EP1376624B1 - Elektrisches Bauelement mit Isolationszone - Google Patents

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EP1376624B1
EP1376624B1 EP20030013864 EP03013864A EP1376624B1 EP 1376624 B1 EP1376624 B1 EP 1376624B1 EP 20030013864 EP20030013864 EP 20030013864 EP 03013864 A EP03013864 A EP 03013864A EP 1376624 B1 EP1376624 B1 EP 1376624B1
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EP
European Patent Office
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electrode
contact layer
edge
main body
flat surface
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EP20030013864
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English (en)
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EP1376624A1 (de
Inventor
Hermann GRÜNBICHLER
Martin Schwingenschuh
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TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
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Publication date
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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
    • 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
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors; Arresters

Definitions

  • the invention relates to an electrical component having a base body which contains a ceramic material and in which a contact layer for electrical contacting is applied to the flat surface of the base body.
  • contact layers are applied for electrical contacting on opposite surfaces of the base body.
  • Such electrical components are known for example as varistors.
  • the side surfaces of the varistor disc are usually not completely metallized to the edge of the disc, but remains at the edge of the metallization a free edge with non-metallized varistor surface. This free edge is maintained to improve the electrical insulation of the opposing contact layers.
  • the known components have the disadvantage that at the metallization edge to an electrical peak effect, d. H. An increase in field occurs, as a result of which the dielectric strength and consequently also the current-carrying capacity of the varistor is markedly reduced. In the worst case, it comes to scaling and burning of the metallization edge and thus the failure of the device.
  • the electrical edge field is not only defined by the distance between the mutually opposite edge regions of the contact layers, but also by the distance between the mutually opposite edge regions of the electrodes.
  • the electrical component has the advantage that by the at a defined distance from the respective contact layer brought electrode, the electric field strength at the edge of this contact layer can be influenced so that an increase in field between the opposite edge regions of the contact layers is reduced. As a result, the dielectric strength of the device increases in an advantageous manner.
  • the electrode can advantageously project beyond the edge of the contact layer in the direction parallel to the planar surface of the base body, in order thus to produce a particularly effective shielding effect for the electric fields produced at the edge of the contact layer.
  • the contact layer may also protrude the contact layer in the direction parallel to the flat surface of the body below the electrode.
  • the distance between the edge of the electrode and the edge of the contact layer should be chosen so small that the electrode can still influence the field distribution at the edge of the contact layer.
  • edge of the electrode comes to rest in the direction parallel to the flat surface of the base body just above the edge of the contact layer.
  • the electrode extends to the edge of the flat surface of the base body. As a result, a particularly good shielding effect of the electrode is achieved.
  • the contact layer leaves a free edge at the edge of the surface of the base body.
  • the edge of the contact layer is offset a bit inwards.
  • the thickness of the electrode is at least twice as large as the thickness of the contact layer. This ensures that the effect of field elevation at the edge is smaller at the electrode than at the contact layer.
  • an electrical component is advantageous in which the base body has the shape of a disk on whose top and bottom are each arranged a contact layer.
  • Each of these contact layers may be provided with the electrode according to the invention.
  • the figure shows an example of an electrical component in a schematic cross section.
  • the figure shows a disc-shaped varistor in schematic cross-section.
  • the varistor has a main body 1, which is made of a varistor ceramic.
  • the base body 1 has the shape of a disk, wherein the upper side of the disk and the underside of the disk are each covered with a contact layer 2, 2a.
  • the contact layers 2, 2a do not extend to the edge of the upper side or the underside of the main body 1, but it remains at the edge of the contact layers 2, 2a a free edge 5, which improves the electrical insulation between the contact layers 2, 2a. This improvement is due to the fact that with the free edge 5 an increased creepage distance from the contact layer 2 on the underside of the base body 1 to the contact layer 2a on the upper side of the base body 1 is predetermined.
  • the insulation zone 6 Due to the creepage distance between the edges of the contact layers 2, 2a, which runs along the outside of the main body 1, the insulation zone 6 is defined, which has a significant influence on the dielectric strength of the device.
  • the main body 1 may, for example, have a diameter of 20 mm and contain as ceramic material a mixture of ZnO and Bi 2 O 3 . But there are also more Ceramic materials conceivable that have a varistor effect.
  • the contact layers 2, 2a may be, for example, baking layers containing silver and made from a silver stoving paste by screen printing.
  • the diameter of the contact layers 2, 2a may be for example 16 mm. This results in the free edge 5 a width of 2 mm.
  • the contact layers 2, 2a may have a thickness d of 15 ⁇ m.
  • Each of the contact layers 2, 2a carries on the opposite side of the main body 1, an electrode 4, 4a, which may be, for example, a tinned copper disc with a diameter of 19 mm.
  • the thickness D of the electrode 4, 4a may, for. B. be 0.5 mm.
  • the electrodes 4, 4a are provided with spacer elements 7, which for example have a thickness of 0.25 mm and which consequently cause a distance a between the electrode 4, 4a and the contact layer 2, 2a, which is 0.25 mm.
  • the distance a between the contact layer 2 and the electrode 4 may advantageously be between 0.1 and 0.5 mm.
  • the spacer elements 7 may be embossed, for example in the form of spacer studs in the tinned copper plate.
  • the electrodes 4, 4a are attached to the contact layers 2, 2a by means of an adhesive 3.
  • This adhesive 3 may be, for example, tin.
  • the adhesive 3 may also be conductive adhesive.
  • the connection of the electrodes 4, 4a to the contact layers 2, 2a takes place by soldering.
  • the electrodes 4, 4a do not necessarily cover the contact layers 2, 2a over the entire surface, as shown in the figure. Rather, only an edge region of the electrode 4, 4a is decisive, which is why the electrodes can also be designed in the form of rings.
  • the figure also shows the course of field lines as they arise when a positive electrical potential is applied to the upper contact layer 2 and a negative electrical potential is applied to the lower contact layer 2a.
  • the present invention is not limited to varistors, but is applicable to all sorts of electrical components including a body with ceramic material, such as NTC or PTC devices.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einem Grundkörper, der ein Keramikmaterial enthält und bei dem auf der ebenen Oberfläche des Grundkörpers eine Kontaktschicht zur elektrischen Kontaktierung aufgebracht ist.
  • Es sind Bauelement der eingangs genannten Art bekannt, bei denen auf gegenüberliegenden Oberflächen des Grundkörpers Kontaktschichten zur elektrischen Kontaktierung aufgebracht sind. Solche elektrischen Bauelemente sind beispielsweise als Varistoren bekannt. Die Seitenflächen der Varistorscheibe werden üblicherweise nicht vollständig bis zum Rand der Scheibe metallisiert, vielmehr verbleibt am Rand der Metallisierung ein Freirand mit nicht metallisierter Varistoroberfläche. Dieser Freirand wird eingehalten, um die elektrische Isolation der gegenüberliegenden Kontaktschichten zu verbessern.
  • Die bekannten Bauelemente haben jedoch den Nachteil, daß es am Metallisierungsrand zu einer elektrischen Spitzenwirkung, d. h. zu einer Feldüberhöhung kommt, wodurch die Spannungsfestigkeit und mithin auch die Stromtragfähigkeit des Varistors deutlich herabgesetzt ist. Im schlimmsten Fall kommt es zum Verzundern und Abbrand des Metallisierungsrandes und somit zum Ausfall des Bauelements.
  • Dieser Nachteil kann vermieden werden, indem als Kontaktschicht Metallisierungen mit einer großen und gleichmäßigen Schichtdicke aufgebracht werden. Dadurch wird zwar die Stromtragfähigkeit erhöht, jedoch kann das Problem der überhöhten Randfeldstärken dadurch nicht befriedigend gelöst werden. Zudem haben Metallschichten mit großer Schichtdicke noch den Nachteil, daß zu ihrer Aufbringung auf die Oberfläche des Varistors lange Zeiten erforderlich sind, insbesondere dann, wenn sie in einer Dünnschichttechnologie wie z. B. Sputtern aufgebracht werden. Im Falle von Edelmetallgrundschichten (Silber, Gold, Platin, Palladium etc.) stellt sich bei hoher Schichtdicke darüber hinaus noch die Kostenfrage.
  • Aus US 4,441,094 A1 ist eine Varistorscheibe bekannt, welche an ihren Stirnflächen mit einer Metallelektrodenbasis versehen ist, auf die jeweils eine Edelmetallstruktur zur verbesserten Lötbarkeit der Varistorscheibe aufgebracht ist.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Bauelement bereitzustellen, bei dem die Gefahr von elektrischen Überschlägen zwischen Kontaktschichten reduziert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Bauelement nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen zu entnehmen.
  • Es wird ein elektrisches Bauelement angegeben, das einen Grundkörper aufweist, der ein Keramikmaterial enthält. Auf einer ebenen Oberfläche des Grundkörpers ist eine Kontaktschicht aufgebracht, die zur elektrischen Kontaktierung des Grundkörpers dient. Auf der Kontaktschicht ist eine Elektrode befestigt, die mit Distanzelementen in Form von Abstandsnoppen versehen ist. Die Distanzelemente dienen dabei zur Einstellung eines definierten Abstands zwischen der Kontaktschicht und der Elektrode.
  • Das elektrische Randfeld ist in einem erfindungsgemäßen Bauelement nicht nur durch den Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Randbereichen der Kontaktschichten, sondern auch durch den Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Randbereichen der Elektroden definiert.
  • Das elektrische Bauelement hat den Vorteil, daß durch die in einem definierten Abstand zur jeweiligen Kontaktschicht auf gebrachte Elektrode die elektrische Feldstärke am Rand dieser Kontaktschicht so beeinflußt werden kann, daß eine Feldüberhöhung zwischen den einander gegenüberliegenden Randbereichen der Kontaktschichten reduziert wird. Dadurch steigt die Spannungsfestigkeit des Bauelements in vorteilhafter Weise an.
  • Die Elektrode kann dabei vorteilhafterweise in Richtung parallel zur ebenen Oberfläche des Grundkörpers über den Rand der Kontaktschicht hinausragen, um somit eine besonders effektive Abschirmwirkung für die am Rand der Kontaktschicht entstehenden elektrischen Felder zu bewirken.
  • Es kann aber auch die Kontaktschicht in Richtung parallel zur ebenen Oberfläche des Grundkörpers unter der Elektrode hervorstehen. Dabei sollte der Abstand zwischen dem Rand der Elektrode und dem Rand der Kontaktschicht so klein gewählt werden, daß die Elektrode noch Einfluß auf die Feldverteilung am Rand der Kontaktschicht nehmen kann.
  • Darüber hinaus ist es auch denkbar, daß der Rand der Elektrode in Richtung parallel zur ebenen Oberfläche des Grundkörpers genau über dem Rand der Kontaktschicht zum Liegen kommt.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Elektrode bis zum Rand der ebenen Oberfläche des Grundkörpers reicht. Dadurch wird eine besonders gute Abschirmwirkung der Elektrode erzielt.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die Kontaktschicht einen Freirand am Rand der Oberfläche des Grundkörpers freiläßt. Zur Einhaltung des Freirandes am Rand des elektrischen Bauelements wird der Rand der Kontaktschicht ein Stück nach innen versetzt.
  • Um den Effekt der elektrischen Feldüberhöhung am Rand der Elektrode möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn die Dicke der Elektrode wenigstens zweimal so groß ist wie die Dicke der Kontaktschicht. Dadurch ist gewährleistet, daß der Effekt der Feldüberhöhung am Rand bei der Elektrode kleiner ist als bei der Kontaktschicht.
  • Darüber hinaus ist ein elektrisches Bauelement vorteilhaft, bei dem der Grundkörper die Form einer Scheibe aufweist, auf deren Ober- und Unterseite jeweils eine Kontaktschicht angeordnet ist. Jede dieser Kontaktschichten kann mit der erfindungsgemäßen Elektrode versehen sein. Dadurch wird eine noch weitere Reduktion der Feldüberhöhung an den Rändern der Kontaktschichten erreicht.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figur näher erläutert.
  • Die Figur zeigt beispielhaft ein elektrisches Bauelement in einem schematischen Querschnitt.
    Die Figur zeigt einen scheibenförmigen Varistor im schematischen Querschnitt. Der Varistor weist einen Grundkörper 1 auf, welcher aus einer Varistorkeramik hergestellt ist.
  • Der Grundkörper 1 weist die Form einer Scheibe auf, wobei die Oberseite der Scheibe und die Unterseite der Scheibe jeweils mit einer Kontaktschicht 2, 2a bedeckt ist. Die Kontaktschichten 2, 2a reichen dabei nicht bis zum Rand der Oberseite bzw. der Unterseite des Grundkörpers 1, sondern es bleibt am Rand der Kontaktschichten 2, 2a ein Freirand 5, der die elektrische Isolation zwischen den Kontaktschichten 2, 2a verbessert. Diese Verbesserung kommt dadurch zustande, daß mit dem Freirand 5 eine erhöhte Kriechstrecke von der Kontaktschicht 2 auf der Unterseite des Grundkörpers 1 zur Kontaktschicht 2a auf der Oberseite des Grundkörpers 1 vorgegeben ist.
  • Durch die Kriechstrecke zwischen den Rändern der Kontaktschichten 2, 2a, die entlang der Außenseite des Grundkörpers 1 verläuft, wird die Isolationszone 6 definiert, die maßgeblichen Einfluß auf die Spannungsfestigkeit des Bauelements hat.
  • Der Grundkörper 1 kann beispielsweise einen Durchmesser von 20 mm aufweisen und als Keramikmaterial eine Mischung aus ZnO und Bi2O3 enthalten. Es sind darüber hinaus aber auch weitere Keramikmaterialien denkbar, die einen Varistoreffekt aufweisen.
  • Die Kontaktschichten 2, 2a können beispielsweise Einbrennschichten sein, die Silber enthalten und aus einer Silbereinbrennpaste mittels Siebdruck hergestellt sind. Der Durchmesser der Kontaktschichten 2, 2a kann beispielsweise 16 mm betragen. Daraus ergibt sich für den Freirand 5 eine Breite von 2 mm. Die Kontaktschichten 2, 2a können eine Dicke d von 15 µm aufweisen.
  • Jede der Kontaktschichten 2, 2a trägt auf der dem Grundkörper 1 gegenüberliegenden Seite eine Elektrode 4, 4a, die beispielsweise eine verzinnte Kupferscheibe mit einem Durchmesser von 19 mm sein kann. Die Dicke D der Elektrode 4, 4a kann z. B. 0,5 mm betragen. Die Elektroden 4, 4a sind mit Distanzelementen 7 versehen, welche beispielsweise eine Stärke von 0,25 mm aufweisen und welche folglich einen Abstand a zwischen der Elektrode 4, 4a und der Kontaktschicht 2, 2a bewirken, der 0,25 mm beträgt. Der Abstand a zwischen der Kontaktschicht 2 und der Elektrode 4 kann vorteilhafterweise zwischen 0,1 und 0,5 mm betragen. Die Distanzelemente 7 können beispielsweise in Form von Abstandsnoppen in die verzinnte Kupferscheibe eingeprägt sein.
  • Die Elektroden 4, 4a sind mittels eines Haftmittels 3 an den Kontaktschichten 2, 2a befestigt. Dieses Haftmittel 3 kann beispielsweise Zinn sein. Das Haftmittel 3 kann aber auch Leitkleber sein. Im Falle von Zinn erfolgt die Verbindung der Elektroden 4, 4a zu den Kontaktschichten 2, 2a durch Löten. Es ist darüber hinaus noch zu beachten, daß die Elektroden 4, 4a nicht notwendigerweise wie in der Figur dargestellt die Kontaktschichten 2, 2a ganzflächig bedecken. Entscheidend ist vielmehr lediglich ein Randbereich der Elektrode 4, 4a, weswegen die Elektroden auch in Form von Ringen ausgeführt sein können.
  • In der Figur ist darüber hinaus noch der Verlauf von Feldlinien dargestellt, wie sie entstehen, wenn auf der oberen Kontaktschicht 2 ein positives elektrisches Potential und auf der unteren Kontaktschicht 2a ein negatives elektrisches Potential angelegt werden.
  • Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf Varistoren, sondern ist auf alle möglichen elektrischen Bauelemente, die einen Grundkörper mit Keramikmaterial enthalten, beispielsweise NTC- oder PTC-Bauelemente, anwendbar.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Grundkörper
    2, 2a
    Kontaktschicht
    3
    Haftmittel
    4, 4a
    Elektrode
    5
    Freirand
    6
    Isolationszone
    7
    Distanzelement
    d
    Dicke der Kontaktschicht
    D
    Dicke der Elektrode
    a
    Abstand

Claims (7)

  1. Elektrisches Bauelement
    - mit einem Grundkörper (1), enthaltend ein Keramikmaterial,
    - mit einer auf einer ebenen Oberfläche des Grundkörpers (1) aufgebrachten Kontaktschicht (2) zur elektrischen Kontaktierung, gekennzeichnet durch
    - eine auf der Kontaktschicht (2) befestigten Elektrode (4), die mit Distanzelementen (7) in Form von Abstandsnoppen versehen ist, die zur Einstellung eines definierten Abstands (a) zwischen der Kontaktschicht (2) und der Elektrode (4) dienen.
  2. Bauelement nach Anspruch 1,
    bei dem die Elektrode (4) in Richtung parallel zur ebenen Oberfläche des Grundkörpers über den Rand der Kontaktschicht (2) hinausragt.
  3. Bauelement nach Anspruch 1,
    bei dem die Kontaktschicht (2) in Richtung parallel zur ebenen Oberfläche des Grundkörpers unter der Elektrode (4) hervorsteht.
  4. Bauelement nach Anspruch 1,
    bei dem der Rand der Elektrode (4) in Richtung parallel zur ebenen Oberfläche des Grundkörpers im wesentlichen über dem Rand der Kontaktschicht (2) liegt.
  5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    bei dem die Elektrode (4) in Richtung parallel zur ebenen Oberfläche des Grundkörpers bis zum Rand der ebenen Oberfläche des Grundkörpers (1) reicht.
  6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    bei dem die Dicke (D) der Elektrode (4) wenigstens zweimal so groß ist wie die Dicke (d) der Kontaktschicht (2).
  7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    bei dem der Grundkörper (1) die Form einer Scheibe aufweist, auf deren Ober- und Unterseite jeweils eine Kontaktschicht (2, 2a) angeordnet ist.
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