DE3206869C2 - Metalloxid-Varistor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Metalloxid-Varistor und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Abstract
Lötbare Elektroden weitgehend aus Nicht-Edelmetall für Metalloxid-Varistoren werden durch Siebdrucken einer elektrisch leitfähigen, in Luft brennbaren Nicht-Edelmetallmasse auf ein Varistormaterialsubstrat hergestellt. Eine verteilte, feine Edelmetallanordnung wird über das aufgedruckte Nicht-Edelmetall siebgedruckt und der Varistor in Luft auf eine Temperatur zwischen etwa 500 und 800 ° C erhitzt. Die Varistorzuleitungen sind an die Edelmetallanordnung leicht lötbar.
Description
a) Siebdrucken einer Nicht-Edelmetallelektrode
(3) auf ein Metalloxid-Varistorsubstrat,
b) Trocknen der aufgedruckten Nicht-Edelmetallelektrode (3),
c) Siebdrucken eines verteilten Edelmetallmusters (2; 4) auf die gedruckte Nicht-Edelmetallelektrode
(3), wobei das Muster (2; 4) ausgewählte Bereiche der Nicht-Edelmetallelektrode bedeckt,
und
d) Erhitzen des Metalloxid-Varistorsubstrats.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nicht-Edelmetallelektrode (3) wenigstens
ein Material aus der Gruppe Nickel, Aluminium und Chrom umfaßt.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetall ein Material
aus der Gruppe Silber, Platin, Palladium und Gold umfaßt.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Trocknen das
Metalloxid-Varistorsubstrat in Luft bei einer Temperatur zwischen etwa IQO und 1500C für eine Zeit
zwischen etwa 2 und 10 min. erwärmt wird.
I O.Verfahren nach Ansprüchen 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhitzen das Metalioxid-Varistorsubstrat
in Luft auf eine Temperatur zwischen etwa 500 und 800°C für eine Zeit bis zu 1 h
erhitzt wird.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Metalloxid-Varistor
mit an wenigstens einer Hauptoberfläche angebrachten Elektroden umfassend wenigstens eine Nicht-Edelmetallelektrode,
die an den Metalloxid-Varistor gebunden ist und damit einen elektrisch leitfähigen Kontakt
bildet
Ein derartiger Metalloxid-Varistor ist aus der DE-OS 18 02 452 bekannt
Ein Zinkoxid (ZnO)-Varistor umfaßt typischerweise eine Scheibe aus Varistormaterial mit an wenigstens
einer ihrer Hauptoberflächen befestigten Elektroden. Wenngleich es eine Reihe von Methoden zur Befestigung
von Elektroden am Varistormaterial gibt, werden die Leitungen zum Verbinden des Varistors mit einem
elektrischen Schaltkreis gewöhnlich durch Löten an den Elektroden befestigt Lötfähige Elektroden für Varistoren,
die kommerziell angewandt werden, sind entweder siebgedrucktes Silber oder flammgespritztes Messing.
Andere Verfahren zum Befestigen von Elektroden umfassen z. B. das Verdampfen und die stromlose Metallabscheidung.
Diese Methoden sind technisch möglich, aber mit Ausnahme der größeren sind kostspieligere
Varistoren unwirtschaftlich, zum Teil aufgrund der Tatsache, daß sie nicht leicht zu automatisieren sind.
Ein Verfahren zum Befestigen von Varistorelektroden, das wirtschaftlich und leicht automatisierbar ist, ist
das Siebdrucken. In ufer Tat werden ZnO-Varistoren für
elektronischen Anlagenschutz derzeit unter Verwendung von siebgedruckten Silberelektroden hergestellt.
Aus Silber oder Edelmetall bestehende Elektroden sind teuer. Daher ist es wünschenswert, einen Ersatz für Silber
zu finden. An Luft brennbare, siebdruckfähige Nicht-Edelmetall-Leiterpasten solcher Metalle wie Nikkei
(Ni), Aluminium (Al) und Chrom (Cr) stehen zur Verfügung und sind prinzipiell für Varistorelektroden
brauchbar. Diese Materialien jedoch sind nicht leicht lösbar und haben einen hohen Widerstand im Vergleich
mit dem von Materialien auf Silber-Basis. Beispielsweise haben Nickel-, Aluminium- imd Ck-r-melektroden Widerstände
von 40 bis 80, 20 bis 50 bzw. 500 bis 900 ΓηΩ/α. Elektroden auf Silber-Basis mit Widerständen
von 2 bis 4 ιηΩ/ D sind üblich.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Metalloxid-Varistor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 durch Verringern des spezifischen Widerstandes mindestens einer Elektrode zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Muster verteilten Edelmetall, das einen elektrisch
leitfähigen Kontakt mit der Nicht-Edelmetallelektrode bildet, wobei das Edelmetall-Muster einen ausgewählten,
zur Erzielung eines hinreichend niedrigen Kontaktwiderstandes ausreichenden Teil der Gesamtfläche der
Nicht-Edelmetallelektrode bedeckt.
Das Edelmetallmuster kann von jeder geeigneten Konfiguration sein und kann z. B. ein durch sich schneidende
Streifen gebildetes Gitter oder eine Reihe von Punkten sein. Die Elektroden werden durch Siebdrukken
eines Nicht-Edelmetalls, wie von Nickel, Aluminium oder Chrom, auf ein Metalloxid-Varistorsubstrat hergestellt.
Nach einer Trocknungsstufe wird das Edelmetallmuster auf die Nicht-Edelmetallelektrode durch Siebdruck
aufgebracht. Das Varistorsubstrat wird etwa eine Minute bis eine Stunde bei einer Temperatur von etwa
500 bis 800°C erhitzt, wodurch elektrisch leitfähige Bindungen vom Nicht-Edelmetall zum Varistorsubstrat
bzw. zum Edelmetallmuster ausgebildet werden. Die Varistorzuleitungen werden an das Edelmetallmuster
gelötet.
Die Erfindung ist sowohl im Hinblick auf Anordnung als auch Betriebsweise am besten unter Bezugnahme
auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den Figuren zu verstehen; von diesen veranschaulicht
F i g. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Metalloxid-Varistor, wobei das auf der Nicht-Edelmetallelektrode
angeordnete lötfähige Edelmetallmuster ein durch rechtwinklige, sich schneidende Edelmetallstreifen
gebildetes Gitter ist;
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Metalloxid-Varistor
ähnlich dem der Fig. 1, worin das Muster eine Reihe von Edelmetallpunkten, auf der Nicht-Edelmetallelektrode
durch Siebdruck aufgebracht ist, und
F i g. 3 ist eine Seitenansicht des in F i g. 2 dargestellten Varistors, die an gegenüberliegenden Seiten des Varistors
angebrachte Elektroden veranschaulicht
F i g. 1 veranschaulicht eine kreisförmige Nicht-Edelmetallelektrode
3, an jeder Seite an eine herkömmliche Varistorscheibe t bzw. ein verteiltes Edelmetallmuster 2
gebunden und damit elektrische Kontakte bildend. Das Muster 2 besteht aus einer Reihe rechtwinklig sich
schneidender Streifen der Breite t, wobei paralitle Streifen
durch einen Abstand L getrennt sind. Der Durchmesser der Elektrode 3 ist mit D bezeichnet. Eine praktisch
identische Nicht-Edelmetallelektrode 3 und ein Gitter 2 können auf der gegenüberliegenden Seite
(nicht dargestellt) der Varistorscheibe 1 gebildet sein. Bei manchen Varistoranwendungen jedoch kann es
wünschenswert sein, die Elektroden auf der selben Seite eines einzigen Varistorsubstrats herzustellen, das nichtkreisförmig
gestaltet sein kann. Dies ist eine besonders kostenwirksame Methode zum Anbringen von Elektroden
auf einem Varistormaterial, da die Elektroden in einem einzigen Vorgang siebgedruckt werden können.
F i g. 2 veranschaulicht ein alternatives Edelmetallmuster
4 aus einer Reihe von kleinen kreisförmigen Edelmetallflächen. Eine Seitenansicht der in Fig.2 dargestellten
Ausführungsform ist in F i g. 3 wiedergegeben und veranschaulicht eine Nicht-Edelmetallelektrode 3'
und ein Muster 4' aus Edelmetallflächen auf der in F i g. 2 nicht sichtbaren Seite der Varistorscheibe 1. Bemerkt
sei, daß das Gittermuster 2 der F i g. 2 und die in Fig.2 veranschaulichte »Punkte«-Reihe lediglich beispielhaft
sind. Die Erfindung funktioniert auch mit anderen Mustern, vorausgesetzt, die nachfolgend ausgeführten
Kriterien finden Anwendung.
Die Varistorscheibe 1 kann irgendeine einer großen Anzahl herkömmlicher Zinkoxid-Varistormassen umfassen.
Nicht-Edelmetallelektroden 3 können z. B. Nikkei oder Chrom sein, aber bei der bevorzugten Ausführungsform
sind sie aus Aluminium. Nicht-Edelmetall-Dickfilmpasten, die sich zur Verwendung beim Siebdrucken
der Elektrode 3 eignen, stehen auf der Basis von Nickel, Aluminum bzw. Chrom zur Verfügung. Bei
der bevorzugten Ausführungsform wird eine Dickfilm-Silberpaste zum Siebdrucken des Gittermusters 2 der
F i g. 1 und der Punktereihe der F i g. 2 und 3 verwendet. Alternativ können Metalle, wie Platin, Palladium und
Gold, zur Ausbildung des Edelmetallmusters auf der Elektrode 3 verwendet werden.
Zur Herstellung der Elektroden wird ein herkömmliches Siebdruckverfahren angewandt. Die Nicht-Edelmetallelektrode
3 wird zuerst unter Verwendung eines feinmaschigen Siebes mit z. B. einem kreisförmigen,
durchlässigen, darauf gebildeten Muster gedruckt. Die <>5
Nicht-Edelmetall-Dickfilmpaste dringt durch die durchlässigen Teile des Siebes auf das Varistorsubstrat 1. wo
sie zurückbleibt, wenn das Sieb abgenommen wird. Vor dem Siebdrucken eines Silbermusters z. B. wird die
frisch gedruckte Nicht-Edelmetallelektroiie 3 getrocknet,
was sie ihre Form während der Verarbeitung beibehalten läßt Das Trocknen geschieht durch Erwärmen
des Varistorsubstrats in Luft auf eine Temperatur zwischen etwa 100 und 150° C für eine Zeit zwischen 2 und
10 min. Sodann wird das Silbermuster über die getrocknete Nicht-Edelmetallelektrode siebgedruckt. Nach
dem Abschluß des Siebdruckvorgangs wird der Varistor in Luft bei einer Temperatur zwischen 500 und 800° C
für bis zu 1 h gebrannt Wenngleich Silberelektroden bei einer Temperatur bis hinauf zu 800° C gebrannt werden
können, ist es wünschenswert, die Nicht-Edelmetall/Silberelektrode
bei einer Temperatur zwischen 500 und 6000C zu brennen, um die Bildung unerwünschter
Nicht-Edelmetalloxide minimal zu halten.
Das Sintern des Varistors führt zur Bildung elektrisch leitender Haftbindungen von der Nicht-Edelmetallelektrode
3 zum Varistorsubstrat 1 bzw. zum Edelmetallelektrodenmuster. Von Bedeutung 'v. die Feststellung,
daß, obgleich es schwierig ist, das Nici.i-Edclrncta!! zur
Ausbildung einer elektrisch leitfähigen Bindung zu löten, während der Sinterstufe das Edelmetall leicht eine
elektrisch leitfähige Bindung zum Nicht-Edelmetali ausbildet.
Danach werden Varistorzuleitungen durch Löten an den Edelmetallmustern befestigt.
Im allgemeinen ist es wünschenswert, die Menge des in der Elektrode verwendeten Edelmetalls soweit wie
möglich herabzusetzen. Wenn jedoch d:e in F i g. 1 gezeigten
Gitterstreifen zu schmal gemacht werden, zuweit auseinander angeordnet werden oder nicht genügend
Silber aufgedruckt wird, kann es schwierig sein, die Varistorzuleitungen zu löten. Es wurde gefunden, daß
für die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform t = 0,01 cm, L = 0,1 cm und für eine Dicke des Musters
2 zwischen 12,7 und 25,4 μηι (0,5 und 1 mil) ein zufriedenstellend
lötfähiges Muster entsteht. Die Dicke der Nicht-Edelmetallelektrode 3 kann zwischen 6,35 und
76,2 Jim (0,25 und 3 mils) sein.
Nicht-Edelmetallelektroden alleine sind nicht brauchbar als Varistorelektroden, da Nicht-Edelmetalle nicht
nur schwer zu löten sind, sondern sie auch viel höhere Widerstände als z. B. Silber haben, das bei der bevorzugten
Ausführungsform verwendet wird. Der Flächenwiderstand von Aluminiumelektroden z. B. ist 20 bis
5OmQ/D. Der Einfluß eines hohen Flächenwiderstandes
kann so veranschaulicht werden, daß man Varistoren betrachtet, die einen Leitungsquerschnitt von 1 cm2
haben und Ströme bis zu 5 · 103A leiten können. Eine
Vorrichtung mit einer Nicht-Edelmetallelektrode mit einem Flächenwiderstand von 20 · 10--Ώ/Π könnten so
einen Spannungsabfall von etwa 100 V (5 · If" · 20 · ΙΟ-3) in der Elektrode haben, wenn
Strom vom Zuleitungsanschlußpunkt zum Elektrodenumfang fließt. Ein Spannungsabfall dieser Größenordnung
ist unannehmbar hoch.
Die Art und Weise, in der der Einfluß eines hohen spezifischen Nicht-Edelmetall-Widerstandes erfindungsgemäß
überw unden wird, mag besser verständlich werden, wenn man berücksichtigt, daß für das Gittermuster
2 der Fig. 1 der effektive Maximalwiderstand
bis zu einem Punkt in der Elektrode 3 annähernd wider-
/LV
gegeben wird durch den Ausdruck ρ 1—J , wobei ρ der
gegeben wird durch den Ausdruck ρ 1—J , wobei ρ der
Nicht-Edelmetall-Widerstand/a, L der Gitterabsiand
und D der Durchmesser der Elektrode 3 ist. Der Widerstand des Edelmetall-Gittermusters 2 kann vernachlä-
ßigbar sein, da er vergleichsweise niedrig ist. Das Muster wäre in jedem Falle nach der Zuleitungsbefestigiing
von einer dicken Lotschicht innig überzogen. So kann für einen typischen Gitterabstand L von etwa 0,1 cm
und einen Durchmesser Z?der Elektrode 3 von 1 cm der tatsächliche Widerstand/O der Elektrode 3 zu 0,01 ρ
angegeben werden. Wenn Aluminium mit einem Flächenwiderstand von 20 bis 50 ιτιΩ/cm2 für die Elektrode
3 verwendet wird, wird ein effektiver Elektrodenwider· stand/D von 0,2 bis 0,5 γπΩ/G erhalten. So lägen Span- ι ο
nungsabfälle in Gegenwart eines Strompulses von 5 · 103 A in der Größenordnung von 1 V in der Nicht-Edelmetallelektrode.
Dies ist beim Betrieb der Vorrichtung ohne Bedeutung.
Die Menge des zur Bildung des Musters 2 in Fig. I erforderlichen Edelmetalls ist proportional dem Verhältnis
t/L, multipliziert mit der Fläche der Elektrode 3. Wenn t = 0.01 cm. L = 0.1 cm und die Fläche der Elektrode
= 1 cm2, ist die erforderliche Menge an Edelmetall etwa 0,1 cm2. Dies stellt eine Verringerung des Edelmetallbedarfs
um einen Faktor 10 dar, verglichen mit einer vollständig aus Edelmetall bestehenden Elektrode
mit einer Fläche von 1 cm2 (unter der Annahme, daß das Silbermuster 2 und die vollständig aus Edelmetall bestehende
Elektrode die gleiche Dicke haben).
Der Grund dafür, daß die Menge an zur Bildung einer Varistorelektrode verwendetem Edelmetall nicht durch
einfaches Siebdrucken eines Edelmetallmusters ähnlich dem Muster 2 in Fig. 1 oder der Punkteanordnung der
F i g. 2 direkt auf das Varistorsubstrat herabgesetzt werden kann, ist der, daß Strom durch das Varistormaterial
nur zwischen mit Elektroden versehenen Flächen auf gegenüberliegenden Seiten des Varistors fließen würde.
Dies würde zu unerwünschten Strom-»Kanälen« führen, die die Leistung des Varistors herabsetzen würden
und für hinlänglich starke Ströme zu einem katastrophalen Varistorversagen führen könnten. Erfindungsgemäß
wird ein solches Kanalisieren des Stroms durch die Verwendung der Nicht-Edelmetallelektrode vermieden,
deren gesamte Oberfläche in innigem elektrischen Kontakt mit dem Varistormaterial steht. Es muß sorgfältig
darauf geachtet werden, sicherzustellen, daß das Edelmetallmuster dicht genug ist (engen Abstand aufweist).
um Spannungsgradienten in der Nicht-Edelmetallelektrode zu vermeiden. Wenn z. B. nur eine kleine Anzahl
von Punkten 4 in der Mitte der Elektrode 3 in Fig. 2
aufgedruckt wäre, würde Strom vom Mittelbereich der Nicht-Edelmetallelektrode 3 zum Rand des Varistors
fließen. Da die Nicht-Edelmetallelektrode 3 zum Rand des Varistors fließen. Da die Nicht-Edelmetallelektrode
3 einen nicht-vernachlässigbaren spezifischen Widerstand hat, würde ein Spannungsgradient entstehen, was
dazu führen würde, daß ein Varistorstrom zu Kanalbildung zwischen den Bereichen höherer Spannung der
jeweiligen Varistorelektroden neigen würde. Wie angegeben, kann dies zum Versagen des Varistors führen.
Aus den vorstehenden Betrachtungen ist zu entnehmen, daß die Erfindung einen Metalloxid-Varistor mit
preiswerten Elektroden weitgehend aus Nicht-Edelmetall mit durch Siebdruck darauf aufgebrachtem, fein verteiltem,
lötfähigem Edelmetallmuster bietet Aus der Verringerung der erforderlichen Edelmetallmenge und
aus der Anwendung des leicht automatisierbaren Siebdruck-Herstellungsverfahrens ergeben sich beträchtliche
Kostenersparnisse.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Metalloxid-Varistor (1) mit an wenigstens einer Hauptoberfläche angebrachten Elektroden umfassend
wenigstens eine Nicht-Edelmetallelektrode (3), die an den Metalloxid-Varisator gebunden ist und damit
einen elektrisch leitfähigen Kontakt bildet,
gekennzeichnetdurch to
gekennzeichnetdurch to
ein Muster (2; 4) verteilten Edelmetalls, das einen elektrisch leitfähigen Kontakt mit der Nicht-Edelmetallelektrode
(3) bildet, wobei das Edelmetall-Muster (2; 4) einen ausgewählten, zur Erzielung eines
hinreichend niedrigen Kontaktwiderstandes ausreichenden Teil der Gesamtfläche der Nicht-Edelmetallelektrode
(3) bedeckt
2. Metalloxid-Varistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nicht-Edelmetall wenigstens
ein Material aus der Gruppe Nickel, Aluminium und Chrom umfaßt
3. Metalloxid-Varistor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetall-Muster
(2; 4) wenigstens ein Material aus der Gruppe Silber, Platin, Palladium und Gold umfaßt
4. Metalloxid-Varistor nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetallmuster
(2) ein durch sich schneidende Streifen des Edelmetalls gebildetes Gitter aufweist
5. Metalloxid-Varistor nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadu/.h gekennzeichnet, daß das Edelmetallmuster
(4) eine Reihe diskreter Edelmetallbereiche aufweist.
6. Verfahren zur Herstellung rines Metalloxid-Varistors
nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
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