DD259490A1

DD259490A1 - HIGH-VOLTAGE-RESISTANT THICK-WATER RESISTANT WITH SAFETY BEHAVIOR

Info

Publication number: DD259490A1
Application number: DD30155787A
Authority: DD
Inventors: Joerg Faust; Hans-Joerg John; Horst Schulenburg; Karl-Heinz Segsa
Original assignee: Zentrum F Forschung Und Techno
Priority date: 1987-04-07
Filing date: 1987-04-07
Publication date: 1988-08-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hochspannungsfestes Dickschicht-Widerstandselement mit Sicherungsverhalten fuer hohe Impulsbelastungen, beispielsweise fuer den Einsatz in Verbindungen mit integrierten Leitungseingangsschaltungen in nachrichtentechnischen Einrichtungen. Mindestens eine der zu der Reihenschaltung einer Widerstandsflaeche und einer Leitbahn-Engstelle fuehrenden Leitbahn ist gitterfoermig ausgefuehrt und die Leitbahn-Engstelle ist im Bereich des maximalen Waermeflusses angeordnet. Fig. 1The invention relates to a high-voltage resistant thick-film resistor element with fuse behavior for high pulse loads, for example for use in connections with integrated line input circuits in telecommunications equipment. At least one of the leading to the series connection of a resistance and a Leitbahn narrowing track is lattice executed and the Leitbahn bottleneck is located in the region of the maximum heat flux. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein hochspannungsfestes Dickschicht-Widerstandselement mit Sicherungsverhalten für hohe Impulsbelastbarkeit, beispielsweise für den Einsatz in Verbindungen mit integrierten Leitungseingangsschaltungen in nachrichtentechnischen Einrichtungen.The invention relates to a high-voltage-resistant thick-film resistor element with fuse behavior for high pulse load capacity, for example for use in connections with integrated line input circuits in telecommunications equipment.

Characteristic of the known state of the art

Es ist bekannt, bei nachrichtentechnischen Einrichtungen den integrierten Eingangsschaltungen für die Anschlußleitungen SLIC, die den Auswirkungen elektromagnetischer, elektrostatischer und direkter elektrischer Beeinflussungen ausgesetzt sein können, integrierte Überspannungsschutzschaltungen vorzuschalten. Sie enthalten hochspannungsfeste, niederohmige und eng tolerierte Widerstandselemente mit nachgeschalteten Sicherungswiderständen, die kurzzeitigen, relativ hohen Stromimpulsen, beispielsweise infolge atmosphärischer Entladungen, widerstehen, bei einem relativ niedrigen, galvanisch eingespeisten Fremd-Dauerstrom jedoch zu einer Unterbrechnung führen, vgl. Kurosawa, H.; Tomimuro, H.: Hybrid Integrated Surge Protector for Digital Switching Systems. IEEE Transactions on Components, Hybrids and Manufacturing Technology. VoI CHMT-8, Nr.2, June 1985.It is known to provide integrated overvoltage protection circuits in communications equipment to the integrated input circuits for the connection lines SLIC, which may be exposed to the effects of electromagnetic, electrostatic and direct electrical influences. They contain high-voltage-resistant, low-resistance and narrowly toleranced resistance elements with downstream fuse resistors, which withstand short-term, relatively high current pulses, for example as a result of atmospheric discharges, but lead to an interruption at a relatively low, galvanically injected external continuous current, cf. Kurosawa, H .; Tomimuro, H .: Hybrid Integrated Surge Protector for Digital Switching Systems. IEEE Transactions on Components, Hybrids and Manufacturing Technology. VoI CHMT-8, No.2, June 1985.

Nachteilig an dieser Lösung ist der erhebliche technologische Aufwand für das Erreichen der Hochspannungsfestigkeit der niederohmigen und eng tolerierten Widerstandselemente, wobei mittels Laserabgleich L- beziehungsweise P-Schnitte in die Widerstandsfläche eingebracht werden. Nachteilig ist auch die etwa um den Faktor 2 geringere Belastbarkeit von Widerstandsflächen mit Abgleichschnitten, so daß zur Realisierung eines Widerstandselementes mit vorgegebener Belastbarkeit eine relativ große Fläche erforderlich ist. Schließlich hat sich gezeigt, daß Spannungsüberschläge an mit Abgleichschnitten versehenen Dickschichtwiderständen nur bei Anwendung spezieller, hochspannungsfester Widerstandspasten vermeidbar sind, die wesentlich teuerer als Standardpasten sind.A disadvantage of this solution is the considerable technological effort for achieving the high-voltage strength of the low-resistance and narrow-tolerance resistance elements, wherein L- or P-cuts are introduced into the resistance surface by means of laser balancing. Another disadvantage is the lower by about factor 2 load capacity of resistive surfaces with trimming, so that a relatively large area is required for the realization of a resistive element with a predetermined load capacity. Finally, it has been shown that voltage flashovers on thick-film resistors provided with trimming cuts can be avoided only when using special, high-voltage resistant resistor pastes, which are considerably more expensive than standard pastes.

Es ist weiterhin bekannt, flinke Sicherungselemente in Dickschicht-Technologie herzustellen, wobei Leitbahn-Engstellen gedruckt beziehungsweise Leitbahnunterbrechungen mit Bonddraht überbrückt werden. Die Leitbahn-Engstelle wird dabei entweder direkt auf das Keramiksubstrat, beispielsweise eines Hybridschaltkreises oder zwischen die Isolationsschichten eines Multilayer-Aufbaus gedruckt, vgl. Marriage, A. J.; Mcintosh, B.: High Speed Thick Film Fuses. 5th European Hybrid Microelektronics Conference 1985, Stresa, Italien.It is also known to produce nimble fuse elements in thick-film technology, whereby printed-circuit bottlenecks printed or interconnections are bridged with bonding wire. The interconnect bottleneck is printed either directly on the ceramic substrate, for example a hybrid circuit or between the insulation layers of a multilayer structure, cf. Marriage, A. J .; Mcintosh, B .: High Speed Thick Movie Fuses. 5th European Hybrid Microelectronics Conference 1985, Stresa, Italy.

Nachteilig bei dieser Art von Sicherungselementen ist die erforderliche Präzision bei ihrer Herstellung, da die Breite einer solchen Leitbahn-Engstelle schon in der Größenordnung des sich beim normalen Siebdruck ergebenden Streubereiches liegt, wenn die gewünschte Sicherungswirkung schon bei relativ geringen Strömen eintreten soll. Die Ansprechkennwerte der Sicherungselemente können dann infolge der Breitensteuerung der Leitbahn-Engstelle starken Veränderungen unterliegen. Dagegen ist es unwirtschaftlich, ausschließlich für das Herstellen der Leitbahn-Engstelle einen ansonsten nicht erforderlichen Feinliniendruck einzusetzen. Schließlich ist das Ansprechverhalten des Sicherungselementes stark von dem Wärmefluß im Innern des Substrats abhängig, da von den einzelnen Wärmequellen beispielsweise eines Hybridschaltkreises je nach dessen momentaner Betriebsart durchaus sehr verschiedene, zeitlich wechselnde Wärmeflüsse zu den die Wärme ableitenden Anschlüssen strömen. Der Einsatz von Bonddrähten zu Sicherungszwecken erfordert sowohl beim Überbrücken der Leitbahnunterbrechungen als auch bei den weiteren Handhaben des Schaltkreissubstrats viel Sorgfalt sowie besondere Maßnahmen zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen.A disadvantage of this type of security elements is the required precision in their production, since the width of such a track bottleneck is already in the order of magnitude of the normal screen printing resulting scattering range, if the desired securing effect should occur even at relatively low currents. The Ansprechkennwerte the fuse elements can then be subject to strong changes due to the width control of the Leitbahn bottleneck. By contrast, it is uneconomical to use an otherwise not required fine line pressure exclusively for the production of the Leitbahn bottleneck. Finally, the response of the fuse element is highly dependent on the heat flow in the interior of the substrate, since of the individual heat sources, for example, a hybrid circuit depending on its current mode quite different, temporally changing heat flows to the heat dissipating ports flow. The use of bonding wires for back-up purposes requires great care in bridging the interconnect breaks as well as in the further handling of the circuit substrate as well as special measures to protect against mechanical damage.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die Abmessungen von Überspannungsschutzschaltungen zu verringern und zugleich die Herstellung wirtschaftlicher zu gestalten. "The aim of the invention is to reduce the dimensions of overvoltage protection circuits and at the same time to make the production more economical. "

Essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hochspannungsfeste niederohmige und eng tolerierte Dickschicht-Widerstandselemente mit einem definierten Sicherungsverhaiten ausschließlich in Standard-Dickschichttechnologie herzustellen. Dazu soll von einer Reihenschaltung einer gedruckten Widerstandsfläche und einer gedruckten Leitbahn-Engstelle als Sicherungseinheit ausgegangen werden.The invention has for its object to produce high voltage resistant low-resistance and narrow-tolerance thick-film resistor elements with a defined Sicherungsverhaiten exclusively in standard thick-film technology. For this purpose, it should be assumed that a series connection of a printed resistor surface and a printed interconnect bottleneck as a fuse unit.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens eine der zu der Reihenschaltung der Widerstandsfläche und der Leitbahn-Engstelle führenden Leitbahnen in Gitterform ausgeführt und die Leitbahn-Engstelle im Bereich des maximalen Wärmeflusses der Widerstandsfläche angeordnet ist. Dabei ist die Leitbahn-Engstelle auf derselben Substratseite wie die Widerstandsfläche angeordnet. In einer Variante ist die Leitbahn-Engstelle auf der der Widerstandsfläche gegenüberliegenden Substratseite angeordnet.According to the invention, this object is achieved in that at least one of the leading to the series connection of the resistive surface and the Leitbahn bottleneck runs executed in lattice form and the Leitbahn bottleneck in the region of the maximum heat flux of the resistance surface is arranged. In this case, the interconnect bottleneck is arranged on the same substrate side as the resistance surface. In one variant, the interconnect bottleneck is arranged on the substrate side opposite the resistance surface.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung gelingt es, ein Dickschicht-Widerstandselement herzustellen, bei dem eine mit einer niederohmigen Standardpaste gedruckte Widerstandsfläche durch relativ grobe und kleine Präzision bedürfenderTrennschnitte in der gitterförmigen Leitbahn zusammen mit der Leitbahn-Engstelle genau abgleichbar ist, ohne dazu ihre Hochspannungsfestigkeit und Belastbarkeit durch Abgleichschnitte herabzusetzen. Die im normalen Siebdruck ausgeführte Leitbahn-Engstelle wird durch die zusätzliche Heizwirkung der Widerstandsfläche mit einem flinken und reproduzierbaren Sicherungsverhalten versehen.With the solution according to the invention, it is possible to produce a thick-film resistive element in which a resistive surface printed with a standard low-resistance paste can be accurately balanced by relatively coarse and small precision cuts in the grid-shaped interconnect together with the interconnect bottleneck, without compromising their high-voltage strength and throughput Minimize adjustment cuts. The run in the normal screen printing channel bottleneck is provided by the additional heating effect of the resistance surface with a nimble and reproducible security behavior.

embodiment

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigenThe invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment. In the accompanying drawing show

Fig. 1: ein Dickschicht-Widerstandselement undFig. 1: a thick-film resistor element and

Fig. 2: eine Variante des Dickschicht-Widerstandselementes mit Vorder- und Rückansicht.Fig. 2: a variant of the thick-film resistive element with front and rear view.

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung eines paarig ausgeführten, symmetrischen Dickschicht-Widerstandselementes mit einem Substrat 1, Leitbahnen 2, zwei Widerstandsflächen 3, zwei Leitbahn-Engstellen 4 und zwei gitterförmig ausgeführten Leitbahnen 5. Diese und die Leitbahnen 2 führen zu Anschlüssen 6. Fig.2 zeigt in einer ähnlich schematischen Darstellung die Vorderseite a eines ebenfalls doppelten, symmetrisch ausgeführten Dickschicht-Widerstandselementes sowie dessen Rückseite b, bei der Blindanschlüsse 7 zur Rückseitenkontaktierung dienen.1 shows the schematic representation of a paired, symmetrical thick-film resistive element with a substrate 1, interconnects 2, two resistance surfaces 3, two interconnect bottlenecks 4 and two grid-shaped interconnects 5. These and the interconnects 2 lead to terminals 6 FIG. 2 shows, in a similar schematic illustration, the front side a of a likewise double, symmetrically designed thick-film resistive element and its rear side b, in which blind terminals 7 serve for contacting the rear side.

Die Herstellung, das Abgleichen und die Funktion des Dickschicht-Widerstandselementes sind folgende. Das Herstellen des Dickschicht-Widerstandselementes geschieht ausschließlich nach einer Standardtechnologie, beispielsweise durch ein normales Siebdrucken der Leitbahnen 2, der Leitbahn-Engstellen 4 sowie der Anschlüsse 6 und der Blindanschlüsse 7 mit einer üblichen Leitpaste, beispielsweise auf der Basis von Glasfritte und Silber-Palladium. Es folgt das Siebdrucken der Widerstandsflächen 3 mit nachfolgendem Trocknen und Einbrennen. Beim Entwurf der Widerstandsflächen 3 ist der Abstand der zugehörigen Leitbahnen 2 entsprechend der vorausgesetzten Spannungsbeanspruchung und entsprechend der Spannungsfestigkeit der Widerstandspaste zu wählen, die in Abhängigkeit von der Pastenzusammensetzung beispielsweise 80 V/mm beträgt. Der Widerstandswert der Widerstandsfläche 3 ist durch Variation ihrer Breite so vorzuwählen, daß sie nach dem Einbrennen einen gegenüber dem Zielwert geringeren Wert aufweist. Der Abgleich des Widerstandswertes geschieht nach dem Glasureinbrand durch sch rittweises Trennen der Sprossen in der gitterförmig ausgeführten Leitbahn 4 mittels relativ grober und ohne besondere Präzision auszuführender Schnitte, so daß ein jeweils längerer Stromweg und dadurch eine schrittweise Widerstandszunahme bis zum Erreichen des Zielwertes mit der zulässigen Toleranz eintritt. Entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung bleibt hierbei die Widerstandsfläche 3 ohne Trennschnitte, die ihre Spannungsfestigkeit und Belastbarkeit herabsetzen würden. Dadurch gelingt es, die vergleichsweise hochspannungsfeste und hochbelastbare Widerstandsfläche 3 auf einer relativ kleinen Fläche zu realisieren.The fabrication, matching and function of the thick film resistive element are as follows. The production of the thick-film resistive element is done exclusively according to a standard technology, for example by normal screen printing of the interconnects 2, the interconnect bottlenecks 4 and the terminals 6 and the dummy terminals 7 with a conventional conductive paste, for example based on glass frit and silver-palladium. This is followed by screen printing of the resistance surfaces 3 with subsequent drying and baking. In the design of the resistive surfaces 3, the distance of the associated interconnects 2 should be selected according to the anticipated voltage stress and according to the withstand voltage of the resistive paste, which is, for example, 80 V / mm, depending on the paste composition. The resistance value of the resistance surface 3 is to be selected by varying its width so that it has a lower value compared to the target value after the burn-in. The adjustment of the resistance value is done after the Glasureinbrand by sch rittweises separating the rungs in the lattice-shaped track 4 by relatively coarse and without special precision auszuführender cuts, so that each longer current path and thus a gradual increase in resistance to reach the target value with the allowable tolerance entry. According to the solution according to the invention in this case the resistance surface 3 remains without separating cuts, which would reduce their dielectric strength and load capacity. This makes it possible to realize the comparatively high voltage resistant and heavy duty resistance surface 3 on a relatively small area.

Die Leitbahn-Engstelle 4 ist im Bereich des maximalen Wärmeflusses angeordnet, der von der Widerstandsfläche 3 zu den die Wärme ableitenden Anschlüssen führt. Ein infolge einer atmosphärischen Entladung in einer Anschlußleitung induzierter Spannungsimpuls treibt einen Stromimpuls mit relativ hoher Amplitude und einer exponentiell geformten, steilen Anstiegsflanke und einer ebenfalls exponentiellen, aber zeitlich längeren Rückgangsflanke. Dieser Stromimpuls durchläuft die Widerstandsfläche 3 und die Leitbahn-Engstelle 4, wobei infolge der guten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit der Leitbahn 2 und durch die vergleichsweise kurze Impulszeit sowohl die innerhalb der Widerstandsfläche 3 als auch die in der Leitbahn-Engstelle 4 entstehende Wärme abgeführt wird, ohne eine Beeinträchtigung der Leitbahn-Engstelle 4 zu bewirken. Beim Auftreten eines um mehrere Größenordnungen geringeren Dauerstromes kann die innerhalb der Widerstandsfläche 3 und in der Leitbahn-Engstelle 4 erzeugte Wärme nur zu einem geringeren Teil abgeführt werden, so daß ein Temperaturanstieg eintritt, der zur Unterbrechnung der Leitbahn-Engstelle 4 führt. Durch das zusätzliche Ausnutzen der von der Widerstandsfläche 3 erzeugten Wärme kann die Breite der Leitbähn-Engstelle 4 relativ groß sein, ohne daß die Ansprechzeit der als Sicherung wirkenden Leitbahn-Engstelle 4 unzulässig hohe Werte annimmt. Es genügt daher, die Leitbahn-Engstelle 4 durch Siebdruck herzustellen, jedoch können dazu auch andere bekannte, keiner besonderen Präzision bedürfende Verfahren angewendet werden. Der Bereich des maximalen Wärmeflusses ist durch bekannte, beim lay-out von Schaltkreisen-angewendete, thermische Untersuchungs- und Berechnungsmethoden zu bestimmen.The interconnect bottleneck 4 is arranged in the region of the maximum heat flow, which leads from the resistance surface 3 to the heat-dissipating connections. A voltage pulse induced in a lead as a result of atmospheric discharge drives a relatively high amplitude current pulse having an exponentially shaped, steep rising edge and a likewise exponential, but longer, falling falling edge. This current pulse passes through the resistive surface 3 and the interconnect bottleneck 4, wherein due to the good thermal and electrical conductivity of the interconnect 2 and by the comparatively short pulse time both within the resistive surface 3 and in the interconnect bottleneck 4 resulting heat is dissipated, without causing an impairment of the interconnect bottleneck 4. Upon the occurrence of a several orders of magnitude lower continuous current, the heat generated within the resistance surface 3 and in the interconnect bottleneck 4 can be dissipated only to a lesser extent, so that a temperature increase occurs, which leads to the interruption of the interconnect bottleneck 4. As a result of the additional utilization of the heat generated by the resistance surface 3, the width of the Leitbähn constriction 4 can be relatively large, without the response time of the interconnect bottleneck 4 acting as a fuse assuming impermissibly high values. It is therefore sufficient to produce the Leitbahn bottleneck 4 by screen printing, but this can be applied to other known, no special precision requiring method. The range of maximum heat flow shall be determined by known thermal examination and calculation methods used in the lay-out of circuits.

Claims

1. High-voltage resistant thick-film resistor element with fuse behavior with a series circuit of a printed resistor surface and a printed interconnect bottleneck, characterized in that at least one of the series circuit of. Resistance surface (3) and the Leitbahn bottleneck (4) leading interconnects (5) running lattice-shaped and the Leitbahn bottleneck (4) in the region of the maximum heat flow of the resistance surface (3) is arranged.

2. High-voltage resistant thick-film Widerstandseiement according to claim 1, characterized in that the interconnect bottleneck (4) on the same side of the substrate (1) as the resistance surface (3) is arranged.

3. High-voltage resistant thick-film resistor element according to claim 1, characterized in that the interconnect bottleneck (4) on the resistance surface (3)

opposite side of the substrate (1) is arranged.