DE3917570A1 - Elektrisches keramisches bauelement, insbesondere kaltleiter, mit hoher elektrischer ueberschlagsfestigkeit im elektrodenfreien bereich und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches keramisches Bauelement, insbesondere Kaltleiter, mit hoher elektrischer Über­ schlagsfestigkeit im elektrodenfreien Bereich.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelementes, bei dem Ausgangsmaterialien, insbe­ sondere Schwermetalloxide und Dotierungsstoffe, gemischt, ge­ mahlen, je nach Verwendung in verschiedene Formen verpreßt werden und der Preßling danach gesintert und kontaktiert wird.

Keramische Bauelemente im Sinne der Erfindung sind nichtlinea­ re Widerstände, also Kaltleiter, Heißleiter (PTC- bzw. NTC-Wi­ derstände) und Varistoren. Widerstände der vorgenannten Art wei­ sen zum Teil eine unbefriedigende elektrische Überschlagsfestig­ keit auf. Beim Betrieb derartiger Widerstände können kurzzeitige Überspannungen bis ca. 5 kV am Bauelement auftreten, beispiels­ weise in stark gestörten Netzen, oder aufgrund von Schaltvorgän­ gen. Oft treten in solchen Fällen am Rande der Bauelemente Über­ schläge auf, die infolge des Kontaktbrennens, bei dem die Kon­ taktierungsschichten verschmoren, das Bauelement gebrauchsun­ fähig machen können. Außerdem können die Folgeströme der elek­ trischen Entladung andere Bauelemente einer elektronischen Schaltung in Mitleidenschaft ziehen.

Bisher gab es prinzipiell die Möglichkeit, die elektrische Über­ schlagsfestigkeit durch eine Erhöhung der Dicke des Bauelementes zu vergrößern. In der Praxis ist dies jedoch kein gangbarer Weg, da sich mit der Dicke des Bauelementes auch wesentliche Eigen­ schaften desselben, beispielsweise seine Schaltzeit, sein Wider­ stand oder seine elektrische Belastbarkeit ändern.

Es ist schon seit langem bekannt, und für den Fall eines Vari­ stors beispielsweise in der US-PS 41 48 135 beschrieben, ein keramisches Bauelement mit einer isolierenden Schicht zu um­ manteln, um Überschläge zu verhindern. Eine derartige Schicht kann beispielsweise aus einem keramischen Schlicker, oder aus einem Kunststoff, z. B. einer Silikonpaste bestehen. Nach dem Sintern, bzw. nach dem Aushärten der Kunststoffschicht sind Um­ hüllung und Bauelement fest verbunden.

Jede Umhülltechnik impliziert jedoch notwendig das Auftreten von Sprüngen in den Materialeigenschaften des umhüllten Bauelemen­ tes. Insbesondere können sich die unterschiedlichen Ausdehnungs­ koeffizienten und Wärmeleitfähigkeiten des keramischen Bauele­ mentes und des bauelemente-fremden Materials nachteilig auswir­ ken. Ferner wird bei bestimmten für die Umhüllung verwendeten Materialien die im Bauelement entstehende Wärme schlecht abge­ führt, wodurch die Umhüllung schmelzen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein keramisches Bauelement und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, das aufgrund einer hochohmigen Oberflächenschicht eine verbesserte elektrische Überschlagsfestigkeit aufweist, das aber die mit dem Aufbringen einer bauelemente-fremden Schicht verbundenen Nachteile vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das keramische Bauelement der ein­ gangs angegebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflä­ chenschicht im elektrodenfreien Bereich überdotiert ist.

Das Verfahren der eingangs angegebenen Art zur Herstellung eines solchen keramischen Bauelementes ist erfindungsgemäß dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Preßling vor dem Sintern in eine wäßrige Lösung eines zur Überdotierung vorgesehenen Dotierungsstoffes getaucht und die überdotierte Oberflächenschicht im Bereich der Elektroden abgetragen wird.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß durch Überdotierung der Oberflächenschicht des keramischen Bauelementes ein stetiger Übergang vom elektrisch aktiven Innenbereich zur hoch­ ohmigen Oberflächenschicht erfolgt. Dadurch treten keine Sprünge in den Materialeigenschaften auf, wie es bei jeder Umhülltechnik der Fall ist.

Für PTC-Widerstände ist es zwar bekannt und wird z. B. in dem Buch von Heywang, "Amorphe und polykristalline Halbleiter", Ka­ pitel 4.2.3 erwähnt, daß es bei zu hoher Konzentration des zur Grundleitfähigkeit des PTC-Materials notwendigen Dotierungsstof­ fes zu einem abrupten Abfall der Leitfähigkeit der Keramik kom­ men kann. Diese Erkenntnis wurde bisher aber nicht positiv ge­ nutzt. Außerdem muß der zur Überdotierung nach der Erfindung verwendete Dotierungsstoff keineswegs mit dem für die Grundleit­ fähigkeit notwendigen Dotierungsstoff identisch sein. Anderer­ seits eignet sich nicht jeder der bekannten Dotierungsstoffe für eine auf den Randbereich der Keramik beschränkte Überdotierung. Diffundiert nämlich der dafür eingesetzte Dotierungsstoff zu rasch, so wird der gesamte PTC-Widerstand hochohmig.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ge­ kennzeichnet.

Bei der Herstellung der hochohmigen Randschicht eines PTC-Ele­ mentes geht man vorteilhafterweise folgendermaßen vor:

Zunächst werden Mischungen von Bariumkarbonat, Strontium- und Titanoxyden und anderen Materialien, deren Zusammensetzung die gewünschten elektrischen Eigenschaften ergeben, gemahlen und beispielsweise in Scheibenform verpreßt. Diese PTC-Rohlinge aus Bariumtitanat werden sodann für ca. 1 sec in eine mit Wasser verdünnte Yttriumchloridlösung getaucht. Während der Tauchphase wird die wäßrige Lösung vom Bauelement teilweise aufgesaugt. Nach der Tauchphase ist das Bauelement nach wenigen Sekunden wieder oberflächlich trocken und kann wie üblich zum Sintern weitergeleitet werden. Als Alternative zum Tauchbad kann die Lösung auch mittels feiner Düsen auf den Kaltleiter gespritzt werden.

Die Dicke der hochohmigen Randschicht kann über die Konzentra­ tion der Lösung, die Preßdichte des PTC-Rohlings und die Tauch­ zeit eingestellt werden. In den durchgeführten Versuchen hat sich eine Dicke von etwa 0,2 mm als besonders vorteilhaft heraus­ gestellt. Es bietet sich an, für den Prozeß der Überdotierung das bei der Herstellung von PTC-Elementen übliche Dotierungs­ element Yttrium zu verwenden. Es ist jedoch auch möglich, die hochohmige Randschicht mittels einer Mangansulfatlösung herzu­ stellen, jedoch muß deren Konzentration wesentlich niedrigerer sein als bei Yttriumchlorid, da andernfalls das PTC-Element insgesamt hochohmig würde.

Die beobachtete Wirkung der Überdotierung beruht auf dem Ein­ fluß der Dotierungssubstanzen auf das Kornwachstum im kerami­ schen Material während des Sinterprozesses. Tatsächlich haben Untersuchungen an erfindungsgemäß hergestellten PTC-Elementen ergeben, daß durch die Überdotierung die Korngröße verringert wird.

Wird die Überdotierung wie beschrieben durch ein Tauchbad er­ zeugt, ist es notwendig, die hochohmige Oberflächenschicht an den Stirnkontaktschichten durch einen Läppvorgang zu entfernen. Dies bringt jedoch keinen zusätzlichen Aufwand mit sich, da ein derartiger Läppvorgang vor dem Kontaktieren des PTC-Elementes auf jeden Fall zu erfolgen hat. Selbstverständlich ist es auch möglich, die hochohmige Oberflächenschicht nicht nur im Hinblick auf Überspannungen, sondern als integrierte Isolationsschicht, d. h. als Zwischenisolierung beim normalen Betrieb mehrere PTC- Elemente zu verwenden.

Claims (7)

1. Elektrisches keramisches Bauelement, insbesondere Kaltleiter, mit hoher elektrischer Überschlagsfestigkeit im elektrodenfreien Bereich dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht im elektrodenfreien Bereich über­ dotiert ist.

2. Keramisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch wirksame Überdotierung nur in der Oberflä­ chenschicht des Bauelementes vorhanden ist, deren Dotierungs­ grad in Richtung des Bauelementeinneren abnimmt.

3. Keramisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrodenfreie Oberflächenschicht mit Yttrium überdo­ tiert ist.

4. Keramisches Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Oberflächenschicht weniger als etwa 1 mm, insbesondere 0,2 mm beträgt.

5. Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelementes nach Anspruch 1, bei dem Ausgangsmaterialien, insbesondere Schwerme­ talloxide und Dotierungsstoffe, gemischt, gemahlen, je nach Ver­ wendung in verschiedene Formen verpreßt werden, und der Preßling gesintert und kontaktiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßling vor dem Sintern in eine wäßrige Lösung eines zur Überdotierung vorgesehenen Dotierungsstoffes getaucht und die überdotierte Oberflächenschicht im Bereich der Elektroden abgetragen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungsstoff Yttriumchlorid verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßling etwa 1 sec in eine wäßrige Lösung aus Yttrium­ chlorid getaucht und nach dem Trocknen zum Sintern weiterge­ leitet wird.