DE2248159C2 - Metalloxidvaristor - Google Patents

Description

Die Erlindung betrifft einen Metalloxidvaristor mit einem Metalloxldkörpcr, der erste und zweite gegenüberliegende und im allgemeinen parallele Hauptflächen und kleinere Außenkanten und einen α-Wert von mehr als 10 in dem Stromdichtebereich von l""³ bis 10² A/cm² aufweist, ferner mit einem Elei-trodenpaar im galvanischen Kontakt mit den entsprechenden gegenüberliegenden Hauptflächen des Körpers und einem Paar elektrischer Leiter im elektrischen Kontakt mit dem Elektrodenpaar.

Ein Melalloxidvaristor der vorgenannten Art ist in der DE-OS 18 02 452 beschrieben. Aufgabe der Erfindung ist dort die Schaffung eines nichtlinearen Widerstandes, dessen Nichtlinearität in der Masse begründet und der durch einen hohen n-Wcrt gekennzeichnet ist. Die Lösung besteht dort in einem gesinterten Körper, der ir»i wesentlichen aus 99,95 bis 90,0 Mol-% Zinkoxid und 0,05 bis 10,0 Mol-% Wismuloxid besteht und bei dem ohmsche Elektroden auf gegenüberliegenden Oberflächen des gesinterten Körpers angebracht sind.

In dem AEG-Streublatt „Überspannungsableiter Typ AS: 1.2 bis 20 kV" vom April 1963 sind dagegen Varistoren mit einem Siliziumkarbidkörper beschrieben. Diese Siliziumkarbidvaristoren sind nur an den Mantelflächen mit einem aufgebrannten keramischen Überzug versehen, der der Isolation dient.

In der DE-AS 10 85 261 ist ein Leistungshalbleiter beschrieben, wobei konkret nur ein Transistor aus einer dünnen Halbleiterplatte genannt ist. Dieser Transistor ist über eine Akzeptorschicht mit einem die Wärme abführenden Kegelstumpf verbunden. Es ist bei dem Transistor nach der vorgenannten AS dieser Kegelstumpf, der mit Hilfe einer Schicht aus einem elektrischen Isolierstoff von relativ hoher wärmeleitfähigkeit mit einem /.wischenstück verbunden ist. der seinerseits mit einem Wärmeableiter verbunden Ist, der die Wiirme an die Luft abgibt. Als Beispiele für die Isolierstoffe der Kegelstumpf und /.wischenstück verbindenden Schicht sind Berylliumoxld. Magnesiumoxid. Aluminiumoxid und Berylllurnoxidtcilchcn in einem Bindemittel genannt, wobei jo· jedoch keine Angaben über das Bindemittel gemacht sind.

In der FR-PS 13 79 676 ist ein Halbleiterelement, konkret ein Silizium-Transistor beschrieben, der in einem Behälter angeordnet ist, der zwischen dem Transistor und der Behälterwand mit Bornitridpulver oder einer Aufschlämmung von 70 bis 15% Bornitrid in Silikonöl gefüllt Ist. Diese Füllung soll den Transistor zum einen gegen mechanische Schockeinwirkung schützen und zum anderen die Wärme ableiten. In einem anderen Fall wird

■♦ο das Bornitrid zur mechanischen Verstärkung der dünnsten Stelle eines Transistors in Polystyrol oder Epoxydharz auf einen kleinen Bereich des Transistors aufgebracht, wobei dieser verstärkende Überzug auch eine gute Wärmeleitfähigkeit hat.

In der DE-AS 1009 310 Ist eine Halbleitervorrichtung mit einem Flächenkoniakttransistor für hohe Leistung beschrieben, der verhältnismäßig großflächige Kontaktelemente aufweist, die mit den beiden Hauptflächen des Halbleiterkörpers aus Germanium oder Silizium verbun· den sind. An der k'-cinen Außenkante kann der Halbleiterkörper noch einen Ring, ζ. B. aus Nickel tragen, an dem dann ein Leiter befestigt Ist. Das eine Konlaklelement ist entweder direkt oder über einen die Montage ei leichternden Sockel mit einer elektrisch und thermisch hochleitenden Trag- bzw. Grundplatte verbunden. Die Tragplatte ist dann mittels elektrisch isolierendem Glimmer gut wärmeleitend mit einer Montageplatte verbunden, die die vom Transistor erzeugte Wärme abführt.
Demgegenüber lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Metalloxidvaristoi der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß seine elektrische und thermische Belastbarkeit erhöht wird und daß gleichzeitig eine elektrische Isolation /wischen den wiirmeabführenden und den stromführenden Teilen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird crfindungsgemäH durch die folgenden Merkmale gelöst:
a) der Widerstandskörper, die Elektroden und die eiek-

irischen Leiter, letztere im Bereich der Konlaktierungssiellensind von einem elektrisch isolierenden Kapselmaterial umhüllt, das am Widerstandskörper, an den Elektroden und - im Umhüllungsbereich an den elektrischen Leitern anhaftet, und das aus einem eine hohe thermische Leitfähigkeil aufweisenden Keramikmaterial aus Bornitrid, Berylliumoxid oder Aluminiumnitrid und aus einem Epoxidmaterial als Haftmittel besteht;

b) im wesentlich ;π parallel zu den Hauptfläehen bzw. zu den darauf befindlichen Elektroden ist ein Paar durch das Kapselmaierial von den Elektroden elektrisch isolierter Metallpiatten angeordnet.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beansprucht. Schutz wird nur begehrt für die Gesamtheit der in den Patentansprüchen jeweils beanspruchten Merkmale.

In der obengenannten FR-PS 13 79 676 ist besonders daraufhingewiesen, daß das den Halbleiterkörper umhüllende Material mit dem Halbleitermaterial und seiner Funktion \erträglich sein muß. Diese Frage ist in dieser PS nur für einen Halbleiterkörper aus Silizium beantwortet. Die Verträglichkeit eines isolierenden Kapse.rnaterials aus z. B. Bornitrid und einem Epoxidmalep?! mit einem Metalloxidkörpcr ist weder dieser FR-PS noch irgendeiner der anderen vorgenannten Druckschriften entnehmbar.

Der erfindungsgemäßc Metailoxidvarisior hat den Vorteil der erhöhten Wärmeabfuhr verbunden mit einer verbesserten Leistungskapazität gegenüber einem knnventionellen Varistor. Diese erhöhte Wärmeabfuhr wird dadurch herbeigeführt, daß der Metalloxidkörper, sein Elektrodenpaar und ein Teil der elektrischen Leiter mit dem eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisenden Kapselmaterial eingekapselt wird, das aus einem Keramikmaterial mit hoher thermischer Leitfähigkeit, vorzugsweise Bornitrid, und einem Epoxidmaterial. vorzugsweise Epoxidharz, zusammengesetzt ist.

In dem Kapselmaterial ist die Konzentration des Keramikmaterials vorzugsweise so hoch wie möglich, ohne daß die durch uas Epoxidmaterial bewirkte Verbindung Schaden nimmt. Der begrenzende Faktor für den oberen Wert der Konzentration des Keramikmaterials ist seine Kornungleichförmigkeit. Mit einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung von etwa 70 Gew.-¹V, Bornitrid und etwa 30 Gew.-",, Epoxidmaterial wurden zufriedenstellende Ergebnisse erhallen.

In bezug auf Bornitrid bedeutet »hohe thermische Leitfähigkeil« einen thermischen Lcitfähigkeitskoeffizicr.ien von mindesiens 2 Watt/cm °Kelvin. Bei der vorgenannten Ausführungsform der Erfindung (70 Gew.-Ά, Bornitrid. 30 Gew.-Λ. Epoxidmaterial) hatte das Epoxidmaterial für sich einen thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten von elwa 0.002 Watt/cm 'Kelvin, und das Kapselmaterial (Bornitrid plus Epoxid) hatte einen thermischen Leitfähigkeitskoeffizienlen von etwa 0.015 Watt/cm 'Kelvin.

Keramische, elektrisch isolierende Materialien, die eine Alternative zu Bornitrid darstellen und für Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind Berylliumoxid (thermischer Leilfähigkeitskoeflizienl mindestens 2 Wall/cm KcK in) unJ Aluminiumnitrid (thermischer Lcilfähigkcitskoeffizieni mindestens 0.3 Wall/cm Kelvin).

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme ^ auI die Zeichnung niiher erläutert. Im einzelnen zeigt

lie I in graphischer Darstellung Sirom/Sp.innungs-Kennlinien \<>n Metalloxid jristoren und der sich daraus ergebenden Spannungsgrenzwerte für verschiedene Werte des Exponenten α, wobei die Spannung über dem Strom in einem doppellogarlthmischen Maßftab aufgetragen ist,

Fig. 2 eine teilweise weggeschnitten dargestellte Draufsicht auf einen Metalloxidvaristor,

Fig. 3 eine Schnittansicht des in Fig. 2 gezeigten Metalloxidvaristors entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 und

Fig.4 eine Teilschnittansicht eines anderen Metallo.xidvaristors.

Die Strom/Spannungs-Kennlinien der Fig. 1 zeigen die nichtlinearen bzw. exponentiellen Widerstandscharakteristiken von Metalloxidvaristoren. Insbesondere zeigen diese Kennlinien die steigende Nichtlinearität und stärkere Spannungsbegrenzung, die mit steigenden Werten des Exponenten α erhalten werden. Auf der Ordinate ist die Spannung und auf der Abszisse die Stromdichte aulgetragen. Obwohl auch lineare Maßstäbe auf dem Koordinatenkreuz die verminderten Steigungen (fallende Widerstandswerte) mit steigenden Strömen zeigen würden, können derartige Kurven durch di? Wahl der Maßstäbe leicht manipuliert werden. Aus diesem Grunde wurden doppellogarithmische Maßstäbe gewählt, um eine Kurvenschar zu erhalten, die innerhalb des angegebenen Strombereiches im wesentlichen gradlinig bleibt.

Aus den in Fig. 1 gezeigten Kurven ist ersichtlich, daß der Widerstand von Metalloxidvaristoren bei niedrigen Stromwerten recht hoch ist und mit steigenden Stromwerten in nichtlinearer exponentiell Weise zunehmend kleiner wird. Diese Nichilinearitäl ist für größere Werte des Exponenten α größer. Eine Verlängerung der Kurven nach niedrigeren und höheren Stromwerten würde offensichtlich entsprechend höhere bzw. niedrigere Widerstände aufzeigen, und beim Betrieb des erfindungsgemäßen Metallvaristors können derartige Niveaus zeitlich vorübergehend erreicht werden. Der »Streu«-Strom durch den Metalloxidkörper hindurch ist vernachlässigbar.

In den Fig. 2 und 3 ist mit 10 allgemein ein Metalloxidvaristor bezeichnet. Der Varistor 10 weist einen Metalloxidkörper 11 mit einer ersten und einer zweiten gegerüberliegenden Hauptfläche 12 und 13 und einem a-Wert von mehr als 10 im Stromdichtebereich von 10 ■' bis IO^: A/cm² auf. Ein Paar Elektroden 14 und 15 steht im galvanischen Kontakt mit den entsprechenden gegenüberliegenden Hauptfläehen 12 und 13 des Körpers 11. Ein Paar elektrische Leiter 16 und 17 ist mit den Elektroden 14 bzw. 15 verbunden. Ein elektrisch isolierendes, eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisendes Kapselmaterial 18 schließt vollständig den Körper 11, die Elektroden 14 und 15 und einen Teil der Leiter 16 und 17 ein. Platten 19 und 20, die aus einem Metall mit hoher thermischer Leitfähigkeit, vorzugsweise Kupfer, hergestellt sind, sind im wesentlichen parallel im Abstand zu den gegenüberliegenden Hauptfläehen 12 und 13 des Körpers 11 angeordnet. Die Platten 19 und 20 sind durch das Kapselmaterial 18 von den Elektroden 14 und 15 isoliert. In der Bodenplatte 19, die größere Abmessungen aufweist ills die Platte 20, sind wenigstens zwei Befestigungsfeder 21 ausgebildet. Die Platten 19 und 20 könnten auch Rippen tragen, um die zur Verfügung stehende Oberfläche zu vergrößern, die zu einer kleineren thermischen Impedanz und somit zu einer norh größeren Beiiistbarkcit führt.

Der Mctalloxidvaristor hat gegenüber dem konventionellen k'iUiheicstititL,: Me'.alloxidvaristor ein: .im wenigstens eine Größenordnung höhere Belastbarkeit. In lit;. 4 isi eine Querschnittsansichi von einem I eil

eines linderen Metalloxidvaristors μο/οίμΙ. Im (ietiensal/ Kontakt ΛιιΙ diese Weise scIilicMl ilie .iulk'o (ihcrll.K :ie

/ur Anbrinyuni! vein /wei I eilern 16 uiiil 17 an ilen ieiles Leiters etua hiiiulit! mil tier .iuHeren ( liierll.iche der

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l.eiler 22 und 2Λ an den Kanten der l^;leklroden 14 und ". derlielien K.ipselm.iuri.ds
15 holestiyt und stehen mil diesen in einem elektrischen

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Metalloxidvaristor mit einem Metalloxidkörper, der erste und zweite gegenüberliegende und im allgemeinen parallele llaupiflüchen und kleinere Außenkanten und einen α-Wert von mehr als IO in dem Stromdichtebereich von ICH bis; IfJ³ A/cm³ aufweist, ferner mit einem Elektrodenpaar im galvanischen Kontakt mit den entsprechenden gegenüberliegenden Haupiflächen des Körpers und einem Paar elektrischer Leiter im elektrischen Kontakt mit dem Elektrodenpaar, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) der Widerstandskörper (11), die Elektroden (14, 15) und die elektrischen Leiter (16, 17; 22, 23), letztere Im Bereich der Kontaktierungsstellen, sind von einem elektrisch isolierenden Kapselmaterial (18) umhüllt, das am Widerstandskörper (11), an den Elektroden (14, 15) und - im Umhüllungsbereich - an den elektrischen Leitern (16, Ii; 22, 23) anhaftet, und das aus einem eine hohe thermische Leitfähigkeil aufweisenden Keramikmaterial aus Bornitrid, Berylliumoxid oder Aluminiumnitrid und aus einem Epoxidmaterial als Haftmittel besieht;
b) im wesentlichen parallel zu den Huuptflachen (12, 13) bzw. zu den darauf befindlichen Elektroden (14, 15) ist ein Paar durch das Kapselmaterial (18) von den Elektroden (14, 15) elektrisch isolierter Metallplatten (19, 20) angeordnet

2. Metalloxidvaristor nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (19, 20) aus Kupfer hergestellt sind.

3. Metalloxidvaristor nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Metallplatte (19) mit Befestigungslöchern (21) versehen ist und größere Abmessungen aufweist als die andere Metallplatte (20).

4. Metalloxidvarislor nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zusammengesetzten Kapsel material (18) die Konzentrationen von Bornitrid etwa /0 Gew.-% und von Epoxidmateria! etwa 30 Gew.-% betragen.