DE69528833T2

DE69528833T2 - Verfahren zur herstellung von ein- und mehrschicht-schutzvorrichtungen gegen veränderliche spannung

Info

Publication number: DE69528833T2
Application number: DE69528833T
Authority: DE
Inventors: W. Alston; R. Behling; B. Intrater; C. Joshi; P. Shrier
Original assignee: SurgX Corp
Current assignee: SurgX Corp
Priority date: 1994-07-14
Filing date: 1995-07-14
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2015-07-15
Also published as: US6657532B1; DE69528833D1; BR9508407A; AU3233095A; CA2194865A1; EP1233427B1; CN1094237C; CN100446133C; MX9700369A; EP1233427A1; EP0771465A1; KR100369680B1; ATE227881T1; JPH10503054A; AU698588B2; JP3905123B2; CN1154759A; EP0771465B1; US5807509A; WO1996002924A1

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein spannungsvariable Schutzvorrichtungen zum Schützen elektronischer Schaltungen vor Überspannungsimpulsen, die durch Blitzeinschlag, elektromagnetische Impulse, elektrostatische Entladungen, durch Erdschleifen induzierte Übergänge oder induktive Spannungsstöße oder -spitzen verursacht werden. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Konstruktionsmaterialien für spannungsvariable Schutzkomponenten und Verfahren zum Herstellen spannungsvariabler Schutzkomponenten und -vorrichtungen.

Hintergrund der Erfindung

Überspannungs- oder Störimpulse können sehr hohe Ströme und Spannungen induzieren, die elektrische Geräte durchdringen und sie beschädigen oder zerstören können, wobei entweder die Hardware beschädigt oder zerstört wird, z. B. können Halbleiter überlastet werden oder durchbrennen, oder elektronische Störungen auftreten können, z. B. ein Übertragungsverlust oder ein Verlust gespeicherter Daten. Die Überspannungs- oder Störimpulse erzeugen sehr große Spannungsspitzen (Spikes) mit hohen Spitzenströmen (d. h. Überspannungen). Die drei grundsätzlichen Ursachen für Überspannungen sind elektrostatische Entladung, Leitungsimpulsspitzen und Blitzeinschlag. Entladung tritt typischerweise auf, wenn statische Ladung vom Körper einer Person abgeleitet wird, die mit einem im betriebsbereiten elektronischen System oder einer Einzelkomponente des Systems, z. B. einem IC-Chip, in direkten physischen Kontakt kommt. Leitungsimpulsspitzen sind in AC-Leitungen auftretende Spannungsstöße. Leitungsimpulsspitzen können auch beim Schließen eines Schalters oder beim Starten eines Motors auftreten. Blitze können in ortsfeste Objekte einschlagen, z. B. in ein Gebäude, in mobile Objekte, z. B. in ein Flugzeug oder in Mobiltelefone. Solche Impuls- oder Spannungsspitzen können elektronische Komponenten eines Systems plötzlich überlasten. Hinsichtlich der Spitzenspannungswerte kann die empfindliche Struktur eines IC-Chips durch jede dieser Ursachen zerstört werden.
Herkömmlich sind verschiedene spannungsvariable Schutzmaterialien verwendet worden. Diese Materialien sind auch als nichtlineare Widerstandsmaterialien bekannt und werden hierin als spannungsvariable Materialien bezeichnet. Im, Betrieb weist das spannungsvariable Material anfangs einen hohen elektrischen Widerstand auf. Wenn die Schaltung einem Überspannungsstoß ausgesetzt ist, ändert sich der Widerstand des spannungsvariablen Materials schnell auf einen niedrigen elektrischen Widerstandswert, um die Überspannung zur Erde oder Masse kurzzuschließen. Nachdem die Überspannung durchgelaufen ist, nimmt das Material sofort wieder einen hohen elektrischen Widerstandswert an. Die wichtigsten Betriebsparameter des spannungsvariablen Materials sind die Ansprechzeit, die Grenzspannung (clamp voltage) die Spitzenspannung und die Spitzenleistung. Die Ansprechzeit ist die Zeit, die erforderlich ist, damit das spannungsvariable Material vom isolierenden auf den leitenden Zustand umschaltet. Die Grenzspannung ist die Spannung, bei der das spannungsvariable Material die Spannungsstöße begrenzt. D. h., nachdem das Material auf den leitenden Zustand geschaltet hat, wird durch das Material gewährleistet, daß z. B. der IC-Chip keiner Spannung ausgesetzt wird, die größer ist als die Grenzspannung. Die Schaltspannung bezeichnet die Spannung, bei der das spannungsvariable Material (bei Spannungsstößen) vom isolierenden auf den leitenden Zustand schaltet. Diese Materialien weisen typischerweise fein verteilte leitende oder halbleitende Partikel auf, die in einem organischen Harzmaterial oder einem anderen isolierenden Medium dispergiert sind. Im US-Patent Nr. 3685026 (Wakabayashi et al.), im US- Patent Nr. 4977357 (Shrier) und im US-Patent Nr. 4726991 (Hyatt et al.) sind solche Materialien dargestellt.
Spannungsvariable Materialien und Komponenten, die spannungsvariable Materialien enthalten, sind auf verschiedene Weisen in Überspannungsschutzvorrichtungen integriert worden, Beispielsweise wird in den. US-Patenten Nr. 5142263 und 5189387 (beide von Childers et al.) eine oberflächenmontierbare Vorrichtung beschrieben, die ein Paar leitfähige Platten oder Schichten und ein zwischen dem Paar leitfähiger Platten oder Schichten angeordnetes spannungsvariables Material aufweist. Im US-Patent Nr. 4928199 (Diaz et al.) wird ein IC-Chip-Package beschrieben, das einen Lead frame, einen IC-Chip, der durch eine Elektrodenabdeckung geschützt ist, die an einer Seite mit Masse verbunden ist, und eine spannungsvariable Schaltvorrichtung mit dem spannungsvariablen Material aufweist, das an der anderen Seite mit der Elektrodenabdeckung verbunden ist. US-Patent Nr. 5246388 (Collins et al.) betrifft eine Vorrichtung mit einem ersten Satz elektrischer Kontakte, die mit Signalkontakten eines elektrischen Verbinders verbunden sind, und einem zweiten Satz von Kontakten, die mit Masse verbunden sind, und mit einem starren Kunststoffgehäuse, das den ersten und den zweiten Satz von Kontakten so hält, daß ein mit dem Überspannungsmaterial zu füllender, präziser bzw. definierter Zwischenraum entsteht. Im US-Patent Nr. 5248517 (Shrier et al.) ist das Aufbringen des spannungsvariablen Materials durch Lackieren oder Drucken auf ein Substrat beschrieben, so daß eine angepaßte Beschichtung aus dem spannungsvariablen Material über große Flächen und komplizierte Oberflächenstrukturen erhalten werden kann. Wenn das spannungsvariable Material direkt auf ein Substrat gedruckt wird, funktioniert das spannungsvariable Material als diskrete Vorrichtung oder als Teil einer zugeordneten Schaltung.
Obwohl auf dem Fachgebiet verschiedenartige spannungsvariable Materialien und Vorrichtungen bekannt sind, besteht eine anhaltende Nachfrage nach verbesserten, kosteneffizienten, spannungsvariablen Materialien und Vorrichtungen mit stabileren Eigenschaften und Kenngrößen, um zu verhindern, daß die Grenzspannung sich unter verschiedenen Bedingungen ändert, unter denen die Materialien und Vorrichtungen verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist im unabhängigen Patentanspruch 1 spezifiziert. Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines spannungsvariablen Schutzmaterials bereitgestellt, mit den Schritten: Herstellen eines Gemischs mit (a) leitenden, halbleitenden und/oder isolierenden Partikeln und (b) kolloidalen isolierenden Partikeln in (c) einem schwachen organischen Lösungsmittel; Vermischen des Gemischs, um die kolloidalen isolierenden Partikel in den leitenden, halbleitenden und/oder isolierenden Partikeln zu dispergieren; Verdampfen mindestens eines Teils des Lösungsmittels und vorzugsweise des gesamten Lösungsmittels; und Vermischen des erhaltenen Gemischs aus leitenden, halbleitenden und/oder isolierenden Partikeln und den kolloidalen isolierenden Partikeln mit einem Bindemittel, um ein spannungsvariables Material zu erhalten.
Eine spannungsvariable Schutzvorrichtung weist eine einzelne Schicht aus einem reinen dielektrischen Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial auf, das zwischen einer Ground Plane oder Masseebene und einem elektrischen Leiter eines elektronischen Geräts angeordnet ist. Durch eine solche Polymer-, Glas- oder Keramikschicht kann ein effektiver Überspannungsschutz bereitgestellt werden, vorausgesetzt, daß die Polymer-, Glas- oder Keramikschicht ausreichend dünn ist, um einen Schaltvorgang zu ermöglichen, und die für eine vorgegebene Schutzvorrichtung für ein vorgegebenes elektronisches Gerät gewünschten Grenzspannungskenngrößen bereitgestellt werden. Es hat sich gezeigt, daß für bestimmte Polymermaterialien die Schichtdicke kleiner sein muß als etwa 0,0406 mm (1,6 Milli-Inch), und daß für andere Polymermaterialien die Dicke kleiner sein muß als etwa 0,0203 mm (0,8 Milli-Inch), vorzugsweise kleiner als etwa 0,0127 mm (0,5 Milli-Inch) und noch bevorzugter kleiner als etwa 0,0051 mm (0,2 Milli-Inch). Für bestimmte Glas- und Keramikmaterialien muß die Dicke kleiner sein als etwa 0,127 mm (5 Milli-Inch), vorzugsweise kleiner als etwa 0,0965 mm (3,8 Milli-Inch) und noch bevorzugter kleiner als etwa 0,0406 mm (1,6 Milli- Inch), wobei Dicken von weniger als 0,0203 mm (0,8 Milli- Inch) in vielen Anwendungen bevorzugt sind.
Ausgezeichnete Eigenschaften und Kenngrößen können durch eine spannungsvariable Schutzkomponente bereitgestellt werden, die eine Kombination aus (a) einer Schicht aus einem spannungsvariablen Schutzmaterial, die ein Bindemittel aufweist, das leitende Partikel und/oder halbleitende Partikel enthält; und (b) eine Schicht aus einem reinen dielektrischen Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial aufweist, das mit einer Oberfläche der Schicht aus dem spannungsvariablen Material in Kontakt steht; wobei die reine dielektrische Polymer-, Glas- oder Keramikschicht eine Dicke von weniger als etwa 0,0406 mm (1,6 Milli-Inch) aufweist. Durch die dünne Schicht aus reinem dielektrischem Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial auf der Oberfläche des bindemittel-/partikelhaltigen, spannungsvariablen Schutzmaterials wird eine Komponente mit gewünschten Grenzspannungskenngrößen sowie mit anderen gewünschten Eigenschaften und Kenngrößen bereitgestellt.
Eine schichtförmige spannungsvariable Schutzkomponente weist auf: eine erste Schicht aus einem spannungsvariablen Schutzmaterial, die ein Bindemittel aufweist, in dem mindestens 20 Vol.-% leitende oder halbleitende Partikel dispergiert sind; eine mit der ersten Schicht in Kontakt stehende zweite Schicht aus einem spannungsvariablen Schutzmaterial, die ein Bindemittel aufweist, in dem mindestens 40 Vol.-% leitende oder halbleitende Partikel dispergiert sind; und eine mit der zweiten Schicht in Kontakt stehende dritte Schicht aus einem spannungsvariablen Schutzmaterial, die ein Bindemittel aufweist, in dem mindestens 20 Vol.-% leitende oder halbleitende Partikel dispergiert sind. Es hat sich gezeigt, daß durch die mehrschichtige Konstruktion ermöglicht wird, daß der Anteil bzw. die Konzentration der leitenden Partikel und/oder der halbleitenden Partikel in jeder Schicht so verändert werden kann, daß die äußeren Schichten einen kleineren Partikelanteil enthalten als die innere Schicht, um einen großen Bereich von Grenzspannungen und andere gewünschte Eigenschaften und Kenngrößen bereitzustellen. Außerdem sollte die mit dem elektrischen Leiter des elektronischen Geräts in Kontakt stehende äußere Schicht einen niedrigeren Partikelanteil aufweisen als die innere Schicht, wobei in diesem Fall die mit der Masseebene in Kontakt stehende andere äußere Schicht einen höheren oder einen niedrigeren Partikelanteil aufweisen kann. Diese mehrschichtige spannungsvariable Schutzkomponente kann außerdem eine dünne Schicht aus dem vorstehend erwähnten reinen dielektrischen Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial auf einer Außenfläche oder auf beiden Außenflächen aufweisen, um zusätzliche Eigenschäften für die Komponente bereitzustellen. Diesbezüglich kann die Schicht auf der Seite des elektrischen Leiters einen höheren oder niedrigeren Partikelanteil aufweisen als die innere Schicht, vorausgesetzt, daß die reine dielektrische Polymer-, Glas- oder Keramikschicht zwischen der äußeren Schicht und dem elektrischen Leiter angeordnet ist. Gemäß einem anderen Aspekt kann die mehrschichtige Komponente eine zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht und/oder zwischen der zweiten Schicht und der dritten Schicht aus dem spannungsvariablen Schutzmaterial angeordnete leitende Schicht, z. B. eine Metallschicht, aufweisen. Gemäß einem noch anderen Aspekt können die mehrschichtigen Komponenten selbst mit oder ohne die äußere Schichten aus reinem dielektrischem Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial und mit oder ohne Zwischenschichten aus reinem dielektrischem Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial zwischen Komponenten stapelförmig angeordnet werden, um gewünschte Eigenschaften oder Kenngrößen zu erhalten.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittansicht einer spannungsvariablen Schutzvorrichtung mit einer Schicht aus einem reinen dielektrischen Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial;
Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht einer spannungsvariablen Schutzkomponente mit einer Schicht aus einem spannungsvariablen Material, das ein Bindemittel und leitende Partikel, halbleitende Partikel und/oder isolierende Partikel aufweist, in Kombination mit einer Schicht aus einem reinen dielektrischen Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial;
Fig. 3 zeigt eine Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen spannungsvariablen Schutzkomponente mit einer optionalen Außenschicht aus einem reinen dielektrischem Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial; und
Fig. 4 zeigt eine Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen spannungsvariablen Schutzkomponente mit optionalen Metall-Zwischenschichten zwischen den Schichten aus dem spannungsvariablen Schutzmaterial.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß eine spannungsvariable Schutzvorrichtung, die als spannungsvariables Schutzmaterial eine dünne Schicht aus einem reinen dielektrischen Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial aufweist, in einem gewünschten Grenzspannungsbereich effektiv ist, vorausgesetzt, daß die Schicht aus dem reinen Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial ausreichend dünn ist. Für einige Polymermaterialien wird durch eine Schichtdicke von weniger als etwa 0,0203 mm (0,8 Milli-Inch) unter verschiedenen Bedingungen ein effektiver Überspannungsschutz bereitgestellt, während für andere Polymermaterialien durch eine Schichtdicke von weniger als etwa 0,0406 mm (1,6 Milli-Inch) gewünschte Eigenschaften und Kenngrößen erhalten werden. In vielen spannungsvariablen Schutzanwendungen ist es bevorzugt, daß die Polymerschicht eine Dicke von weniger als etwa 0,0127 mm (0,5 Milli-Inch) und bevorzugter von weniger als etwa 0,0051 mm (0,2 Milli-Inch) hat. Ähnlicherweise ist es bevorzugt, wenn die Schicht aus einem Glas- oder Keramikmaterial hergestellt wird, daß die Schichtdicke kleiner ist als etwa 0,0203 mm (0,8 Milli-Inch), für einige Glasmaterialien ist jedoch in bestimmten Anwendungen eine Dicke von bis zu etwa 0,0965 mm (3,8 Milli-Inch) geeignet. Für Fachleute ist ersichtlich, daß die tatsächliche Dicke der in einer bestimmten spannungsvariablen Schutzfunktion verwendeten reinen dielektrischen Polymer-, Glas- oder Keramikschicht von der Art des verwendeten Polymer-, Glas- oder Keramikmaterials, seinen dielektrischen Eigenschaften, den Betriebsbedingungen des Geräts, in dem das spannungsvariable Schutzelement verwendet wird, und den für die Schutzvorrichtung erforderlichen Eigenschaften und Kenngrößen abhängen wird.
Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei eine Schicht 12 zwischen elektrischen Leitern 10 und einer Ground Plane oder Masseebene 14 angeordnet ist.
Der hierin verwendete Ausdruck "reines dielektrisches Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial" bezeichnet ein Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial, das unter normalen Spannungs- und Strombedingungen für den vorgesehenen Gebrauch als dielektrisches oder isolierendes Material dienen kann und nicht gefüllt ist, d. h. keine leitenden oder halbleitenden Partikel enthält, z. B. solche Partikel, die typischerweise in Bindemitteln verwendet werden oder anderweitig in Verbindung mit herkömmlichen spannungsvariablen Schutzmaterialien verwendet werden. "Reine dielektrische Polymer-, Glas- oder Keramikmaterialien" sollen Polymer-, Glas- oder Keramikmaterialien beinhalten, die die vorstehenden Kriterien erfüllen, die jedoch isolierende oder inerte Partikel oder Materialien aufweisen können bzw. denen isolierende oder inerte Partikel oder Materialien beigemischt sein können, die inaktiv sind oder die gewünschten dielektrischen bzw. spannungsvariablen Schutzeigenschaften der hierin verwendeten Polymer-, Glas- oder Keramikmaterialien nicht beeinflussen. Die Polymer-, Glas- oder Keramikschicht kann in situ ausgebildet oder ausgehärtet werden oder kann als vorgeformtes oder vorgehärtetes Lagenmaterial bzw. als Film bereitgestellt und zum Gebrauch in situ angeordnet werden. Außerdem kann die Polymerschicht aus einem vorgehärteten Polymerblock hergestellt werden, von dem Polymerschichten oder -lagen in der gewünschten Dicke abgeschnitten oder abgeschält werden können. Außerdem kann die Polymer-, Glas- oder Keramikschicht in Form einer Matte aus Polymer-, Glas- oder Keramikfasern oder -partikeln bereitgestellt werden, die verdichtet oder anderweitig behandelt sind, um eine Polymer-, Glas- oder Keramikschicht mit der für den vorgesehenen Verwendungszweck gewünschten Dicke und gewünschten Eigenschaften bereitzustellen. Eine solche Matte, die einen Klebstoff oder ein Bindemittel für die Fasern aufweisen kann, kann im verdichteten Zustand erwärmt oder wärmebehandelt werden, um eine Schicht oder Lage aus Polymer-, Glas- oder Keramikfasern mit der für den Gebrauch gewünschten Dicke bereitzustellen.
Die hinsichtlich dieses Aspekts geeigneten Polymer-, Glas- oder Keramikmaterialien können aus auf dem Fachgebiet bekannten Polymeren ausgewählt werden, die als Bindemittel für herkömmliche spannungsvariable Schutzmaterialien geeignet sind, da solche Polymere bekanntermaßen eine hohe Beständigkeit gegen Streu- oder Kriechströme und eine hohe Beständigkeit gegen Überschläge aufweisen. Außerdem sind auch andere Polymer-, Glas- und Keramikmaterialien geeignet, die bisher zur Verwendung für solche Bindemittel nicht geeignet waren, insofern sie unter den für eine gemäß diesem Aspekt hergestellte Vorrichtung ausgewählten Betriebsbedingungen ausreichende dielektrische Eigenschaften, eine ausreichende Beständigkeit gegen Streu- oder Kriechströme und eine ausreichende Beständigkeit gegen Überschläge aufweisen.
Im allgemeinen weisen die dielektrischen Polymerarten Silikongummi und Elastomere, Naturgummi, Organopolysiloxan, Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Poly(methylmethacrylat), Polyacrylnitril, Polyacetal, Polycarbonat, Polyamid, Polyester, Phenol-Formaldehydharz, Epoxidharz, Alkydharz, Polyurethan, Polyimid, Phenoxyharz, Polysulfidharz, Polyphenylenoxidharz, Polyvinylchlorid, Fluorpolymer und Fluorchlorpolymer auf. Diese und andere geeignete Polymere können alleine verwendet werden oder verschiedene Bestandteilgruppen aufweisen und können Gemische, Zusammensetzungen oder Copolymere davon sein, wobei das Endpolymer gemäß den vorstehend beschriebenen Kriterien ausgewählt wird. Ein besonders bevorzugtes Polymer ist ein herkömmliches und kommerziell erhältliches Silikon (General Electric "615"), und es ist besonders bevorzugt, dieses Polymer für etwa 15 Minuten bei 200ºC auszuhärten, um Eigenschaften zu erhalten, die für eine Verwendung gemäß diesem Aspekt geeigneter sind. Bei der Herstellung wird das aushärtbare Flüssigpolymer in einer gewünschten Dicke auf die vorgesehene Masseebene aufgebracht und dann nach Vorschrift ausgehärtet. Die ausgehärtete Polymerschicht wird darin in Kontakt mit dem (den) elektrischen Leiter(n) eines elektronischen Geräts angeordnet, um die spannungsvariable Schutzvorrichtung zu erhalten. Es hat sich gezeigt, daß durch dieses Polymer gute Eigenschäften erhalten werden, wenn es in einer Schichtdicke von etwa 0,0051 mm (0,2 Milli-Inch) aufgebracht wird. Eine andere geeignete Ausführungsform eines Polymers sind gewebte oder ungewebte Polymerfasern, die zu einer Matte mit der gewünschten Dicke verdichtet werden. Beispielsweise ist ein geeignetes Polymerfasermaterial ein Lagenmaterial aus ungewebten Aramid (aromatisches Polyamid) -fasern, das kommerziell unter der Handelsbezeichnung "KEVLAR" oder "NOMEX" als Vliesstofffasermatte von E. I. Du Pont de Nemours & Company erhältlich ist. Es hat sich gezeigt, daß durch eine ungewebte Aramidfasermatte mit einer Dicke von etwa 0,0406 mm (1,6 Milli-Inch) geeignet gute Eigenschaften und Kenngrößen erhalten werden, wenn sie auf eine Dicke von 0,0203 mm (0,8 Milli-Inch) verdichtet ist.
Die gemäß diesem Aspekt geeigneten dielektrischen Glasmaterialien sind ähnlicherweise Glasmaterialien, die üblicherweise in spannungsvariablen Materialien als Bindemittel verwendet worden sind, wie beispielsweise Natriumsilikat.
Ähnlich wie beim Polymermaterial kann das Glasmaterial auf einem gewünschten. Substrat, z. B. der Masseebene, in situ aufgeschichtet oder ausgebildet werden, oder als Lagenmaterial vorgeformt und zwischen der Masseebene und dem elektrischen Leiter angeordnet werden, um die Vorrichtung gemäß diesem Aspekt herzustellen. Das dielektrische Glasmaterial, z. B. Natriumsilikat, wird im allgemeinen in Dicken verwendet, die den vorstehend bezüglich der Polymermaterialien dargestellten Dicken ähnlich sind, in einigen Fällen können jedoch auch dickere Schichten geeignet sein, z. B. von bis zu 0,127 mm (5 Milli-Inch), die Schichtdicke ist jedoch normalerweise kleiner als etwa 0,0965 mm (3,8 Milli-Inch) und vorzugsweise kleiner als etwa 0,0406 mm (1,6 Milli-Inch). Außerdem können Glasfasern verwendet werden, um die dielektrische Glasschicht herzustellen. Beispielsweise kann eine Glasfasermatte auf die gewünschte Dicke, z. B. etwa 0,0254 mm (1 Milli-Inch) oder weniger, verdichtet werden, um die für eine bestimmte Anwendung, in der die gemäß diesem Aspekt hergestellte Vorrichtung verwendet werden soll, gewünschten Eigenschaften und Kenngrößen zu erhalten. Ähnlich wie bei der Polymerfasermatte kann ein Lagenmaterial aus ungewebten oder gewebten Glasfasern mit oder ohne Klebstoff oder Bindemittel durch eine Wärmebehandlung auf die gewünschte Dicke verdichtet werden, um ein Lagenmaterial mit einer gewünschten Dicke bereitzustellen.
Die dielektrischen Keramikmaterialien sind Glaskeramikmaterialien, entglaste Glasmaterialien, kristallisierte Glasmaterialien, kristalline Keramikmaterialien, kristalline Keramikverbundmaterialien und Diamant. Obwohl Diamant technisch gesehen kein Keramikmaterial ist, ist es hierin in der Definition für "dielektrische Keramikmaterialien" eingeschlossen, weil es die dielektrischen Eigenschaften herkömmlicher Keramikmaterialien besitzt. Daher sind für die Erfindung geeignete, bevorzugte Keramikmaterialien Aluminiumoxide und Aluminiumnitrid; und kristalline Keramikverbundmaterialien sind beispielsweise Materialien, die AlN, Al&sub2;O&sub3;, Si&sub3;N&sub4; und TiN enthalten. Wie vorstehend für Glasmaterialien beschrieben würde, können die Keramikmaterialien in der vorliegenden Erfindung in einer Dicke von bis zu 0,127 mm (5 Milli-Inch), normalerweise von weniger als etwa 0,0965 mm (3,8 Milli-Inch) und vorzugsweise von weniger als 0,0406 mm (1,6 Milli-Inch) verwendet werden.
Der hierin verwendete Ausdruck "Glas" soll amorphe Glasmaterialien einschließen, und der Ausdruck "Keramik" soll kristalline Glas- und Keramikmaterialien und Diamantkristalle einschließen. Außer den vorstehend erwähnten Verfahren zur Montage, zur Herstellung und zum Gebrauch ist für Fachleute ersichtlich, daß die Glas- und Keramikschicht durch verschiedenartige bekannte Verfahren für eine Anwendung gemäß diesem Aspekt aufgebracht werden können, z. B. durch Lösungsmittelaufbringung, Sol-Gel-Beschichten, Sputtern, Aufdampfen, ein CVD-Verfahren, Plasmasprühen, Eloxieren und ähnliche.
Für Fachleute ist ersichtlich, daß anhand der vorliegenden Beschreibung bezüglich der Dicke, die für das reine dielektrische Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial beibehalten werden muß, um die gewünschte Grenzspannung und andere gewünschte Eigenschaften und Kenngrößen bereitzustellen, verschiedenartige dielektrische Polymer-, Glas- und Keramikmaterialien ausgewählt und verwendet werden können. Beispiele verwendbarer Polymere sind in den US-Patenten Nr. 4298416, 4483973, 4499234, 4514529, 4523001, 4554338, 4563498 und 4580794 dargestellt. Wie vorstehend erwähnt, können auch andere Harzmaterialien ausgewählt werden.
Es hat sich gezeigt, daß die vorstehend beschriebene reine dielektrische Polymer-, Glas- oder Keramikschicht in Kombination mit einem spannungsvariablen Material verwendbar ist, um bestimmte Eigenschaften und Kenngrößen des spannungsvariablen Materials zu modifizieren und zu verbessern. Das spannungsvariable Material kann ein herkömmliches spannungsvariables Material sein, das ein Bindemittel aufweist, das leitende Partikel und/oder halbleitende Partikel und/oder isolierende Partikel enthält, die mit kolloidalen isolierenden Partikeln gemischt oder behandelt sind. Das spannungsvariable Material kann auch andere, neuartige, modifizierte und verbesserte spannungsvariable Materialien oder spannungsvariable Komponenten aufweisen, wie in der vorliegenden Beschreibung und in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/275947, eingereicht am 14. Juli 1994, dargestellt ist. Die reine dielektrische Polymer-, Glas- oder Keramikschicht, die in Kombination mit solchen spannungsvariablen Materialien oder Komponenten verwendet wird, wird in Kontakt mit einer oder beiden Oberflächen des spannungsvariablen Materials bzw. der spannungsvariablen Komponente angeordnet und kann das gleiche reine dielektrische Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial sein, auf das vorstehend Bezug genommen wurde und das vorstehend beschrieben wurde.
Fig. 2 zeigt die Vorrichtung, in der eine reine dielektrische Polymer-, Glas- oder Keramikschicht 12 zwischen elektrischen Leitern 10 und einem spannungsvariablen Material 13 angeordnet ist. Die. Masseebene 14 ist in Kontakt mit der Schicht 13 angeordnet.
Gemäß diesem Aspekt kann die vorstehend beschriebene reine dielektrische Polymer-, Glas- oder Keramikschicht auf die Oberfläche eines vorstehend beschriebenen gewünschten spannungsvariablen Materials bzw. einer spannungsvariablen Komponente z. B. in flüssiger Form aufgebracht und in situ ausgehärtet werden, oder es kann in einem vorgehärteten Zustand oder als vorgefertigtes Lagenmaterial bereitgestellt und auf die Oberfläche des spannungsvariablen Materials oder der spannungsvariablen Komponente auflaminiert werden. Für Fachleute ist ersichtlich, daß verschiedenartige herkömmliche spannungsvariable Materialien und Komponenten mit der hierin beschriebenen reinen dielektrischen Polymer-, Glas- oder Keramikschicht kombinierbar sind, um eine erfindungsgemäße Kombination aus einem spannungsvariablen Material und einer Außenschicht aus einem reinen dielektrischen Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial bereitzustellen, um die gewünschten Eigenschaften und Kenngrößen zu erhalten. Insbesondere ist bevorzugt, ein mehrschichtiges Produkt und eine auf einer oder beiden Außenflächen einer solchen mehrschichtigen spannungsvariablen Komponente ausgebildete, reine dielektrische Polymer-, Glas- oder Keramikschicht in Kombination bereitzustellen, wie nachstehend beschrieben wird.
Eine mehrschichtige, spannungsvariable Schutzkomponente weist mindestens drei Schichten aus einem spannungsvariablen Material auf, das ein Bindemittel aufweist, das leitende, halbleitende und/oder isolierende Partikel enthält und optional kolloidale, isolierende Partikel enthalten kann. Die mehrschichtige, spannungsvariable Schutzkomponente weist zwei Außenschichten auf, die einen niedrigeren Anteil bzw. eine niedrigere Konzentration von leitenden, halbleitenden und/oder isolierenden Partikeln enthalten, während die innere Schicht der Komponente einen höheren Anteil bzw. eine höhere Konzentration der leitenden, halbleitenden und/oder isolierenden Partikel enthält. Wie vorstehend beschrieben, kann diese mehrschichtige, spannungsvariable Schutzkomponente optional ferner auf einer oder beiden Oberflächen der Komponente eine reine dielektrische Polymer-, Glas- oder Keramikschicht aufweisen, um die Eigenschaften oder Kenngrößen nach Wunsch weiter zu verbessern oder zu modifizieren.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel, in dem einzelne Schichten 15, 16, 17 aus einem spannungsvariablen Material ein mehrschichtiges Produkt bilden, das zwischen elektrischen Leitern 10 und einer Masseebene 14 angeordnet ist. Optional kann eine reine dielektrische Polymer-, Glas- oder Keramikschicht 12 auf der äußeren Schicht 15 und in Kontakt mit den Leitern 10 angeordnet sein, und/oder eine reine dielektrische Polymer-, Glas oder Keramikschicht 12' kann auf der Außenseite der Schicht 17 und in Kontakt mit der Masseebene 14 angeordnet sein.
Die einzelnen Schichten des mehrschichtigen Produkts können so zusammengesetzt sein wie in den vorstehend erwähnten Patenten beschrieben ist, oder können bevorzugter gemäß dem nachstehend beschriebenen Verfahren zusammengesetzt sein. Im allgemeinen ist es bevorzugt, daß die beiden äußeren Schichten des vorliegenden mehrschichtigen Produkts mindestens etwa 20 Vol.-% leitende, halbleitende und/oder isolierende Partikel enthalten, während die innere Schicht mindestens etwa 40 Vol.-% leitende, halbleitende und/oder isolierende Partikel in einem Bindemittel enthält. Es ist noch bevorzugter, daß die beiden äußeren Schichten mindestens 30 Vol.-% solcher Partikel enthalten und die innere Schicht mindestens etwa 50 Vol.-% und noch bevorzugter mindestens etwa 60 Vol.-% solcher Partikel im Bindemittel enthält. Es ist nicht notwendig, daß die beiden äußeren Schichten des Produkts den gleichen Anteil bzw. die gleiche Konzentration solcher Partikel enthalten, beispielsweise kann eine äußere Schicht 30 Vol.-% solcher Partikel enthalten, während die andere äußere Schicht 40 Vol.-% solcher Partikel enthält und die innere Schicht 60 Vol.-% solcher Partikel im Bindemittel enthält. Für Fachleute ist ersichtlich, daß die Anteile oder Konzentrationen der leitenden, halbleitenden und/oder isolierenden Partikel in den verschiedenen Schichten verändert werden können, um die gewünschten Eigenschaften oder Kenngrößen zu erhalten. Außerdem ist gemäß der Beschreibung dieses Aspekts ersichtlich, daß die äußeren Schichten der Komponente niedrigere Partikelanteile oder -konzentrationen aufweisen als die innere Schicht bzw. die inneren Schichten. Außerdem ist ersichtlich, daß die innere Schicht dieser Komponente selbst aus mehreren Schichten aus spannungsvariablen. Materialien bestehen kann, die einen höheren Partikelanteil bzw. eine höhere Partikelkonzentration aufweisen als die äußeren Oberflächenschichten.
Wenn die erste äußere Schicht in direktem Kontakt mit dem elektrischen Leiter des elektronischen Geräts steht, weist diese äußere Schicht einen niedrigeren Anteil leitender/halbleitender/isolierender Partikel auf als die innere Schicht, wie vorstehend beschrieben wurde, die andere äußere Schicht ist jedoch optional und kann einen höheren oder einen niedrigeren Partikelanteil aufweisen als die innere Schicht. Wenn die erste äußere Schicht eine Schicht aus reinem dielektrischen Polymer-, Glas- oder Keramikmaterial aufweist, das mit dem elektrischen Leiter in Kontakt steht, kann die erste äußere Schicht einen höheren oder einen niedrigeren Partikelanteil aufweisen als die innere Schicht, und die andere äußere Schicht ist optional und kann einen höheren oder einen niedrigeren Partikelanteil aufweisen als die innere Schicht.
Die Dicke jeder Schicht und die Gesamtdicke der mehrschichtigen Komponente kann durch Fachleute anhand der vorliegenden Beschreibung bestimmt werden, um die gewünschten Eigenschaften und Kenngrößen der Komponente zu erhalten.
Beispielsweise weist eine bevorzugte Ausführungsform eine erste Schicht mit einer Dicke von 0,0254 mm (1,0 Milli-Inch) auf, die 30 Vol.-% leitfähige Partikel enthält, eine innere Schicht mit einer Dicke von 0,0203 mm (0,8 Milli-Inch), die 60 Vol.-% leitfähige Partikel enthält, und eine dritte Schicht mit einer Dicke von 0,0178 mm (0,7 Milli-Inch), die 30 Vol.-% leitfähige Partikel enthält. Ähnlicherweise weist eine ändere bevorzugte Ausführungsform eine erste Schicht mit einer Dicke von 0,0254 mm (1,0 Milli-Inch) auf, die 30 Vol.-% leitfähige Partikel enthält, eine innere Schicht mit einer Dicke von 0,0508 mm (2 Milli-Inch), die 60 Vol.-% leitfähige Partikel enthält, und eine dritte Schicht mit einer Dicke von 0,0203 mm (0,8 Milli-Inch), die 30 Vol.-% leitfähige Partikel enthält. Durch derartige mehrschichtige Konfigurationen werden gute Eigenschaften und Kenngrößen erhalten. Außerdem ist für Fachleute ersichtlich, daß jede Schicht, die in der Form eines polymeren oder anderen dielektrischen Bindemittels bereitgestellt wird, das die gewünschten leitenden, halbleitenden, isolierenden und/oder kolloidalen isolierenden Partikel enthält, in flüssiger Form aufgebracht und dann getrocknet oder ausgehärtet werden kann. Das mehrschichtige Produkt kann durch Aufbringen von zwei oder mehr Schichten und anschließendes gleichzeitiges Aushärten oder Trocknen aller Schichten hergestellt werden, oder das erfindungsgemäße mehrschichtige Produkt kann hergestellt werden, indem die erste Schicht z. B. auf ein Metall- Masseebenenelement aufgebracht und diese Schicht ausgehärtet oder getrocknet wird, bevor die nachfolgenden Schichten aufgebracht werden. Auf diese Weise kann jede Schicht in der gewünschten Dicke aufgebracht und ausgehärtet oder getrocknet werden, bevor eine nachfolgende Schicht aufgebracht wird. Daher ist für Fachleute ersichtlich, daß die mehrschichtige spannungsvariable Schutzkomponente unter Verwendung verschiedener Materialien auf verschiedene Weisen herstellbar ist. Eine bevorzugte Ausführungsform wird jedoch unter Verwendung des nachstehend beschriebenen Verfahrens zum Vorbereiten des spannungsvariablen Schutzmaterials und anschließenden Herstellen des erfindungsgemäßen mehrschichtigen Produkts in den vorstehend beschriebenen Partikelanteilen bzw. -konzentrationen und Schichtdicken bereitgestellt. Außerdem ist für Fachleute erkennbar, daß jede einzelne Schicht nach Wunsch so ausgewählt werden kann, daß jede der Schichten des mehrschichtigen Produkts einen anderen Bindemitteltyp und/oder andere leitende, halbleitende, isolierende oder kolloidale isolierende Partikel aufweist, vorausgesetzt, daß die Grundkriterien erfüllt sind, die darin bestehen, daß die äußeren Schichten des mehrschichtigen Produkts eine niedrigere Konzentration bzw. einen niedrigeren Anteil solcher Partikel enthalten, während die innere Schicht eine höhere Konzentration bzw. einen höheren Anteil solcher Partikel enthält. Beispielsweise kann jede Schicht aus verschiedenen herkömmlichen, auf dem Fachgebiet bekannten spannungsvariablen Materialien ausgewählt werden, die ein Bindemittel aufweisen, das verschiedene leitende und/oder halbleitende und/oder isolierende Partikel enthält. Alternativ kann jede Schicht einzeln ausgewählt werden, um die neuartigen und verbesserten spannungsvariablen Schutzmaterialien oder Komponenten zu verwenden, wie hierin oder in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/275947, eingereicht am 14. Juli 1994 beschrieben ist. Diesbezüglich können die neuartigen, spannungsvariablen Materialien, die beispielsweise die in dieser mitanhängigen Patentanmeldung beschriebenen Verstärkungsmatten aufweisen, als spezifische einzelne Schichten im mehrschichtigen Produkt ausgewählt werden.
Das mehrschichtige Produkt kann so konstruiert sein, daß jede Schicht ein Bindemittel aufweist, z. B. ein dielektrisches Polymer- oder Glasbindemittel, das leitende Partikel enthält, z. B. Aluminiumpartikel, und optional halbleitende Partikel, z. B. Siliziumkarbid, und außerdem optional isolierende Partikel, z. B. Aluminiumoxid und/oder kolloidale isolierende Partikel, wie beispielsweise Rauchsilika. Jede dieser verschiedenen Komponenten und Verfahren zum Herstellen der spannungsvariablen Materialien mit den Bindemitteln und zum Aushärten oder Trocknen der Bindemittel, um das gewünschte Endmaterial herzustellen, sind auf dem Fachgebiet bekannt. Durch die vorstehend erwähnten Patente werden die Grundmaterialien und -komponenten bereitgestellt, die zum Herstellen des mehrschichtigen Produkts verwendbar sind.
"Leitende Partikel" sind beispielsweise Partikel aus Metall, z. B. aus Kupfer, Aluminium, Molybdän, und ähnliche, oder aus anderen leitfähigen Materialien, wie beispielsweise Carbon Black, Carbonylnickel, Tantalkarbid, und ähnliche. "Halbleitende Partikel" sind beispielsweise Partikel aus Siliziumkarbid, Berylliumkarbid, Kalziumkarbid und ähnliche. "Isolierende Partikel" sind beispielsweise Partikel aus Aluminiumoxid, Glaskugeln (glass spheres), Kalziumkarbonat, Bariumsulfat und ähnliche. "Kolloidale isolierende Partikel" sind beispielsweise Partikel der kolloidalen Form von Rauchsilika, Kaolin, Kaolinit, Aluminiumtrihydrat, Feldspat und ähnliche. Diesbezüglich wird auf US-Patent Nr. 4726991 verwiesen, in dem weitere Beispiele spezifischer Partikel und Materialien jeder Kategorie dargestellt sind, die in der vorliegenden Erfindung gemäß den vorstehend beschriebenen Verfahren und Darstellungen geeignet sind.
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Schutzkomponente, wobei einzelne Schichten 15, 16 und 17 aus einem spannungsvariablen Schutzmaterial durch optionale Metallschichten 18, 18' getrennt sind, die zusammen die zwischen elektrischen Leitern 10 und einer Masseebene 14 angeordnete mehrschichtige spannungsvariable Schutzvorrichtung bilden.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines spannungsvariablen Schutzmaterial bereitgestellt, das ein Bindemittel und leitende Partikel und/oder halbleitende Partikel in Kombination mit isolierenden Partikeln und kolloidalen isolierenden Partikeln aufweist, die alle im Bindemittel dispergiert sind. Wie vorstehend beschrieben, ist jede dieser Komponenten, d. h. das Bindemittel, die leitenden Partikel, die halbleitenden Partikel, die isolierenden Partikel und die kolloidalen isolierenden Partikel, auf dem Fachgebiet bekannt und werden in den vorstehend erwähnten Patenten ausführlich beschrieben. Durch die vorliegende Erfindung werden neuartige Verfahren zum Kombinieren dieser herkömmlichen Materialien bereitgestellt, um neuartige spannungsvariable Schutzmaterialien mit verbesserten Eigenschaften und Kenngrößen herzustellen. Die erfindungsgemäßen Verfahren weisen einen Schritt zum Dispergieren der leitenden und/oder isolierenden Partikel und der gewünschten Menge kolloidaler isolierender Partikel in einem organischen Lösungsmittel auf, wobei die leitenden(isolierenden Partikel und die kolloidalen isolierenden Partikel im Lösungsmittelgemisch sorgfältig vermischt werden. Die Partikel können dem Lösungsmittel in einer gewünschten Reihenfolge beigemischt werden, es ist jedoch allgemein bevorzugt, zunächst die leitenden und/oder isolierenden Partikel im Lösungsmittel zu dispergieren und dann die kolloidalen isolierenden Partikel beizumischen. Das Gemisch wird dann durch Entfernen des Lösungsmittels durch Verdampfen getrocknet. Das getrocknete Partikelgemisch hat normalerweise die Form eines Kuchens, der dann in einer Mühle zu einem Pulver gemahlen wird. Das erhaltene Pulver wird dann in einem Mahlprozeß einem dielektrischen Polymerbindemittel beigemischt, um die Partikel im gesamten dielektrischen Polymermaterial zu dispergieren. Beispielsweise können die leitfähigen Partikel aus Aluminium, die isolierenden Partikel aus Aluminiumoxid, die kolloidalen isolierenden Partikel aus Rauchsilika und das Lösungsmittel aus Methylethylketon (MEK) bestehen. In einigen Zusammensetzungen ist es bevorzugt, Glasfasern als zusätzliche isolierende Partikel beizumischen. Gemäß einem bevorzugten Aspekt weist das Verfahren ferner das Herstellen eines ersten Lösungsmittelgemischs, das nur leitende Partikel und kolloidale isolierende Partikel enthält, und das Herstellen eines zweiten Lösungsmittelgemischs auf, das ein Gemisch aus isolierenden Partikeln und kolloidalen isolierenden Partikeln enthält. Beide Gemische werden separat getrocknet; die beiden erhaltenen trockenen Gemische werden separat gemahlen und dann gleichzeitig in einer Mühle einem Polymerbindemittel beigemischt, um ein gewünschtes spannungsvariables Material herzustellen.
In einem bevorzugten Verfahren wird das Bindemittel- Partikelgemisch mit einem Überschuß eines starken polaren Lösungsmittels, z. B. MEK, gemischt, um das Bindemittel zu aufzuquellen. Das Gemisch wird dann in einem Hochgeschwindigkeitsmischer gemischt, um ein einer pigmentierten Farbe ähnliches viskoses Material herzustellen. Dieses Endgemisch kann nach Wunsch verwendet werden, um spannungsvariable Schutzkomponenten oder Schichten herzustellen, indem das Material nach Wunsch schichtweise in einer gewünschten Dicke aufgebracht und ermöglicht wird, daß das Lösungsmittel verdampft und das Bindemittel weiter aushärtet, wodurch die gewünschte Schicht des spannungsvariablen Materials übrigbleibt.
In einer bevorzugten Zusammensetzung wird Fluorsilikongummi von STI Dow Corning (DC-LS2840) in Kombination mit einem Polydimethylsiloxan (HA2) von STI Dow Corning in einem Volumenverhältnis von etwa 4 : 1 verwendet. Dieses Gemisch wird gemahlen, bis es gleichmäßig und im wesentlichen lichtdurchlässig bzw. transluzent ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Mühle ein vorbereitetes Gemisch aus Aluminiumdioxid- und Rauchsilikapartikeln zugeführt. Das Gemisch aus Aluminiumoxidpartikeln und Rauchsilikapartikeln wird folgendermaßen hergestellt. Bevorzugte Aluminiumoxidpartikel sind Partikel des Typs "A14" von Alcoa mit einer Partikelgröße von 5 um. Diese Partikel werden in Methylalkohol dispergiert, und das Partikel-Lösungsmittelgemisch wird durch ein 10 um-Sieb gedrückt. Der erhaltenen Lösungsmitteldispersion mit den Aluminiumoxidpartikeln werden 1 Gew.-% (basierend auf dem Anfangsgewicht des Aluminiumoxids) Rauchsilikapartikel des Typs "Cabosil TS530" beigemischt, die in Methylalkohol vordispergiert sind, und vermischt, bis sie im Lösungsmittelgemisch gleichmäßig dispergiert sind. Dann wird das Lösungsmittel durch Verdampfen entfernt, um einen Kuchen herzustellen. Der getrocknete Aluminiumoxidpartikel-Cabosil-Kuchen wird dann zu einem Pulver gemahlen. Ein zweites Lösungsmittelgemisch mit Aluminiumpartikeln des Typs "H10" von Alcoa mit 10 um-Partikeln, das ähnlicherweise in Methylalkohol dispergiert und dann mit 17 Gew.-% Rauchsilika vermischt wird, ist "Cabosil M5". Wie vorstehend beschrieben wurde, werden die H10-Aluminiumpartikel in Methylalkohol dispergiert und dann durch ein 20 um-Sieb gedrückt, woraufhin das in Methylalkohol dispergierte Cabosil M5 den gesiebten H10- Aluminiumpartikeln im Lösungsmittel beigemischt wird. Nach dem Vermischen wird das Lösungsmittel verdampft, um einen Kuchen herzustellen. Der getrocknete Aluminiumpartikel- Cabosil-Kuchen wird dann zu einem Pulver gemahlen. Das Verhältnis von Aluminiumpartikeln zu Aluminiumoxidpartikeln beträgt etwa 2 : 1, und etwa 45 Vol.-% Partikel werden mit 55 Vol.-% Bindemittel gemischt. Dann werden sowohl das Aluminiumpulver als auch das Aluminiumoxidpulver in der Mühle zugegeben und zu einem Polymergemisch gemahlen. Nachdem der Mahlvorgang für eine ausreichende Zeitdauer ausgeführt wurde, z. B. für 30 Minuten bis zu einer Stünde, um ein gleichmäßiges Gemisch zu erhalten, wird das Gemisch von der Mühle entfernt und in einem Gewichtsverhältnis von etwa einem Teil Lösungsmittel pro Teil des Gesamtgemischs von der Mühle mit Methylethylketon- (MEK) Lösungsmittel gemischt. Dieses Gemisch wird für eine Zeitdauer von wenigen Stunden, z. B. über Nacht, im MEK-Lösungsmittel stehengelassen und dann mit einer kleinen Menge, z. B. 4 Gew.-%, eines Peroxids, das 1,1- Di-t-butylperoxid-3,3,5-trimethylcyclohexan ist, und 17 Gew.-% eines Vernetzungsmittels, das Trialylisocyanurat ist, gemischt, wobei der Gewichtsanteil (Gew.-%) auf dem Bindemittelgewicht basiert. Dieses Endgemisch wird dann mit einer niedrigen Drehzahl sorgfältig gemischt und dann mit einer hohen Drehzahl gemischt, bis das Gemisch die Konsistenz einer pigmentierten Farbe annimmt. Diese fertige spannungsvariable Schutzzusammensetzung kann dann in gewünschten Mustern auf eine Masseebene oder elektrische Leiter oder andere Substrate aufgebracht werden, wobei ermöglicht wird, daß das Lösungsmittel trocknen und das Bindemittel weiter aushärten oder sich vernetzen kann. Gegebenenfalls kann eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 200ºC für etwa 20 Minuten ausgeführt werden, um den Trocknungs- und Aushärte- oder Vernetzungsvorgang des Bindemittels zu unterstützen. Dadurch wird das spannungsvariable Schutzmaterial in der gewünschten Dicke und Konfiguration bereitgestellt, um seine Funktion als spannungsvariable Schicht oder Komponente zu erfüllen. Diese Zusammensetzung kann verwendet werden, um das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße mehrschichtige Produkt herzustellen, oder in Kombination mit der vorstehend beschriebenen, reinen dielektrischen Polymer-, Glas- oder Keramikschicht.
Zur Verwendung im vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren kann das organische Lösungsmittel ein beliebiges Lösungsmittel sein, in dem die gewünschten Partikel dispergierbar und mit anderen Partikeln mischbar sind. Im allgemeinen kann das Lösungsmittel ein substituierter oder unsubstituierter C&sub1;- bis C&sub1;&sub0;-Kohlenwasserstoff sein und lineare oder verzweigte Kohlenwasserstoffketten, Alkohole, Aldehyde, Ketone, Aromaten und ähnliche aufweisen. Beispiele solcher in der vorliegenden Erfindung geeigneter Lösungsmittel sind Methylalkohol, Ethylalkohol, n- oder iso-Propylalkohol, Formaldehyd, Methylethylketon, Toluol, Benzol, Butan, Pentan, Chlor-/Fluorethylene/"Freon"-Lösungsmittel von Du Pont), und andere. Für Fachleute ist ersichtlich, daß ein Lösungsmittel erwünscht ist, das unter vorgegebenen Bedingungen leicht und schnell verdampft.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten leitenden, halbleitenden und isolierenden Partikel sind herkömmliche Partikel, die beispielsweise in den vorstehend erwähnten Patenten dargestellt sind.
Vorstehend wurden die Prinzipien, die bevorzugten Ausführungsformen und Betriebsmodi der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die vorstehend diskutierten spezifischen Ausführungsformen beschränkt. Durch die hierin beschriebenen Ausführungsformen soll die vorliegende Erfindung lediglich erläutert und dargestellt, jedoch nicht eingeschränkt werden. Innerhalb des durch die Patentansprüche definierten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung können Änderungen und Modifikationen vorgenommen und äquivalente Ausführungsformen realisiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Materials zum Schutz gegen veränderliche Spannung oder spannungsvariables Schutzmaterial mit den Schritten:

Erzeugen eines leitende Partikel und kolloidale, isolierende Partikel aufweisenden Gemischs in einem organischen Lösungsmittel;

Mischen des Gemischs, um die kolloidalen, isolierenden Partikel in den leitenden Partikeln zu verteilen;

Verdampfen wenigstens eines Teils des Lösungsmittels; und

Mischen des sich ergebenden, leitende Partikel und kolloidale, isolierende Partikel aufweisenden Gemischs mit einem Bindemittel, um ein Material zum Schütz gegen veränderliche Spannung oder spannungsvariables Schutzmaterial zu erzeugen, wobei das Bindemittel ein dielektrisches Polymerbindemittel oder ein dielektrisches Glasbindemittel ist.

2. Verfahren nach. Anspruch 1, mit dem Schritt:

Sieben der leitenden Partikel und des Lösungsmittels vor dem Verdampfen des Lösungsmittels.

3. Verfahren nach. Anspruch 1 oder 2 mit den Schritten:

Verdampfen von ausreichend Lösungsmittel, um einen Kuchen aus den leitenden Partikeln und kolloidalen, isolierenden Partikeln zu erzeugen; und

Mahlen des Kuchens, um das sich ergebende Gemisch aus Partikeln zum Mischen mit dem Bindemittel zu erzeugen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, mit den Schritten:

Erzeugen eines getrennten, isolierende Partikel und kolloidale, isolierende Partikel aufweisenden Gemischs in einem organischen Lösungsmittel;

Mischen des Gemischs, um die kolloidalen, isolierenden Partikel in den isolierenden Partikeln zu verteilen;

Verdampfen wenigstens eines Teils des Lösungsmittels; und

Mischen des sich ergebenden, leitende Partikel und kolloidale, isolierende Partikel aufweisenden Gemischs und des sich ergebenden, isolierende Partikel und kolloidale, isolierende Partikel aufweisenden Gemischs mit einem Bindemittel, um ein Material zum Schutz gegen veränderliche Spannung oder spannungsvariables Material zu erzeugen, wobei das Bindemittel ein dielektrisches Polymerbindemittel oder ein dielektrisches Glasbindemittel ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gemisch ferner halbleitende Partikel aufweist.