DE3445698C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Chip-Varistor, bestehend aus einem quaderförmigen Körper, der wenigstens zum Teil aus Varistormaterial gebildet ist und wenigstens zwei metalli­ sierte Anschlußflächen an zwei gegenüberliegenden Quader­ enden aufweist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Aus der DE-OS 30 19 969 ist ein Chip-Varistor der genannten Art bekannt, der plättchenförmig mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist, jedoch hochkant stehend eingebaut werden müßte.

Ein weiterer bekannter Chip-Varistor dieser Art, der sog. "Glaze-Varistor" ist in dem Prospekt "Transient/Surge Absorbers" 1983/84 der Firma National Matsushita Electric beschrieben. Er weist aufgrund des relativ kleinen Volumens der Varistorschicht nur ein geringes Energieabsorptions­ vermögen auf und ist deshalb für die übliche Varistoran­ wendung im Oberspannungsschutz nicht geeignet. Darüber hinaus besteht bei ihm bei Impulsbelastung die Gefahr der Gleitfunkenbildung auf der Oberfläche der Varistorschicht, also der Widerstandsschicht, die auf einem Keramiksubstrat aufgebracht ist.

Aus der DE-OS 22 35 783 ist ein Varistor bekannt, bei dem die elektrischen Eigenschaften hauptsächlich durch einen Spalt in der Metallisierung bestimmt werden, die Körper­ dicke aber ohne Einfluß ist. Der Stromfluß erfolgt von einer Elektrode zur anderen über den Metallisierungsspalt, entlang der Oberfläche. Damit sind Überschläge über den Spalt bei höheren Spannungen bzw. bei starken Impuls­ strömen auf den Ober- und Unterseiten des Varistors offen­ sichtlich unvermeidlich.

Bei dem aus der DE-OS 21 26 340 bekannten Dickschicht- Varistor, der Unterbrechungen in der Metallisierung auf­ weist, erfolgt der Stromfluß von einer Elektrode zur an­ deren an der Oberfläche des Varistormaterials. Die Strom­ verteilung entspricht der aus der DE-OS 22 25 783 bekann­ ten Varistorkonstruktion.

Es ist ferner aus der US-PS 42 90 041 ein Mehrschicht­ varistor bekanntgeworden, der interne Elektroden aufweist, die wechselweise mit einer der beiden externen Elektroden verbunden sind. Auf der Ober- und der Unterseite dieses Varistors befinden sich jedoch keine Elektroden, sondern lediglich an den Stirnflächen des Varistorkörpers, so daß die Überschlagsgefahr dadurch an sich weitgehend beseitigt ist, allerdings die Lötbarkeit stark eingeschränkt wird.

Aus der AT-PS 2 37 111 ist die Herstellung von flachen elektrischen Schaltelementen wie z. B. Widerständen bekanntgeworden, die an einer Trägerfläche haftende, elektrisch wirksame Schichten ent­ halten. Die Schichten und Anschlußstreifen werden für viele Elemente gleichzeitig auf einem Substrat aufgetragen und das Substrat anschließend in einzelne Elemente aufgeteilt.

Bekanntlich lassen sich höhere Energieabsorptionswerte durch eine Vergrößerung des Varistorvolumens erreichen, beispiels­ weise kann der ganze Körper aus Varistormaterial gebildet werden. Generell ist darauf hinzuweisen, daß dann, wenn die gleiche Kontaktierung wie bei den Chip-Varistoren verwendet wird, es bei höheren Impulsströmen zu Überschlägen auf der Varistoroberfläche kommt. Diese Funkenbildung zwischen den metallisierten Anschlußflächen an den Enden des quader­ förmigen Körpers, der beispielsweise Abmessungen von 8 × 4 × 2 mm aufweist, ist darauf zurückzuführen, daß die Kontaktierung, die durch die metallisierten Anschlußflächen gebildet wird, einen Stromfluß auf der Oberfläche des Varistors begünstigt, während das Innere des Varistors praktisch stromfrei bleibt.

Bei höheren Spannungen bzw. Impulsströmen ab etwa 20 A kommt es deshalb zu Überschlägen auf den Ober- und Unterseiten des Varistors. Diese Wirkung kann zwar durch eine Stirnflächen­ kontaktierung vermieden werden, bei der nur die einander gegenüberliegenden, endseitigen Stirnflächen des quader­ förmigen Körpers mit einer Metallisierung versehen werden und nicht zumindest teilweise auch die Ober- und Unterseite dieses Körpers, jedoch hat diese Stirnflächenkontaktierung den Nachteil, daß sie die Lötbarkeit der Varistorelemente stark einschränkt und damit ihre Brauchbarkeit grundsätz­ lich in Frage stellt. Darüber hinaus läßt sich bei der­ artigen Chip-Varistoren die Varistorspannung nur über die Bauelementlänge einstellen, was dazu führt, daß eine Vielzahl von unterschiedlichen Längenabmessungen hergestellt und bevorratet werden müssen, um unterschiedliche Spannungen zu realisieren.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, den Chip- Varistor der genannten Art so auszubilden, daß er sowohl ein ausreichendes Volumen aufweist, um das geforderte Energieab­ sorptionsvermögen zu erhalten, als auch Sicherheit gegen Gleitfunken auf seiner Oberfläche bietet und darüber hinaus die Möglichkeit bietet, seine Spannung bei konstanten Abmes­ sungen seiner Ober- und Unterseiten einstellbar zu machen.

Darüber hinaus soll für einen derartigen Varistor ein Her­ stellungsverfahren entwickelt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Flächen an der Ober- und Unterseite des quaderförmigen Kör­ pers, die zusammen mit den Stirnflächen der Quaderenden und den Seitenflächen den quaderförmigen Körper begrenzen, mit die Metallisierungen auf der Ober- und Unterseite des qua­ derförmigen Körpers in jeweils zwei unterschiedlich große Teilflächen aufteilenden Unterbrechungen versehen sind, und daß die Metallisierung der kleineren Teilfläche der Obersei­ te und die Metallisierung der größeren Teilfläche der Unter­ seite nur mit der metallisierten Anschlußfläche des einen Quaderendes, und die Metallisierung der größeren Teilfläche der Oberseite und die Metallisierung der kleineren Teilflä­ che der Unterseite nur mit der metallisierten Anschluß flä­ che des anderen Quaderendes elektrisch leitend verbunden sind.

Durch diese Konstruktion ist infolge Überlappung der Elektro­ den die Stromflußrichtung um 90° gedreht, so daß Strom- bzw. Spannungsüberschläge nur noch im Bereich der Unterbrechung der Metallisierung zu erwarten sind. Die Einstellbar­ keit der Varistorspannung wird in einfacher Weise dadurch ermöglicht, daß für die Dicke des quaderförmigen Körpers, die im Ausführungsbeispiel mit H bezeichnet ist, ver­ schiedene Abmessungen gewählt werden. Hierbei soll "einstellbar" im Hinblick auf die Varistorspannung be­ deuten, daß durch geeignete Wahl der Körperhöhe von Hause aus eine bestimmte gewünschte Spannung erhalten werden kann. Wird eine andere Spannung verlangt, so muß die Körperhöhe bei der Herstellung des Varistors geändert werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann jede streifenförmige Aussparung durch zwei parallele Ränder be­ grenzt sein, die sich parallel zu den an die Anschluß­ flächen angrenzenden Rändern der Ober- und Unterseiten erstrecken.

Zur weiteren Verbesserung der Überschlagsfestigkeit läßt sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsvor­ schlags die Oberfläche des Varistormaterials im Bereich der streifenförmigen Aussparungen mit Nuten versehen, die in das Varistormaterial eingearbeitet sind und sich in Rich­ tung der streifenförmigen Aussparungen erstrecken.

Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den quaderförmigen Körper als Schichtkörper auszubilden, be­ stehend aus parallel zu seinen Ober- und Unterseiten ver­ laufenden, einander abwechselnden Schichten aus Varistor­ material und elektrisch gut leitfähigem Material, wobei letztgenannte Schicht wiederum abwechselnd mit dem einen und dem anderen metallisierten Quaderende elektrisch verbunden sind.

Zur Herstellung von Chip-Varistoren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dient ein Verfahren, gemäß dem ein quaderförmiger Körper aus Varistormaterial hergestellt und auf seinen Oberflächen vollständig metallisiert wird, woraufhin in die einander gegenüberliegenden Ober- und Unterseiten des quaderförmigen Körpers wenigstens je eine die Metalli­ sierung aussparende Nut eingearbeitet wird und danach der Körper quer zu seiner Längsachse in einzelne Längs­ stücke zerschnitten wird, die die eigentlichen quaderför­ migen Körper bilden, so daß deren Längsachse in Richtung der Querachse des ursprünglichen quaderförmigen Körpers verläuft und deren Querachse in Richtung der Längsachse des ursprünglichen quaderförmigen Körpers.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des quaderförmigen Körpers eines Chip-Varistors, dessen gegenüber­ liegenden Enden vollständig und dessen gegen­ überliegende Ober- und Unterseiten teilweise metallisiert sind,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des Varistors von Fig. 1 in Richtung des Pfeils A in Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer anderen Aus­ führungsform des Chip-Varistors,

Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende schematische Sei­ tenansicht des Chip-Varistors von Fig. 3,

Fig. 5 eine längsgeschnittene Seitenansicht eines Viel­ schicht-Varistors und

Fig. 6a, b und c schematische Darstellungen der auf­ einanderfolgenden Herstellungsschritte des quaderförmigen Körpers, aus dem der Chip-Varistor aufgebaut ist.

Mit "Varistor" werden bekanntlich spannungsabhängige Widerstände bezeichnet, die in aller Regel aus gesintertem Siliziumkarbid oder Zinkoxid mit Beimengungen anderer Stoffe in Scheiben- oder Stabform bestehen und vor allem in der Nach­ richtentechnik Anwendung finden. Ihre Spannungsabhängigkeit beruht auf einem veränderlichen Kontaktwiderstand zwischen den einzelnen Kristallen.

Der in Fig. 1 dargestellte Chip-Varistor ist ein quaderförmi­ ger Körper 1. Seine Abmessungen betragen beispielsweise 2 × 1,25 × 0,5 mm (Länge, Breite, Höhe) bis beispielsweise 8 × 4 × 4 mm. Er besteht aus einem oxidkeramischen Widerstandsmate­ rial und ist an den Quaderenden 2, 3 mit metallisierten An­ schlußflächen 8, 9 versehen, die die Quaderenden vollständig abdecken, und ist auf seiner Oberseite 4 sowie seiner Unter­ seite 5 ebenfalls mit einer Metallisierung 6, 7 (Fig. 2) ver­ sehen. Die Metallisierung 6, 7 ist sowohl auf der Oberseite 4 wie auf der Unterseite 5 unterbrochen, wobei diese Unterbre­ chung, wie den Fig. 1 und 2 entnommen werden kann, jeweils eine streifenförmige Aussparung 10, 11 in den metallisierten Flächen bildet, die bis zur Oberfläche des Varistormaterials reicht und auf der Oberseite 4 die Metallisierung in eine solche 6 a einer kleineren Teilfläche und 6 b einer größeren Teilfläche, und die Metallisierung auf der Unterseite 5 in eine solche 7 a einer kleineren Teilfläche und 7 b einer größe­ ren Teilfläche aufteilt. Es sind also lediglich zwei einander gegenüberliegende Flächen der vier an die Quaderendflächen an­ grenzenden Flächen 4, 5, 19 und 23 mit einer Metallisierung versehen. Die streifenförmigen Aussparungen 10, 11 sind durch zwei parallele Ränder 12, 13 begrenzt, die sich parallel zu den in Querrichtung des Körpers liegenden Kanten seiner Ober- und Unterseite erstrecken.

Dies bedeutet, daß die Metallisierung 6 a der kleineren Teil­ fläche der Oberseite 4 und die Metallisierung 7 b der größeren Teilfläche der Unterseite 5 mit der metallisierten Anschluß­ fläche 8 des einen Quaderendes 2 über die gemeinsamen Kanten elektrisch leitend verbunden sind, während die Metallisie­ rung 6 b der größeren Teilfläche der Oberseite 4 und die Metallisierung 7 a der kleineren Teilfläche der Unterseite 5 nur mit der metallisierten Anschlußfläche 9 des anderen Quaderendes 3 über die gemeinsamen Kanten elektrisch lei­ tend verbunden sind.

Durch diese Bauform des Chip-Varistors läßt sich seine Spannung bei konstanter "Grundfläche" des quaderförmigen Körpers durch Änderung der Bauhöhe H (Fig. 2) von Hause aus, also bei der Herstellung des Chip-Varistors, fest­ legen. Somit ist die Einstellbarkeit der Spannung in Ab­ hängigkeit von der Bauteilhöhe gegeben. Durch Versuche wurde gefunden, daß die Breite d der streifenförmigen Aussparungen 10, 11 etwa das 1,5fache der Höhe H sein muß, da, nachdem durch diese Bauform aufgrund der Über­ lappung der Elektroden (metallisierte Oberflächen) die Stromflußrichtung gegenüber einer nur an den stirnsei­ tigen Quaderenden kontaktierten Chip-Varistor um 90° ge­ dreht ist, die Möglichkeit von Strom- bzw. Spannungs­ überschlägen nur noch im Bereich der streifenförmigen Aussparung gegeben ist.

Da die Bedingung d < 1,5 H bei höheren Varistorspannun­ gen zu kleinen Elektrodenflächen führt und damit zu ge­ ringem Energieabsorptionsvermögen, wird vorzugsweise, wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, im Bereich der streifenförmigen Aussparungen 10, 11 der Ober- und Unter­ seiten des Chip-Varistors zwischen den Elektroden wenig­ stens eine Nut 14, 15 angebracht, durch die bei großen Werten von H der Wert für d vergrößert wird, da der Stromfluß zwischen den Elektroden und damit die Über­ schlagsweite nicht durch die Luftstrecke gemessen wird, sondern über die Varistor-Oberflächenmaterialstrecke zwischen den benachbarten Elektroden und diese Material­ strecke gegenüber dem bloßen Abstand d um die zweifache Höhe der Nutseiten vergrößert ist.

Es versteht sich, daß bei niedrigen Varistorspannungen und kleinen Bauteilhöhen H diese Nut überflüssig ist.

In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform des Chip- Varistors dargestellt, bei der der quaderförmige Körper als Schichtkörper 16 ausgebildet ist, bestehend aus mehreren parallel zu den Ober- und Unterseiten verlaufen­ den, einander abwechselnden Schichten aus Varistormate­ rial 17 und elektrisch gut leitfähigem Material 18.

Die leitfähigen Materialschichten 18 sind wiederum ab­ wechselnd mit dem einen und dem anderen metallisierten Quaderende 2 a bzw. 3 a elektrisch verbunden.

Durch Anwendung einer solchen Schichttechnik, die zu dem in Fig. 5 gezeigten Vielschicht-Chip-Varistor führt, läßt sich das Energieabsorptionsvermögen noch wesentlich steigern, allerdings auf Kosten eines doch erheblich höheren Herstellungsaufwandes.

Zur Herstellung eines Chip-Varistors der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Art dient ein Verfahren, dessen Schritte im folgenden anhand der Fig. 6a, 6b und 6c erläutert werden.

Zunächst werden größere Platten oder Stangen aus Varistor­ material zu Körpern der in Fig. 6a gezeigten Art gepreßt, ge­ sintert und eventuell zersägt. Daraufhin wird dieser Körper auf seiner gesamten Oberfläche mit Silber kontaktiert, also metallisiert. Danach werden in Längsachsenrichtung des stangenförmigen Körpers in seine Ober- und Unterseiten Nuten oder rillenförmige Vertiefungen der bei 14 und 15 in Fig. 3 gezeigten Art eingefräst oder eingesägt, die tiefer sind als die Metallisierungsschicht und die die Aufgabe haben, die Überschlagsfestigkeit zu verbessern (Fig. 6b). Anschließend werden von diesem stangenförmigen oder quaderförmigen Körper quer zu seiner Längsachse in Fig. 6c mit 20 bezeichnete Stücke abgeschnitten, die die in Fig. 3 dargestellten Chip-Varistoren bilden, deren Seitenflächen 21 (22) demnach nicht metallisiert sind, im Gegensatz zu den stirnseitigen Enden. Die Längsachse dieser Chip-Varistoren entspricht somit der Querachse des ursprünglich hergestellten quaderförmigen Körpers, der in die einzelnen Chips zerteilt wird.

Die Oberfläche des so hergestellten Chip-Varistors wird mit Ausnahme der Kontaktflächen, d. h. der stirnseitigen Enden, mit einer Schutzschicht überzogen. Die Kontakt­ flächen können beispielsweise durch Vernickeln und Ver­ zinnen verstärkt werden.

Claims (7)

1. Chip-Varistor, bestehend aus einem quaderförmigen Körper, der wenigstens zum Teil aus Varistor-Material gebildet ist und wenigstens zwei metallisierte Anschlußflächen an zwei gegenüberliegenden Quaderenden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen an der Ober- und Unterseite (4, 5) des quaderförmigen Körpers (1), die zusammen mit den Stirnflächen der Quaderenden (2, 3) und den Seitenflächen (19, 23) den quaderförmi­ gen Körper begrenzen, mit die Metallisierungen (6, 7) auf der Ober- und Unterseite (4, 5) des quaderförmigen Körpers in jeweils zwei unterschiedlich große Teilflä­ chen aufteilenden Unterbrechungen (10, 11) versehen sind, und daß die Metallisierung (6 a) der kleineren Teilfläche der Oberseite (4) und die Metallisierung (7 b) der größeren Teilfläche der Unterseite (5) nur mit der metallisierten Anschlußfläche (8) des einen Quaderendes (2), und die Metallisierung (6 b) der größeren Teilflä­ che der Oberseite (4) und die Metallisierung (7 a) der kleineren Teilfläche der Unterseite (5) nur mit der me­ tallisierten Anschlußfläche (9) des anderen Quaderendes (3) elektrisch leitend verbunden sind.

2. Chip-Varistor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die miteinander elektrisch lei­ tend verbundenen Metallisierungen (6 a, 7 b; 6 b, 7 a) an der jeweiligen gemeinsamen Kante des quaderförmigen Körpers ineinander übergehen.

3. Chip-Varistor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Unterbrechung (10, 11) der Metallisierung (6, 7) auf der Oberseite (4) bzw. der Unterseite (5) des quaderförmigen Körpers (1) durch eine streifenförmige Aussparung gebildet ist.

4. Chip-Varistor nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die streifenförmige Aussparung durch zwei parallele Ränder (12, 13) begrenzt ist, die sich parallel zu den an die Anschlußflächen (8, 9) grenzenden Rändern der Ober- und Unterseiten (4, 5) er­ strecken.

5. Chip-Varistor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberfläche des Va­ ristormaterials im Bereich der Unterbrechungen (10, 11) der Metallisierung wenigstens eine sich über die ganze Länge der streifenförmigen Aussparungen (10, 11) er­ streckende Nut (14, 15) aufweist.

6. Chip-Varistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der quaderförmige Körper (1) als Schichtkörper (16) ausgebildet ist, be­ stehend aus parallel zu seinen Ober- und Unterseiten verlaufenden, einander abwechselnden Schichten aus Va­ ristormaterial (17) und elektrisch gut leitfähigem Ma­ terial (18), wobei die elektrisch gut leitfähigen Mate­ rialschichten abwechselnd mit den metallisierten An­ schlußflächen des einen und des anderen Quaderendes (2 a, 3 a) elektrisch leitend verbunden sind.

7. Verfahren zur Herstellung des Chip-Varistors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß

• a) ein quaderförmiger Körper aus Varistormaterial her­ gestellt und seine Oberfläche vollständig metalli­ siert wird,
• b) in die einander gegenüberliegenden Ober- und Unter­ seiten des quaderförmigen Körpers wenigstens je ei­ ne die Metallisierung unterbrechende, sich in Rich­ tung seiner Längsachse erstreckende Aussparung ein­ gearbeitet wird,
• c) der quaderförmige Körper quer zu seiner Längsachse in einzelne Längenstücke zerschnitten wird, deren Ober- und Unterseiten in Richtung der ursprüngli­ chen Quaderlängsrichtung kürzer sind als in Rich­ tung der ursprünglichen Quaderquerrichtung.