DE19931056A1

DE19931056A1 - Vielschichtvaristor niedriger Kapazität

Info

Publication number: DE19931056A1
Application number: DE19931056A
Authority: DE
Inventors: Guenther Greier; Heinrich Zoedl; Guenter Engel; Reinhard Sperlich
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 1999-07-06
Publication date: 2001-01-25
Anticipated expiration: 2019-07-07
Also published as: JP2004507069A; ATE280429T1; DE50008343D1; EP1200970A2; JP3863777B2; WO2001003148A3; EP1200970B1; US6608547B1; DE19931056B4; WO2001003148A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vielschichtvaristor niedriger Kapazität mit einem Keramikkörper (1) und zwei Anschlüssen (2, 3), die im Abstand voneinander auf dem Keramikkörper (1) aufgebracht sind. Der Keramikkörper (1) ist in Folientechnologie mit Vielschichtstruktur aufgebaut und weist vorzugsweise Innenelektroden (4, 5) auf, deren Enden sich mit einem Gap (d) gegenüberliegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vielschichtvaristor niedriger Kapazität mit einem Keramikkörper und zwei An schlüssen, die im Abstand voneinander auf dem Keramikkörper aufgebracht sind. Unter "niedriger Kapazität" soll dabei ein Kapazitätswert verstanden werden, der insbesondere kleiner als 10 pF ist.

Bisher werden zum elektrostatischen bzw. ESD-Schutz von Hoch frequenzschaltungen und Datenleitungen bevorzugt Funkenstrecken eingesetzt, die beispielsweise durch zwei einander gegen überliegende Spitzen einer Leiterbahn realisiert werden kön nen. Bei Auftreten einer für eine zu schützende Hochfrequenz schaltung oder Datenleitung unzulässig hohen Spannung zündet die Funkenstrecke zwischen den beiden gegenüberliegenden Spitzen der Leiterbahn, so daß diese unzulässig hohe Spannung nicht an der Hochfrequenzschaltung bzw. Datenleitung anliegt.

Das Zünden der Funkenstrecke läuft entsprechend bestimmten physikalischen Gesetzen ab, bei denen speziell die sogenannte Gasentladungskennlinie durchlaufen werden muß. Dieser Vorgang erfordert eine bestimmte Zeitdauer, so daß allein die Zeit, die zum Ionisieren der Funkenstrecke benötigt wird, in der Regel länger als die Anstiegszeit eines ESD-Impulses ist, welche in der Größenordnung von 700 ps liegen kann.

Dies bedeutet zusammenfassend, daß Funkenstrecken infolge ih rer Trägheit als ESD-Schutz von Hochfrequenzschaltungen oder Datenleitungen mit Nachteilen behaftet sind.

Vielschichtvaristoren zeichnen sich gegenüber Funkenstrecken durch eine erheblich kürzere Ansprechzeit aus: so liegt die Ansprechzeit von Vielschichtvaristoren in der Größenordnung von 500 ps, was um etwa einen Faktor 2 niedriger als die An sprechzeit von Funkenstrecken ist. Dennoch werden bisher Vielschichtvaristoren als ESD-Schutz von Hochfrequenzschal tungen bzw. Datenleitungen nicht eingesetzt, was auf den la minaren Aufbau der Vielschichtvaristoren zurückzuführen ist. Dieser laminare Aufbau führt nämlich zu parasitären Kapazitä ten, welche den Einsatz von Vielschichtvaristoren in Hochfre quenzschaltungen mit Frequenzen über 100 MHz nicht möglich macht. Solche Hochfrequenzschaltungen sind beispielsweise hochfrequente Eingangsschaltungen, wie Antenneneingänge usw.

Die Fig. 13 bis 15 zeigen einen bestehenden Vielschichtvari stor in Perspektive (vgl. Fig. 13), im Schnitt (vgl. Fig. 14) bzw. in einer Gesamtdarstellung mit nach außen geführten In nenelektroden (vgl. Fig. 15).

Bei diesem Vielschichtvaristor ist ein Keramikkörper 1 an zwei gegenüberliegenden Seiten mit Anschlüssen 8 versehen, von denen jeweils Innenanschlüsse 7 ausgehen, die sich im Ke ramikkörper 1 im Abstand voneinander überlappen. In den Über lappungsbereichen werden dabei aktive Zonen 9 gebildet, wäh rend außerhalb der Überlappungsbereiche 9 Isolationszonen 11 entstehen.

Fig. 15 zeigt ein Element des Vielschichtvaristors von Fig. 14: eine Schicht des Keramikkörpers 1 ist zwischen zwei In nenelektroden 7 gelegt, welche auf dieser Schicht jeweils me tallisierte Oberflächen 12 bilden.

Derartige bestehende Vielschichtvaristoren sind als ESD- Schutz von Hochfrequenzschaltungen und Datenleitungen infolge ihrer Kapazität wenig geeignet. Diese Kapazität wird bei ei nem gegebenen Keramikmaterial mit einer festgelegten Dielek trizitätskonstanten E bestimmt von der Fläche der Innenelek troden 7 bzw. der Anschlüsse 8, der Anzahl der Schichten des Keramikkörpers 1 zwischen den Innenelektroden 7, also der An zahl der aktiven Zonen 9 und der sich aufgrund der gewünsch ten Betriebsspannung ergebenden Dicken der Keramikschichten bzw. aktiven Zonen 9.

Bisher in derartiger Technologie hergestellte Vielschichtva ristoren haben Kapazitäten in der Größenordnung von wenig stens 30 bis 50 pF, was den Einsatz solcher Vielschichtvari storen für den ESD-Schutz von beispielsweise empfindlichen Antenneneingängen trotz seiner niedrigen Ansprechzeit aus schließt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Viel schichtvaristor zu schaffen, der sich durch eine derart nied rige Kapazität auszeichnet, daß er ohne weiteres zum ESD- Schutz bei Hochfrequenzschaltungen, wie insbesondere Anten neneingängen, verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Vielschichtvaristor niedriger Kapazität mit einem Keramikkörper und zwei Anschlüssen, die im Abstand voneinander auf dem Keramikkörper aufgebracht sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Keramikkörper in Folientechnologie mit Vielschichtstruktur aufgebaut ist. Zweckmäßigerweise ist dabei der Keramikkörper mit Innenelek troden versehen, die kammartig von den beiden Anschlüssen ausgehen, so daß sich in der Richtung zwischen den beiden An schlüssen die Enden der Elektroden mit einem Gap (bzw. Ab stand) gegenüberliegen.

Bei dem erfindungsgemäßen Vielschichtvaristor werden also die Innenelektroden insbesondere kammartig angeordnet, so daß sich die Elektroden von den beiden Anschlüssen nicht mehr überlappen, sondern vielmehr einander mit ihren Enden gegen überliegen. Über den Abstand dieser sich gegenüberliegenden Enden der Elektroden, das sogenannte "Gap", wird die damit niedrige Kapazität des Vielschichtvaristors festgelegt. Bei gleichbleibendem bzw. nahezu gleichbleibendem Gap kann durch serielle Anordnung der Gaps die Kapazität weiter reduziert werden. Im Grenzfall läßt sich sogar die Varistorspannung weiter erhöhen und die Kapazität verkleinern, wenn auf In nenelektroden vollständig verzichtet wird. Der in diesem Grenzfall vorhandene Einfluß der Anschlüsse bzw. Außentermi nierung auf die Varistorspannung und die Kapazität läßt sich durch das Aufbringen einer zusätzlichen Passivierungsschicht eliminieren, so daß mit einem solchen Ausführungsbeispiel die für ein gegebenes Volumen maximale Varistorspannung bei mini maler Kapazität erzielt werden kann.

Die Innenelektroden können mit unterschiedlicher Elektroden länge gestaltet werden. Außerdem ist es möglich, die Spitzen der Innenelektroden unterschiedlich voneinander auszuformen.

Durch sich nicht überlappende Innenelektroden läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Vielschichtvaristor der Elektrodenab stand erheblich vergrößern, was zu einer entsprechenden Redu zierung der Kapazität führt. Infolge der sich gegenüberlie genden Innenelektroden wird auch die Stromdurchflußrichtung bei dem erfindungsgemäßen Vielschichtvaristor gegenüber dem bestehenden Vielschichtvaristor verändert, und es wird so ei ne drastische Erhöhung der Varistorspannung ermöglicht.

Versuche der Erfinder haben ergeben, daß bei dem erfindungs gemäßen Vielschichtvaristor durch die angegebene Anordnung der Innenelektroden der Stromdichteverlauf positiv beeinflußt werden kann. Es ist somit möglich, einen Vielschichtvaristor mit nichtlinearer Spannungs/Strom-Kennlinie herzustellen, der bei Spannungen von beispielsweise 300 V und darüber hochohmig ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines Vielschicht varistors in Perspektive zur Festlegung der je weiligen Richtungen,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Vielschichtvaristors mit kammartiger Innenelek trodenanordnung,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Vielschichtvaristors mit kammartiger Innenelek trodenanordnung mit unterschiedlicher Elektroden länge,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Vielschichtvaristors mit kammartiger Innenelek trodenanordnung mit serieller Ausführung von Gaps,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Vielschichtvaristors mit kammartiger Innenelek trodenanordnung mit serieller Ausführung von Gaps und Versatz der Innenelektroden zueinander,

Fig. 6 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Vielschichtvaristors ohne Innenelektroden,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Vielschichtvaristors ohne Innenelektroden mit ei ner auf dem Keramikkörper aufgetragenen Passivie rungsschicht,

Fig. 8 einen zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ähn lichen Vielschichtvaristor mit geraden Elektro denspitzen,

Fig. 9 einen Schnitt DD durch den Vielschichtvaristor von Fig. 8,

Fig. 10 einen Schnitt DD durch einen erfindungsgemäßen Vielschichtvaristor mit konkaven Elektrodenspit zen,

Fig. 11 einen Schnitt DD durch einen erfindungsgemäßen Vielschichtvaristor mit konvexen Elektrodenspit zen,

Fig. 12 einen Schnitt DD durch den erfindungsgemäßen Vielschichtvaristor mit spitzen Elektrodenspitzen und

Fig. 13-15 Darstellungen zur Erläuterung eines bestehenden Vielschichtvaristors.

Die Fig. 13 bis 15 sind bereits eingangs erläutert worden. In den Figuren sind einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Vielschichtvaristor mit einem Keramikkörper einer Länge 1, einer Breite b und einer Höhe h, bei dem ein Strom in Richtung BB zwischen zwei (nicht darge stellten) Anschlüssen fließt. Eine Richtung CC bzw. DD ver läuft senkrecht zu der Richtung BB.

Die Fig. 2 bis 8 zeigen schematische Schnitte BB verschiede ner Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Vielschichtva ristors, während in den Fig. 9 bis 12 schematische Schnitte DD des erfindungsgemäßen Vielschichtvaristors mit unter schiedlichen Elektrodenspitzen dargestellt sind. Diese unter schiedlichen Elektrodenspitzen können speziell bei einem Vielschichtvaristor entsprechend den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 8 angewandt werden. Jedoch ist es auch mög lich, solche unterschiedlichen Elektrodenspitzen bei den Aus führungsbeispielen der Fig. 3 bis 5 vorzusehen.

Der erfindungsgemäße Vielschichtvaristor zeichnet sich durch einen Vielschichtaufbau in Folientechnologie aus, bei dem verschiedene Schichten mit und ohne Innenelektroden überein ander gelegt sind und den Keramikkörper 1 bilden, auf dessen beide Enden in Richtung BB (vgl. Fig. 1) metallische An schlüsse 2, 3 aus Aluminium oder auch anderen Materialien aufgebracht sind. Das Auftragen der Anschlüsse 2, 3 kann bei spielsweise durch Aufdampfen erfolgen.

Fig. 2 zeigt nun ein erstes Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen Vielschichtvaristors mit Innenelektroden 4, 5 in einem Keramikkörper 1. Die Innenelektroden 4 sind dabei mit dem Anschluß 2 verbunden, während die Innenelektroden 5 in Verbindung mit dem Anschluß 3 stehen. Die Enden der Innen elektroden 4 sind dabei unter einem Abstand bzw. "Gap" d von den Enden der Innenelektroden 5 vorgesehen. Die Innenelektro den 4, 5 sind jeweils kammartig angeordnet, so daß sich die Innenelektroden von den beiden Anschlüssen 4, 5 unter dem Ab stand d gegenüberliegen. Durch diesen Abstand bzw. Gap d wird die niedrige Kapazität des Vielschichtvaristors festgelegt.

Infolge dieser niedrigen Kapazität kann der erfindungsgemäße Vielschichtvaristor ohne weiteres als ESD-Schutz von bei spielsweise empfindlichen Antenneneingängen in SMD-Bauweise (SMD = "surface mounted device") geeignet.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 weisen die Innenelek troden 4, 5 jeweils die gleiche Länge auf. Dies muß nicht notwendig so sein. Vielmehr ist es möglich, die Innenelektro den 4, 5 mit unterschiedlicher Länge auszugestalten, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 vorgesehen ist. Hier haben die in der Mitte des Keramikkörpers 1 gelegenen Innen elektroden eine größere Länge als Innenelektroden am Rand des Keramikkörpers 1.

Bei gleichbleibender Länge des Gaps d kann durch serielle An ordnung dieser Gaps die Kapazität des Vielschichtvaristors weiter reduziert werden, wie dies in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 gezeigt ist. Hier haben die einzelnen Gaps zwi schen Innenelektroden 10 ebenfalls die Länge d; die Innen elektroden 10 sind aber im Innern des Keramikkörpers 1 mehr mals unterbrochen, so daß lediglich diejenigen Innenelektro den 10, die an die Anschlüsse 2, 3 angrenzen, mit diesen ver bunden sind, während die übrigen Innenelektroden elektrisch von diesen Anschlüssen und anderen Innenelektroden getrennt sind, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Bei dem Ausfüh rungsbeispiel von Fig. 4 sind insgesamt vier Gaps zwischen den Innenelektroden 10 vorgesehen. Dies braucht nicht notwen dig so zu sein: vielmehr ist es auch möglich, gegebenenfalls mehr als vier oder weniger als vier Gaps zwischen den einzel nen Reihen von Innenelektroden 10 vorzusehen.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs gemäßen Vielschichtvaristors, das dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 insoweit gleicht, als hier ebenfalls mehrere Reihen von Innenelektroden 10 insgesamt vier Gaps bilden. Im Unter schied vom Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind aber beim Aus führungsbeispiel der Fig. 5 die Innenelektroden 10 unter ei nem Versatz zueinander angeordnet. Das heißt, in der Richtung DD liegen die Innenelektroden 10 verschiedener Reihen auf ei nem unterschiedlichen Niveau. Durch eine derartige Gestaltung der Innenelektroden 10 kann eine weitere Reduzierung der Ka pazität erreicht werden.

Im Grenzfall läßt sich die Varistorspannung weiter erhöhen und die Kapazität des Vielschichtvaristors verkleinern, indem vollständig auf Innenelektroden verzichtet wird, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 gezeigt ist, in welchem lediglich die Anschlüsse 2, 3 auf den Keramikkörper 1 in Vielschichtaufbau aufgetragen sind. Der bei einem derartigen Aufbau vorhandene Einfluß der Außenterminierung durch die An schlüsse 2, 3 auf die Varistorspannung und die Kapazität des Vielschichtvaristors kann durch Auftragen einer zusätzlichen Passivierungsschicht 6 eliminiert werden, wie dies in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7 gezeigt ist. Durch eine derar tige Gestaltung läßt sich, bezogen auf ein Einheitsvolumen, eine maximale Varistorspannung bei einer minimalen Kapazität erzielen.

Wesentlich an der Erfindung ist die Vergrößerung des Elektro denabstandes durch Verzicht auf Innenelektroden bzw. durch Verwendung von sich nicht überlappenden Innenelektroden. Durch die dadurch bedingte Änderung der Stromdurchflußrich tung im Keramikkörper läßt sich eine bedeutende Erhöhung der Varistorspannung bei gegebenem Volumen erzielen. Außerdem wird dabei die Kapazität bei diesem Volumen stark vermindert, so daß Kapazitätswerte unterhalb von 10 pF erreichbar sind.

Die Innenelektrodenspitzen können verschieden gestaltet wer den, wie dies in den Ausführungsbeispielen der Fig. 9 bis 12 gezeigt sind, welche Schnitte in der Ebene BC bzw. Draufsich ten aus der Richtung DD (vgl. Fig. 1) speziell auf die Viel schichtvaristoren der Fig. 2 und 8 veranschaulichen: Fig. 8 zeigt dabei ein Ausführungsbeispiel, das dem Ausführungsbei spiel von Fig. 2 insoweit gleicht, als Innenelektroden glei cher Länge vorgesehen sind. Dies braucht aber nicht notwendig so zu sein. Vielmehr ist es auch möglich, bei dem Ausfüh rungsbeispiel von Fig. 8 Innenelektroden unterschiedlicher Länge vorzusehen, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 der Fall ist.

Es ist nun möglich, für die Innenelektroden 4, 5 gerade Elek trodenspitzen (vgl. Fig. 9), konkave Elektrodenspitzen (vgl. Fig. 10), konvexe Elektrodenspitzen (vgl. Fig. 11) oder "spitze" Elektrodenspitzen (vgl. Fig. 12) vorzusehen. Diese verschiedenen Gestaltungen der Elektrodenspitzen können gege benenfalls auch bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5 zur Anwendung gelangen, so daß hier die Innenelektroden 10 in ähnlicher Weise wie die Innenelektroden 4, 5 zu gestalten sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Vielschichtvaristor kann durch die Anordnung der Innenelektroden der Verlauf der Stromdichte zwischen den beiden Anschlüssen 2, 3 günstig beeinflußt wer den, so daß infolge des durch die Folientechnologie bedingten Vielschichtaufbaues ein Bauelement mit nichtlinearer Span nungs/Strom-Kennlinie hergestellt werden kann, das bei Span nungen von etwa 300 V hochohmig ist.

Claims

1. Vielschichtvaristor niedriger Kapazität mit einem Keramik körper (1), zwei Anschlüssen (2, 3), die im Abstand (d) von einander auf dem Keramikkörper (1) aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (1) in Folientechnologie mit Vielschicht struktur aufgebaut ist.

2. Vielschichtvaristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (1) mit Innenelektroden (4, 5; 10) versehen ist, die kammartig von den beiden Anschlüssen (2, 3) ausge hen, so daß sich in der Richtung zwischen den beiden An schlüssen (2, 3) die Enden der Innenelektroden (4, 5; 10) mit einem Gap gegenüberliegen.

3. Vielschichtvaristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektroden (4, 5; 10) mit unterschiedlicher Elektro denlänge gestaltet sind.

4. Vielschichtvaristor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektroden (4, 5; 10) mehrere Gaps in serieller An ordnung bilden.

5. Vielschichtvaristor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen der Innenelektroden (4, 5; 10) unterschiedlich ausgeformt sind.

6. Vielschichtvaristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Keramikkörper eine Passivierungsschicht (6) vorgese hen ist.