf dem Substrat 30 durch
Bereiche 34 beabstandet sind. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform
der Erfindung können
die Metallisierungsleitungen 32 durch Aufbringen von Silberpalladium
mittels Siebdruck auf das Substrat 30 ausgebildet werden.
Selbstverständlich
wird der Fachmann anerkennen, daß andere leitende Materialien
verwendet werden könnten,
einschließlich
beispielsweise Kupfer, Gold, Nickel usw.
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Die
Breite und Dicke der Leitungen 32 kann auf der Grundlage
der Belastungen gewählt
werden, die für
die herzustellenden diskreten Überspannungsschutzelemente
gewünscht
sind. Gemäß einer exemplarischen
Ausführungsform
haben die Anmelder festgestellt, daß eine Breite von etwa 0,040
Inch (1,016 mm) und eine Dicke von 0,5 bis 1,0 mil (0,0127 bis 0,0254
mm) ein gute Funktion ermöglichen,
wobei jedoch der Fachmann anerkennen wird, daß diese Werte lediglich zu
Illustrationszwecken hierin aufgeführt sind.
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Nachdem
die Metallisierung auf der Substratscheibe 30 ausgebildet
worden ist, werden die Sägeoperationen
durchgeführt,
um die Spalte zwischen den Leitern auszubilden und die Substratscheibe 30 in
ihre einzelnen diskreten Überspannungsschutzvorrichtungen
zu vereinzeln. Wie bereits ausgeführt, haben die Anmelder das
Sägen gegenüber anderen Techniken
ausgewählt,
die verwendet werden könnten,
um den Spalt zwischen den Leitern auszubilden, z. B. das Einschneiden
des Spalts mit einem Laser, und zwar wegen seiner Genauigkeit in
bezug auf die Spaltbreite, Tiefe und Kantenschärfe. Näheres zu Diamanttrenntechniken,
die verwendet werden können, um
die Spalten einzuschneiden und das Scheibensubstrat 30 zu
vereinzeln, sind nachstehend ausgeführt.
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Um
den gesägten
Spalt darzustellen, der zwischen den beiden Leitern ausgebildet
ist, ist eine einzelne diskrete Vorrichtung, die aus einem Ausschnitt 36 des
Scheibensubstrats 30 ausgeschnitten ist, in 2C vergrößert. Diese
Vorrichtung wurde vom Scheibensubstrat 30 abgeschnitten,
indem horizontal durch die Substratscheibe 30 entlang der
Bereiche 34 und vertikales entlang der Metallisierung 32 gesägt wurde.
Wenn ein Spalt 40 vollständig durch die Metallisierung 32 hindurch
und teilweise durch das Scheibensubstrat 30 hindurch gesägt wird,
werden die beiden getrennten Leiter 42 und 44 ausgebildet,
von denen einer geerdet werden kann, wenn er an einer gedruckten
Leiterplatte (nicht dargestellt) angebracht wird.
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Der
Spalt 40 kann so gesägt
werden, daß er eine
beliebige gewünschte
Breite hat, beispielsweise zwischen 0,5 und 3,0 mil (0,0127 und
0,0762 mm), vorzugsweise zwischen 0,8 und 1,1 mil (0,0203 und 0,02794
mm) und besonders bevorzugt etwa 1 mil (0,0254 mm). Der Fachmann
wird anerkennen, daß andere
Spaltbreiten erwünscht
sein können,
z. B. kann die Spaltbreite erhöht
werden, um die Begrenzungsspannung zu erhöhen oder einfach um die Herstellung
weniger komplex zu machen, und daß solche Varianten im Schutzbereich
der Erfindung liegen. Die Vorrichtung kann dann abgeschlossen werden, indem
jedes Ende mit einem leitenden Material 46 abgedeckt wird.
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Der
Spalt wird dann mit einem impedanzvariablen Material 48 gefüllt, wie
in 2D dargestellt. Wie oben beschrieben, kann ein
beliebiges bekanntes impedanzvariables Material verwendet werden, wobei
jedoch das gegenwärtig
bevorzugte Material von SurgX Corporation vertrieben wird und als
dessen Formulierung Nr. F1-6B bezeichnet wird. In der exemplarischen
Ausführungsform,
die in 2D dargestellt ist, kann ein
kreisförmiger
Abschnitt des impedanzvariablen Materials 48 aufgebracht
werden, um den Spalt 40 zu überbrücken, und eine annähernd kreisförmigen Platzbedarf
von etwa 0,050 Inch (1,27 mm) auf diesem haben. Gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
wird das impedanzvariable Material 48 in den Spalt 40 unter
Verwendung einer Spritze unter Zwang eingebracht, so daß das Material
im wesentlichen den Spalt 40 vollständig ausfüllt. Um sicherzustellen, daß das impedanzvariable
Material 48 die gesamte Fläche der Spaltkanten jedes Leiters
(d. h. die Kanten 18 und 20 in 1)
im wesentlichen berührt,
kann der Spalt 40 unter der Oberfläche der Substratscheibe 30 eingesägt werden.
Beispielsweise kann sich der Spalt etwa 0,005 Inch (0,127 mm) jenseits
der Metallisierung in die Substratscheibe 30 erstrecken.
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Sägen ist
die bevorzugte Technik zur Ausbildung des Spalts zwischen den Leitern,
in die das impedanzvariable Material eingeführt wird, und zwar unter anderem
wegen der Genauigkeit, mit der der Spalt hergestellt werden kann.
Das Sägen
erfordert die Aufwendung eines Drucks auf ein Material, so daß dieses
absplittert, um eine Öffnung
zu bilden. Um einen Spalt mit einer hinreichenden Genauigkeit in
bezug auf die Breite, Tiefe und Kantenschärfe zu erreichen, sollten die
Parameter des Sägevorgangs daher
sorgfältig
gesteuert werden. Gemäß exemplarischen
Ausführungsformen
der Erfindung wird eine Diamanttrennsäge verwendet, wie in 3 dargestellt.
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Die
Säge weist
eine Sägenabe 50 und
eine Spindel 52 auf, an der das Sägeblatt 54 drehbar
angeordnet ist. Als Alternative kann eine nabenlose Säge verwendet
werden. Das Sägeblatt 54 kann
beispielsweise 1 mil (0.0254 mm) dick und vorzugsweise mit einer
Lösung
aus Nickel- und Diamantpartikeln elektroplattiert sein. Die Größe der Diamantpartikel beeinflußt die Größe der Splitter
und somit die Kantenschärfe.
Demzufolge haben die Anmelder festgestellt, daß die Diamantpartikel vorzugsweise
5 μm oder
weniger groß sein
sollten. Andere Sägeparameter
beeinflussen auch die Genauigkeit des Spalts. Insbesondere sollte
der freiliegende Teil ("E" in 3)
des Blattes 54 jenseits der Nabe 50 minimiert werden,
um ein Flattern des Blattes und diesbezügliche Ungenauigkeiten in der
Spaltbreite zu vermeiden. Darüber
hinaus sollte auch die Vorschubgeschwindigkeit des Substrats in
bezug auf die Säge und
die Spindeldrehzahl des Blattes berücksichtigt werden, wie der
Fachmann anerkennen wird.
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Obwohl
die vorstehenden exemplarischen Ausführungsformen in bezug auf diskrete Überspannungsschutzelemente
beschrieben worden sind, die direkt in gedruckte Leiterplatten einbezogen
werden können,
wird der Fachmann auch anerkennen, daß die Erfindung auf jeden physischen
Aufbau einer Überspannungsschutzvorrichtung
angewendet werden kann. Beispielsweise können die Herstellungsschritte,
die oben für
die Herstellung und Trennung mehrerer diskreter Vorrichtungen von
einer großen Scheibe
beschrieben sind, auch verwendet werden, um eine mit einem Durchgangsloch
versehene elektrische Schutzvorrichtung zur Verwendung mit einem beliebigen
aus einer Vielzahl von elektrischen Verbindern, z. B. ein RJ-(d.
h. Telefon-)Stecker, ein D-SUB-Stecker (d. h. Mehrfachpin-Computerkabelstecker)
usw., herzustellen. Solche elektrische Schutzvorrichtungen haben
im wesentlichen die gleiche Strukturcharakteristik in allen elektrischen
Verbindern, mit Ausnahme von Abweichungen in Form/Größe und Schaltungsstruktur,
wie der Fachmann anerkennen wird.
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Für jeden
Verbinder wird eine verbinderbezogene Vorrichtung derartig verwendet,
daß mindestens
ein Verbinderanschlußstift
in ein Durchgangsloch in der Vorrichtung paßt, wobei mindestens einen Erdanschlußstift in
mindestens ein Erdungsdurchgangsloch in der Vorrichtung paßt und das/die
Erdungsdurchgangsloch/löcher
in der Vorrichtung elektrisch von dem/den anderen Durchgangsloch/löchern getrennt
sind, bis ein Überspannungszustand
auftritt. Als Beispiel für
diesen Typ von Ausführungsform
der Erfindung wird daher nur eine Schutzvorrichtung für einen
RJ-11-Verbinder zu Darstellungszwecken beschrieben.
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4A stellt
eine Überspannungsschutzvorrichtung
für einen
RJ-11-Verbinder gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der Erfindung dar. Dabei hat ein keramik- oder glasbasiertes Substrat 60 eine
durch Siebdruck aufgebrachte Metallisierungsschicht 62,
wie oben beschrieben. In dieser exemplarischen Ausführungsform
sind die Verbinder so strukturiert, daß sie Durchgangslöcher bereitstellen, die
mit den Anschlußstiften
des RJ-11-Verbinders übereinstimmen,
wenn die Vorrichtung an diesem angebracht ist. Als nächstes werden,
wie in 4B dargestellt, zwei Spalte 64 und 66 durch
die Metallisierungsschicht 62 hindurch und teilweise durch
das Substrat 60 hindurch eingesägt. Dies hat die Wirkung, daß die sechs
leitenden Abschnitte, die die Durchgangslöcherflächen umgeben, von einem mittigen
leitenden "Bus" 68 getrennt
werden. Danach wird, wie in 4C dargestellt,
ein leitendes Material 70 zwischen dem Leiter, der die
Durchgangslochfläche
(d. h. das Durchgangsloch für
den Masseanschlußstift
des RJ-11-Verbinders) umgibt und dem leitenden "Bus" 68 angeordnet.
Dies macht den leitenden "Bus" 68 zu einer
geerdeten Ebene, die jedem der Leiter nahe ist, die den anderen
Durchgangslochbereichen zugeordnet sind. Eine alternative Ausführungsform
ist in 4D dargestellt, wobei die Anschlußstifte,
z. B. die Anschlußstifte 67,
mit den Schalen, z. B. der Schale 69, übereinstimmen, die im Keramiksubstrat 60 ausgebildet
sind. Um eine feste elektrische und/oder mechanische Verbindung zwischen
den Anschlußstiften und
den Schalen herzustellen, können
die Anschlußstifte
mit der metallisierten Oberfläche
der Schalen verlötet
werden, wie durch den Lötfleck 71 dargestellt.
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In
beiden Ausführungsformen
wird ein impedanzvariables Material 74 auf die Fläche, einschließlich der
Spalte 66 und 64, aufgebracht und unter Zwang
in den Spalt eingeführt,
um eine überspannungsempfindliche
elektrische Verbindung zwischen dem leitenden "Bus" 68 und
jedem der Leiter 76 bis 84 herzustellen, von denen
jeder einem entsprechenden Anschlußstift des RJ-11-Verbinders
zugeordnet ist, an dem die Vorrichtung angebracht ist. Schließlich kann
ein Vergußmaterial 86 bereitgestellt
werden, um das impedanzvariable Material 74 zu überziehen,
um beispielsweise das impedanzvariable Material zu schützen und
zu verhindern, daß elektrische
Ladungen von einer anderen Schaltungsanordnung auf das variable
Impedanzmaterial einwirken.
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Die
Durchgangslöcher
können
in dem Bereich 72 und in den Leitern 76 bis 84 durch
Bohren, Lasermikrobearbeitung oder andere Verfahren, die vom Fachmann
anerkannt sind, ausgeführt
sein. Die Größe der Durchgangslöcher hängt vom
Durchmesser der Leitungen ab, die sich von dem bestimmten Verbinder
erstrecken. Beispielsweise kann der Lochdurchmesser eines Durchgangslochs
von 20 mil bis 40 mil (0,508 mm bis 1,016 mm) betragen, aber typischer
ist ein Durchmesser von 30 mil (0,762 mm). Die in 4E dargestellte
Vorrichtung 88 sowie weitere exemplarische Ausführungsformen,
bei denen die Überspannungsunterdrückungsvorrichtung
zur Verwendung in Verbindung mit einem Verbinder mit Anschlußstiften
oder Leitungen vorgesehen ist, kann dann in einer Eingriffsbeziehung
mit den Anschlußstiften
oder Leitungen versetzt werden, und das Substrat kann am Verbinderkörper unter
Verwendung von Löt-
oder anderen Befestigungstechniken befestigt werden.
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5 ist
ein Diagramm des Stromflusses durch und der Spannung über einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die mit Bezug auf 2A bis 2D beschrieben
ist. Dort legten die Anmelder als Eingangssignal einen 1000-4-2-Standardimpuls
von 8 kV an, wie von der Elektrotechnischen Kommission (IEC) vorgegeben.
Dieser Standardimpuls ist dazu bestimmt, den Impuls zu simulieren,
der durch die Entladung statische Elektrizität in Verbindung mit einem menschlichen
Körper
an eine elektrische Schaltungsanordnung angelegt würde. In
den Diagrammen stellt die obere Wellenform (I) den Strom dar, der in
der Überspannungsunterdrückungsvorrichtung fließt und zur
Erde abfließt,
während
die untere Wellenform die Spannung über der Vorrichtung während des
Versuchs darstellt.
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In
dem in 5 dargestellten besonderen Versuch wurde die Vorrichtung
bei 188 V ausgelöst (d.
h. sie ging in ihren Ein-Zustand). Der Impuls wurde auf 41,3 V begrenzt,
und der Spitzenstrom war 42,8 A. Im Vergleich zu herkömmlichen Überspannungsschutzvorrichtungen
kann man also in 5 sehen, daß die erfindungsgemäßen Vorrichtungen die Überspannung
schnell auf einen Wert begrenzen, der wesentlich kleiner ist als
der des zu erwartenden Impulswertes. Zusätzlich weisen erfindungsgemäße Vorrichtungen
einen relativ niedrigen Leckstrom und niedrige Kapazität auf.
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Es
ist natürlich
möglich,
die Erfindung in spezifischen anderen Formen als die oben beschriebenen
auszuführen,
ohne von der Erfindung abzuweichen. Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind
lediglich Darstellungen und sollten in keiner Weise als Einschränkung verstanden
werden. Obwohl das Einsägen
des Spalts oben so beschrieben wurde, daß es zur gleichen Zeit mit
dem Trennen der Scheibe in einzelnen Vorrichtungen durchgeführt wurde,
könnte
das Einsägen
des Spalts auch zu einem späteren
Stadium durchgeführt
werden, d. h. jede Vorrichtung könnte
einzeln mit einem Spalt versehen werden. Obwohl die vorstehenden
exemplarischen Ausführungsformen
sich auf keramik- und glasbasierte Substrate konzentrieren, könnte die
Sägetechnik
darüber
hinaus auch verwendet werden, um Spalte zwischen Leitern in anderen
Substraten zu erzeugen, z. B. in Harzmaterialien (z. B. FR-4) usw.
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Der
Schutzbereich der Erfindung wird durch die Ansprüche und nicht durch die vorstehende
Beschreibung bestimmt, und alle Variationen und Äquivalente, die im Schutzbereich
der Ansprüche
liegen, sind darin eingeschlossen.