DE2820118A1

DE2820118A1 - Oxid-varistor und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2820118A1
Application number: DE19782820118
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Rer Nat Buehling; Rainer Dipl Ing Kretzschmar; Reinhard Dipl Phys Mueller; Gerd Owsian; Andreas Dr Rer Nat Schoenecker; Evi Schumann; Guenter Dr Ing Weise
Original assignee: HERMSDORF KERAMIK VEB; Keramische Werke Hermsdorf VEB
Current assignee: HERMSDORF KERAMIK VEB; Keramische Werke Hermsdorf VEB
Priority date: 1977-06-23
Filing date: 1978-05-09
Publication date: 1979-01-11
Also published as: FR2395577B1; DE2820118C2; FR2395577A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektronik. Objekte, bei denen die Anwendung der Erfindung möglich und zweckmäßig ist, sind Thermistoren und Varistoren sowie die Verfahren zur Herstellung derselben, insbesondere Zinkoxidvaristoren.

Es sind bereits Varistoren bekannt, die aus einem auf keramischem Wege hergestellten Körper bestehen, der Zinkoxid als Grundsubstanz enthält und in dem zwischen benachbarten Grundsubstanz-Körnern mit einem Metalloxid- oder Metallmischoxid-Additiv gebildete elektrische Barrieren vorhanden sind, welche die Ausbildung einer nichtlinearen elektrischen Leitfähigkeit zur Folge haben. Die Einsatzspannung der Varistoren ist dabei von der Anzahl der vom Strom durchflossenen elektrischen Barrieren abhängig, d.h. von der Größe der Grundsubstanz-Körner und der Geometrie des Varistorkörpers. Der Spannungsabfall pro Barriere bei 1 mA liegt etwa im Bereich von 1 bis 4 V, abhängig von der lokalen chemischen Zusammensetzung der aneinandergrenzenden Phasengebiete. Einsatzspannungen < 20 V erfordern damit Varistordicken im Berech von 0,1 mm, deren industrielle Fertigung und Tolerierung für eine gewünschte Strom-Spannungscharakteristik sehr schwierig ist. Zur Herstellung derartiger Varistoren ist es bekannt, die Grundsubstanz zu einem Körper zu verpressen und diesen zu sintern. Anschließend werden die gegenüberliegenden Oberflächen des Körpers mit einer Paste bedeckt, die als festen Bestandteil das Additiv in feinverteilter Pulverform enthält. Danach wird der überzogene Körper erwärmt, wodurch das Additiv in das Korngefüge des Körpers reaktiv eindiffundiert, was die

Erzeugung der elektrischen Barrieren zur Folge hat. Diffusionstemperatur und -zeit werden dabei so gewählt, dass sich das Additiv gleichförmig im gesamten gesinterten Körper verteilt, der eine Dicke größer-gleich 0,5 mm besitzt.

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung von Voraussetzungen und Bedingungen für eine unter industriellen Bedingungen rationelle Herstellung von Oxid-Varistoren, die auch für Einsatzspannungen < 20 V brauchbar sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Oxid-Varistor, bestehend aus einem auf keramischen Wege hergestellten Widerstandskörper, der eine metalloxidische Grundsubstanz enthält und in dem zwischen benachbarten Grundsubstanz-Körnern mit einem Metalloxid- oder Metallmischoxid-Additiv gebildete elektrische Barrieren vorhanden sind, so auszubilden, dass die Größe der Grundsubstanzkörner und die Dicke des Widerstandskörpers keinen wesentlichen Einfluss auf die Einsatzspannung des Varistors hat.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bei dem aus einer pulverförmigen Grundsubstanz ein Körper vorgebildet, dieser mit einem Metalloxid- oder Metallmischoxid-Additiv kontaktiert und anschließend zur reaktiven Diffusion des Additivs in das Korngefüge des Körpers wärmebehandelt wird, so auszugestalten, dass die Größe der Grundsubstanz-Körner und die Geometrie des Körpers keinen wesentlichen Einfluß auf die Einsatzspannung des Varistors haben.

Diese Aufgaben sind nach der Erfindung dadurch gelöst, dass sich das die Barrieren bildende Additiv nur in einem Volumenbereich innerhalb des Widerstandskörpers befindet. Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Volumenbereich innerhalb des Widerstandskörpers als eine Schicht definierter Dicke ausgebildet.

Weiterhin wird die Aufgabe zur erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens so gelöst, indem Temperatur und Zeit der Wärmebehandlung sowie die Masse des verwendeten Additivs so gewählt werden, dass das Additiv nur in einem Volumenbereich des Körpers eindiffundiert. Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens werden als Grundsubstanz dotiertes oder undotiertes

ZnO und als Additiv eines oder mehrere der Metalloxide Bi[tief]2O[tief]3, Sb[tief]2O[tief]3, Mn[tief]2O[tief]3, TiO[tief]2 und CdO verwendet. Zweckmäßig ist es außerdem, die pulverförmige Grundsubstanz zu einem dicht gesinterten Körper zu verarbeiten und den Körper einseitig mit dem Additiv zu kontaktieren, damit die Schicht definierter Dicke an die Oberfläche wenigstens einer Seite des Widerstandskörpers angrenzt. Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere mit dem Additiv kontaktierte Körper übereinandergestapelt und anschließend wärmebehandelt.

Mit der Erfindung werden Bedingungen für einfach herstellbare Oxid-Varistoren, die auch für Einsatzspannungen < 20 Volt brauchbar sind, geschaffen. Vorteilhaft ist, dass die Größe der Grundsubstanz-Körner und die Dicke des Widerstandskörpers keinen wesentlichen Einfluß auf die Einsatzspannung des Varistors hat. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die Anzahl der mit dem Additiv kontaktierten Grundsubstanz-Körner und somit auch die Einsatzspannung bei Varistoren in sehr einfacher Weise steuern. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf das angegebene Spannungsgebiet beschränkt, sondern ist darüber hinaus auch für die rationelle Herstellung von Varistoren mit mittleren und höheren Einsatzspannungen geeignet.

Nachfolgend wird die Erfindung an Beispielen näher erläutert:

Beispiel 1

Zinkoxidpulver wird mit 0,5 mol-% Kobaltoxidpulver homogen vermischt. Die so vorbehandelte Grundsubstanz wird mit einem Druck von 8 t . cm[hoch]-2 zu scheibenförmigen Körpern von 20 mm Durchmesser und 2 mm Höhe verpreßt und in Sauerstoffatmosphäre 60 h bei 1300 °C gesintert. Zur Herstellung eines Additivs werden 71,5 Gew.% Wismutoxid, 13,7 Gew.% Antimonoxid und 14,8 Gew.% Zinkoxid vermischt, in einem Platintiegel erschmolzen und anschließend pulverisiert. Dieses Additiv wird zu einer Paste angelassen und diese auf die scheibenförmigen Körper einseitig aufgebracht. Anschließend werden die Körper bei 1250 °C an Luft getempert, wobei das Additiv 30 s in schmelzflüssigem Zustand gehalten wird. Nach der Abkühlung werden die Körper beiderseits mit einer Indium-Gallium-Legierung

Beispiel 4

Das Beispiel betrifft einen Varistor, der aus den gleichen Bestandteilen wie der im Beispiel 1 beschriebene Varistor besteht. Das Additiv ist in Abweichung zu den anderen Beispielen in einer Schicht innerhalb der Scheibe enthalten, welche nicht an die Seiten der Scheibe angrenzt. Der Varistor besitzt eine nicht lineare Strom-Spannungscharakteristik mit folgenden Werten:

U[tief]1 = 9,8 V, U[tief]2 = 13,4 V, kleines Alpha = 7,4. kontaktiert. Die so hergestellten Varistoren besitzen eine nichtlineare Strom-Spannungscharakteristik mit folgenden Werten:

U[tief]1 (bei 10[hoch]-3 A) = 3,2 V, U[tief]2 (bei 10[hoch]-2 A) = 4,5 V, kleines Alpha = 6,8.

Beispiel 2

a) Die im Beispiel 1 verwendete Grundsubstanz wird mit einem Druck von 4 t . cm[hoch]-2 zu scheibenförmigen Körpern von 11 mm Durchmesser und 1,5 mm Höhe verpreßt. Die Körper werden 20 h bei 1260 °C an Luft gesintert. Danach wird das im Beispiel 1 beschriebene Additiv auf die Körper einseitig aufgetragen und diese bei 1250 °C an Luft getempert, wobei das Additiv 30 s im schmelzflüssigen Zustand gehalten wird. Abschließend werden die Körper kontaktiert. Diese Varistoren besitzen eine nichtlineare Strom-Spannungscharakteristik mit folgenden Werten:

U[tief]1 = 6 V, U[tief]2 = 7,6 V, kleines Alpha = 9,7.

b) Sind im Zinkoxidpulver neben der im Beispiel 1 erwähnten Dotierung noch 0,5 mol-% Titandioxid und 0,25 mol-% Manganoxid enthalten ergeben sich folgende Werte:

U[tief]1 = 3,3 V, U[tief]2 = 4,5 V, kleines Alpha = 7,4.

Beispiel 3

Die gemäß Beispiel 2a hergestellten Grundsubstanz-Körper mit Additiv-Beschichtung werden bei 1250 °C an Luft getempert, wobei das Additiv 2 min. im schmelzflüssigen Zustand gehalten wird. Nach der Abkühlung werden die Körper kontaktiert. Die so hergestellten Varistoren besitzen eine nichtlineare Strom-Spannungscharakteristik mit folgenden Werten:

U[tief]1 = 16 V, U[tief]2 = 19 V, kleines Alpha = 13,4.

Sofern die Zeit, während der sich das Additiv im schmelzflüssigen Zustand befindet, auf 30 min. ausgedehnt wird, ergeben sich folgende Werte:

U[tief]1 = 80 V, U[tief]2 = 87 V, kleines Alpha = 27,5.

Claims

1. Oxid-Varistor, bestehend aus einem auf keramischen Wege hergestellten Widerstandskörper, der eine metalloxidische Grundsubstanz enthält und in dem zwischen benachbarten Grundsubstanz-Körnern mit einem Metalloxid- oder Metalllmischoxid-Additiv gebildete elektrische Barrieren vorhanden sind, gekennzeichnet dadurch, dass sich das die Barrieren bildende Additiv nur in einem Volumenbereich innerhalb des Widerstandskörpers befindet.

2. Oxid-Varistor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Volumenbereich innerhalb des Widerstandskörpers als eine Schicht definierter Dicke ausgebildet ist.

3. Verfahren zur Herstellung von Oxid-Varistoren nach Anspruch 1, bei dem aus einer pulverförmigen Grundsubstanz ein Körper vorgebildet, dieser mit einem Metalloxid- oder Metallmischoxid-Additiv kontaktiert und anschließend zur reaktiven Diffusion des Additivs in das Korngefüge des Körpers wärmebehandelt wird, gekennzeichnet dadurch, dass Temperatur und Zeit der Wärmebehandlung sowie die Masse des verwendeten Additivs so gewählt werden, dass das Additiv nur in einen Volumenbereich des Körpers eindiffundiert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass als Grundsubstanz dotiertes oder undotiertes ZnO und als Additiv eines oder mehrere der Metalloxide Bi[tief]2O[tief]3, Mn[tief]2O[tief]3, TiO[tief]2 und CdO verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass die pulverförmige Grundsubstanz zu einem dicht gesinterten Körper verarbeitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass der Körper einseitig mit dem Additiv kontaktiert wird und damit die Schicht definierter Dicke an die Oberfläche wenigstens einer Seite des Widerstandskörpers angrenzt.

7. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere mit dem Additiv kontaktierte Körper übereinandergestapelt und anschließend wärmebehandelt werden.