DE3729013A1 - Schaltungsanordnung mit einem varistor als ueberspannungsschutz fuer ein eine elektrische schaltung enthaltendes bauelement - Google Patents

Schaltungsanordnung mit einem varistor als ueberspannungsschutz fuer ein eine elektrische schaltung enthaltendes bauelement

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Varistor als Überspannungsschutz für ein eine elektrische Schaltung enthaltendes Bauelement, das in einem Gehäuse mit einem Träger mit einer Vertiefung zur Aufnahme des Bauelements, einem Deckel und Anschlüssen montiert ist.
Da Schaltungen im Betrieb häufig elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind, ist es zweckmäßig, sie vor Störungen und Zer­ störungen durch Überspannungen zu schützen. Es ist bekannt (siehe z. B. DE 32 31 118 C1), als Überspannungsschutz Varistor­ elemente zu verwenden. Der Zusammenhang von Strom I und Span­ nung U folgt bei einem Varistorbauelement der Gleichung I = (U/K) α , wobei K eine Materialkonstante und α der Koeffi­ zient der Nichtlinearität ist. Ein Varistor hat bei niedriger anliegender Spannung ein hochohmiges Verhalten, bei höherer an­ liegender Spannung wird er niederohmiger.
Ein Varistorbauelement enthält einen Varistor, der z. B. aus dotierter Zinkoxidkeramik besteht, und zwei mit dem Varistor verbundene Elektroden. Zum Schutz vor Überspannungen wird jede Versorgungsleitung der zu schützenden Schaltung mit der einen Elektrode je eines Varistorbauelementes verbunden. Die zweite Elektrode jedes Varistorbauelementes wird im allgemeinen auf Masse gelegt.
Der Überspannungsschutz einer elektronischen Schaltung sollte möglichst induktivitätsarm realisiert sein. Die Schutzwirkung bei Überspannungen mit hohen Anstiegsgeschwindigkeiten wird durch Induktivitäten im Aufbau, insbesondere Leitungsinduktivi­ täten, beeinträchtigt. Ein induktivitätsarmer Aufbau für inte­ grierte Schaltungen ist aus DE 32 31 118 C1 bekannt. Mindestens ein Varistor ist in dieser Lösung als integriertes Bauteil in einer kombinierten Schaltungsanordnung vorgesehen. Die Varisto­ ren werden in dem die integrierten Schaltungen enthaltenden Substratkörper realisiert. Der Substratkörper besteht dabei aus hochohmiger oder isolierender Zinkoxidkeramik. Durch Dotierung werden die gewünschten Bereiche des Substratkörpers mit Varistor­ eigenschaften versehen.
Diese Lösung ist beschränkt auf solche kombinierten Schaltungs­ anordnungen, die in einem hochohmigen oder isolierenden Sub­ stratkörper aus Zinkoxidkeramik integriert sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Lösung für den Aufbau eines Überspannungsschutzes einer elektronischen Schaltung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, wie dies im kenn­ zeichenden Teil des Anspruchs 1 angegeben ist. Weitere Ausge­ staltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
In dieser Lösung wird der Überspannungsschutz auch durch Varistorbauelemente realisiert, die mit den Versorgungslei­ tungen der zu schützenden Schaltung verbunden werden. Der Er­ findung liegt der Gedanke zugrunde, die Varistorbauelemente in das Gehäuse zu integrieren, in das die elektrische Schaltung montiert wird. Das hat den Vorteil, daß auch in beliebigen Substraten integrierte Schaltungen auf diese Weise geschützt werden können. Der Aufbau vermeidet unnötige Induktivitäten durch lange Leitungen und ist daher zum Schutz vor Überspan­ nungen mit hohen Anstiegsgeschwindigkeiten geeignet.
Ein Ausführungsbeispiel wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Gehäuse, das einen Träger zur Aufnahme des die Schaltung enthaltenden Bauelements und einen Deckel, der als Varistor wirkt, enthält.
Fig. 2 zeigt die dem die Schaltung enthaltenden Bauelement zuge­ wandte Seite des Deckels.
Fig. 3 zeigt das Schaltbild der Varistorschaltung.
Ein Gehäuse enthält einen Träger 4 und einen Deckel 3 (siehe Fig. 1). Der Träger 4 besteht z. B. aus Aluminiumoxidkeramik. Der Träger 4 weist eine Vertiefung 1 und Anschlüsse 18 auf. Die Vertiefung 1 ist z. B. rechteckförmig und dient zur Aufnahme eines eine integrierte Schaltung enthaltenden Halbleiterchips 2. Die Vertiefung 1 ist so gestaltet, daß der Halbleiterchip 2 mit Bondverbindungen 17 zum Träger 4 versehen werden kann, um den Kontakt der integrierten Schaltung mit den Anschlüssen 18 herzustellen.
Der Deckel 3 besteht aus einem Material mit Varistoreigen­ schaften, z. B. aus einer dotierten Zinkoxidkeramik. Auf einer ersten Seite 11 (siehe Fig. 2), die im fertig aufgebauten Ge­ häuse dem Halbleiterchip 2 zugewandt ist, weist der Deckel 3 eine erste Metallisierung 5 auf. Die erste Metallisierung 5 ist so angeordnet, daß sie gegenüberliegende Kanten 19 freiläßt. In diesem Bereich weist der Deckel 3 eine zweite Metallisierung 6 und eine dritte Metallisierung 7 auf. Die zweite Metallisierung 6 und die dritte Metallisierung 7 reichen über die Kanten 19 bis auf eine zweite Seite 12 des Deckels 3. Die zweite Seite 12 ist der ersten Seite 11 abgewandt (siehe Fig. 1). Die erste Metallisierung 5, die zweite Metallisierung 6 und die dritte Metallisierung 7 sind untereinander nur über den Deckel 3 ver­ bunden.
Der Träger 4 weist auf der Seite mit der Vertiefung 1 um die Vertiefung 1 eine vierte Metallisierung 8 auf (siehe Fig. 1). Die vierte Metallisierung 8 umschließt die Vertiefung 1 ganz. Die vierte Metallisierung 8 ist mit einem Masseanschluß 13 ver­ bunden. Die erste Metallisierung 5 und die vierte Metallisie­ rung 8 sind in ihren Ausmaßen und ihrer Lage so aufeinander ab­ gestimmt, daß beim Auflegen des Deckels 3 auf den Träger 4 die erste Metallisierung 5 und die vierte Metallisierung 8 über­ lappen und einen elektrischen Kontakt bilden (siehe Fig. 1). Der Träger 4 weist außerhalb des Bereichs der vierten Metallisie­ rung 8 eine fünfte Metallisierung 9 und eine sechste Metalli­ sierung 10 auf. Die fünfte Metallisierung 9 und die sechste Metallisierung 10 verlaufen an gegenüberliegenden Seiten der vierten Metallisierung 8. Die fünfte Metallisierung 9 ist mit einem Anschluß 14 der positiven Versorgungsspannung verbunden. Die sechste Metallisierung 10 ist mit einem Anschluß 15 der negativen Versorgungsspannung verbunden. Die vierte Metalli­ sierung 8, die fünfte Metallisierung 9 und die sechste Metalli­ sierung 10 stehen untereinander nicht in Kontakt. Die zweite Metallisierung 6 und die fünfte Metallisierung 9 sind in Abmes­ sungen und Lage so aufeinander abgestimmt, daß sie beim Auf­ legen des Deckels 3 auf den Träger 4 überlappen und einen elektrischen Kontakt bilden. Ebenso sind die dritte Metallisie­ rung 7 und die sechste Metallisierung 10 in Lage und Ausmaßen so aufeinander abgestimmt, daß sie beim Auflegen des Deckels 3 auf den Träger 4 überlappen und einen elektrischen Kontakt bilden. Außer den beschriebenen elektrischen Kontakten zwischen der ersten Metallisierung 5 und der vierten Metallisierung 8, zwischen der zweiten Metallisierung 6 und der fünften Metalli­ sierung 9 und zwischen der dritten Metallisierung 7 und der sechsten Metallisierung 10 entstehen beim Auflegen des Deckels 3 auf den Träger 4 keine weiteren elektrischen Kontakte (siehe Fig. 1).
Der Deckel 3 wird mit dem Träger 4 durch eine Lötung fest ver­ bunden. Dazu ist ein Lötring 16 vorgesehen, der rings um die erste Metallisierung 5 auf dem Deckel 3 verläuft. Die Lötver­ bindung zwischen der ersten Metallisierung 5 und der vierten Metallisierung 8 schließt den Halbleiterchip 2 in der Ver­ tiefung 1 hermetisch dicht ein. Die Verbindung zwischen der zweiten Metallisierung 6 und der fünften Metallisierung 9 und zwischen der dritten Metallisierung 7 und der sechsten Metalli­ sierung 10 kann ebenfalls eine Lötung sein.
Im Betrieb wirken die Bereiche des Deckels 3 zwischen der ersten Metallisierung 5 auf der ersten Seite 11 und dem Teil der zweiten Metallisierung 6 auf der zweiten Seite 12 und zwischen der ersten Metallisierung 5 auf der ersten Seite 11 und dem Teil der dritten Metallisierung 7 auf der zweiten Seite 12 als zwei getrennte Varistoren.
In Fig. 3 ist das Schaltbild der Varistorschaltung dargestellt. Der als zwei Varistoren wirkende Deckel 3 ist mit der ersten Metallisierung 5, die als gemeinsame Elektrode für beide Varistoren wirkt, mit dem Masseanschluß 13 verbunden. Die zweite Metallisierung 6 ist mit dem Anschluß 14 der positiven Versorgungsspannung verbunden. Die dritte Metallisierung 7 ist an den Anschluß 15 der negativen Versorgungsspannung ange­ schlossen.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung mit einem Varistor als Überspannungs­ schutz für ein eine elektrische Schaltung enthaltendes Bau­ element, das in einem Gehäuse mit einem Träger mit einer Ver­ tiefung zur Aufnahme des Bauelements, einem Deckel und An­ schlüssen montiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor im Deckel (3) enthalten ist und daß der Varistor über Kontakte mit den Anschlüssen (14, 15) der Ver­ sorgungsspannungen des Bauelementes (2) elektrisch verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Varistor aus dotierter Zinkoxid­ keramik besteht, die so dotiert ist, daß sie Varistoreigen­ schaften hat.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (3) aus dotier­ ter Zinkoxidkeramik mit Varistoreigenschaften besteht und als Varistor wirkt und daß der Deckel (3) voneinander isolierte Metallisierungen (5, 6, 7) aufweist, die zur elektrischen Ver­ bindung des Varistors mit den Anschlüssen (14, 15) der Ver­ sorgungsspannungen des Bauelementes (2) dienen.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekenn­ zeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) der Träger (4) weist Metallisierungen (8, 9, 10) auf,
  • b) die Metallisierungen (8, 9, 10) sind mit den Anschlüssen (14, 15) der Versorgungsspannungen und mit einem Masseanschluß (13) elektrisch verbunden,
  • c) die Metallisierungen (8, 9, 10) sind so angeordnet, daß beim Auflegen des Deckels (3) auf den Träger (4) die Metallisierun­ gen (5, 6, 7, 8, 9, 10) paarweise überlappen,
  • d) beim Auflegen des Deckels (3) werden die Varistoren so mit den Anschlüssen (14, 15) verbunden, daß sie ihre Schutzwirkung erfüllen.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekenn­ zeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) der Deckel (3) trägt auf einer ersten Seite (11) die erste Metallisierung (5), die mindestens zwei gegenüberliegende Kan­ ten (19) der ersten Seite (11) freiläßt,
  • b) der Deckel (3) trägt auf einer zweiten Seite (12), die der ersten Seite (11) abgewandt ist, die zweite Metallisierung (6) und die dritte Metallisierung (7), die über die Kanten (19) des Deckels (3) bis auf die erste Seite (11) reichen,
  • c) die erste Metallisierung (5), die zweite Metallisierung (6) und die dritte Metallisierung (7) sind paarweise nur über den Varistor (3) miteinander verbunden,
  • d) der Träger (4) weist die vierte Metallisierung (8) auf, die die Vertiefung (1) ganz umgibt und die mit dem Masseanschluß (13) verbunden ist,
  • e) die Abmessungen und die Lage der ersten Metallisierung (5) und der vierten Metallisierung (8) sind so aufeinander abge­ stimmt, daß beim Auflegen des Deckels (3) auf den Träger (4) sich die erste Metallisierung (5) und die vierte Metallisierung (8) überlappen und einen elektrischen Kontakt bilden,
  • f) der Träger (4) weist auf der Seite mit der Vertiefung (1) die fünfte Metallisierung (9) auf, die seitlich der Vertiefung (1) angeordnet ist, die mit der vierten Metallisierung (8) nicht in Kontakt steht und die mit dem Anschluß (14) der posi­ tiven Versorgungsspannung verbunden ist,
  • g) der Träger (4) weist auf der Seite mit der Vertiefung (1) die sechste Metallisierung (10) auf, die seitlich der Ver­ tiefung (1) an der der fünften Metallisierung (9) abgewandten Seite angeordnet ist, die weder mit der vierten Metallisierung (8) noch mit der fünften Metallisierung (9) in Kontakt steht und die mit dem Anschluß (15) der negativen Versorgungsspannung verbunden ist,
  • h) die Abmessungen und die Lage sowohl der zweiten Metallisie­ rung (6) und der fünften Metallisierung (9) als auch der dritten Metallisierung (7) und der sechsten Metallisierung (10) auf dem Deckel (3) bzw. dem Träger (4) sind so aufeinander abgestimmt, daß beim Auflegen des Deckels (3) auf den Träger (4) sich sowohl die zweite Metallisierung (6) und die fünfte Metallisierung (9) als auch die dritte Metallisierung (7) und die sechste Metallisierung (10) überlappen und je einen elektrischen Kontakt bilden,
  • i) die Anordnung der Metallisierungen (5, 6, 7, 8, 9, 10) auf dem Deckel (3) und dem Träger (4) ist so realisiert, daß außer dem elektrischen Kontakt zwischen der ersten Metallisierung (5) und der vierten Metallisierung (8), zwischen der zweiten Metallisierung (6) und der fünften Metallisierung (9) und zwischen der dritten Metallisierung (7) und der sechsten Metallisierung (10) keine weiteren elektrischen Kontakte zwischen den Metallisierungen (5, 6, 7, 8, 9, 10) entstehen,
  • j) die Befestigung des Deckels (3) mit dem Träger (4) ist durch eine Lötzone (16), die rings um die erste Metallisierung (5) verläuft und hermetisch dicht ist, vorgesehen.
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