DE3022489C2 - - Google Patents

Description

Die Erfinduung bezieht sich auf Verfahren zum Herstellen eines Metalloxidvaristors und auf einen Metalloxidvaristor.

Wie in der US-PS 25 01 322 beschrieben ist, wird bei derartigen Varistoren ein Körper aus Varistormaterial gebildet, auf den erste und zweite im Abstand zueinander angeordnete Elektroden aufgebracht werden, an die elektrischen Leiter anlötbar sind. Weiterhin kann dort vor dem Aufbringen einer Lotschicht und dem späteren Anlöten elektrischer Leiter eine Schicht aus einem "Schutzmaterial" auf den Körper zwischen den ersten und zweiten Elektroden aufgebracht werden. Das bekannte Schutzmaterial besteht aus einem hochwarmfesten Material, gemischt mit einem geeigneten Binder, und soll als Schutz gegen Beanspruchungen, die durch Entladungen innerhalb des Varistorkörpers hervorgerufen werden, dienen und die elektrische Festigkeit erhöhen.

Gemäß der DE-OS 26 39 042 können auch eine polykristalline hochohmige Schicht und eine nichtkristalline hochohmige Schicht aufgebracht werden, um den Varistor vor feuchter Atmosphäre zu schützen.

Es ist auch bekannt (US-PS 24 73 887), daß der Fluß von Lot, Hartlötmetallen und Flußmitteln auf Körpern gesteuert werden kann durch eine Schutzbeschichtung mit einer Zusammensetzung, die als wesentlichen Bestandteil ein polymeres Organosiliziumoxid zusammen mit fein verteilten hochwarmfesten organischen Substanzen enthält.

Die DE-AS 23 07 322 beschreibt einen Varistor, der insgesamt mit einem isolierenden Überzugsmaterial überzogen ist.

In der DE-OS 21 26 340 ist ein Dickschichtvaristor beschrieben, bei dem zwei Elektroden im Abstand auf der gleichen Seite einer Varistorscheibe angeordnet sind.

Es hat sich gezeigt, daß das Anlöten elektrisch leitfähiger Drahtleiter an den Elektroden häufig einen nachteiligen Einfluß auf den Streustrom von Varistoren hat. Dieser Effekt ist bisher offenbar nicht erkannt worden oder auf jeden Fall nicht als ein Grund für den hohen Streustrom in Varistoren identifiziert worden. Im Hinblick auf die relativ niedrige Temperatur, bei der das Löten ausgeführt wird, d. h. wenige hundert Grad Celsius, im Vergleich zu der Sintertemperatur von Varistoren, d. h. über tausend Grad Celsius, ist wenigstens etwas überraschend, daß die Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften eines Metalloxidvaristors während des Lötens auftritt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Metalloxidvaristors und einen Metalloxidvaristor zu schaffen, der seinen kleinen Leck- bzw. Verluststrom auch dann beibehält, wenn Leiterdrähte durch Löten daran befestigt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Maßnahmen gemäß dem Patentanspruch 1 bzw. 7 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Leck- bzw. Verluststrom der Varistoren stark verbessert ist.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Ansicht von einem Metalloxidvaristor mit einem die Beständigkeit der Varistoreigenschaften beim Löten verbessernden Überzug.

Fig. 2 ist ein Fließbild und zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Metalloxidvaristors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 ist eine Ansicht von einem Varistor gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 4 ist eine Ansicht von einem Varistor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5 ist eine Ansicht von einem Varistor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Metalloxidvaristor 10 mit einem Körper 12 gezeigt, der vorzugsweise ein gesinterter Körper ist, der sich im wesentlichen aus einem Metalloxid wie Zinkoxid und zahlreichen gewählten Kunststoffen zusammensetzt. Verfahren zur Fertigung des Körpers 12 sind allgemein bekannt und werden deshalb hier nicht ausführlich erläutert. Beispielsweise wird der Körper 12 dadurch gebildet, daß die Hauptbestandteile und Zusatzstoffe gemischt und dann calziniert, gemahlen und zu einer "grünen" Varistorscheibe gepreßt werden, und die Scheibe bzw. das Pellet wird bei einer hohen Temperatur gesintert, um einen Körper mit den gewünschten Varistoreigenschaften zu erzeugen. Der Varistor 10 enthält ferner erste und zweite Elektroden 14 und 16, die auf die gegenüberliegenden Hauptflächen des Körpers 12 aufgebracht sind. Beispielsweise können die Elektroden 14 und 16 Silberelektroden sein, die auf die Oberflächen des Varistorkörper 12 durch Seidensiebdrucktechniken oder ähnliches aufgebracht werden und bei einer relativ hohen Temperatur wie beispielsweise 800°C gebrannt werden, um einen elektrischen Kontakt auf dem Varistorkörper zu bilden.

Die somit beschriebenen Schritte zum Herstellen eines Varistors weichen nicht wesentlich vom Stand der Technik ab. Die folgenden Schritte sind jedoch für die Erfindung wesentlich. Der bekannte Varistor mit daran befestigten Elektroden wurden Löten mit zwei Metallleitern verbunden. Typischerweise wird beim Löten ein Flußmittel verwendet, um die Lötbarkeit zu verbessern. Bisher wurde die Verwendung eines Flußmittels beim Löten nicht mit irgendeinem nachteiligen Effekt auf die Varistoreigenschaften in Verbindung gebracht. Nun wurde gefunden, daß der Streu- bzw. Verluststrom von Metalloxidvaristoren während des Lötvorganges zunimmt. Diese Vergrößerung scheint an der Wirkung des Lötverfahrens auf die Oberfläche des Varistors zwischen den Elektroden zu liegen. Die Wirkung wird durch die Reinigung der Oberfläche, die üblicherweise nach dem Löten durchgeführt wird, nicht benötigt. Es wird nicht nur der anfängliche Streu- bzw. Verluststrom der Vorrichtung durch das Lötverfahren erhöht, sondern es wird auch die Tendenz der Vorrichtung, sich nach einem längeren Anlegen der Arbeitsspannung zu verschlechtern, durch die nachteiligen Wirkungen des Lötens erhöht.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine flußmittelbeständige Schutzschicht 18 auf den Umfang des Varistorkörpers 12 derart aufgebracht, daß die Elektroden durch die Schutzschicht längs der Varistoroberfläche vollständig voneinander getrennt sind, nachdem die Elektroden 14 und 16 angebracht und bevor die elektrischen Leiter 20 und 22 an den Elektroden angelötet werden. Es ist kein bestimmtes Verfahren erforderlich zum Aufbringen der Schutzschicht 18, und für den Fachmann bieten sich viele zufriedenstellende Verfahren an. Auch wenn andere Materialien für zufriedenstellende Ergebnisse sorgen können, wird die Verwendung von Silikon-Polyimid-Copolymer für die Schutzschicht 18 bevorzugt. Dieses Material kann auf einfache Weise in einer ungehärteten, flüssigen Form aufgebracht werden, indem die Varistorscheibe mit den daran befestigten Elektroden an einem Drehgestell angebracht und das Silikon-Polyimid durch eine kleine Bürste oder eine Tropfeinrichtung aufgebracht wird. Die Schutzschicht wird dann gehärtet, indem sie auf eine Temperatur von 125°C oder mehr, aber vorzugsweise auf etwa 150°C, für eine Stunde oder mehr erhitzt wird. Vorzugsweise kann in ähnlicher Weise ein zweiter Überzug aus Polyimid aufgebracht und ähnlich ausgehärtet werden. Nachdem die Schutzschicht ausgehärtet ist, werden die Leiter 20 und 22 an den Elektroden 14 und 16 durch Lötschichten 24 und 26 befestigt, die beispielsweise ein eutektisches Blei-Zinnlötmittel enthalten können, das auch eine kleine Menge an Silber enthalten kann. Diese Lötmittel können einer Temperatur von etwa 225°C für etwa 10 Minuten ausgesetzt werden. Auch wenn eine Anzahl verschiedenartiger Fließmittel verwendet werden kann, wird bevorzugt ein leicht saures Fließmittel verwendet.

Nach dem Löten wird der Varistor mit den daran befestigten Leitern gereinigt, beispielsweise in Chloräthylen, indem die gelöstete Vorrichtung einmal oder mehrere Male gespült wird.

Die Vorrichtung wird dann verpackt oder gekapselt, indem beispielsweise ein Epoxyd-Außenüberzug (nicht gezeigt) ausgebildet wird, der die gesamte Vorrichtung einschließlich der Schutzschicht 18 umgibt. Es wurde gefunden, daß zusätzlich zu der Verhinderung der Verschlechterung der Verlusteigenschaft während des Lötens die Schutzschicht auch die Langzeit-Stabilität der Vorrichtung verlängert, die bisher durch die Epoxide nachteilig beeinflußt wurde, die üblicherweise zum Kapseln dieser Vorrichtungen verwendet werden.

Silikon-Polyimid-Copolymere sind in verschiedenen Zusammensetzungen verfügbar. Bevorzugt wird ein 30/70-Verhältnis von Polyimid zu organischem Material mit 50% Feststoffen verwendet. Das Aushärten eines derartigen Polyimids wird bei einer Temperatur zwischen etwa 125 und 400°C, vorzugsweise unter etwa 200°C, durchgeführt.

Fig. 2 zeigt in einem Blockdiagramm die Schritte zur Durchführung des Verfahrens. Es kann zwar vorteilhaft ausgeführt werden bei vielen Varistor-Typen, es ist jedoch besonders brauchbar in Verbindung mit Hochspannungs-Hochstrom-Varistoren.

Es wird ein Varistorkörper gebildet, der vorher gesintert worden ist und der, falls erwünscht, vorher mit einem passivierenden Überzug überzogen worden ist, wie er beispielsweise in der US-PS 38 57 174 beschrieben ist. Die Elektroden werden an dem Körper angebracht, indem beispielsweise eine Silberpaste in dem Bereich, wo die Elektroden gebildet werden sollen, durch Seidensiebtechnik angebracht wird, und der so ausgebildete Varistorkörper wird erhitzt, um die Silberelektroden zu bilden. Diese Ausbildung der Elektroden ist üblich. Der Schutzüberzug wird aufgebracht, nachdem die Elektroden ausgebildet worden sind. Er überdeckt denjenigen Teil des Varistorkörpers, der nicht von den Elektroden überdeckt ist, und vorzugsweise einen kleinen Teil der Elektroden selbst. Da die Verschlechterung der Verlusteigenschaft der Varistoren während der Lötens offenbar eine Oberflächenerscheinung und nicht eine Masseerscheinung ist, ist es lediglich notwendig, daß eine zusammenhängende Grenze zwischen der oberen Elektrode 14 und der unteren Elektrode 16 durch den Schutzüberzug 18 gebildet wird. Der Schutzüberzug 18 braucht nicht vollständig den Umfang der Vorrichtung einschließlich der Überlagerung der oberen und unteren Elektroden zu überdecken. Es wird jedoch vorgezogen, daß der Schutzüberzug den Umfang des Varistorkörpers vollständig umschließt und die obere und untere Elektrode leicht überlappt, um so den gesamten nicht mit Elektroden versehenen Abschnitt des Variators vor den Wirkungen des Lötvorganges einschließlich der Wirkungen der beim Löten verwendeten Flußmittel zu schützen. Die Schutzschicht 18 kann in ein oder zwei oder mehreren Malen aufgebracht werden, wobei es vorgezogen wird, jede Schicht vor dem Aufbringen einer nachfolgenden Schicht auszuhärten. Nach dem Aushärten der letzten Schicht wird die Vorrichtung dann durch die übliche Montage vervollständigt, die Leiter 20 und 22 können durch Löten einschließlich der Verwendung eines Fließmittels daran befestigt werden und es folgt dann die Reinigung, wie es für den Fachmann bekannt ist. Das Löten kann auch dadurch erfolgen, daß der gesamte Varistor einschließlich des mit Schutzschicht 18 überdeckten Abschnittes in ein Lötbad eingetaucht wird, vorausgesetzt, daß die Temperatur nicht etwa 400°C überschreitet. Nachdem die Leiter 20 und 22 befestigt sind, kann die Vorrichtung verpackt werden, indem sie beispielsweise in einem Epoxyd oder ähnlichem gekapselt wird.

Die folgende Tabelle zeigt die Verbesserung beim Streu- bzw. Verluststrom, der nach dem Löten für einen Varistor mit dem Schutzüberzug gemäß der Erfindung und ohne den Schutzüberzug gemessen ist:

Der Verluststrom wird bei einer Spannung V _1/2 gemessen; die materialabhängigen Konstanten α₁, α₂ und α₃ sind zwischen 0,1 und 1, 1 und 10 bzw. 10 und 100 mA gemessen; V₁ ist die Spannung über dem Varistor bei einem Strom von 1 mA.

Es ist ersichtlich, daß nicht nur der Verluststrom des Varistors stark verbessert ist durch den Zusatz eines Schutzüberzuges gemäß der Erfindung, sondern daß auch die anderen Charakteristiken der Vorrichtung ähnlich verbessert sind.

Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Varistors gemäß der Erfindung. Auch hierbei sind an dem Varistorkörper 12 erste und zweite Elektroden 14 und 16 an den oberen und unteren Hauptflächen befestigt. Die Bildung des Körpers 12 wie auch die Befestigung der Elektroden daran kann ausgeführt werden, wie es in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurde. Eine Schutzschicht 30 umgibt den Umfang des Körpers 12, überlappt aber nicht die Elektroden 14 und 16. Die Schicht 30 bildet eine Barriere bzw. einen Damm gegen die Verunreinigung während des Lötens auf einer Oberflächenbahn auf dem Körper 12 zwischen den Elektroden 14 und 16. Elektrisch leitfähige Leiter 20 und 22 werden an den Elektroden 14 bzw. 16 durch Lötschichten 24 und 26 befestigt, nachdem die Schutzschicht 30 aufgebracht ist. Sowohl das Aufbringen und Aushärten der Schutzschicht 30 als auch das Löten der Leiter 20 und 22 können in der Weise durchgeführt werden, wie es vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde. Die Schutzschicht 30 kann durch das Aufbringen einer etwas kleineren Menge an Silikon-Polyimid auf den Umfang des Körpers 12 gebildet werden als zur Bildung einer Schicht notwendig ist, die nicht nur den freiliegenden Umfang des Körpers 12 sondern auch einen Teil der Elektroden 14 und 16 überdeckt.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem erste und zweite Elektroden auf eine einzige Hauptfläche aufgebracht sind. Der Varistor 34 enthält einen Körper 12 mit daran befestigten ersten und zweiten Elektroden 36 und 38, wie es vorstehend in Verbindung mit den Fig. 1-3 beschrieben wurde. Die Elektroden 36 und 38 sind im Abstand zueinander angeordnet, und eine Schutzschicht 42 ist auf der Oberfläche 40 zwischen den einander benachbarten Rändern der Elektroden ausgebildet. Es werden elektrisch leitende Leiter 44 und 46 an den Elektroden 36 bzw. 38 angelötet, indem das gleiche Verfahren angewendet wird, das vorstehend bereits beschrieben wurde. In ähnlicher Weise kann die Schutzschicht aufgebracht und ausgehärtet werden, wie es vorstehend beschrieben wurde, außer daß es selbstverständlich nicht notwendig oder wünschenswert ist, den Körper 12 während des Aufbringens der Schutzschicht 42 zu drehen, die stattdessen bevorzugt unter Verwendung einer Bürste oder anderer Mittel zur Bildung eines Streifens aus dem Material zwischen den zwei Elektroden aufgebracht wird. Auf Wunsch kann der Varistor 34 auch mit einer auf dem Umfang angeordneten Schutzschicht 30 versehen werden, wie es in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde.

Fig. 5 zeigt einen Varistor der in Fig. 4 gezeigten Art, außer daß ein Schutzüberzug nicht nur die gesamte freiliegende Oberfläche des Varistorkörpers sondern auch einen kleinen Teil der Elektroden überdeckt. Der Varistor 50 enthält einen Körper 12 mit ersten und zweiten Elektroden 36 und 38, die auf einer einzigen Hauptfläche des Varistors ausgebildet sind. Eine Schicht aus Schutzmaterial 52 umfaßt einen äußeren Umfangsbereich 52 A und einen inneren Bereich 52 B, der eine Verlängerung des Umfangsbereiches 52 A ist und zwischen den Elektroden 36 und 38 liegt. Elektrische Leiter 44 und 46 werden mit den Elektroden 36 und 38 durch Lötschichten 54 bzw. 56 verbunden.

Das gegenwärtig zur Bildung der Schutzschicht verwendete Silikon-Polyimid-Copolymer kann modifiziert werden, indem die genaue Zusammensetzung, wie sie beschrieben worden ist, verändert wird. Ferner können andere flußmittelbeständige Überzüge für die gleichen Vorteile sorgen. Die Einzelheiten des Verfahrens zum Aufbringen des Überzuges auf einen Varistor können mit dem Varistor-Typ und der Kapselung variieren, in die der Varistor schließlich eingeschlossen wird.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen eines Metalloxidvaristors mit an dessen Elektroden angelöteten elektrischen Leitern, bei dem zunächst ein Körper aus Varistormaterial gebildet wird, auf dessen Oberfläche zueinander beabstandete Elektroden sowie vor dem Anlöten der elektrischen Leiter eine flußmittelbeständige Schutzschicht derart aufgebracht wird, daß die Elektroden durch die Schutzschicht längs der Varistoroberfläche vollständig voneinander getrennt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzmaterial Silikon-Polyimid-Copolymer verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Silikon-Polyimid-Copolymer ausgehärtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aushärten der Varistor mit der darauf aufgebrachten Schicht aus Silikon-Polyimid-Copolymer auf eine Temperatur von mehr als 125°C erhitzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß über der ersten Schicht und im wesentlichen mit der gleichen Ausdehnung eine zweite Schicht aus Silikon-Polyamid-Copolymer aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht zum Aushärten auf eine Temperatur von mehr als 125°C erhitzt wird.

7. Metalloxidvaristor mit folgenden Merkmalen:

• - ein Körper (12) besteht im wesentlichen aus Metalloxid und wenigstens einem Additiv,
• - auf dem Körper (12) sind zwei im Abstand zueinander angeordnete Elektroden (14, 16; 36, 38) direkt aufgebracht,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine Schutzschicht aus Silikon-Polyimid-Copolymer auf die Oberfläche des Körpers (12) derart aufgebracht ist, daß sie die Elektroden längs der Varistoroberfläche vollständig voneinander trennt und die Ränder der Elektroden überdeckt, und
• - erste und zweite elektrische Leiter mit den ersten und zweiten Elektroden durch eine Lötverbindung verbunden sind.

8. Varistor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Silikon-Polyimid-Copolymer ein Verhältnis von Polyimid zu organischem Material von etwa 30/70 hat.

9. Varistor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Silikon-Polyimid-Copolymer etwa 50% Feststoffe aufweist.