[0001] 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.
[0002] 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.
[0003] 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
[0004] Vielzahl von unterschiedlichen Längenabmessungen hergestellt und bevorratet werden
müssen, um unterschiedliche Spannungen zu realisieren.
[0005] 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.
[0006] Darüber hinaus soll für einen derartigen Varistor ein Herstellungsverfahren entwickelt
werden, das den bisher bekannten insbesondere in wirtschaftlicher Hinsicht überlegen
ist.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] Mit "Varistor" werden bekanntlich spannungsabhängi
ge 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.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] Es versteht sich, daß bei niedrigen Varistorspannungen und kleinen Bauteilhöhen H
diese Nut überflüssig ist.
[0020] 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.
[0021] Die leitfähigen Materialschichten 18 sind wiederum abwechselnd mit dem einen und
dem anderen metallisierten Quaderende 2a bzw. 3a elektrisch verbunden.
[0022] 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.
[0023] 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.
[0024] 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.
[0025] 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.
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.