DE19536521C1 - Anordnung zum Schutz von Überspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz vor Überspannungen (DE-AS 15 88 160).

Bei elektrischen Geräten, Baugruppen, Rückwandleiterplatten und Zuleitungen wie Signalleitungen, Steuerleitungen, Überwa­ chungsleitungen oder Gleichstromleitungen können sehr hohe Spannungen mit sehr kurzen Anstiegszeiten im Nanosekundenbe­ reich durch elektrostatische Aufladung auftreten. Je nach Anwendung oder Einsatzbereich müssen elektrische Geräte oder Leitungsanschlüsse vor Überspannungen geschützt werden. Nach der Überspannungsschutznorm IEC 801-2 werden bei einer Entla­ dung über Luft ein Spannungswert von +/- 15 KV und für eine Kontaktentladung ein Spannungswert von +/- 8 KV gefordert. Erschwerend kommt beim Aufbau von Schaltungsbaugruppen hinzu, daß bei einer Vielzahl von Bauelementen keine Angaben betref­ fend des Überspannungsschutzes existieren oder bei Überspan­ nungsschutzangaben nicht zwischen Luftentladung (Air discharge) oder Kontaktentladung (contacted discharge) unter­ schieden wird.

Beim Schaltkreis, beziehungsweise Leiterplattenentwurf wurden bisher aufgrund von schaltungstechnischen Anforderungen oder Schutzschaltungsvorschriften sowie je nach Kundenanforderun­ gen Überspannungs-Schutzschaltungen in diese integriert. Je nach Kundenforderung wurden Schutzschaltungen eingesetzt, die aus mehreren Bauteilen bestehen können. Diese Schutzschaltun­ gen die auch als Staffelschutz bekannt sind, setzen sich jeweils aus Dioden, Kondensatoren und Widerständen zusammen. Diese Bauteile sind besonders für Blitzimpulse mit den Flan­ kensteilheiten 1 µs, 2/50 µs oder 10/700 µs nach CCITT K17 wirksam. Elektrostatische Überspannungsimpulse mit kürzeren Anstiegszeiten und höheren Aufladespannungen können durch die bisher verwendeten Schutzschaltungen nicht mehr abgefangen werden.

Bisher wurden bei Signalleitungen und Meßbuchsen und allen während des Betriebs zugängigen Stellen, wie z. B. bei Stiften oder Übergabesystemen konstruktive Maßnahmen zum Schutz vor Überspannungen ergriffen, so daß diese Stellen nicht mit elektrostatischen Überspannungen in Berührung kommen konnten. Konstruktive Schutzmaßnahmen sind jedoch sehr kostenintensiv. Diese konstruktiven Zusatzmaßnahmen sind beispielsweise Schirme auf Zuleitungen oder Abdeckkappen bei Steckverbinder­ anordnungen oder Übergabesystemen.

Aus der DE-AS 15 88 160 ist eine Über­ spannungsschutzvorrichtung bekannt. Diese Überspannungs­ schutzvorrichtung besteht aus einem Keramikkörper auf dessen Oberfläche zwei metallische Elektrodenbelege angeordnet sind. Die metallischen Elektrodenbelege sind durch einen Luftspalt gleichbleibender Breite voneinander getrennt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Schutz von elektrostatischen Überspannungen anzugeben, die leicht in elektrische Einheiten integrierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Gegenstand der Erfindung bringt neben dem Vorteil, daß diese fertigungstechnisch in einen automatisierten Leiter­ platten-Bestückungsprozeß sehr gut handhabbar und leicht mit Leiterbahnen der Leiterplatten verbunden werden können, den weiteren Vorteil mit sich, daß konstruktiv durchzuführende Abschirmungsmaßnahmen nicht zusätzlich durchgeführt werden müssen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auf­ grund der Ausgestaltung bzw. Anordnung der gegenüberliegenden Spaltwandungen des Spaltes eine gleichmäßige Verteilung von Spannungsüberschlägen stattfindet.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß Angaben über die Verträglichkeit bei elektrostatischen Überspannungsentla­ dungen weitgehendst unberücksichtigt bleiben können.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß die Oberflä­ chenstruktur der Spaltwandungen erhalten bleibt und die HF- Eigenschaften dadurch nicht verändert werden.

Die Erfindung bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß durch die Ausgestaltung der Spaltenden keine größeren Feldverzer­ rungen entstehen.

Weitere Besonderheiten der Erfindung werden aus den nachfol­ genden Erläuterungen anhand von Ausführungsbeispielen ersichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel und

Fig. 2, 3, 4 weitere Ausführungsbeispiele.

Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für einen elektrostatischen Grundschutz, der auf Baugruppen oder Übergabeeinheiten integriert werden kann, um dort die durch elektrostatische Entladung (ESD) gefährdeten Bauteile und Schaltkreise vor Überspannungen zu schützen. Dieser Span­ nungsüberschutz kann zur Ableitung von eventuell auftretenden Spannungen vorteilhaft auf allen Ein- und Ausgangsschnitt­ stellen in elektrischen Einheiten vorgesehen werden. Der elektrostatische Überspannungsschutz leitet alle auftretenden ESD-Spannungen die beispielsweise größer als 500 Volt sind durch eine erzwungene Luftentladung gegen Masse ab. Die Anordnung sowie das Material der Elektroden, an denen der Überschlag stattfindet, ist so ausgeprägt, daß auch nach weit mehr als 1000 Überspannungs-Überschlägen die Durchbruchspan­ nung unter 500 Volt bleibt.

Der Gegenstand der Erfindung ist ein Keramikquader 2 sowie auf diesem angeordnete flächenförmig ausgeprägte Elektroden 1, 1′, wobei die Stoßflächen der gegenüberliegenden Elektro­ den 5a, 5b einen gleichen Abstand zueinander aufweisen. Das Keramiksubstrat 2 ist in seinen Abmessungen und den Lötkon­ taktierungen 4, 4′ so ausgestaltet, daß es als oberflächen­ montierbares (SMD) Bauteil verwendet werden kann. So z. B. kann der Gegenstand der Erfindung so dimensioniert werden, daß der Überspannungsschutz innerhalb einer spezifischen Bau­ form untergebracht werden kann. Dieses Grundschutzbauteil hat nicht nur den Vorteil, daß durch die geringen Abmessungen ein hoher Nutzfaktor und daher geringe Herstellungskosten erreicht, sondern auch den Vorteil, daß solche Elemente schnell und kostengünstig per Automat auf einer Platine ange­ ordnet werden können. Die Grundform des in den Ausführungs­ beispielen angegebenen Keramiksubstrats 2 ist ein Quader. Auf diesem angeordnet sind eine flächig ausgeprägte Leiterbahn 1, 1′. Diese Leiterbahn ist in Schichttechnik (Dünnfilmtechnik(VAR-Technik)) auf der Oberseite des Kera­ miksubstrates 2 aufgebracht. Diese Leiterbahn 1 ist durch einen Spalt 5 unterbrochen. Die flächig ausgeprägte Leiter­ bahn teilt sich vorzugsweise in zwei gleiche Hälften 1, 1′ auf. In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel, weist der Spalt 5 eine gleichbleibende Breite auf. Eine Funkenstrecke bildet sich bei Überspannung jeweils zwischen den Spaltwandungen 5a, 5b aus. Jeweils an den Enden 6, 6′; 7, 7′ des Spaltes 5 ist dieser deltaförmig aufgeweitet. Mit dieser spezifischen Ausprägung des Spaltes und der Spaltenden werden auftretende Feldverzerrungen minimiert und es wird verhindert, daß auf­ grund von Spitzenfeldstärken die Entladung nur an einem Punkt des Spaltes stattfindet. Die Leiterbahnhälften 1, 1′ weisen jeweils an der dem Spalt 5 abgewandten Seite Umkontaktierun­ gen 3, 3′ am Quader 2 zu den Kontaktflächen 4, 4′ die an der Unterseite des Keramikquaders 2 angeordnet sind auf. In vor­ teilhafter Weise ist die Umkontaktierung 3, 3′ in den Ein­ buchtungen 9, 9′ an der Seite des Quaders 2 vorgesehen. Die Einbuchtungen 9, 9′, beispielsweise an den beiden schmäleren Quaderseiten des Grundkörpers 2, dienen auch zur besseren Handhabung des Bauteils bei einer automatischen Bestückung einer Platine. Durch die Einbuchtung 9, 9′, wird zudem die Nutzenherstellung des Quaders 2 wesentlich verbessert. Als Material für die flächig ausgeprägten Leiterbahnen 1, 1′ wird ein Widerstandsmaterial (Chrom-Nickel-Verbindung) verwendet. Wahlweise kann die Luft im Spalt bei Anliegen einer Betriebs­ spannung von beispielsweise 60 Volt mit einer Spannung zwi­ schen +/- 5 bis +/- 60 Volt an den Anschlüssen vorionisert wer­ den.

Bei einer gewählten Spaltbreite von 40 µm ergibt sich in Luft eine Durchbruchsspannung von ca. 500 Volt. Eine minimale Durchbruchsspannung von 350 Volt ergibt sich in Luft bei einer Spaltbreite von ca. 20 µm. Unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen und Staubbeeinflussung (Grundschutz ohne Abdeckung) wird bei dem Grundschutz eine Spaltbreite von etwa 40 µm bevorzugt gewählt.

Eine weitere Ausgestaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Ausgestaltung der Leiterbahnen 1, 1′ hat im Bereich des Spalts 5 eine Bügelform 10, wobei die Oberkanten der Bügel den Spalt bilden und dieser etwa über die gesamte Breite Oberseite des Quaders eine Spaltbreite von etwa 50 µm auf­ weist. Die Leiterbahnen sind auch bei dieser Ausführungsvari­ ante in Dünnfilmtechnik auf dem Grundkörper 2 aufgebracht. Die Bügelstruktur bietet den zusätzlichen Vorteil eines Löt­ stops beim Einlöten des SMD-Bauteils in die Schaltung. Die Kapazität zwischen den Bügeln ist bei einer Dauerbela­ stung konstant 0,2 pF (gemessen bei 1 kHz).

Weitere Ausführungsbeispiele sind in Fig. 3 (Dreieckstruktur) und in Fig. 4 (Fingerstruktur) angegeben. In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Spalt bis auf einen parallel verlaufenden Mittelteil der Spaltwan­ dungen 22 dreieckförmig aufgeweitet.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind die Leiter­ bahnen 32, 32′ so ausgebildet, daß in einen verhältnismäßig breiten Streifen zwei dünne Fortsätze 30, 31 der Leiterbahn in die leiterbahnfreie Zone ragen. Die Leiterbahnstreifen sind dabei so angeordnet, daß diese unmittelbar nebeneinander parallel verlaufen. Der Abstand der parallel angeordneten Leiterbahnsteifen beträgt vorzugsweise 30 bis 50 µm.

Der Vorteil bei einer Parallelführung der Leiterbahnen besteht darin, daß selbst bei einer Dauerbelastung von mehr als 1000 Entladungsimpulsen eine gleichmäßige Verteilung der Überspannungsüberschläge über die gesamte Spaltlänge statt­ findet. Aufgrund der gleichen Entfernung der Spaltwände ergibt sich eine Gleichverteilung von Überspannungsüberschlä­ gen und dadurch keine punktuelle Abnützung oder Veränderung der Spaltwände. Als Material, insbesondere bei einer Vorioni­ sation des Luftspaltes, mit der in Dünnfilmtechnik aufge­ brachten Leiterbahnen hat sich ein Widerstandsmaterial, gebildet aus einer Chrom-Nickel-Verbindung CrNi, als beson­ ders geeignet erwiesen.

Desweiteren ergibt sich bei den gezeigten Ausführungsbeispie­ len nach einer Dauerbelastung (mehr als 1000 Überspannungs- Überschläge) keine Änderung in der HF-Eigenschaft der Über­ spannungs-Schutzanordnung im Frequenzbereich zwischen 3 kHz bis 1 GHz.

Claims (7)

1. Anordnung zum Schutz vor Überspannungen, gebildet aus einem Grundkörper (2) auf dessen Oberfläche zwei Elektrodenbelege angeordnet sind und zur Bildung eines Luftspaltes voneinander Abstand haben und über den größten Teil der Spaltlänge eine gleichbleibende Spaltbreite ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrodenbelege (1, 1′) jeweils aus mindestens einer Dünnfilmschicht gebildet sind,
daß an den Spaltenden (6, 6′; 7, 7′) der Spalt (5) deltaförmig aufgeweitet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (2) aus Keramik gebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (2) quaderförmig ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn aus Widerstandsmaterial gebildet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial aus einer Chrom-Nickel-Verbindung gebildet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft im Spalt (5) zwischen den Leiterbahnen (1, 1′) vorionisiert ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (2) jeweils eine Umkontaktierung (3, 3′) zwischen den auf der Oberseite des Grundkörpers (2) angeord­ neten Leiterbahnhälften (1, 1′) und den dazugehörigen auf der Unterseite des Grundkörpers (2) angeordnete Kontaktierungs­ flächen (4, 4′) aufweist.