DE3884003T2

DE3884003T2 - Gekapselte Halbleiter-Stossspannungsschutzeinrichtung.

Info

Publication number: DE3884003T2
Application number: DE88300011T
Authority: DE
Inventors: James Edward Anderson; Jerzy Borkowicz; William Patrick Trumble
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1987-01-26
Filing date: 1988-01-04
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2008-01-05
Also published as: EP0278585B1; JPH0581187B2; JPH01207957A; BR8800174A; EP0278585A1; DE3884003D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine in einem Gehäuse angeordnete Festkörper-Stoßspannungs- bzw. Stoßstrom-Schutzeinrichtung und deren Verwendung zum Schutz von Telekommunikations- und anderen elektronischen Systemen, die kurzzeitigen Stoßströmen von bis zu 10&sup4; Ampere oder mehr ausgesetzt sind.
Elektronische Systeme müssen in vielen Fällen gegen vorrübergehende Stoßströme geschützt werden, die anderenfalls das System beschädigen können. Beispielsweise schließen Leistungsübertragungssysteme und Nachrichtenübertragungssysteme typischerweise Stoßspannung- oder Stoßstrom-Schutzeinrichtungen ein, beispielsweise an den Stellen, an denen Leiter in ein Vermittlungsamt oder ein Gebäude eintreten, unabhängig davon, ob dieses für industrielle, kommerzielle oder Wohnzwecke verwendet wird, sowie an verschiedenen anderen Stellen in dem System.
Übliche Schutzeinrichtungen schließen in vielen Fällen eine Funkenstrecke ein, über die ein Stoßstrom gegen Erde kurzgeschlossen wird, d.h. die Schutzeinrichtung bildet eine Erdverbindung parallel zu dem Leiter, den sie schützt, wobei die Funkenstrecke normalerweise eine Isolation ergibt. Die Form der Schutzeinrichtungen ist unterschiedlich. Die Funkenstrecke kann beispielsweise zwischen zwei Kohlenstoffblöcken oder -elektroden und zur Atmosphäre hin offen angeordnet sein. Alternativ kann bei sogenannten 'Gasröhren'-Schutzeinrichtungen die Funkenstrecke zwischen zwei Elektroden angeordnet sein, die in einem Gehäuse abgedichtet angeordnet sind, wobei die Funkenstrecke einem unter den Atmosphärendruck liegenden Druck ausgesetzt ist.
Stoßspannungs- oder Stoßstrom-Schutzeinrichtungen mit einer Funkenstrecke weisen verschiedene Nachteile auf, unter Einschluß der von Natur aus statistischen Art der Stromleitung über die Funkenstrecke, was zu einer erwünschten Instabilität führt. Eine der Umgebungsluft ausgesetze Funkenstrecke ist beispielsweise einer Verunreingung ausgesetzt, was die Leitung über die Funkenstrecke in einer unvorhersehbaren Weise beeinflußt. Eine Gasröhren-Schutzeinrichtung kann undicht werden, was zu einer Vergrößerung des Innendruckes und der Durchbruchspannung führt.
Entsprechend wurde vorgeschlagen, elektronische Systeme gegen Stoßspannungen bzw. Stoßströme mit Hilfe eines bidirektionalen Halbleiter-(Festkörper-) Bauteils zu schützen, bei dem ein Lawinendurchbruchs-Phänomen zur Begrenzung der Spannung, wie zum Beispiel in einer Zenerdiode, oder eine Mitkopplungswirkung, wie zum Beispiel in einem Thyristor ausgenutzt wird. Ein Halbleiterbauteil dieser Art ist typischerweise eine Überspannungs- Schutzeinrichtung, und es ist von ihrem Aufbau ähnlich zu einem üblichen, für mittlere Leistungen bestimmten Halbleiterbauteil, wie zum Beispiel der Thyristor.
Ein Beispiel einer derartigen Stoßspannungs- bzw. Stoßstrom- Schutzeinrichtung ist beispielsweise in dem US-Patent 3 928 093 beschrieben, auf das verwiesen wird. Bei dieser Stoßspannungs- bzw. Stoßstrom-Schutzeinrichtung ist eine Einkapselung des Halbleiterbauteils durch zwei Metallbauteile und eine Einkapselung in einer Masse aus Kunstharz vorgesehen. Es wurde jedoch festgestellt, daß aus Gründen, die noch weiter unten beschrieben werden, die üblichen Arten von Kunstharz, die normalerweise zum Einkapseln üblicher, eine mittlere Leistung aufweisender Halbleiterbauteile verwendet werden, schwerwiegende Nachteile aufweisen, wenn sie zum Einkapseln von Stoßspannungs- bzw. Stoßstrom-Schutzeinrichtungen verwendet werden.
Im Unterschied zu üblichen Halbleiterbauteile muß eine Halbleiter-Überspannungsschutzeinrichtung eine speziellle Aufgabe, sowohl vor als auch nach dem Ausfall, in der Schaltung erfüllen, von der sie ein Bauteil bildet. Insbesondere muß das Bauteil bei einem Ausfall oder einer Zerstörung (aufgrund eines Stromstoßes) einen andauernden Kurzschluß zwischen den Leitern in der Schaltung bilden, in die das Bauteil eingefügt ist. Weiterhin werden im Gegensatz zu üblichen Halbleiter-Leistungsbauteilen Halbleiter-Überspannungsschutzeinrichtungen normalerweise nicht in einer sich schnell wiederholenden Betriebsart betrieben, sondern sie werden vielmehr kurzzeitigen Stoßspannungen oder Stoßströmen ausgesetzt (oder Folgen von Stoßimpulsen, die die Wirkung eines einzigen Stoßimpulses haben), die sich hinsichtlich ihrer Dauer und Amplitude ändern. Aufgrund der praktischen Grenzen einer Wärmeübertragung durch eine Schutzeinrichtung kann die durch einen derartigen kurzen Impuls erzeugte Wärme von dem Bauteil nicht in einer Zeitperiode abgeführt werden, die mit der Dauer des Stoßimpulses vergleichbar ist.
Daher kann, obwohl die normalerweise von einer Halbleiter- Schutzeinrichtung aufgenommene Durchschnittsleistung sehr niedrig ist, die während eines vorübergehenden Stoßstromes oder einer Stoßspannung erzeugte momentane Leistung (und damit die erzeugte Wärme) Werte erreichen, die ausreichen, um den aktiven (Halbleiter-) Bereich des Bauteils vollständig zu zerstören, was dazu führen kann, daß der Kontakt zwischen den Leitern aufgehoben und der Kurzschluß beseitigt wird. Weil sie auf diese Weise bei relativ niedrigen Stoßströmen in dieser Weise zerstört werden können, war die Verwendung von Halbleiter-Schutzeinrichtungen bisher auf Schaltungen beschränkt, in denen die maximalen Stoßströme weit unterhalb von 10&sup4; Ampere lagen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiter-Schutzeinrichtung zu schaffen, bei der nach einem Ausfall ein Kurzschluß selbst nach sehr großen Stoßströmen aufrechterhalten wird, d.h. in der Größenordnung von 10&sup4; Ampere oder mehr.
Es ist weiterhin ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches System zu schaffen, das Einrichtungen zum Schutz des Systems gegenüber großen vorübergehenden Stoßströmen aufweist, die eine übliche Halbleiter-Schutzeinrichtung vollständig zerstören würden.
Zum Erreichen der vorstehenden Ziele wurde gemäß einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung eine Halbleiter-Stoßstrom- bzw. Stoßspannungs-Schutzeinrichtung geschaffen, die eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, eine auf eine Oberfläche der ersten bzw. zweiten Elektrode aufgebrachte wärmeleitende und elektrisch leitende Schicht, ein Halbleiterplättchen, das mit den beiden leitenden Schichten in Berührung steht, und ein elastisches, ringförmiges Dichtungselement umfaßt, das sich um das Halbleiterplättchen herum erstreckt und an beiden Elektroden anhaftet, wobei das Dichtungselement (a) mit den Elektroden einen Hohlraum bildet, in dem das Halbleiterplättchen angeordnet ist, und (b) ein thermoplastisches Kunststoffmaterial umfaßt, das ein flexibles isolierendes Material ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die leitende Schicht eine Lotschicht, die eine Elektrode mit einer Oberfläche des Halbleiterplättchens verbindet.
Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung wird ein elektronisches System mit zumindestens einer Schaltung geschaffen, die eine Stoßstrom-Schutzeinrichtung zum Schutz der Schaltung gegen einen Stoßstrom von bis zu 10&sup4; Ampere oder mehr einschließt, wobei die Stoßstrom-Schutzeinrichtung ein Halbleiterbauteil der vorstehend beschriebenen Art umfaßt.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird leicht aus der folgenden Beschreibung bestimmter Ausführungsformen in Form eines Beispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlich, in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht von oben auf eine Schutzeinrichtung der vorliegenden Erfindung vor dem Aufbrringen des aus Kunststoffmaterial bestehenden Dichtungsringes ist,
Fig. 2 und 3 Seitenansichten in Richtung der Pfeile A bzw. B in Fig. 1 sind,
Fig. 4 ein Querschnitt entlang der Linie IV-IV nach Fig. 1 ist, wobei sich jedoch ein Kreisring aus Kunststoffmaterial an seinem Platz befindet,
Fig. 5 ein der Fig. 4 ähnlicher Querschnitt ist, wobei jedoch der Kunststoffmaterialring erwärmt und zum Fließen gebracht wurde, um an den Elektroden anzuhaften,
Fig. 6 ein schematischer Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Festkörperbauteils ist, wie es bei der Anordnung nach den Fig. 1 bis 5 verwendet wird,
Fig. 7 eine Querschnittsansicht ist, die eine Möglichkeit zum Zusammenbau der Elektroden und des Bauteils zeigt,
Fig. 8 eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer Ausführungsform eines üblichen Schutzmoduls ist, das die vorliegende Erfindung verwirklicht,
Fig. 9 ein Querschnitt entlang der Linie X-X nach Fig. 8 ist,
Fig. 10 ein der Fig. 8 ähnlicher Querschnitt ist, der jedoch ein Schutzmodul zeigt, das speziell zur Verwendung der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist,
Fig. 11 ein der Fig. 10 ähnlicher Querschnitt ist, der jedoch ein Schutzmodul ohne eine Hitzdrahtspulen-Teilbaugruppe zeigt, und
Fig. 12 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Schutzmoduls unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ist.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung ergibt eine in einer Packung oder in einem Gehäuse angeordnete Halbleiter-Schutzeinrichtung mit zwei Metallelektroden, vorzugsweise aus Kupfer, zwischen denen ein Halbleiterplättchen eingeschichtet ist, sowie mit einem ringförmigen, aus Kunststoffmaterial bestehenden Dichtungselement. In diesem Zusammenhang bezeichnet das Wort 'Plättchen' ein Halbleiterelement, das entweder unidirektional oder bidirektional ist und die Form einer Zenerdiode oder eines Thyristors aufweist.
Das Dichtungselement erstreckt sich um den Umfang und teilweise zwischen die beiden Elektroden, an denen das Element jeweils anhaftet. Das Kunststoffmaterial, das das Dichtungselement bildet, ist ein Isoliermaterial, das flexibel oder nachgiebig ist, am Metall anhaftet und durchbruchfest unter Hitzebedingungen eines Stroßstromes durch das Bauteil ist.
Die Elektroden sind entlang entgegengestzter Oberflächen des Hauptleiterplättchens angeordnet und jeweils von dem Halbleiterplättchen durch eine Schicht getrennt, die sowohl wärmeleitend als auch elektrisch leitend ist. Eine Elektrode kann mit einer Halbleiterplättchen-Oberfläche verlötet werden, d.h. die oben erwähnte leitende Schicht kann eine Lotschicht sein. Alternativ kann eine Elektrode unter mechanischer Spannung gehalten werden, um sie gegen eine Halbleiterplättchen-Oberfläche gedrückt zu halten, wobei eine geeignete leitende Metallfolie oder Beschichtung zwischen diesen Teilen eingefügt ist.
Es wurde festgestellt, daß die starre Verpackung oder Gehäuseanordnung, die bisher bei üblichen, für eine mittlere Leistung bestimmten Halbleiterplättchen verwendet wird, in ihrer Anpassung zur Verwendung mit Halbleiter-Schutzeinrichtungen vergleichbarer Form tatsächlich nicht dazu geeignet ist, einen dauerhaften Kurzschluß in Schaltungen zu erzielen, in denen eine hohe Amplitude aufweisende Stoßströme der vorstehend genannten Art auftreten. Beispielsweise wurde festgestellt, daß die fehlende Flexibilität üblicher Packungs- oder Gehäusebauteile und Dichtungsmaterialien die Wiederherstellung eines Kurzschlusses nach einem durch einen Stoßstrom hervorgerufenen explosiven zerstörerischen Stoß in dem aktiven Bereich bei bekannten Halbleiter-Schutzeinrichtungen ausschließt, selbst wenn ein äußerer Druck auf die Elektroden ausgeübt wird, d.h. ein Ausfall einer üblichen Halbleiter-Schutzeinrichtung unter Hochstrombedingungen führt allgemein dazu, daß Bruchstücke der starren Verpackung oder des Gehäuses zwischen die Elektroden gelangen, was einen Kurzschluß verhindert.
Die vorstehenden Probleme werden bei einer Stoßstrom-Schutzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beseitigt, die daher in elektronischen Systemen verwendet werden kann, die gegen hohe Stoßströme von bis zu 10&sup4; Ampere oder mehr geschützt werden müssen, wobei derartige Stoßströme von vorhandenen Halbleiter-Schutzeinrichtungen nicht verkraftet werden können. Bei einer Schutzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung stellt das nachgiebige Dichtungselement einen elastischen Teil eines Hohlraumes dar, der durch die Elektroden und das Dichtungselement umgrenzt ist, in dem das Halbleiterplättchen befestigt ist, so daß unter Bedingungen eines eine hohe Amplitude aufweisenden Stoßstromes eine Zerstörung der Packung und das Ausstoßen von Halbleiterplättchen-Bruchstücken sicher verhindert wird. Weiterhin ermöglicht die thermoplastische Eigenart des Dichtungselementes einen direkten Kontakt der Elektroden unter äußerem Druck, wodurch ein Kurzschluß im Fall einer völligen Halbleiterplättchen-Zerstörung aufrechterhalten wird. Die Schutzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellt ist, umfaßt ein Halbleiterplättchen 10, das zwischen zwei Elektroden 11 und 12, die nachfolgend als die oberen bzw. unteren Elektroden bezeichnet wird, angeordnet ist und mit diesen sowohl in wärmeleitender als auch in elektrisch leitender Verbindung steht. Jede der Elektroden kann mit dem Halbleiterplättchen über eine Lotschicht verbunden sein, wie dies weiter unten bezüglich der Fig. 4 und 5 beschrieben wird, oder sie können von dem Halbleiterplättchen durch eine Metallfolie oder Beschichtung getrennt sein, gegen die die Elektrode gedrückt wird. Das thermische Ansprechverhalten der Schutzeinrichtung auf sich wiederholende kurzzeitige Stromstöße mit nicht zerstörender Amplitude kann gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gesteuert werden, daß die Gesamtelektrodenmasse und -dicke eingestellt wird, wie dies ausführlicher weiter unten beschrieben wird. Wenn Lot verwendet wird, was den Wärmewiderstand und die thermische Kurzzeit-Impedanz beeinflußt, so beeinflußt die Dicke der Lotschicht ebenfalls das thermische Ansprechverhalten der Schutzeinrichtung.
Bei der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform weist das Halbleiterplättchen 10 eine quadratische Form in Draufsicht auf, obwohl es eine runde oder andere derartige Form aufweisen kann, wenn dies erwünscht ist. Das Halbleiterplättchen 10 kann ein Halbleiterplättchen auf der Grundlage von Silzium sein und einen Aufbau aufweisen, der ähnlich dem des Bauteils nach dem US-Patent 3 928 093 ist, dessen Inhalt durch diese Bezugnahme hier aufgenommen wird. Der spezielle Aufbau des Halbleiterplättchens ist jedoch nicht kritisch, solange die vorstehend beschriebene Funktion hinsichtlich eines Lawinendurchbruchs erfüllt ist.
Die Elektroden 11 und 12 bestehen vorzugsweise aus Kupfer, sie können jedoch auch aus irgendeinem geeigneten leitenden Metall oder einer Legierung bestehen (Messing, Aluminium usw.). Die Elektroden können weiterhin mit einer Plattierung versehen sein, beispielsweise mit einem Nickelüberzug.
Die Form und relativen Abmessungen der Elektrode sind jeweils derart ausgewählt, daß sich eine selbsttragende Baugruppe ergibt, wodurch die Verwendung eines flexiblen thermoplastischen Kunststoffmaterials zur Bildung des Dichtungselementes ermöglicht wird, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Die Elektroden können angenähert die gleiche Größe aufweisen, doch ist die eine vorzugsweise größer als die andere, weil das Vorhandensein einer größeren Elektrode den Verlust des viskosen Kunststoffmaterials während des Zusammenbaus verhindert und es ermöglicht, daß die Obeflächenspannung des flüssigen Kunststoffmaterials eine Dichtungskraft ergibt.
In den Fig. 1 bis 6 sind die Elektroden 11 und 12 mit einer in Draufsicht kreisförmigen Form versehen. Allgemein ist dies die zweckmäßigste Form, insbesondere dann, wenn die Schutzeinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung als Nachrüstbauteile bei vorhandenen Schutzmodulen verwendet werden. Die Elektroden können jedoch auch andere Formen aufweisen, wie z.B. quadratisch, sechseckig, dreieckig oder oval bei Draufsicht von oben. Weiterhin ist es nicht wesentlich, daß beide Elektroden in Draufsicht die gleiche Form aufweisen, solange jede Elektrode die gesamte Halbleiterplättchenoberfläche überdeckt, auf die sie gerichtet ist.
Die Fig. 4 und 5 zeigen in größerem Maßstab die Anordnung einer Halbleiter-Überspannungs-Schutzeinrichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung. In den Fig. 4 und 5 sind die Lotschichten 13 zu erkennen, die die Elektroden 11 und 12 mit dem Halbleiterplättchen 10 verbinden. Weiterhin ist in Fig. 4 ein ringförmiges Dichtungselement 14 sichtbar. Fig. 5 zeigt die Anordnung nach dem Erhitzen der Baugruppe, wobei sich das Dichtungselement in gewissem Ausmaß in den Spalt zwischen den Elektroden bewegt hat und zum Anhaften an den Elektroden gebracht wurde. Wie dies weiter oben erwähnt wurde, umgrenzen die Elektroden 11, 12 und das Dichtungselement 14 einen Hohlraum, in dem das Halbleiterplättchen 10 angeordnet ist, wobei normalerweise ein geringer Spalt 15 zwischen dem Kunststoffelement und dem Halbleiterplättchen 10 verbleibt.
Fig. 6 zeigt eine typische Ausführungsform des Halbleiterplättchens 10, das einen in der Mitte liegenden Siliziumteil 16 eines Leitungstyps, wie z.B. des N-Leitungstyps und äußere Schichten 17 und 18 vom entgegengesetzten (p)-Leitungstyp umfaßt. Örtliche (nicht gezeigte) Bereiche vom N-Leitungstyp sind in den P- Schichten 17 und 18 ausgebildet. Eine Schicht 19 aus Nickel oder anderen mit Lot benetzbarem Material ist auf jeder der Schichten 17 und 18 ausgebildet, so daß die Schichten 19 eine elektrische Verbindung und eine Oberfläche ergeben, die ein Verlöten mit den Elektroden 11 und 12 ermöglicht. Eine aus geschmolzenem Glas oder ähnlichem Material bestehende Beschichtung 20 ist normalerweise an den gekrümmten Kanten 21 des Halbleiterplättchens 10 ausgebildet.
Wie dies ausführlicher weiter unten beschrieben wird, schmilzt der Ring 14 tatsächlich während des Aufbringens und wird zu einer viskosen Flüssigkeit, wenn er erhitzt wird, sodaß er teilweise in den Spalt zwischen den Elektroden fließt (er nimmt weiterhin einen abgerundeten Außenumfang an, wie dies im Querschnitt gem. Fig. 5 zu erkennen ist). Für Zusammenbauzwecke sollte das das Dichtungselement bildende Kunststoffmaterial vollständig die Metallgrenzflächen der Schutzeinrichtung benetzen und eine feste Klebeverbindung mit den Metallelektroden bilden, ohne daß es aus dem Bauteil ausfließt.
Zusätzlich zu seinen Isoliereigenschaften und der Tatsache, daß er über einen weiten Temperaturbereich flexibel bleibt (typischerweise zwischen ungefähr - 40º und 60ºC), muß daher das thermoplastische Dichtungselement 14 fest an den Metallelektroden anhaften und darf selbst bei einem explosionsartigen Ausfall des Bauteils nicht verkohlen oder sich auflösen. Es sollte kein Fremdmaterial zwichen die Elektroden gelangen, weil dies den Kurzschluß beeinflussen würde, der nach einem Ausfall des Bauteils aufrechterhalten werden muß. Zu diesem Zweck sollte sich das das Dichtungselement 14 bildende Kunststoffmaterial bei der Löttemperatur verflüssigen.
Aus dem gleichen Grund sollte das verwendete Kunststoffmaterial keines der Metallbauteile in der Schutzeinrichtung korrodieren, eine Forderung, die gegen den Einschluß von anorganischen Bestandteilen (Schwefel, Alkalimetall, Nitrat usw.) in dem Material des Dichtungselementes spricht. Verarbeitungshilfen, wie z.B. Beschleuniger und Weichmacher und andere Zusätze, die sich unter Bedingungen hoher Wattleistung verflüchtigen könnten, werden in gleicher Weise nicht bevorzugt.
Geeignete thermoplastische Kunststoffmaterialien zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung können zur Erfüllung der vorstehenden Kriterien aus bekannten Olefin-Acrylcopolymeren unter Einschluß von Copolymeren ausgewählt werden, die Äthylen-Acrylsäure, Äthylenmetacrylsäuremonomere, Propylen-Acrylsäuremonomere, Propylen-Metacrylsäuremonomere und Metallsalze und deren Ester enthalen. Diese Copolymere haften im heißen Zustand sehr leicht an den Metallelektroden an, sie sind allgemein flexibel, isolierend und stabil. Andere Copolymere können verwendet werden, solange sie die vorstehend genannten Kriterien erfüllen, nämlich daß sie unterhalb der Löttemperatur eine Klebewirkung entfalten, und eine Flexibilität und Stabilität bei Betriebstemperaturen beibehalten. Einige Acryl-Epoymaterialien, Uretan- Polyamid- und Styrol-Materialien sind beispielsweise brauchbar, doch sind geeignete Olefin-Acrylcopolymere gegenüber der Umgebung inert und stehen auch ohne weiteres zur Verfügung. Im Gegensatz hierzu erfordern andere Kunststoffmaterialien eine spezielle Abstimmung und stehen nicht so ohne weiteres zur Verfügung, und sie sind daher allgemein kostenaufwendiger.
Die Äthylen-Acrylsäurecopolymere sind besonders für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet. Es ist ein Merkmal derartiger Copolymere, daß ein größerer Anteil der Acrylsäure mit einer höheren Klebewirkung und Nachgiebigkeit verbunden ist, jedoch auch mit einer größeren Leitfähigkeit und einem größeren Reaktionsvermögen. Die Acrylsäure erhöht den Schmelzindex des Kunststoffmaterials und verringert die Viskosität in flüssigem Zustand. Ein besonders brauchbares Kunststoffmaterial aus dieser Gruppe ist ein Äthylen-Acrylsäure-Copolymermateria mit ungefähr 6% bis ungefähr 30% Acrylsäure, insbesondere ungefähr 20% Acrylsäure in Ausdrücken des Molekularverhältnisses. Beispiele für ein derartiges Copolymermaterial ist die PMIACOR- Familie von Klebe-Kunststoffmaterialien, wie sie von der Firma Dow Chemical Company (Midland, Mitchigan, USA) hergestellt werden.
Fig. 7 zeigt ein Verfahren zum Zusammenbau einer Schutzeinrichtung. Eine kleinere Elektrode 11 wird in einem ringförmigen Keramikbauteil 22 mit Bohrungen 23a und 23b angeordnet, wobei die Bohrung 23a einen derartigen Durchmesser aufweist, daß sie die Elektrode 11 mit einem ziemlich engen Sitz aufnimmt. Das Halbleiterplättchen 10 wird auf die Elektrode 11 aufgelegt, wobei seine Lage durch seine Ecken festgelegt ist. Die größere Elektrode 12 wird dann in das Keramikbauteil 22 eingelegt, wobei sich ein ziemlich enger Sitz in der Bohrung 23b ergibt. Die Oberflächen der Elektroden 11 und 12, die mit dem Halbleiterplättchen 10 in Berührung stehen, werden vorher mit Lot beschichtet, wobei alternativ die Oberflächen des Halbleiterplättchens 10 beschichtet werden oder sogar die Elektrode und das Halbleiterplättchen beschichtet werden.
In Fig. 7 ruht die Anordnung von Elektroden, Halbleiterplättchen und Keramikbauteil auf einem Stützteil 24. Ein Erhitzen schmilzt das Lot und führt zu einem Verschmelzen des Halbleiterplättchens mit den Elektroden. Das Stützteil selbst kann das Heizelement sein, oder die Anordnung kann beispielsweise auf einem Förderer über ein Heizelement oder durch einen Ofen bewegt werden. Nach dem Erstarren des Lotes wird die Anordnung aus dem Keramkbauteil entfernt. Der Ring 14 wird auf die Elektrode 12 aufgesetzt, und nachdem die gesamte Anordnung umgedreht wurde, bewirkt eine Erhitzung, daß das Kunststoffmaterial zum Fließen kommt und an den Elektroden anhaftet, wodurch die Anordnung abgedichtet wird.
Die Anordnung kann auch gelötet werden, während sich die große Elektrode 12 auf der Unterseite befindet, doch führt die Anordnung der großen Elektrode auf der Oberseite wie in Fig. 7 dazu, daß das Gewicht der großen Elektrode eine nützliche Vorbelastung während des Lötens ergibt.
Wenn die Schutzeinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zur Nachrüstung vorhandener Schutzmodulen verwendet werden sollen, bestehen gewisse Beschränkungen hinsichtlich der Gesamtabmessungen, wie z.B. hinsichtlich des Außendurchmessers und möglicherweise der Gesamthöhe oder Dicke. Wenn die Schutzeinrichtung zur Erstausrüstung verwendet wird, wie z.B. in Modulen, die speziell so konstruiert sind, daß sie die Schutzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden, so sind die verschiedenen Parameter, die sich auf die Konstruktion der Schutzeinrichtung selbst beziehen, von Bedeutung.
Im dieser Hinsicht wurde weiter oben angegeben, daß das thermische Ansprechverhalten einer Schutzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung teilweise eine Funktion de Elektrodenmasse und Elektrodendicke ist. Spezieller gesagt, kann für Auslegungszwecke angenommen werden, daß sich kein Wärmeaustausch zwischen der Schutzeinrichtung und der Umgebung ergibt. Entsprechend ist die Betriebslebensdauer der Schutzeinrichtung um so größer, je größer die Gesamtelektrodenmasse (und je größer die Wärmesenkenkapazität) des Bauteils ist. In der Praxis wird daher die obere Grenze hinsichtlich der Elektrodenmasse (und gleichzeitig der Elektrodendicke) durch wirtschaftliche Erwägungen beschränkt, wie zum Beispiel durch die Kosten des gewählten Elektrodenmetalls.
Als unter Grenze muß andererseits die Elektrodendicke derart sein, daß sie die Wärme aufnimmt, die von den langsamsten kurzzeitigen Stoßströmen erzeugt wird, die in dem speziellen System auftreten, in das die Schutzeinrichtung der vorliegenden Erfindung eingefügt ist. Ein zweckmäßiger Standard für kurze Stromimpulse ist in dieser Hinsicht der sog. '10x1000'-Impuls, der eine steile Anstiegsflanke (die exponentiell auf ungefähr 90% des Maximalwertes innerhalb von 10usec. ansteigt) und eine verzögerte Abfallflanke aufweist (die exponentiell auf ungefähr 50% des Maximalwertes innerhalb von 1000usec. abfällt). Wenn die leitende Schicht zwischen einer Metallelektrode und dem Halbleiterplättchen der Schutzeinrichtung reines Metall oder eine in geeigneter Weise leitende Metallegierung anstelle von Lot ist, so erreicht die minimale brauchbare Elektrodendicke die untere Grenze hinsichtlich der Dicke, die für den theoretischen Idealfall bestimmt ist, d.h für ein Bauteil, bei dem die Elektrode und das Halbleiterplättchen in direktem Kontakt miteinander stehen. Bei einer Kupferelektrode und dem 10x1000- Impuls als Standard, entspricht diese ideale untere Grenze, der man sich annähern kann, wenn nicht aus Lotmaterial bestehende leitende Schichten verwendet werden, einer Elektrodendicke (d.h. entlang der Achse des Bauteils) von ungefähr 0,5mm (20 Tausendstel Zoll).
Wenn eine Lotschicht verwendet wird, beispielsweise um die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterplättchen-Materials und des ausgewählten Elektrodenmaterials zu berücksichtigen, so wird die wirksame Wärmesenkenkapazität der Elektrode durch die beträchtlich geringere Wärmeleitfähigkeit der Lotschicht verringert. Insbesondere wird weniger der selbst durch einen langsamen Impuls erzeugten Wärme durch die Lotschicht an die Elektrode während der Dauer des Impulses übertragen, wodurch die Wärmeabsorbtionswirkung der dickeren Elektrode verringert wird, d.h. die minimal brauchbare Elektrodendicke wird verringert.
Zum Zweck der Optimierung der mechanischen Stabilität einer Schutzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß eine Lotschicht mit einer Dicke zwischen 7,5 und 75um (0,3 und 3 Tausendstel Zoll) und insbesondere zwischen 7,5 und 25um (0,3 und 1 Tausendstel Zoll) in vorteilhafter Weise verwendet werden kann. Bei einer Kupferelektrode und einem 10x1 000-Standardimpuls beträgt die minimal brauchbare Elektrodendicke ungefähr 0,4mm (16 Tausendstel Zoll) wenn eine 7,5um (0,3 Tausendstel Zoll) Lotschicht verwendet wird, und ungefähr 230um (9 Tausendstel Zoll) mit einer Lotschicht, die eine Dicke von ungefähr 25um (1 Tausendsel Zoll) aufweist. Bei einer Schutzeinrichtung, wie sie in den Fig. 1 bis 5 dargestellt ist, bei der eine Elektrode größer als die andere ist, beträgt die bevorzugte Dicke für die obere (kleinere) und untere Elektrode 1 bzw. 1,5mm (40 bzw. 60 Tausendstel Zoll).
Diese zu Erläuterungszwecken angegebenen Schichtdicken würden gemäß der vorstehenden Beschreibung angepaßt, um die konstruktive Auswahl hinsichtlich des Elektrodenmetalls und das Materials der leitenden Schicht sowie der Art der langsamen Impulse zu berücksichtigen, die in dem betreffenden elektronischen System auftreten. Alternativ können Elektroden mit einer Standarddicke, beispielsweise von ungefähr 0,25mm (10 Tausendstel Zoll) in einem 'vorverpackten' Modul verwendet werden, die dann mit einem zusätzlichen wärmeabsorbierenden Element versehen werden, um das Modul in der erforderlichen Weise an sich wiederholende Stoßimpulsbedingungen anzupassen, die in einem vorgegebenen System zu erwarten sind.
Eine Schutzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben und erläutert wurde, kann hergestellt werden, um andere Schutzeinrichtungen zu ersetzen und als Nachrüstteil in vorhandenen Schutzmodulen verwendet werden. Die Fig. 8 und 9 zeigen die Anwendung einer Schutzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Form eines Schutzmoduls. Das Modul 25 stellt ein Beispiel für Schutzmoduln mit zwei Schutzeinrichtungen zum Schutz beider Leiter einer Telefonleitung dar. Es umfaßt ein an seinem unteren Ende offenes Gehäuse 26 und ein Basisteil 27, das am unteren Ende befestigt ist. Zwei Leitungsanschlüsse 29 und 30 sind an dem Basisteil zusammen mit einem Erdanschluß 31 vorgesehen. In diesem Beispiel ist sowohl eine primäre Überspannungs-Schutzeinrichtung 32, die die in Fig. 5 gezeigte Form aufweist, als auch eine Hitzdrahtspuleneinheit 33 vorgesehen, die in Serie mit der Telefonleitung zwischen den Anschlüssen 29 und 30 geschaltet ist. Die Hitzdrahtspuleneinheit 33 weist einen Mittelstift 34 auf, der mit der Wicklung 35 der Hitzdrahtspule verlötet ist. Bei Auftreten einer Überstrombedingung oder bei einer länger dauernden Überspannung schmilzt die Lötverbindung, und der Stift 34 bewegt sich nach unten, so daß eine Schale 36 sich nach unten bewegen und mit einem Erdkontakt 37 in Berühtung kommen kann, der mit dem Erdanschluß 31 verbunden ist. Dies ist üblich.
Mormalerweise ist in der Schale 36 eine Kohleblock- oder Gasröhren-Schutzeinrichtung angeordnet. Bei einem Überspannungszustand tritt ein Durchbruch längs der Funkenstrecke in der Schutzeinrichtung auf, wodurch sich ein Strompfad vom Mittelstift 34 durch die Schutzeinrichtung zur Schale 36 und über eine Feder 38 zu einem Erdungsbauteil 39 ergibt, das ebenfalls mit dem Erdkontakt 37 verbunden ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Schale 36 durch Ausbildung einer Anzahl von Einprägungen 40, bei dem dargestellten Beispiel drei Einprägungen, modifiziert. Diese Einprägungen sind so angeordnet, daß die Schutzeinrichtung 32 festgehalten wird, wobei die Elektrode 11 (Fig. 1 bis 5) mit dem oberen Ende des Mittelstiftes 34 in Kontakt steht. Die Kontaktoberfläche der Elektrode 11 liegt in der gleichen Höhenlage wie dies für die Kontaktoberfläche der Elektrode einer üblichen Schutzeinrichtung der Fall sein würde. Die Elektrode 12 (Fig. 1 bis 5) der Schutzeinrichtung 32 steht mit den Einprägungen 40 in Kontakt, und damit auch in Kontakt mit der Schale 36. Der primäre Schutz gegen hohe Stoßspannungen erfolgt daher über den Stift 34, die Schutzeinrichtung 32, die Schale 36, die Feder 38, das Erdungsbauteil 39 und den Erdkontakt 37. Ein Überstromschutz ergibt sich in der beschriebenen Weise dadurch, daß eine Lötverbindung schmilzt und Bewegung der Schale 36 nach unten hin zum Erdkontakt 37 ermöglicht.
Anstelle der Einprägung der Schale 36 bei 40 kann eine normale Schale verwendet werden, und zwar zusammen mit einem Abstandsstück oder einer Feder, um die Schutzeinrichtung 32 in der richtigen Position zu halten.
Das Modul 25 kann neu konstruiert werden, um den Vorteil der verringerten Höhe der Schutzeinrichtung 32 verglichen mit einer üblichen Kohleblock- oder Gasröhren-Schutzeinrichtung auszunutzen. Die Schale 36 kann wesentlich kürzer und gerade ausreichend zur Unterbringung der Schutzeinrichtung sein. Eine derartige Verringerung der Höhe kann besonders nützlich sein, wenn zwei Schutzeinrichtungen in Reihe in einem Modul verwendet werden und nicht Seite an Seite, wie bei dem dargestellten Beispiel.
Die Fig. 10 und 11 zeigen zwei beispielhafte Ausführungsformen eines Moduls, das speziell dafür ausgebildet ist, die Schutzeinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung aufzunehmen. (Soweit möglich wurden die gleichen Bezugsziffern für Bauteile verwendet, die den Fig. 9 und 10 gemeinsam sind). Fig. 11 zeigt ein Modul, das eine Hitzdrahtspule einschließt, während das in Fig. 12 gezeigte Modul keine Hitzdrahtspule aufweist, jedoch ein schmelzbares Plättchen einschließt.
Wie dies in Fig. 10 gezeigt ist, weist das Modul 25 ein an seinem unteren Ende offenes Gehäuse 26 und ein an dem unteren Ende befestigtes Basisteil 37 auf. Leitungsanschlüsse 29 und 30 sowie ein Erdanschluß 31 sind in dem Basisteil vorgesehen. Bei diesem Beispiel sind sowohl eine primäre Überspannungs-Schutzeinrichtung 32 als auch eine Hitzdrahtspuleneinheit 33 vorgesehen. Die Hitzdrahtspuleneinheit befindet sich in Serie in der Telefonleitung zwischen den Anschlüssen 29 und 30. Die Hitzdrahtspuleneinheit weist einen Mittelstift 34 auf, der mit der Wicklung 25 verlötet ist, und bei Auftreten eines Überstromzustandes oder einer länger andauernden Überspannung schmilzt die Lötverbindung und der Stift bewegt sich nach unten, was es der Schale 36 ermöglicht, sich nach unten zu bewegen und mit dem Erdkontakt 37 in Berührung zu kommen, der mit dem Erdanschluß verbunden ist.
Der Unterschied zwischen der Anordnung nach Fig. 10 und der nach Fig. 9 besteht darin, daß die Schale 36 in Fig. 10 beträchtlich kürzer als in Fig. 9 ist. Die Schale muß lediglich lang genug sein, um die Schutzeinrichtung 32 aufzunehmen. Dies ermöglicht es, daß das Gehäuse 26 evenfalls kürzer ist.
Fig. 11 zeigt ein Modul 25, das keine Hitzdrahtspuleneinheit aufweist. Es umfaßt ein an seinem unteren Ende offenes Gehäuse 26 und ein am unteren Ende des Gehäuses befestigtes Basisteil 27. Das Basisteil weist Leitungsanschlüsse 29 und 30 sowie einen Erdanschluß 31 auf. Die Überspannungs-Schutzeinrichtung 32 gemäß Fig. 5 ist in einer Schale 36 angeordnet. Ein Plättchen 45 ist hinter der Schutzeinrichtung 32 in der Schale 36 angeordnet, wobei dieses Plättchen aus einer schmelzbaren Legierung besteht. Ein Nebenschluß 46 verbindet die Anschlüsse 29 und 30, und ein Stift 47 erstreckt sich von dem Nebenschluß aus und steht mit der Elektrode 11 (Fig. 1 bis 5) der Schutzeinrichtung 32 in Kontakt. Die andere Elektrode 12 (Fig. 1 bis 5) steht mit der Schale 36 in Kontakt. Bei Auftreten einer Überspannungsbedingung tritt ein Durchbruch längs der Schutzeinrichtung 32, zum Plättchen 45, zur Schale 36 und zur Feder 38 und dann zum Erdkontakt 37 auf. Im Fall eines anhaltenden Überspannungszustandes schmizt das Plättchen 45 und die Schale 36 bewegt sich nach unten und kommt mit dem Erdkontakt 37 in Kontakt.
Die Betätigung der Ausführungsbeispiele in den Fig. 10 und 11 ist üblich, wobei der Unterschied in der Verwendung einer Festkörper-Schutzeinrichtung 32 anstelle der üblicheren Kohleblock- oder Gasröhren-Schutzeinrichtung besteht. Dies ermöglicht eine beträchtliche Verringerung der Höhe des fertigen Moduls.
Fig. 12 zeigt die Anwendung der Erfindung auf eine weitere Ausführungsform des Schutzmoduls, das in vielen Fällen als Drei- Elektroden-Modul bezeichnet wird. Das Modul umfaßt ein Gehäuse 50 und ein an einem offenen Ende des Gehäuses befestigtes Basisteil 51. In dem Basisteil sind Leitungsanschlüsse 52 und 53 angeordnet, wobei ein Nebenschluß 54 jedes Paar von Leitungsanschlüssen verbindet. Von jedem Nebenschluß aus erstreckt sich ein freitragendes federndes Kontaktteil 55. Weiterhin ist in dem Basisteil ein Erdanschluß 56 befestigt, der ein Kontaktteil 57 trägt. An dem von dem Anschluß 56 entfernten Ende ist das Kontaktteil 57 auf eine Zylinderform geformt, die bei 59 geschlitzt ist. In der zylindrischen form 58 ist eine Schutzeinrichtung 60 angeordnet. Die Schutzeinrichtung 60 umfaßt zwei Festkörper-Schutzeinrichtungen 61 nach den Fig. 1 bis 5, die Rücken an Rücken zu einer Mittelelektrode 62 angeordnet sind, die in den Schlitz 59 paßt. Bei dieser Anordnung sind die Elektroden 12 (Fig. 1 bis 5) im Ergebnis miteinander verbunden. Zwei schmelzbare Plättchen 63 sind auf jeder Seite der Schutzeinrichtung 60 angeordnet und ergeben einen Kontakt mit den Elektroden 11 (Fig. 1 bis 5). Im zusammengebauten Zustand, wobei sich der Erdanschluß 56 in dem Basisteil 51 befindet, werden die Schutzeinrichtung 60 und die Plättchen 63 außerdem zwischen den freien Enden 64 der freitragenden Kontaktteile 55 gehalten. Normale Überspannungsimpulse werden durch den Durchbruch eines oder beider Festkörper-Schutzeinrichtungen 51 gegen Erde zur Elektrode 62, zum Kontaktteil 57 und zum Anschluß 56 kurzgeschlossen. Bei einem länger anhaltenden Überspannungszustand ermöglicht es das Schmelzen eines oder beider Plättchen 63 einem oder beiden Kontaktteilen 55, mit dem Erdteil 57 in Kontakt zu kommen.

Claims

1. Halbleiter-Stoßspannungs- bzw. Stoßstrom-Schutzeinrichtung mit einer ersten Elektrode (12) und einer zweiten Elektrode (11), mit auf eine Oberfläche der ersten bzw. zweiten Elektroden (12, 11) aufgebrachten wärmeleitenden und elektrisch leitenden Schichten 13, mit einem Halbleiterplättchen (10), das mit den auf die ersten bzw. zweiten Elektroden (12, 11) aufgebrachten leitenden Schihten (13) in Kontakt steht, und mit einem elastischen ringförmigen Dichtungselement (14), das sich um das Halbleiterplättchen (10) herumerstreckt und an beiden Elektroden (12, 11) anhaftet, wobei das Dichtungselement (a) mit den Elektroden einen Hohlraum (15) bildet, in dem das Halbleiterplättchen (10) angeordnet ist, und (b) aus einen Kunststoffmaterial besteht, das ein Isoliermaterial ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Kunststoffmaterial ein thermoplastisches Kunststoffmaterial ist, das unter den Hitzebedingungen bei einem Stoßstrom bzw. einer Stoßspannung durch die Schutzeinrichtung flexibel ist.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Kunststoffmaterial ein Olefin-Acryl-Copolymermaterial ist.

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das das Copolymermaterial ein Monomeres einer Gruppe umfaßt, die aus einer Äthylen-Acrylsäure, einer Äthylen-Methacrylsäure, einer Propylen-Acrylsäure und einem Propylen-Methacrylsäure-Copolymer oder einem Metallsalz oder Ester hiervon besteht.

4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Copolymermaterial ein Äthylen- Acrylsäure-Copolymermaterial ist, das ungefähr 6% bis 30% Acrylsäure enthält.

5. Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, bei der das Äthylen- Acrylsäure-Copolymermaterial ungefähr 20% Acrylsäure enthält.

6. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die ersten und zweiten Elektroden (12, 11) aus Kupfer bestehen und jede der Elektroden eine Dicke von zumindestens 0,5mm (20 Tausendstel Zoll) aufweist.

7. Schutzeinrichtung nach Anspruch 6, bei der jede der ersten und zweiten Elektroden (11, 12) eine Kupferscheibe mit einer Dicke von zumindestens 230um (9 Tausendsel Zoll) ist.

8. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die leitende Schicht (13) aus einer Metallfolie besteht.

9. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die leitende Schicht (13) eine Lotschicht ist, die eine der Elektroden (11 oder 12) mit einer Oberfläche des Halbleiterplättchens (10) verbindet.

10. Schutzeinrichtung nach Anspruch 9, bei der die Lotschicht (13) eine Dicke von zwischen ungefähr 7,5 und 75um (0,3 und 3 Tausendsel Zoll) aufweist.

11. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Elektrode (12) eine Gesamtfläche aufweist, die größer als die der zweiten Elektrode (11) ist.

12. Schutzeinrichtung nach Anspruch 11, bei der die zweite Elektrode (11) scheibenförmig ist und einen Durchmesser aufweist, der angenähert gleich der maximalen Querabmessung des Halbleiterplättchens (10) ist.

13. Schutzeinrichtung nach Anspruch 12, bei der das ringförmige Dichtungselement (14) an einer Oberfläche auf der ersten Elektrode (12) anhaftet, die auf die zweite Elektrode (11) gerichtet ist.

14. Elektronisches System mit zumindestens einer Schaltung, die eine Halbleiter-Stoßspannungs- bzw. Stoßstrom-Schutzeinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche einschließt.