Überspannungsschutzelement und Verfahren zur Herstellung eines Uberspannungsschutzelements

Die vorliegende Erfindung betrifft ein

Überspannungsschutzelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Überspannungsschutzelements . Eine zu lösende Aufgabe ist es, ein verbessertes

Überspannungsschutzelement, welches insbesondere kompakt ist und kostengünstig und/oder kostengünstig hergestellt werden kann, und/oder ein verbessertes Überspannungsschutzbauteil anzugeben .

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen

Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen

Patentansprüche .

Ein vorgeschlagenes Überspannungsschutzelement umfasst eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, und einen

Entladungsbereich, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei in dem

Entladungsbereich ein poröses Entladungsdielektrikum

angeordnet ist. Die erste Elektrode kann einen

Stabilisierungskörper des Überspannungsschutzelements bilden. Das Überspannungsschutzelement ist weiterhin ausgebildet, in den Poren des porösen Entladungsdielektrikums ein Gas zu entladen und so eine elektrisch leitfähige Verbindung

zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode herzustellen. Das Entladungsdielektrikum dient vorzugsweise der elektrischen Trennung der ersten Elektrode von der zweiten Elektrode und umgekehrt. Mit Vorteil kann das

Überspannungsschutzelement in oder mit einer besonders niedrigen Bauhöhe von typischerweise weniger als 100 ym, bevorzugt weniger als 50 ym, herstellbar oder hergestellt sein. Weiterhin oder dadurch erlaubt das vorgestellte

Überspannungsschutzelement vorzugsweise eine Ausgestaltung mit sehr niedrigen elektrischen Kapazitäten, beispielsweise für den Einsatz in Hochfrequenzanwendungen. Zudem kann mit Vorteil durch Elektroden auf Basis einer Kupferfolie bzw. Siebdruckelektroden mit Kupfer (Cu) als Hauptbestandteil auf den Einsatz von teuren Edelmetallelektroden verzichtet werden .

Das Überspannungsschutzelement ist vorzugsweise zum Schutz beispielsweise einer elektronischen Baugruppe, vor

Überspannungen auf der Basis von einer Luftentladung

beziehungsweise Barriereentladung eingerichtet. Die Entladung ist vorzugsweise eine dielektrische Barriereentladung und das Gas ist vorzugsweise Luft oder ein Gasgemisch aus 2 und H ₂ . Weiterhin dienen die Poren des porösen

Entladungsdielektrikums als Entladungsspalt.

Durch die Entladung in den Poren des porösen

Entladungsdielektrikums entstehen vorzugsweise freie

Elektronen und/oder ionisierte Gasmoleküle, beispielsweise aus der Umgebungsluft, die einen elektrischen Kontakt

zwischen den beiden Elektroden herstellen, sobald eine an den beiden Elektroden anliegende Überspannung überschritten wird. Der Kontakt kann vorzugsweise besonders hohe elektrische Ströme tragen.

Die genannte Überspannung kann beispielsweise dadurch

bestimmt sein, dass sie einen bestimmten Schwellwert, ab welchem beispielsweise eine durch das

Überspannungsschutzelement zu schützende Baugruppe zerstört oder beschädigt wird, überschreitet. Eine solche Überspannung kann im Betrieb des Überspannungsschutzelements vorzugsweise gegen Masse abgeführt werden.

In einer Ausgestaltung weist das Entladungsdielektrikum eine niedrige Dielektrizitätskonstante auf. Durch diese

Ausgestaltung können elektrische Kapazitäten, insbesondere parasitäre Kapazitäten im Betrieb des

Überspannungsschutzelements mit Vorteil verhindert oder eingeschränkt werden.

In einer Ausgestaltung sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode aus einem unedlen Metall. Durch diese

Ausgestaltung kann mit Vorteil auf den Einsatz teurer

Edelmetalle als Elektrodenmaterialien verzichtet werden.

In einer Ausgestaltung sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode aus Kupfer (Cu) . Durch diese Ausgestaltung können mit Vorteil die Eigenschaften einer hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit im Betrieb des

Überspannungsschutzelements ausgenutzt werden. In einer Ausgestaltung weist der Entladungsbereich,

beziehungsweise das Entladungsdielektrikum eine Dicke

zwischen 5 ym und 50 ym auf.

In einer Ausgestaltung weist das Überspannungsschutzelement eine Bauteildicke zwischen 30 ym und 100 ym auf.

Die beiden zuletzt genannten Ausführungsformen erlauben mit Vorteil eine kompakte Ausgestaltung des Überspannungsschutzelements, insbesondere entlang einer Bauteilhöhe desselben. Dadurch kann weiterhin eine kosten- und raumeffiziente Miniaturisierung erreicht werden.

Weiterhin bietet diese niedrige Bauhöhe die

Möglichkeit, die Bauelemente platzsparend, beispielsweise unterhalb der zu schützenden Baugruppen auf einer Platine zu positionieren, bzw. sogar diese in die Platine zu

integrieren . In einer Ausgestaltung umfasst das Entladungsdielektrikum Zirkoniumoxid, beispielsweise ZrÜ ₂ , Aluminiumoxid,

beispielsweise AI ₂ O ₃ und/oder Magnesiumoxid, beispielsweise MgO oder besteht aus einem oder mehreren dieser Materialien. Zirkoniumdioxid hat vorteilhafterweise eine niedrige

Dielektrizitätskonstante, so dass parasitäre Kapazitäten, wie oben erwähnt, mit Vorteil im Betrieb des

Überspannungsschutzelements, insbesondere im Zusammenwirken mit einer vor Überspannungen zu schützenden Baugruppe, beispielsweise eines elektronischen Bauteils, verhindert werden können.

In einer Ausgestaltung weist das Überspannungsschutzelement einen Verbindungsbereich auf, wobei in dem Verbindungsbereich ein Verbindungsdielektrikum angeordnet ist, über das die erste und die zweite Elektrode mechanisch stabil miteinander verbunden sind. Das Verbindungsdielektrikum ist

zweckmäßigerweise ebenfalls zur elektrischen Trennung der ersten und der zweiten Elektrode vorgesehen und weist vorzugsweise ebenfalls eine niedrige

Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise mit Werten auf.

Durch die Vorsehung des Verbindungsdielektrikums kann

vorzugsweise in dem Verbindungsbereich die mechanische Stabilität des Überspannungsschutzelements, insbesondere mechanische Stabilität oder Zusammenhalt zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erreicht oder hergestellt werden .

In einer Ausgestaltung ist das Verbindungsdielektrikum zumindest teilweise in einem zwischen der ersten und der zweiten Elektrode gebildeten Zwischenraum angeordnet. Diese Ausgestaltung erlaubt zweckmäßigerweise die Ausbildung des Verbindungsbereichs, und dadurch die Herstellung der

mechanischen Stabilität des Überspannungsschutzelements zwischen der ersten und der zweiten Elektrode.

In einer Ausgestaltung ist das Verbindungsdielektrikum mechanisch stabiler mit der ersten und der zweiten Elektrode verbunden als das Entladungsdielektrikum. Diese Verbindung bezieht sich vorzugsweise auf eine standardmäßige Verbindung, beispielsweise eine Sinterverbindung, zwischen dielektrischen Materialien und Elektrodenmaterialien.

In einer Ausgestaltung sind der Entladungsbereich und der Verbindungsbereich nebeneinander angeordnet. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil eine kompakte Bauweise, beispielsweise Dünnschichtbauweise, des

Überspannungsschutzelements ermöglicht werden. Weiterhin erlaubt diese Ausgestaltung mit Vorteil das Wirken oder

Fungieren des Verbindungsdielektrikums und des

Entladungsdielektrikums als gemeinsames oder ähnlich einem gemeinsamen Dielektrikum des Überspannungsschutzelements.

In einer Ausgestaltung umläuft der Verbindungsbereich in Aufsicht auf das Überspannungsschutzelement betrachtet den Entladungsbereich. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil besonders zweckmäßig die mechanisch stabile Verbindung und/oder die mechanische Stabilität des

Überspannungsschutzelements in den den Entladungsbereich umlaufenden Bereichen hergestellt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das

Entladungsdielektrikum eine größere Porosität auf als das Verbindungsdielektrikum. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil der Entladungsbereich sowie die mechanische

Stabilität oder Verbindung über den Verbindungsbereich hergestellt werden. Mit anderen Worten erlaubt die größere Porosität des Entladungsdielektrikums das Entladen eines Gases in den Poren des Entladungsdielektrikums, wobei eine kleinere Porosität und/oder beispielsweise eine dadurch resultierende größere Dichte des Verbindungsdielektrikums die mechanisch stabile Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und/oder die mechanische Stabilität des Überspannungsschutzelements ermöglicht . In einer Ausgestaltung sind das Entladungsdielektrikum und das Verbindungsdielektrikum durch zwei verschiedene und/oder separate Komponenten oder Körper, beispielsweise

Dielektrikumskörper, aus unterschiedlichen Materialien gebildet. Gemäß dieser Ausgestaltung sind die Materialien des Entladungsdielektrikums und des Verbindungsdielektrikums vorzugsweise nicht Stoffschlüssig miteinander verbunden.

Stattdessen existiert vorzugsweise ein diskreter

Phasenübergang zwischen unterschiedlichen Materialphasen des Entladungsdielektrikums und des Verbindungsdielektrikums. Die Materialphasen bezeichnen in diesem Zusammenhang vorzugsweise keine Aggregatzustände . Gemäß dieser Ausgestaltung können das Verbindungsdielektrikum und das Entladungsdielektrikum beispielsweise während der Herstellung des Überspannungsschutzelements vorzugsweise separat und/oder sequentiell bereitgestellt werden.

In einer Ausgestaltung überlappt das Verbindungsdielektrikum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode zumindest teilweise mit dem Entladungsdielektrikum. Durch diese

Ausgestaltung kann unter Umständen die mechanische Stabilität des Überspannungsschutzelements allein durch die erste

Elektrode und des Verbindungsdielektrikums hergestellt werden .

In einer Ausgestaltung sind das Verbindungsdielektrikum und das Entladungsdielektrikum durch unterschiedliche

Materialphasen in einem gemeinsamen Dielektrikumskörper gebildet. Gemäß dieser Ausgestaltung können die genannten

Materialphasen kontinuierlich ineinander übergehen.

Vorzugsweise hängen gemäß dieser Ausgestaltung das

Verbindungsdielektrikum und das Entladungsdielektrikum

Stoffschlüssig miteinander zusammen oder sind Stoffschlüssig miteinander verbunden.

In einer Ausgestaltung ist die erste Elektrode eine

Kupferschicht mit einer Schichtdicke zwischen 10 ym und 100 ym. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die erste Elektrode vorteilhafterweise als Stabilisierungskörper, des

Überspannungsschutzelements fungieren . In einer Ausgestaltung bildet die erste Elektrode einen

Stabilisierungskörper für das Überspannungsschutzelement. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil auf einen

separaten Träger des Überspannungsschutzelements verzichtet werden und das Überspannungsschutzelement kompakt, insbesondere mit einer geringen Bauteildicke, ausgeführt werden . In einer alternativen Ausgestaltung weist das

Überspannungsschutzelement eine keramische Folie als

Stabilisierungskörper auf, auf welcher die erste Elektrode aufgebracht oder angeordnet ist. Diese Ausgestaltung erlaubt mit Vorteil eine oberflächenmontierbare Ausgestaltung des Überspannungsschutzelements.

In einer Ausgestaltung sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode strukturiert, wobei das

Überspannungsschutzelement oberflächenmontierbar ausgeführt ist. Durch dieses Ausgestaltung können insbesondere die

Vorteile einer oberflächenmontierbaren Ausgestaltung,

beispielsweise die Möglichkeit das Überspannungsschutzelement direkt auf eine Leiterplatte oder elektronische Baugruppe zu löten, ausgenutzt werden.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Anmeldung betrifft ein Überspannungsschutzbauteil, welches eine Vielzahl von in einem Feld nebeneinander angeordneten

Überspannungsschutzelementen, wie oben beschrieben, aufweist. Die Überspannungsschutzelemente sind gemäß dieser

Ausgestaltung vorzugsweise nebeneinander und/oder als

Streifen oder in einer gemeinsamen Ebene oder auf einer gemeinsamen Oberfläche angeordnet und/oder hergestellt. Gemäß dieser Ausgestaltung kann weiterhin das Feld von

Überspannungsschutzelementen, beispielsweise für die

Integration in eine elektronische Baugruppe beispielsweise eines elektronischen Bauelements, ermöglicht oder vereinfacht werden . In einer Ausgestaltung des Überspannungsschutzbauteils sind die Überspannungsschutzelemente in Vielschichtausführung in dem Überspannungsschutzbauteil übereinander angeordnet. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil eine größere

Stromtragfähigkeit des Bauteils ermöglicht und/oder die

Strombelastbarkeit des Überspannungsschutzbauteils mit

Vorteil erhöht werden. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Anmeldung betrifft ein elektronisches Bauteil umfassend mindestens ein wie oben beschriebenes Überspannungsschutzelement, welches in die Bauform einer von diesem Überspannungsschutzelement vor

Überspannungen zu schützenden Baugruppe des elektronischen Bauteils integriert ist.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des Überspannungsschutzelements. Das Verfahren umfasst das Breitstellen der ersten Elektrode für das Überspannungsschutzelement, das Versehen der ersten Elektrode mit einem Grundmaterial für das

Entladungsdielektrikum sowie das Versehen der mit dem

Grundmaterial versehenen ersten Elektrode mit einem

Verbindungsmaterial für das Verbindungsdielektrikum. Das Verfahren umfasst weiterhin das Versehen der mit dem

Grundmaterial versehenen ersten Elektrode mit einer zweiten Elektrode zur Herstellung eines Grundkörpers. Vorzugsweise wird die erste Elektrode vor dem Versehen derselben mit zweiten Elektrode mit dem Verbindungsmaterial versehen. Das Verfahren umfasst zudem das Aussetzen des Grundkörpers einer Temperatur, wobei die Temperatur derart gewählt ist, dass das Verbindungsmaterial mit der ersten und der zweiten Elektrode versintert wird und so das Verbindungsdielektrikum gebildet wird, und aus dem Grundmaterial das Entladungsdielektrikum gebildet wird, wobei das Entladungsdielektrikum porös ist. Während des Versinterns wird vorzugsweise die mechanische Stabilität oder der mechanische Zusammenhalt des

Überspannungsschutzelements zwischen der ersten und der zweiten Elektrode hergestellt.

Das Verbindungsmaterial und das Grundmaterial sind

vorzugsweise beide ungesinterte Rohmaterialien.

Beispielsweise umfassen sowohl das Grundmaterial als auch das Verbindungsmaterial ein Keramikpulver. Die genannten

Materialien sind vorzugsweise derart gewählt, dass bei der Temperatur zweckmäßigerweise das Verbindungsmaterial

effektiver, besser oder dichter versintert werden kann als das Grundmaterial, um so die mechanische Stabilität des

ÜberspannungsSchutzelements herzustellen.

Zweckmäßigerweise bleiben nach dem Aussetzen des Grundkörpers der Temperatur, welche vorzugsweise eine Sintertemperatur ist, Poren in dem Entladungsdielektrikum zurück, welche, wie oben beschrieben, als Entladungsspalte für eine Gasentladung in den Poren des Entladungsdielektrikums, dienen.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens liegt die Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur von Kupfer. Diese

Ausgestaltung ist insbesondere zweckmäßig bei der Verwendung von Kupferelektroden, um ein Schmelzen der Elektroden während der Herstellung des Überspannungsschutzelements zu vermeiden. In einer Ausgestaltung des Verfahrens beträgt die Temperatur zwischen 500°C und 1050°C. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Grundkörper der Temperatur unter einer Schutzgasatmosphäre ausgesetzt. Diese Ausgestaltung ermöglicht insbesondere den Schutz der ersten und oder der zweiten Elektrode vor Oxidation. Für den Fall, dass die erste und/oder die zweite Elektrode aus Kupfer besteht, kann so verhindert werden, dass das Kupfer oxidiert und die Elektroden unbrauchbar werden und damit die Funktion des Überspannungsschutzelements eingeschränkt oder verhindert wird .

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird für das Versehen der ersten Elektrode mit dem Grundmaterial, dieses

strukturiert aufgebracht. Wie oben beschrieben, kann durch diese Ausgestaltung die Anordnung des Grundmaterials nur in bestimmten Bereichen, beispielsweise auf der Oberfläche des

Überspannungsschutzelements oder Überspannungsschutzbauteils, ermöglicht werden.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird für das Versehen der ersten Elektrode mit dem Verbindungselement, dieses strukturiert aufgebracht. Diese Ausgestaltung erlaubt die Anordnung des Verbindungsdielektrikums beispielsweise in bestimmten Bereichen der Oberfläche des

Überspannungsschutzelements oder Überspannungsschutzbauteils, insbesondere in dem oder den Verbindungsbereichen.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das

Verbindungsmaterial neben dem Grundmaterial angeordnet. Dabei kann das Verbindungsmaterial, im Wege des Versehens der ersten Elektrode mit den genannten Materialien, vorzugsweise bis auf den oben genannten zumindest teilweisen Überlapp, vollständig neben dem Grundmaterial, beispielsweise in derselben Schichtebene, angeordnet werden. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die erste

Elektrode großflächig mit dem Grundmaterial versehen, wobei das Verbindungsmaterial auf das Grundmaterial aufgebracht wird und dabei Bereiche des Grundmaterials vom

Verbindungsmaterial frei bleiben. Die Bereiche bleiben dabei zweckmäßigerweise zur Ausbildung des Entladungsdielektrikums frei. Gemäß dieser Ausgestaltung ist das Verbindungsmaterial vorzugsweise derart gewählt, dass schon bei der genannten Temperatur, die mechanische Stabilität des

Überspannungsschutzelements während des Versinterns

beziehungsweise des Aussetzens des Grundkörpers der

Temperatur ermöglicht wird. In einer Ausgestaltung beträgt die Temperatur zwischen 500°C und 1050°C.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens diffundiert das

Verbindungsmaterial während des Aussetzens der Temperatur durch das Grundmaterial hindurch, wodurch die mechanische Stabilität zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode hergestellt wird.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die erste

Elektrode mittels Siebdruck mit dem Grundmaterial und dem Verbindungsmaterial versehen.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die erste

Elektrode durch Folienziehen bereitgestellt.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Überspannungsschutzbauteils, welches eine Vielzahl von in einem Feld nebeneinander angeordneten Überspannungsschutzelementen, wie oben

beschrieben, aufweist. Dabei sind die einzelnen

Überspannungsschutzelemente zweckmäßigerweise parallel prozessiert worden, so dass sich Verfahrensschritte, welche oben für das einzelne Überspannungsschutzelement beschrieben sind, genauso für das Überspannungsschutzbeuteil gelten können .

In einer Ausgestaltung des zuletzt beschriebenen Verfahrens wird das Überspannungsschutzbauteil nach dem Aussetzen des Grundkörpers der Temperatur in einzelne

Überspannungsschutzelemente vereinzelt .

Das Überspannungsschutzelement und/oder das

Überspannungsschutzbauteil ist vorzugsweise mittels des hier beschriebenen Verfahrens herstellbar oder hergestellt, insbesondere sind sämtliche für das Verfahren offenbarte Merkmale auch für das Überspannungsschutzelement und/oder das Überspannungsschutzbauteil offenbart und umgekehrt.

Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausgestaltungen und

Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren .

Figur 1A zeigt eine schematische Schnitt- oder Seitenansicht eines Überspannungsschutzelements .

Figur 1B zeigt eine Aufsicht auf ein

Überspannungsschutzelement.

Figur IC zeigt eine vergrößerte mikroskopische Schnittansicht eines Teils des Überspannungsschutzelements aus Figur IB. Figur 2A zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Überspannungsschutzbauteil . Figur 2B zeigt eine schematische Seitenansicht des

Überspannungsschutzbauteils aus Figur 2A.

Figur 2C zeigt eine mikroskopische Aufsicht auf ein

Überspannungsschutzbauteil .

Figur 3A zeigt ein beispielhaftes Schaltverhalten eines Überspannungsschutzelements gemäß den Figuren 1A, 1B und/oder IC. Figur 3B zeigt ein beispielhaftes Ansprechverhalten eines Überspannungsschutzelements als Antwort auf einen

rechteckförmigen Testpuls gemäß den Figuren 1A, 1B und/oder IC. Figur 4 zeigt eine schematische Seiten- oder Schnittansicht eines Überspannungsschutzbauteils beispielsweise gemäß Figur 2A und/oder 2B.

Figur 5 zeigt eine schematische Schnitt- oder Seitenansicht eines Überspannungsschutzelements gemäß einer zu Figur 4 alternativen Ausführungsform.

Figur 6 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein

Überspannungsschutzelement gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform.

Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu

betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

Figur 1A zeigt in einer ersten Ausgestaltung ein

Überspannungsschutzelement 10. Das Überspannungsschutzelement 10 weist eine erste Elektrode 1 auf. Die erste Elektrode 1 ist vorzugsweise durch Folienziehen einer massiven Cu-Folie oder eines Cu-Werkstücks , wie beispielsweise in oder aus der Herstellung von Batterien üblich oder bekannt,

bereitgestellt. Alternativ kann die erste Elektrode 1 durch Siebdruck oder ein anderes geeignetes Verfahren

bereitgestellt werden. Die erste Elektrode 1 kann eine

Schichtdicke zwischen 10 ym und 100 ym aufweisen.

Das Überspannungsschutzelement 10 weist weiterhin eine zweite Elektrode 2 auf. Die erste und die zweite Elektrode 1, 2 sind vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen unedlen Metall. Die erste Elektrode 1 stellt weiterhin vorzugsweise einen Stabilisierungskörper für das Überspannungsschutzelement 10 dar . Das Überspannungsschutzelement 10 weist zudem ein

Entladungsdielektrikum 3 auf. Das Entladungsdielektrikum 3 weist vorzugsweise eine niedrige Dielektrizitätskonstante, beispielsweise mit Werten zwischen 5 und 100 As/Vm, auf. Das Entladungsdielektrikum 3 besteht gemäß dieser Ausführungsform vorzugsweise aus Zirkoniumoxid (beispielsweise ZrC> ₂ ) mit einem 5%-igen Glasanteil oder umfasst dieses mit einem 5~6 igen Glasanteil. Alternativ kann das Entladungsdielektrikum 3 Aluminiumoxid, beispielsweise AI ₂ O ₃ und/oder Magnesiumoxid, beispielsweise MgO, aufweisen. Das Entladungsdielektrikum 3 ist vorzugsweise porös oder weist Poren auf (vgl. 7 in Figur IC) . Das Überspannungsschutzelement 10 ist vorzugsweise ausgebildet, in den Poren des Entladungsdielektrikums ein Gas zu entladen und so eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 herzustellen. Das Entladungsdielektrikum 3 kann eine Dicke zwischen 5 ym und 50 ym aufweisen. Beispielhafte Dicken der einzelnen in Figur 1A gezeigten Schichten des

Überspannungsschutzelements 10 sind am rechten Rand der Figur eingezeichnet .

Das Entladungsdielektrikum weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 5 ym und 50 ym auf.

Das Überspannungsschutzelement 10 weist weiterhin ein

Verbindungsdielektrikum 4 auf, welches in der Figur 1A auf beiden Seiten des Entladungsdielektrikums 3 angeordnet ist. Das Verbindungsdielektrikum 4 weist vorzugsweise ebenfalls eine niedrige Dielektrizitätskonstante, beispielsweise mit Werten zwischen 5 und 100 As/Vm, auf. Das

Verbindungsdielektrikum 4 ist zumindest teilweise in einem von der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 gebildeten Zwischenraum (nicht explizit gekennzeichnet) angeordnet.

In Aufsicht auf das Überspannungsschutzelement 10 betrachtet umläuft das Verbindungsdielektrikum 4 vorzugsweise das

Entladungsdielektrikum 3. Das Verbindungsdielektrikum 4 besteht gemäß dieser Ausführungsform vorzugsweise aus

Zirkoniumoxid (beispielsweise ZrÜ2) mit einem 30 ~6 igen

Glasanteil oder umfasst dieses mit einem 30%-igen Glasanteil. Alternativ kann das Verbindungsdielektrikum 4 Aluminiumoxid, beispielsweise AI ₂ O ₃ und/oder Magnesiumoxid, beispielsweise MgO, oder ein anderes Material aufweisen, welches

beispielsweise während des Aussetzens der Temperatur ohne den genannten höheren Glasanteil nicht oder nicht vollständig verdichtet oder versintert wird.

Das Entladungsdielektrikum 3 und das Verbindungsdielektrikum 4 umfassen oder bestehen gemäß dieser Ausführungsform

vorzugsweise aus einer Keramik.

Der Bereich 5 bezeichnet in Figur 1A einen

Verbindungsbereich, in dem die erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 2 über das Verbindungsdielektrikum 4 mechanisch stabil miteinander verbunden sind und so die mechanische Stabilität des Überspannungsschutzelements 10 herstellen oder gewährleisten. Das Überspannungsschutzelement 10 weist weiterhin einen Entladungsbereich 6 auf, in welchem die oben genannte Gasentladung zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 - im Falle einer an diese

Elektroden angelegten oder dazwischen auftretenden

Überspannung - gezündet oder aufgebaut werden kann. Die genannte Überspannung kann vorzugsweise über einen

Masseanschluss des Überspannungsschutzelements 10 abgeführt werden kann.

Aufgrund der Zusammensetzung kann das Verbindungsdielektrikum ebenfalls ein poröses Material und/oder Poren aufweisen.

Zweckmäßigerweise ist jedoch die Porosität des

Entladungsdielektrikums 3 größer als diejenige des

Verbindungsdielektrikums 4.

Das Verbindungsdielektrikum 4 und/oder die zweite Elektrode 2 werden vorzugsweise mittels Siebdruck in strukturierter Form aufgebracht oder bereitgestellt. Vorzugsweise ist die zweite Elektrode 2 weiterhin derart aufgebracht oder abgeschieden, dass sie die erste Elektrode beispielsweise nicht vollständig überdeckt .

Während einer Herstellung des Überspannungsschutzelements 10 wird vorzugsweise zuerst die erste Elektrode 1

bereitgestellt, diese anschließend mit einem Grundmaterial für das Entladungsdielektrikum 3 und danach mit einem

Verbindungsmaterial für das Verbindungsdielektrikum 4 versehen. Anschließend wird der entstandene Verbund oder Körper vorzugsweise mit der zweiten Elektrode versehen und einer Temperatur, die vorzugsweise unterhalb des

Schmelzpunktes von Kupfer, also dem bevorzugten Material der ersten und der zweiten Elektrode liegt, ausgesetzt. Die

Temperatur kann beispielsweise zwischen 500°C und 1050°C betragen. Durch das Aussetzen der Temperatur, wird das

Verbindungsmaterial zusammen mit der ersten und der zweiten Elektrode 1, 2 versintert und das Verbindungsdielektrikum 4 gebildet. Weiterhin wird während dieses Aussetzens aus dem Grundmaterial das Entladungsdielektrikum 4 gebildet. Das Entladungsdielektrikum 3 beziehungsweise das Grundmaterial wird dabei nicht vollständig versintert oder verdichtet, so dass die oben genannten Poren im Entladungsdielektrikum 3 zurückbleiben.

Das Herstellungsverfahren und/oder das

Überspannungsschutzelements 10 kann sich auf

Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken beziehen .

Figur 1B zeigt eine mikroskopische Aufsicht auf ein

Überspannungsschutzelements 10 gemäß der in Figur 1A

gezeigten Ausführungsform. Das Überspannungsschutzelement 10 weist eine quadratische Grundfläche mit einer Kantenlänge von circa 2,5 mm auf. Das innere weiß umrandete Quadrat deutet die Fläche des Entladungsdielektrikums 3 an. Es ist weiter zu erkennen, dass die zweite Elektrode 2 das genannte

Entladungsdielektrikum 3 vollständig überdeckt, so dass der Verbindungsbereich 5 den Entladungsbereich 6 umläuft und in dem Verbindungsbereich 5 die mechanische Stabilität des

Überspannungsschutzelements 10 herstellt. Figur IC zeigt eine mikroskopische Schnittansicht eines Teils des Überspannungsschutzelements 10 gemäß den Figuren 1A und IB. Es ist in Figur IC zu erkennen, dass das

Entladungsdielektrikum 3 eine poröse Struktur hat. In dem Entladungsdielektrikum 3 sind einzelne Poren 7 mit

Durchmessern von circa 5 ym zu erkennen. Die Poren 7 können im Betrieb des Überspannungsschutzelements 10 beispielsweise mit Umgebungsluft oder mit einem Gasgemisch aus 2 und H ₂ , welches auch beim Sintern des Überspannungsschutzelements 10 oder einzelner Komponenten desselben verwendet wird, gefüllt sein. Weiterhin weist die zweite Elektrode 2, welche gemäß dieser Ausführungsform beispielsweise mittels Siebdruck aufgebracht wurde, eine poröse Struktur auf, worauf es in der vorliegenden Anmeldung jedoch im Einzelnen nicht ankommt. Die erste Elektrode 1 ist gemäß dieser Ausführungsform mit einem anderen Herstellungsverfahren (außer Siebdruck) ,

beispielsweise einem Folienziehprozess mit einer Dicke von circa 50 ym, bereitgestellt worden.

Figur 2A zeigt ein Überspannungsschutzbauteil 100, welches eine Vielzahl von in einem Feld angeordneten

Überspannungsschutzelementen 10 aufweist. In Figur 2A sind die Überspannungsschutzelemente 10 in einem 15-mal-9-Feld auf derselben ersten Elektrode 1, beispielsweise einer Kupferfolie, angeordnet dargestellt. In Figur 2A sind also eine gemeinsame erste Elektrode 1 und eine Vielzahl von zweiten Elektroden 2 gemäß der Anzahl der

Überspannungsschutzelemente 10 dargestellt. Vorzugsweise werden die einzelnen Überspannungsschutzelemente 10 durch Vereinzelung aus dem Überspannungsschutzbauteil durch

Vereinzelung hergestellt.

Dabei können auch einzelne Teilfelder oder Streifen des

Überspannungsschutzbauteils 100 oder auch das ganze gezeigte Feld in einem Stück weiter verarbeitet, beispielsweise mit einer Außenterminierung oder Außenelektrode versehen werden und/oder in die Bauform einer vor Überspannungen zu

schützenden Baugruppe eines elektronischen Bauteils (nicht explizit dargestellt) integriert werden.

Obwohl dies nicht explizit dargestellt ist, können einzelne oder nebeneinander angeordnete Überspannungsschutzelemente 10 auch in Vielschichtbauweise übereinander zur Ausbildung eines Überspannungsschutzbauteils angeordnet werden.

Figur 2B zeigt eine schematische Seitenansicht des

Überspannungsschutzbauteils 100 gemäß der Figur 2A. Die karierten Flächen in der Figur 2A und 2B deuten insbesondere die poröse Struktur oder das poröse Material des

Entladungsdielektrikums 3 an.

Das Überspannungsschutzbauteil 100 weist vorzugsweise eine Bauteildicke zwischen 30 ym und 100 ym auf.

Figur 2C zeigt eine mikroskopische Aufsicht auf zumindest einen Teil eines Überspannungsschutzbauteils 100, welches aus einem Feld von 12 mal 15 Überspannungsschutzelementen 10 aufgebaut ist. Die einzelnen Überspannungsschutzelemente 10 weisen vorzugsweise eine Breite von circa 3 mm und die zweiten Elektroden 2 vorzugsweise eine Breite von circa 2 mm, wie dargestellt auf.

Figur 3A zeigt beispielhaft das Schaltverhalten eines

Überspannungsschutzelements 10 (siehe oben) . Das

Entladungsdielektrikum der vermessenen Probe weist in diesem Fall eine quadratische Fläche von 0,8 mal 0,8 mm und einen Elektrodenabstand zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 (vergleiche beispielsweise Figur 1A) von 40 ym auf. Die Dicke der ersten Elektrode 1 beträgt hier circa 50 ym. Es ist ferner zu erkennen, dass auf der linken Koordinate die Schalt- oder Klemmspannung und auf der rechten Koordinate der Schaltstrom für zwei verschiedenen Messungen dargestellt ist. Sowohl die Klemmspannung als auch der TLP-Puls sind in Volt und der Schaltstrom in Ampere angegeben. Bei einer

Klemmspannung von ungefähr 700 V wird die durch das

Entladungsdielektrikum gebildete Schaltstrecke leitend und die Spannung fällt auf einen Wert von circa 30 V ab.

Gleichzeitig steigt jeweils der Strom zwischen der ersten und der zweiten Elektrode von unter 0,1 A auf circa 30 A bei einer Klemmspannung von 1 kV an . Dieses Verhalten gilt für beide vermessenen Proben/Kurven in ähnlicher Weise.

In Figur 3B ist das Ansprechverhalten oder ein

Spannungsverlauf eines Überspannungsschutzelementes als

Antwort auf einem 100 ns langen TLP-Puls dargestellt. In dem Diagramm aus Figur 3B ist eine Klemmspannung, das heißt eine Spannung zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 über einem TLP-Puls mit einer Zeitdauer von 100 ns aufgetragen. „TLP", englisch für "transmission line pulse", bezeichnet eine Standardtestmethode für integrierte Schaltkreise, mit dem das Schaltverhalten beispielsweise als Antwort auf eine elektrostatische Entladung oder Überspannung getestet werden kann. Der TLP-Puls ist in Figur 3B mit TLP und der Spannungsverlauf mit U bezeichnet. Es ist zu

erkennen, dass das Überspannungsschutzelement 100 durch den TLP-Puls leitend wird und zu Beginn des Pulses ein

Spannungsanstieg auftritt, welcher nach circa 10 ns auf eine verbleibende Klemmspannung von circa 30 V abgefallen ist. Die Spannung des TLP-Pulses beträgt circa 1 kV.

Figur 4 zeigt eine schematische Schnitt- oder Seitenansicht eines Überspannungsschutzbauteils 100, welches, durch die gestrichelten vertikalen Linien angedeutet, in einzelne

Überspannungsschutzelemente 10 (siehe oben) vereinzelbar ist. Das genannte Vereinzeln kann durch Sägen, Schneiden oder Stanzen erfolgen. Die Breite oder Kantenlänge des

Entladungsdielektrikums 3 beziehungsweise des

Entladungsbereichs kann hier zwischen 100 ym und 1000 ym betragen, wobei der Abstand benachbarter Bereiche (vgl.

Breite/Kantenlänge der Verbindungsbereiche) zwischen 200 ym und 2000 ym betragen kann. Die in Figur 4 gezeigte Ausführungsform entspricht im

Wesentlichen derjenigen aus den Figuren 1A, 1B und IC. Gemäß dieser Ausgestaltung ist das Grundmaterial für das

Entladungsdielektrikum vorzugsweise durch Siebdruck

aufgebracht worden. Zusätzlich ist in Figur 4 gezeigt, dass das Verbindungsdielektrikum in einem Bereich zwischen der ersten Elektrode 1 und den zweiten Elektroden 2 zumindest teilweise mit dem Entladungsdielektrikum 3 überlappt. Dadurch kann mit Vorteil die mechanische Stabilität des Überspannungsschutzbauteils 100 oder der

Überspannungsschutzelemente 10 verbessert und/oder auch ohne die zweiten Elektroden 2 hergestellt werden. Weiterhin ist zu erkennen, dass das Verbindungsdielektrikum 4 und die zweiten Elektroden 2 insbesondere im

Verbindungsbereich 5 schräge Flanken aufweisen. Diese Flanken (nicht explizit gekennzeichnet) können durch den

Herstellungsprozess des Überspannungsschutzbauteils 100 verursacht werden und insbesondere die mechanische Stabilität des Bauteils erhöhen. Gemäß der genannten Ausgestaltung

(vergleiche Figuren 1 und 4) beträgt die Sintertemperatur während des Herstellungsprozesses vorzugsweise zwischen 500°C und 1050°C.

Weiterhin ist während des Herstellungsprozesses zur

Verhinderung einer Oxidation der Kupferelektroden (vergleiche erste Elektrode 1 und zweite Elektroden 2) eine

Schutzgasatmosphäre, beispielsweise eine Atmosphäre mit einem Inertgas, Wasserstoffgas und/oder einem Gasgemisch aus

Stickstoff und Wasserstoff (N ₂ /H ₂ ) während des Sinterns angewendet worden. Zudem sind das Entladungsdielektrikum 3 und das Verbindungsdielektrikum 4 gemäß dieser

Ausführungsform vorzugsweise durch verschiedene oder separate Komponenten oder Körper, beispielsweise Dielektrikumskörper, gebildet .

Das Entladungsdielektrikum 3 und das Verbindungsdielektrikum 4 grenzen gemäß der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform vorzugsweise unmittelbar aneinander an, wobei ein abrupter und/oder diskreter Materialphasenübergang zwischen den genannten Komponenten vorliegt. Weiterhin sind das

Entladungsdielektrikum 3 und das Verbindungsdielektrikum 4 vorzugsweise unmittelbar zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 angeordnet.

Figur 5 zeigt eine schematische Schnitt- oder Seitenansicht eines Überspannungsschutzbauteils 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Gegensatz zur in Figur 4 dargestellten Ausführungsform, weist jedes Überspannungsschutzelement 10 einen gemeinsamen Dielektrikumskörper (nicht explizit

gekennzeichnet) auf, in dem das Verbindungsdielektrikum 4 und das Entladungsdielektrikum 3 unterschiedliche Materialphasen bezeichnen oder bilden. Gemäß dieser Ausgestaltung ist das Grundmaterial für das Entladungsdielektrikum vorzugsweise durch Siebdruck aufgebracht worden. Gemäß dieser

Ausführungsform sind das Verbindungsdielektrikum 4 und das Entladungsdielektrikum 3 weiterhin in dem gemeinsamen

Dielektrikumskörper stoffschlüssig miteinander verbunden. Bei der Herstellung des Überspannungsschutzbauteils 100 gemäß dieser Ausführungsform wird die erste Elektrode 1

vorzugsweise großflächig oder vollflächig mit dem oben genannten Grundmaterial versehen, wobei die Temperatur in diesem Fall zwischen 500°C und 1050°C, vorzugsweise weniger als 800 °C beträgt und wobei das Verbindungsmaterial (siehe oben) während des Aussetzens der Temperatur, also während des Sinterns, durch das Grundmaterial hindurchdiffundiert und dadurch die mechanische Stabilität zwischen der ersten

Elektrode 1 und den zweiten Elektroden 2 hergestellt wird.

Gemäß dieser Ausführungsform umfasst das Verbindungsmaterial vorzugsweise ein Glas oder besteht aus einem Glas. Weiterhin umfasst das Verbindungsmaterial und/oder das

Verbindungsdielektrikum, welches durch das Grundmaterial diffundiert, vorzugsweise keine Keramik. Figur 6 zeigt eine mikroskopische Aufsicht eines Überspannungsschutzelements 10 gemäß einer weiteren

Ausführungsform. Das Überspannungsschutzelement,

beziehungsweise der in Figur 6 gezeigte Ausschnitt überdeckt eine rechteckige Fläche von circa 1000 ym mal 500 ym. Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist das

Überspannungsschutzelement 10 oberflächenmontierbar

ausgeführt. Mit anderen Worten sind gemäß dieser

Ausführungsform sowohl Teile der ersten Elektrode 1 als auch der zweiten Elektrode 2 von einer Oberseite des

Überspannungsschutzelementes 10 zugänglich. Diese

oberflächenmontierbare Ausgestaltung eröffnet beispielsweise die Möglichkeit, das Überspannungsschutzelement direkt auf eine Leiterplatte oder elektronische Baugruppe zu löten.

Gemäß dieser Ausführungsform ist die erste Elektrode 1 vorzugsweise bereits auf einem separaten Träger (nicht explizit dargestellt) bereitgestellt und strukturiert worden. Nach dem Ausbilden des Entladungsdielektrikums 3 und des Verbindungsdielektrikums 4 ist weiterhin eine zweite

Elektrode 2 strukturiert aufgebracht und/oder kontaktiert worden. Über die lateralen Außenränder links und rechts in Figur 6 sind nun beide Elektroden für eine oberflächige

Montage des Überspannungsschutzelements 10 und/oder eine elektrische Verbindung oder Kontaktierung zugänglich.

Gemäß dieser Ausführungsform werden vorzugsweise die

Elektroden oder Elektrodenstrukturen vorzugsweise mittels Siebdruck oder einem anderen geeigneten Verfahren

aufgebracht. In einem zweiten Schritt werden für das

Grundmaterial und/oder das Verbindungsmaterial vorzugsweise eine oder mehrere Keramikpasten als Schicht aufgebracht. Die erste Elektrode 1 wird dabei vorzugsweise teilweise oder vollständig von der Schicht bedeckt, wobei diese Schicht den Elektrodenabstand definiert. Es ist hier ebenfalls möglich, beispielsweise wie oben beschrieben, mehrere Schichtlagen übereinander zu stapeln und hinterher zu versintern.

Anschließend wird die Probe oder das Bauteil vorzugsweise mit einer Außenterminierung oder Außenelektroden für eine

elektrische Kontaktierung versehen.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die

Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von

Merkmalen was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den

Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugs zeichenliste

1 Erste Elektrode

2 Zweite Elektrode

3 Entladungsdielektrikum

4 Verbindungsdielektrikum

5 Verbindungsbereich

6 Entladungsbereich

10 Überspannungsschutzelement

100 Überspannungsschutzbauteil

TLP TLP-Puls

U Spannungsverlauf