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Varistor und Verfahren zu seiner Herstellung
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Die Erfindung betrifft einen Varistor, der aus einer keramisch hergestellten,
gesinterten Scheibe aus durch Dotierung halbleitendem Zinkoxidmaterial besteht,
deren Stirnflächen nicht bis zu ihren Rändern reichende Belegungen aus einem lötfähigen
Metall als Elektroden enthalten, deren Umfangsfläche mit einem Überzug aus Isoliermaterial
versehen ist und an dessen Belegungen Stromzuführungselemente angelötet sind.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Varistors, bei dem auf die Stirnflächen der gesinterten Scheibe Belegungen
aufgebracht werden, an die dann die Stromzuführungselemente durch Eintauchen in
Lötflußmittel und nachfolgendes Eintauchen in flüssiges Lot (Tauchlötung) oder durch
partielles Benetzen mit Lötflußmittel und dann mit flüssigem Lot durch einen Lötautomaten
(Automatenlötung) angelötet werden.
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Varistoren aus Zinkoxidmaterial werden auf keramische Weise hergestellt
und mit Belegungen aus Metall und einem Überzug aus Isoliermaterial versehen.
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Derartige Varistoren sind hinreichend bekannt, in der Literatur vielfach
beschrieben und in der Praxis in umfangreichem Maße angewendet.
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Varistoren, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, sind beispielsweise
im SIEMENS-Datenbuch "Edelgasgefüllte Überspannungsableiter; Metalloxidvaristoren
SIOV", Ausgabe
November 1984, Seiten 1, 2, 10, 46 bis 65, hinsichtlich
aller Einzelheiten und Anforderungen beschrieben. Auf Seite 46 dieses Datenbuches
ist ein Varistor der eingangs angegebenen Art im Seitenschnitt dargestellt.
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Halb leitendes Zinkoxidmaterial für Varistoren ist hinsichtlich der
Zusammensetzung beispielsweise in der DE-PS 18 02 452 und in der DE-AS 20 61 635
beschrieben.
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In diesen Schriften sind auch Herstellungsverfahren beschrieben, bei
denen in allgemeinster Form die Ausgangsstoffe, nämlich Zinkoxid, die Dotierungsstoffe,
nämlich die verschiedensten Elemente einschließlich seltener Erden, und gegebenenfalls
als Flußmittel dienende Zusätze, beispielsweise Siliziumdioxid oder ähnliches, miteinander
vermischt, gegebenenfalls vorgesintert und erneut feingemahlen, und schließlich
aus dem Ausgangspulver oder dem gemahlenen Pulver Scheiben geformt, insbesondere
gepreßt werden, die der Wärmebehandlung zum Zwecke der Sinterung (keramische Herstellung)
unterworfen werden.
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Aus der DE-OS 31 23 552 ist es auch bekannt, Zinkoxidvaristoren auf
der Peripherie des scheibenförmigen Sinterkörpers mit einem gasundurchlässigen isolierenden
Überzug zu versehen und in gasisolierten Überspannungsableitern für Unterwerke zu
verwenden. Der undurchlässige Überzug verhindert, daß der Varistor instabil wird,
wenn ein nicht-oxidierendes Gas als Isolationsgas verwendet wird. Beim Einsatz von
ZnO-Varistoren in Überspannunsableitern kommt es bei hohen Stromstößen zu kanalartigen
Durchschlägen im Bereich des Elektrodenrandes auf der Scheibe. Um die Einwirkung
der Gase auf
den Varistor zu unterbinden, wird eine möglichst geschlossene
Schutzschicht angestrebt. Als Material für diese Schutzschicht wird unter anderen
organischen polymeren Kunststoffen auch ein solcher auf der Basis von Polyamidimid
angegeben.
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Im Unterschied zur vorliegenden Erfindung sind bei den bekannten Varistoren
an den Belegungen angelötete Stirnflächen nicht nur nicht vorgesehen, sondern wegen
der späteren Verwendung auch nicht erforderlich, so daß die Metallbelegungen nicht
lötfähig zu sein brauchen.
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In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 34 05
834.6 vom 17. Februar 1984 ist ebenfalls ein Varistor ohne angelötete Stromzuführungselemente
beschrieben, der im übrigen die Merkmale des eingangs angegebenen Varistors aufweist.
Diese Varistoren dienen für den gleichen Zweck, der in der bereits genannten DE-OS
31 23 552 erläutert ist und darin besteht, daß derartige scheibenförmige Varistoren
übereinander gestapelt und miteinander elektrisch verbunden werden.
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Die in der genannten deutschen Patentanmeldung beschriebenen Varistoren
bestehen aus einer Scheibe, die in den Randbereichen beider Stirnflächen mit je
einer umlaufenden Stufe versehen ist, und bei denen der auf die Umfangs fläche aufgebrachte
Überzug bis auf die Stufen reichend aufgetragen ist, wobei die auf die Stirnflächen
aufgebrachten Belegungen den Kunststoffüberzug noch bedecken. Diese Varistoren werden
somit hergestellt, indem auf die Umfangs fläche der fertiggestellten, d.h. gesinterten
Scheibe der Isolierstoff aufgetragen wird und erst dann die Metallbelegungen auf
die Stirnflächen aufgebracht werden.
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem bei Varistoren auftretenden
Problem, dem bisher keine oder nur wenig Beachtung geschenkt wurde, für das eine
Lösung bisher jedenfalls nicht bekannt ist. Dabei handelt es sich um folgendes.
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Zur Prüfung der Qualität eines Zinkoxid-Varistors im Bereich kleiner
Ströme wird dieser bei der Sperrspannung des betreffenden Typs gemessen. Bei der
Sperrspannung darf der Strom, der Sperrstrom, für alle Typen nicht größer als 1
pA sein.
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Die metallisierten Keramikscheiben selbst haben zwar einen Sperrstrom,
der weit unter 1 pA liegt. Nach dem Anlöten der Zuleitungsdrähte bzw. dem Anlöten
von Anschlußlaschen, das entweder durch Tauchlötung oder durch Automatenlötung geschieht,
hat dieser Strom jedoch einen bis zu zwei Zehnerpotenzen größeren Wert, so daß bei
einzelnen Varistoren der Sperrstrom größer als 1 uA ist. Dieser Effekt tritt bei
verschiedenen Typen unterschiedlich stark auf.
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Außerdem konnte bei einigen nach dem Anbringen der Stromzuführungselemente
vergossenen Varistoren beim Stabilitätstest, nämlich beim Betrieb bei der für den
jeweiligen Typ maximal zulässigen Gleichspannung und der maximal zulässigen Temperatur
von 80°C, ein Ansteigen des Stromes in Abhängigkeit von der Zeit beobachtet werden.
Diese Instabilität kann zu einem Ausfall des Varistors nach einer bestimmten Zeit
führen.
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Derzeit wird eine beträchtliche Anzahl von an sich fertigen Varistoren,
deren Sperrstrom jedoch über ein luA liegt, als Ausschuß verworfen. Zur Kontrolle
der Stabilität muß ferner ein aufwendiger Stabilitätstest an Stichproben durchgeführt
werden.
Bestehen bei diesen Stichproben einige Varistoren diesen Test nicht, so muß das
gesamte Fertigungslos geprüft werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Varistor
und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, die gewährleisten, daß die Ausschußrate
wesentlich verringert wird, daß zeitraubende Stabilitätstests weitgehend überflüssig
werden und daß dennoch Varistoren resultieren, die den an sie gestellten Forderungen
hinsichtlich des Sperrstromes gleich oder kleiner als 1 pA und der Stabilität gerecht
werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Varistor der eingangs angegebenen
Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus einem Kunststoff
besteht, der bei der Löttemperatur beständig ist und der, von der Umfangsfläche
ausgehend, die von Belegungen freien Randbereiche der Stirnflächen der Scheibe bedeckt
und bis auf die äußeren Bereiche der Belegungen reicht.
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Vorzugsweise besteht der Überzug aus einer Polyimidschicht.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Überzug eine Dicke von 1 um bis
100 um aufweist.
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Die Überlegungen und Versuche, die zur vorliegenden Erfindung geführt
haben, gehen davon aus, daß der erhöhte Sperrstrom und die Instabilität einiger
nach dem Anbringen der Stromzuführungselemente mit einem Überzug versehenen, beispielsweise
vergossenen Varistoren auf das organische Flußmittel (auf Kolophoniumbasis) zurückgeführt
werden könnten,
das beim Löten die freie Keramikoberfläche angreift.
Es konnte bestätigt werden, daß sich dieser Angriff in einer Erhöhung der Oberflächenleitfähigkeit
und damit in einer Erhöhung des Sperrstromes äußert. Es wurde in diesem Zusammenhang
dann auch festgestellt, daß die Schädigung bei im Tauchlötverfahren behandelten
Varistoren stärker ist als bei Varistoren, die durch Automatenlötung mit den Stromzuführungselementen
versehen werden. Bei der Tauchlötung werden die Varistoren vor dem Eintauchen in
das mit flüssigem Zinn gefüllte Lötbad vollständig in ein Flußmittelbad getaucht.
Demgegenüber rinnt bei der Automatenlötung das Flußmittel nur auf einen Teil der
Keramikoberfläche.
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Der durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagene Überzug verhindert
diesen schädigenden Einfluß auf die von Metall der Belegungen freie Oberfläche der
Keramikscheibe in besonders einfacher Weise und löst damit nicht nur das Problem
des Anstiegs des Sperrstromes, sondern verbessert auch die Langzeitstabilität. Dieses
Ergebnis ist überraschend und war nicht zu erwarten.
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Das Verfahren der eingangs angegebenen Art ist zur Lösung der diesbezüglichen
Aufgabenstellung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Anlöten der
Stromzuführungselemente die mit Belegungen versehene, gesinterte Scheibe derart
mit einem Überzug aus flüssigem Lack eines temperaturbeständigen Kunststoffes, insbesondere
auf der Basis von Polyimid, versehen wird, daß nur die Umfangsfläche, die von Belegungen
freien Bereiche der Stirnflächen und ein schmaler ringförmiger Bereich auf den Belegungen
bedeckt werden, wonach der Lack ausgehärtet wird.
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Der Begriff Lack wird hier sowohl für eine Lösung des temperaturbeständigen
Kunststoffes, insbesondere Polyimid,
in einem Lösungsmittel, insbesondere
N-Methylpyrrolidon,als auch für flüssige Monomere des jeweiligen Kunststoffes benutzt.
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Das Auftragen des Überzuges kann dadurch erfolgen, daß die mit Belegungen
versehene Scheibe bis zu der gewünschten Höhe in den flüssigen Lack getaucht und
um ihre Achse gedreht wird.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, die mit Belegungen versehene
Scheibe auf ihrer Umfangs fläche durch eine Wanne zu rollen, die bis zur erforderlichen
Höhe mit dem flüssigen Lack gefüllt ist.
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Andererseits ist es vorteilhaft, die Scheibe an den Stellen der Belegungen,
die vom Überzug frei bleiben sollen, zunächst mit einer entfernbaren Schutzschicht
zu versehen, dann in den flüssigen Lack vollständig einzutauchen und nach dem Aushärten
des Lackes die Schutzschicht zu entfernen.
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Derartige entfernbare Schutzschichten sind hinreichend bekannt und
bestehen beispielsweise aus Wachs oder allgemein aus Kunststoffen, die im Lösungsmittel
des Lackes nicht löslich sind. Das Entfernen der Schutzschicht geschieht dann beispielsweise
mechanisch, indem die Schutzschicht samt der darüber befindlichen Schicht aus dem
Überzugslack abgehoben wird. Andere Möglichkeiten der Entfernung bestehen in der
Wahl von Lösungsmitteln unterschiedlicher Löslichkeiten für Lack und Schutzschicht,
wobei dabei dafür zu sorgen ist, daß das Lösungsmittel für die Schutzschicht an
Perforationen durch den auf ihr befindlichen Überzug durchtreten kann.
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eine besonders bevorzugte Ausführungsform zum Aufbringen des Überzuges
besteht darin, daß die mit Belegungen versehene Scheibe von einer Greifzange erfaßt
wird, die an ihren Enden mit Scheiben versehen ist, deren Durchmesser dem vom Lacküberzug
freizulassenden Teil der Belegungen entspricht, die so gehaltene Scheibe vollständig
in den flüssigen Lack eingetaucht und anschließend der Lack ausgehärtet wird, und
daß die Scheibe dann von der Greifzange freigegeben wird.
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Bei diesem Verfahren wird vorzugsweise eine Greifzange verwendet,
deren Scheiben aus einem elastischen Material bestehen. Hierdurch wird gewährleistet,
daß die Metallbelegungen im Bereich der Scheiben der Greifzange weitgehend vom Überzugslack
freibleiben.
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Es ist selbstverständlich, daß der fertige Varistor der Erfindung
im Bedarfsfalle noch, wie an sich bekannt, mit einem Schutzüberzug ganz oder zum
Teil umhüllt sein kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren, die
den Varistor nach der Erfindung schematisch darstellen, näher erläutert.
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Es zeigen, Fig. 1 den Varistor im Seitenschnitt, Fig. 2 eine Möglichkeit
für den Auftrag des Überzuges, Fig. 3 eine zum Auftragen des Überzuges zu verwendende
Greifzange mit einem Varistor.
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In Fig. 1 ist der Varistor gezeigt, der aus einer Keramikscheibe 1
besteht, die an ihren Stirnflächen 2 und 3 mit den Metallbelegungen 4 und 5 versehen
ist. Auf der Umfangs-
fläche 6 ist der Überzug 7 aufgetragen, der
von dort ausgehend die von Metallbelegungen 4, 5 freien Randbereiche 10, 11 der
Stirnflächen 2, 3 bedeckt und bis auf die äußeren Bereiche 12, 13 der Belegungen
4, 5 reicht. An den Belegungen 4 und 5 sind die Stromzuführungselemente 8 und 9
angelötet.
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Im vorliegenden Fall sind die Stromzuführungselemente 8 und 9 als
Drähte im Schnitt dargestellt. Stromzuführungselemen te können aber auch Laschen
oder zu einem Kopf abgeplattete Drähte sein. Die Stromzuführungselemente 8 und 9
sind durch die beiden Lötaufträge 19 und 20 an den Belegungen 4 und 5 befestigt.
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In Fig. 2 ist gezeigt, wie die Keramikscheibe 1 mit ihren auf den
Stirnflächen 2 und 3 aufgebrachten Belegungen 4 und 5 durch eine Wanne 14 gerollt
werden kann, die bis zur Höhe h mit dem flüssigen Lack 21 des temperaturbeständigen
Kunststoffes gefüllt ist. Die Füllhöhe kann beispielsweise durch beständiges Nachfüllen
und Korrektur mit einem Überlauf geregelt werden. Beim Abrollen der Scheibe auf
dem Boden der Wanne 14 wird diese um ihre Achse gedreht, wie dies durch den Pfeil
22 angedeutet ist. Auf diese Weise bleibt ein Teil 18 der Fläche der Metallbelegungen
frei, der dann für den nachfolgenden Lötvorgang zur Verfügung steht.
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Im übrigen sind in Fig. 2 für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen
verwendet wie in Fig. 1.
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In Fig. 3 ist schematisch eine Greiferzange 15 gezeigt, die an ihren
Enden 16 mit Scheiben 17 versehen ist. Die Durchmesser dieser Scheiben 17 entsprechen
dem vom Lacküberzug 7 freizulassenden Teil 18 auf den Metallbelegungen 4 und 5,
die sich auf den Stirnflächen 2 und 3 der Scheibe 1 befinden. Nach dem vollständigen
Eintauchen des derart gehaltenen
Varistors in flüssigen Lack des
temperaturbeständigen Kunststoffes verbleibt nach dem Aushärten des Lackes und Freigeben
des Varistors ein Überzug, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, der von der Umfangsfläche
6 ausgehend die von Metallbelegungen 4 und 5 freien Randbereiche 10 und 11 der Stirnflächen
2 und 3 und bis auf Randbereiche 12 und 13 der Belegungen 4 und 5 reicht.
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9 Patentansprüche 3 Figuren 1 Zusammenfassung