EP0184645A2 - Chip-Varistor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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EP0184645A2 EP85113401A EP85113401A EP0184645A2 EP 0184645 A2 EP0184645 A2 EP 0184645A2 EP 85113401 A EP85113401 A EP 85113401A EP 85113401 A EP85113401 A EP 85113401A EP 0184645 A2 EP0184645 A2 EP 0184645A2
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/102—Varistor boundary, e.g. surface layers

Definitions

  • the invention relates to a chip varistor, consisting of a cuboid body, which is at least partly made of varistor material and has at least two metallized connection surfaces on two opposite square ends, and a method for its production.
  • Higher energy absorption values can be achieved by increasing the volume of the varistor, for example the entire body can be made of varistor material be formed. If the same contacting is used as in the known chip varistors, then there is a flashover on the varistor surface with higher pulse currents.
  • This spark formation between the metallized pads at the ends of the cuboid body, which has dimensions of 8 x 4 x 2 mm, for example, is due to the fact that the contacting formed by the metallized pads favors a current flow on the surface of the varistor, while the inside of the varistor remains practically current free. At higher voltages or pulse currents above approximately 20 A, there is therefore overturning on the top and bottom sides of the varistor.
  • the object of the invention is therefore to design the chip varistor of the type mentioned so that it has both a sufficient volume to obtain the required energy absorption capacity, as well as security against sliding sparks on its surface and also offers the possibility of its Make tension adjustable with constant dimensions of its top and bottom sides.
  • the current flow direction is rotated by 90 ° so that current or voltage flashovers are only possible in the area of the interruption of the metallization.
  • the adjustable speed of the varistor voltage is made possible in a simple manner that different dimensions are chosen for the thickness of the cuboid body, which is denoted by H in the exemplary embodiment.
  • each strip-shaped recess can be delimited by two parallel edges which extend parallel to the edges of the top and bottom sides, transversely to the longitudinal direction of the cuboid body.
  • the surface of the varistor material in the area of the strip-shaped recesses can be provided with grooves which are worked into the varistor material and extend in the direction of the strip-shaped recesses.
  • the cuboid body as a laminated body, consisting of alternating layers of varistor material and electrically highly conductive material running parallel to its top and bottom sides, the latter layer in turn alternating with one and the other metallized Cuboid ends are electrically connected.
  • a method is used, according to which a cuboid body is made of varistor material and is completely metallized on its surfaces, whereupon at least one each in the opposite top and bottom sides of the cuboid body Metallization-sparing groove is incorporated and then the body transverse to its longitudinal axis in individual longitudinal Pieces is cut, which form the actual cuboid body, so that its longitudinal axis runs in the direction of the transverse axis of the original cuboid body and its transverse axis in the direction of the longitudinal axis of the original cuboid body.
  • the chip varistor shown in FIG. 1 is a cuboid body 1. Its dimensions are, for example, 2 x 1.25 x 0.5 mm (length, width, height) to, for example, 8 x 4 x 4 mm. It consists of an oxide-ceramic resistance material and is provided on the cuboid ends 2, 3 with metallized connection surfaces 8, 9, which completely cover the cuboid ends, and also on its top side 4 and its underside 5 with a metallization 6, 7 (FIG.
  • the metallization of the upper side 4 is electrically conductively connected to the metallized connection surface 9 of one cuboid end 3, while the metallization 7 of the underside 5 is only electrically conductively connected to the metallized connection surface 8 of the other cuboid end 2.
  • This means that the metallization is interrupted both on the upper side 4 and on the underside 5, this interruption, as can be seen in FIGS. 1 and 2, in each case forms a strip-shaped recess 10, 11 in the metallized surface which extends up to Surface of the varistor material ranges, which is generally designated 19.
  • the strip-shaped recesses 10, 11 are delimited by two parallel edges 12, 13 which extend parallel to the edges of its upper and lower sides lying in the transverse direction of the body.
  • This design of the chip varistor allows its voltage to be fixed at a constant "base area" of the cuboid body by changing the overall height H (FIG. 2), that is to say during the manufacture of the chip varistor lay. This means that the voltage can be adjusted depending on the component height.
  • H overall height
  • the width d of the strip-shaped recesses 10, 11 about the 1, 5 times the height H must be there after by this design due to the Oberlappung the electrode (metallized surface), the current flow to a only at the the front side of the cuboid ends contacted chip varistor is rotated by 90 °, the possibility of current or voltage flashovers is only given in the area of the strip-shaped recess.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the chip varistor, in which the cuboid body is designed as a laminated body 16, consisting of a plurality of alternating layers of varistor material 17 and electrically highly conductive material 18 that run parallel to the top and bottom sides.
  • the conductive material layers 18 are in turn alternately electrically connected to one and the other metallized cuboid ends 2a and 3a.
  • the energy absorption capacity can still be increased significantly, but at the cost of a considerably higher manufacturing effort.
  • a method is used to produce a chip varistor of the type shown in FIGS. 3 and 4, the steps of which are explained below with reference to FIGS. 6a, 6b and 6c.
  • the surface of the chip varistor thus produced is, with the exception of the contact areas, i.e. the front ends, covered with a protective layer.
  • the contact areas can be reinforced, for example, by nickel plating and tinning.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Chip-Varistor sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung. Der Chip-Varistor besteht aus einem quaderförmigen Körper, der wenigstens zum Teil aus Varistormaterial gebildet ist und an zwei gegenüberliegenden Quaderenden wenigstens zwei metallisierte Anschlußflächen aufweist. Zum Erhalt eines ausreichenden Varistor-Volumens, um das gewünschte Energieabsorptionsvermögen sicherzustellen, sowie zur Verbesserung der Sicherheit gegen Spannungs- bzw. Stromüberschlag auf der Oberfläche und zwecks Einstellbarkeit der Varistorspannung bei konstanter «Grundfläche» des quaderförmigen Körpers wird eine Bauform geschaffen, bei der die sich an die Quaderenden anschließenden Ober- und Unterseiten des quaderförmigen Körpers mit einer eine Unterbrechung aufweisenden Metallisierung versehen sind, wobei die Metallisierung des größten Teils der Oberseite nur mit der metallisierten Anschlußfläche des einen Quaderendes und die Metallisierung des größten Teils der Unterseite nur mit der metallisierten Anschlußfläche des anderen Quaderendes elektrisch leitend verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Chip-Varistor,bestehend aus einem quaderförmigen Körper, der wenistens zum Teil aus Varistormaterial gebildet ist und wenigstens zwei metallisierte Anschlußflächen an zwei gegenüberliegenden Quaderenden aufweist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
  • Bekannte Chip-Varistoren dieser Art (Prospekt der Firma National Matsushita Electric "Transient/Surge Absorbers" 1983/84), sogenannte "Glaze-Varistors", weisen aufgrund des relativ kleinen Volumens der Varistorschicht nur ein geringes Energieabsorptionsvermögen auf. Sie sind deshalb für die übliche Varistoranwendung im Oberspannungsschutz nicht geeignet. Darüber hinaus besteht bei Impulsbelastung bei diesen bekannten Varistoren die Gefahr der Gleitfunkenbildung auf der Oberfläche der Varistorschicht, also der Widerstandsschicht, die auf einem Keramiksubstrat aufgebracht ist.
  • Höhere Energieabsorptionswerte lassen sich durch eine Vergrößerung des Varistorvolumens erreichen, zum Beispiel kann der ganze Körper aus Varistormaterial gebildet werden. Verwendet man die gleiche Kontaktierung wie bei den bekannten Chip-Varistoren, so kommt es bei höheren Impulsströmen zu überschlägen auf der Varistoroberfläche. Diese Funkenbildung zwischen den metallisierten Anschlußflächen an den Enden des quaderförmigen Körpers, der beispielsweise Abmessungen von 8 x 4 x 2 mm aufweist, ist darauf zurückzuführen, daß die Kontaktierung, die durch die metallisierten Anschlußflächen gebildet wird, einen Stromfluß auf der Oberfläche des Varistors begünstigt, während das Innere des Varistors praktisch stromfrei bleibt. Bei höheren Spannungen bzw. Impulsströmen ab etwa 20 A kommt es deshalb zu Oberschlägen auf den Ober-und Unterseiten des Varistors. Diese Wirkung kann zwar durch eine Stirnflächenkontaktierung vermieden werden, bei der nur die einander gegenüberliegenden, endseitigen Stirnflächen des quaderförmigen Körpers mit einer Metallisierung versehen werden und nicht zumindest teilweise auch die Ober- und Unterseite dieses Körpers, jedoch hat diese Stirnflächenkontaktierung den Nachteil, daß sie die Lötbarkeit der Varistorelemente stark einschränkt und damit ihre Brauchbarkeit grundsätzlich in Frage stellt. Darüber hinaus läßt sich bei derartigen Chip-Varistoren die Varistorspannung nur über die Bauelementlänge einstellen, was dazu führt, daß eine
  • Vielzahl von unterschiedlichen Längenabmessungen hergestellt und bevorratet werden müssen, um unterschiedliche Spannungen zu realisieren.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, den Chip-Varistor der genannten Art so auszubilden, daß er sowohl ein ausreichendes Volumen aufweist, um das geforderte Energieabsorptionsvermögen zu erhalten, als auch Sicherheit gegen Gleitfunken auf seiner Oberfläche bietet und darüber hinaus die Möglichkeit bietet, seine Spannung bei konstanten Abmessungen seiner Ober- und Unterseiten einstellbar zu machen.
  • Darüber hinaus soll für einen derartigen Varistor ein Herstellungsverfahren entwickelt werden, das den bisher bekannten insbesondere in wirtschaftlicher Hinsicht überlegen ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die sich an die Quaderenden anschließenden Ober- und Unterseiten des quaderförmigen Körpers mit einer eine Unterbrechung aufweisenden Metallisierung versehen sind, wobei die Metallisierung des größten Teils der Oberseite nur mit der metallisierten Anschlußfläche des einen Quaderendes und die Metallisierung des größten Teils der Unterseite nur mit der metallisierten Anschlußfläche des anderen Quaderendes elektrisch leitend verbunden ist.
  • Durch diese Konstruktion ist infolge Überlappung der Elektroden die Stromflußrichtung um 90° gedreht, so daß Strom- bzw. Spannungsüberschläge nur noch im Bereich der Unterbrechung der Metallisierung möglich sind. Die Einstellbarkeit der Varistorspannung wird in einfacher Weise dadurch ermöglicht, daß für die Dicke des quaderförmigen Körpers, die im Ausführungsbeispiel mit H bezeichnet ist, verschiedene Abmessungen gewählt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann jede streifenförmige Aussparung durch zwei parallele Ränder begrenzt sein, die sich parallel zu den Rändern der Ober- und Unterseiten, quer zur Längsrichtung der quaderförmigen Körpers erstrecken.
  • Zur weiteren Verbesserung der überschlagsfestigkeit läßt sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsvorschlags die Oberfläche des Varistormaterials im Bereich der streifenförmigen Aussparungen mit Nuten versehen, die in das Varistormaterial eingearbeiten sind und sich in Richtung der streifenförmigen Aussparungen erstrecken.
  • Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den quaderförmigen Körper als Schichtkörper auszubilden, bestehend aus parallel zu seinen Ober- und Unterseiten verlaufenden, einander abwechselnden Schichten aus Varistormaterial und elektrisch gut leitfähigem Material, wobei letztgenannte Schicht wiederum abwechselnd mit dem einen und dem anderen metallisierten Quaderende elektrisch verbunden sind.
  • Zur Herstellung von Chip-Varistoren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dient ein Verfahren, gemäß dem ein quaderförmiger Körper aus Varistormaterial hergestellt und auf seinen Oberflächen vollständig metallisiert wird., woraufhin in die einander gegenüberliegenden Ober- und Unterseiten des quaderförmigen Körpers wenigstens je eine die Metallisierung aussparende Nut eingearbeitet wird und danach der Körper quer zu seiner Längsachse in einzelne Längsstücke zerschnitten wird, die die eigentlichen quaderförmigen Körper bilden, so daß deren Längsachse in Richtung der Querachse des ursprünglichen quaderförmigen Körpers verläuft und deren Querachse in Richtung der Längsachse des ursprünglichen quaderförmigen Körpers.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1 eine perspektivische Ansicht des quaderförmigen Körpers eines Chip-Varistors, dessen gegenüberliegende Enden vollständig und dessen gegenüberliegende Ober- und Unterseiten teilweise metallisiert sind,
    • Figur 2 eine schematische Seitenansicht des Varistors von Fig. 1 in Richtung des Pfeils A in Fig. 1,
    • Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform des Chip-Varistors,
    • Figur 4 eine der Fig. 2 entsprechende schematische Seitenansicht des Chip-Varistors von Fig. 3,
    • Figur 5 eine längsgeschnittene Seitenansicht eines Vielschicht-Varistors mit den Merkmalen der Erfindung, und
    • Figur 6a, b und c schematische Darstellungen der aufeinanderfolgenden Herstellungsschritte des quaderförmigen Körpers, aus dem der Chip-Varistor aufgebaut ist.
  • Mit "Varistor" werden bekanntlich spannungsabhängige Widerstände bezeichnet, die in aller Regel aus gesintertem Siliziumkarbid oder Zinkoxid mit Beimengungen anderer Stoffe in Scheiben- oder Stabform bestehen und vor allem in der Nachrichtentechnik Anwendung finden. Ihre Spannungsabhängigkeit beruht auf einem veränderlichen Kontaktwiderstand zwischen den einzelnen Kristallen.
  • Der in Fig. 1 dargestellte Chip-Varistor ist ein quaderförmiger Körper 1. Seine Abmessungen betragen beispielsweise 2 x 1,25 x 0,5 mm (Länge, Breite, Höhe) bis beispielsweise 8 x 4 x 4 mm. Er besteht aus einem oxydkeramischen Widerstandsmaterial und ist an den Quaderenden ,2, 3 mit metallisierten Anschlußflächen 8, 9 versehen, die die Quaderenden vollständig abdecken, und auf seiner Oberseite 4 sowie seiner Unterseite 5 ebenfalls mit einer Metallisierung 6, 7 (Fig. 2).Die Metallisierung der Oberseite 4 -ist mit der metallisierten Anschlußfläche 9 des einen Quaderendes 3 elektrisch leitend verbunden, während die Metallisierung 7 der Unterseite 5 nur mit der metallisierten Anschlußfläche 8 des anderen Quaderendes 2 elektrisch leitend in Verbindung steht. Dies bedeutet, sowohl auf der Oberseite 4 als auch auf der Unterseite 5 ist die Metallisierung unterbrochen, wobei diese Unterbrechung, wie den Fig. 1 und 2 entnommen werden kann, jeweils eine streifenförmige Aussparung 10,11 in der metallisierten Fläche bildet, die bis zur Oberfläche des Varistormaterials reicht, das allgemein mit 19 bezeichnet ist.
  • Die streifenförmigen Aussparungen 10, 11 sind durch zwei parallele Ränder 12, 13 begrenzt, die sich parallel zu den in Querrichtung des Körpers liegenden Rändern seiner Ober- und Unterseiten erstrecken.
  • Durch diese Bauform des Chip-Varistors läßt sich seine Spannung bei konstanter "Grundfläche" des quaderförmigen Körpers durch Änderung der Bauhöhe H (Fig. 2) von Hause aus, also bei der Herstellung des Chip-Varistors, festlegen. Somit ist die Einstellbarkeit der Spannung in Abhängigkeit von der Bauteilhöhe gegeben. Durch Versuche wurde gefunden, daß die Breite d der streifenförmigen Aussparungen 10, 11 etwa das 1,5-fache der Höhe H sein muß,da ,nachdem durch diese Bauform aufgrund der Oberlappung der Elektroden (metallisierte Oberflächen) die Stromflußrichtung gegenüber einer nur an den stirnseitigen Quaderenden kontaktierten Chip-Varistor um 90° gedreht ist, die Möglichkeit von Strom- bzw. Spannungs- überschlägen nur noch im Bereich der streifenförmigen Aussparung gegeben ist.
  • Da die Bedingung d > 1,5 H bei höheren Varistorspannungen zu kleinen Elektrodenflächen führt und damit zu geringem Energieabsorptionsvermögen, wird vorzugsweise, wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, im Bereich der streifenförmigen Aussparungen 10, 11 der Ober- und Unterseiten des Chip-Varistors zwischen den Elektroden wenigstens eine Nut 14, 15 angebracht, durch die bei großen Werten von H der Wert für d vergrößert wird, da der Stromfluß zwischen den Elektroden und damit die Oberschlagsweite nicht durch die Luftstrecke gemessen wird, sondern über die Varistor-Oberflächenmaterialstrecke zwischen den benachbarten Elektroden und diese Materialstrecke gegenüber dem bloßen Abstand d um die zweifache Höhe der Nutseiten vergrößert ist.
  • Es versteht sich, daß bei niedrigen Varistorspannungen und kleinen Bauteilhöhen H diese Nut überflüssig ist.
  • In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform des Chip-Varistors dargestellt, bei der der quaderförmige Körper als Schichtkörper 16 ausgebildet ist, bestehend aus mehreren parallel zu den Ober- und Unterseiten verlaufenden, einander abwechselnden Schichten aus Varistormaterial 17 und elektrisch gut leitfähigem Material 18.
  • Die leitfähigen Materialschichten 18 sind wiederum abwechselnd mit dem einen und dem anderen metallisierten Quaderende 2a bzw. 3a elektrisch verbunden.
  • Durch Anwendung einer solchen Schichttechnik, die zu dem in Fig. 5 gezeigten Vielschicht-Chip-Varistor führt, läßt sich das Energieabsorptionsvermögen noch wesentlich steigern, allerdings auf Kosten eines doch erheblich höheren Herstellungsaufwandes.
  • Zur Herstellung eines Chip-Varistors der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Art dient ein Verfahren, dessen Schritte im folgenden anhand der Figuren 6a, 6b und 6c erläutert werden.
  • Zunächst werden größere Platten oder Stangen aus Varistormaterial zu Körpern der in Fig. 6a gezeigten Art gepreßt, gesiritert und eventuell zersägt. Daraufhin wird dieser Körper auf seiner gesamten Oberfläche mit Silber kontaktiert, also metallisiert. Danach werden in Längsachsenrichtung des stangenförmigen Körpers in seine Ober-und Unterseiten Nuten oder rillenförmige Vertiefungen der bei 14 und 15 in Fig. 3 gezeigten Art eingefräst oder eingesägt, die tiefer sind als die Metallisierungsschicht und die die Aufgabe haben, die überschlagsfestigkeit zu verbessern (Fig. 6b). Anschließend werden von diesem stangenförmigen oder quaderförmigen Körper quer zu seiner Längsachse. in Fig. 6c mit 20 bezeichnete Stücke abgeschnitten, die die in Fig. 3 dargestellten Chip-Varistoren bilden, deren Seitenflächen 21 (22) demnach nicht metallisiert sind, im Gegensatz zu den stirnseitigen Enden. Die Längsachse dieser Chip-Varistoren entspricht somit der Querachse des ursprünglich hergestellten quaderförmigen Körpers, der in die einzelnen Chips zerteilt wird.
  • Die Oberfläche des so hergestellten Chip-Varistors wird mit Ausnahme der Kontaktflächen, d.h. der stirnseitigen Enden, mit einer Schutzschicht überzogen. Die Kontaktflächen können beispielsweise durch Vernickeln und Verzinnen verstärkt werden.

Claims (6)

1. Chip-Varistor, bestehend aus einem quaderförmigen Körper, der wenigstens zum Teil aus Varistormaterial gebildet ist und wenigstens zwei metallisierte Anschlußflächen an zwei gegenüberliegenden Quaderenden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die sich an die Quaderenden (2, 3) anschließenden Ober- und Unterseiten (4, 5) des quaderförmigen Körpers (1) mit einer eine Unterbrechung (10, 11) aufweisenden Metallisierung versehen sind, wobei die Metallisierung (6) des größten Teils der Oberseite (4) nur mit der metallisierten Anschlußfläche (8) des einen Quaderendes (2) und die Metallisierung (7) des größten Teils der Unterseite (5) nur mit der metallisierten Anschlußfläche (9) des anderen Quaderendes (3) elektrisch leitend verbunden ist.
2. Chip-Varistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung (10, 11) der Metallisierung (6, 7) auf der Oberseite (4) bzw. der Unterseite (5) des quaderförmigen Körpers (1) durch wenigstens eine streifenförmige Aussparung gebildet ist.
3. Chip-Varistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmige Aussparung durch zwei parallele Ränder (12, 13) begrenzt wird, die sich parallel zu den Rändern der Ober- und Unterseiten (4, 5) erstrecken.
4. Chip-Varistor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche des Varistormaterials im Bereich der Unterbrechung (10, 11) der Metallisierung wenigstens eine, sich über die ganze Länge der streifenförmigen Aussparung (10, 11) erstreckende Nut (14, 15) aufweist.
5. Chip-Varistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der quaderförmige Körper (1) als Schichtkörper (16) ausgebildet ist, bestehend aus parallel zu seinen Ober- und Unterseiten verlaufenden, einander abwechselnden Schichten aus Varistormaterial (17) und elektrisch gut leitfähigem Material (18), wobei die elektrisch gut leitfähigen Materialschichten abwechselnd mit den metallisierten Anschlußflächen des einen und des anderen Quaderendes (2a, 3a) elektrisch leitend verbunden sind.
6. Verfahren zur Herstellung des Chip-Varistors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
a) ein quaderfbrmiger Körper aus Varistormaterial hergestellt und seine Oberfläche vollständig metallisiert wird,
b) in die einander gegenüberliegenden Ober- und Unterseiten des quaderförmigen Körpers wenigstens je eine die Metallisierung unterbrechende, sich in Richtung seiner Längsachse erstreckende Aussparung eingearbeitet wird,
c) der quaderförmige Körper quer zu seiner Längsachse in einzelne Längenstücke zerschnitten wird, deren Ober- und Unterseiten in Richtung der ursprünglichen Quaderlängsrichtung kürzer sind als in Richtung der ursprünglichen Quaderquerrichtung.
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