ES2305428T3 - Electroceramica metalizada irradiada por laser. - Google Patents
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Abstract
Un método para la producción de un componente electrocerámico (1), en el que sobre al menos una parte de la superficie (5; 6) de un cuerpo de electrocerámica sinterizado (2) se aplica una metalización (3; 4), caracterizado porque antes de la aplicación de la metalización (3; 4), la parte de la superficie (5; 6) se irradia con luz láser (L).
Description
Electrocerámica metalizada irradiada con
láser.
La invención se refiere al ámbito de la técnica
electrónica, particularmente a componentes electrocerámicos como,
por ejemplo, varistores. Se refiere a un método para la producción
de un componente electrocerámico de acuerdo con el preámbulo de la
reivindicación 1.
Los componentes electrocerámicos son componentes
cerámicos que se pueden contactar eléctricamente y que se pueden
someter a una tensión eléctrica para cumplir una función eléctrica,
electromecánica o similar. Su componente esencial es una
electrocerámica. Son ejemplos de componentes electrocerámicos
componentes superconductores de alta temperatura, componentes
piezocristalinos, condensadores cerámicos, posistores y termistores,
resistencias cerámicas, sensores de gas cerámicos y varistores.
Estos últimos se detallarán a continuación.
Los varistores son componentes electrocerámicos
con una curva característica de corriente-tensión no
lineal que se utilizan sobre todo como descargadores en el ámbito
de media tensión-alta tensión, sin embargo, también
de baja tensión. Se utilizan preferiblemente varistores de óxido
metálico que se basan en cerámicas de varistor sinterizadas, a modo
de ejemplo, basadas en ZnO dotado. Para la puesta en contacto, tales
y otras electrocerámicas se proporcionan generalmente con dos (o
más) electrodos metálicos, donde los contactos tienen que presentar
una baja resistencia de transición y una gran capacidad de llevar
corriente. Adicionalmente requiere una fuerte adhesión de la capa
metálica sobre la superficie cerámica para garantizar un contacto
seguro y mecánicamente estable.
En el documento US 6.169.038 se describe un
método para hacer rugosa una superficie de un semiconductor, en el
que se decapa la superficie con un ácido. Por el proceso de decapado
se puede generar una microrrugosidad de la superficie. Si una
superficie que se ha hecho rugosa de tal modo se provee de una
metalización, se obtiene debido a la microrrugosidad un fuerte
engranaje entre el semiconductor y la capa metálica, de tal forma
que se consigue una buena adherencia entre la capa metálica y la
superficie semiconductora. Se usan métodos de decapado similares en
la producción de varistores y otros componentes
electrocerámicos.
En tales métodos de decapado se obtienen
residuos químicos que se tienen que desechar y durante la
realización de tales métodos, debido a la peligrosidad de los
agentes químicos utilizados, se tienen que cumplir medidas de
seguridad complejas.
Por lo tanto, es objetivo de la invención
proporcionar un método del tipo que se ha mencionado al principio
que no presente las desventajas que se han mencionado anteriormente.
Mediante el método de acuerdo con la invención se debe posibilitar
particularmente una metalización segura y respetuosa con el medio
ambiente de una electrocerámica.
Este objetivo se resuelve con un método con las
características de la reivindicación 1.
Adicionalmente se reivindica en la
reivindicación 17 un uso de luz láser.
En el método de acuerdo con la invención para la
producción de un componente electrocerámico se aplica una
metalización sobre al menos una parte de superficie de un cuerpo de
electrocerámica sinterizado. El método se caracteriza porque antes
de la aplicación de la metalización se irradia una parte de la
superficie con luz láser.
De este modo se pueden sustituir otros métodos
para el procesamiento de la parte de superficie como decapado,
abrasión, chorro de arena o métodos con desprendimiento de virutas
por la irradiación mediante luz láser, que es un método respetuoso
con el medio ambiente y rápido. Adicionalmente, por la radiación con
láser se puede generar una naturaleza particularmente ventajosa de
la parte de la superficie.
Una ventaja adicional significativa de la
irradiación con láser es que la forma de la parte de la superficie
(que se tiene que metalizar) se puede seleccionar de forma sencilla
y prácticamente sin limitaciones. En métodos de química húmeda, a
modo de ejemplo, se tienen que aplicar máscaras en el cuerpo de
electrocerámica para eliminar partes de la superficie del cuerpo de
electrocerámica antes del tratamiento. Durante la irradiación con
láser, el rayo láser se puede dirigir de tal forma de manera
sencilla que solamente se irradie la parte de la superficie que se
tiene que metalizar. De este modo se pueden generar de forma
sencilla metalizaciones (electrodos) que cubren una superficie
definida, una parte definida, del cuerpo de electrocerámica.
Particularmente cuando por el tratamiento con
láser se aumenta la adherencia de la metalización sobre el cuerpo
de electrocerámica, se pueden conseguir formas de electrodos bien
definidas particularmente incluso con métodos de metalización que,
al menos sin un uso de máscaras, no permiten una metalización bien
delimitable a una zona de superficie limitada (por ejemplo,
deposito de metal desde la fase gaseosa o deposito de metal
electroquímico). En las zonas de la superficie no irradiadas con
láser, la adherencia del metal depositado es entonces menor que
sobre la parte de la superficie, de tal forma que el metal en ese
lugar se puede retirar de forma sencilla del cuerpo de
electrocerámica, a modo de ejemplo, por cepillado. O la adherencia
del metal sobre las zonas de la superficie no irradiadas con láser
es tan pequeña que en ese lugar no se produce depósito, es decir,
no se produce ninguna metalización.
Particularmente cuando el cuerpo de
electrocerámica presenta dos superficies externas, que están
separadas entre sí por al menos un canto, donde cada una de estas
dos superficies externas se tiene que proveer de al menos una
metalización (electrodo) y donde se prevé aplicar entre estos dos
electrodos una tensión, la facilidad de generación de partes de
superficie definidas que se tienen que metalizar es ventajosa.
Entonces, de hecho, se puede seleccionar al menos una de las partes
de la superficie de tal forma (y metalizar) que esté separada con
respecto al canto. Entonces existe al menos un borde dispuesto entre
el canto y la parte de superficie. De este modo disminuye la
probabilidad de una descarga eléctrica de un electrodo al otro con
respecto al caso de que la metalización se extendiese hasta el
canto. Preferiblemente, las dos metalizaciones (electrodos)
presentan un borde.
Una mejora adicional de la resistencia a
descarga se consigue cuando por la irradiación con láser en la parte
de superficie se retira material de la electrocerámica y cuando el
cuerpo de electrocerámica, después de la irradiación con láser,
presenta un borde que delimita con la parte de superficie, borde que
no se irradia o se irradia menos que la parte de la superficie con
la luz láser. Después de la irradiación con láser, entonces, un
borde no irradiado con láser (o menos irradiado) limita con la parte
de la superficie que está elevada con respecto a la parte de la
superficie. El borde sobresale de la parte de la superficie y puede
disminuir la probabilidad de descargas eléctricas por encima del
borde, particularmente cuando la metalización también es
sobrepasada por el borde.
Con respecto a otros métodos para la preparación
de la parte de la superficie para la metalización, la irradiación
con láser puede tener la ventaja de que de forma sencilla no
solamente se pueden procesar superficies llanas (planas), sino
también curvadas, a modo de ejemplo, una superficie sobre una
cubierta de cilindro.
De forma particularmente ventajosa, la parte de
la superficie, para hacer que la parte de la superficie sea rugosa,
se puede irradiar con la luz láser. Una producción de rugosidad tal
sirve para un anclaje particularmente bueno de la metalización
sobre el cuerpo de electrocerámica. Las rugosidades obtenidas de
este modo presentan extensiones laterales de típicamente entre 0,1
\mum y 50 \mum, la mayoría de las veces entre 2 \mum y 20
\mum y extensiones verticales de típicamente entre 0,1 \mum y 10
\mum, la mayoría de las veces entre 0,3 \mum y 5 \mum. Se
puede conseguir una adherencia particularmente buena y resistencia a
desprendimiento de la metalización. Se consigue una mayor
rugosidad.
Ventajosamente, la parte de la superficie, antes
de la aplicación de la metalización se irradia con la luz láser
para mejorar la adherencia de la metalización por modificación de la
naturaleza química de la parte de la superficie. De forma similar
al método de decapado, por una irradiación con láser se puede
modificar la composición química de la superficie del cuerpo de
electrocerámica, a modo de ejemplo, por modificación de la
estequiometría de óxidos en la superficie. Por la composición
química modificada de la parte de la superficie se puede continuar
mejorando la adherencia de la metalización.
De forma muy ventajosa, la parte de la
superficie se puede irradiar con la luz láser para aumentar la
conductividad transversal eléctrica de la parte de la
superficie.
La superficie de un cuerpo de electrocerámica
sinterizado tiene al menos esencialmente las mismas características
eléctricas que el volumen del cuerpo de electrocerámica sinterizado.
Sin embargo, para una baja resistencia de contacto a menudo se
desea una mayor conductividad transversal. La conductividad
transversal, que se obtiene a partir de la relación
corriente-tensión en el caso de dos electrodos
aplicados sobre la parte de la superficie de forma separada, se
puede disminuir claramente por la irradiación con láser,
particularmente varios órdenes de magnitud.
En el caso de un varistor hay una resistencia
eléctrica muy elevada particularmente con tensiones por debajo de
la tensión de conmutación del varistor (tensión de ruptura). La
conductividad transversal, que se obtiene a partir de la relación
corriente-tensión en el caso de dos electrodos
aplicados de forma separada sobre la parte de la superficie, se
puede disminuir claramente por la irradiación con láser,
particularmente al menos uno o dos o hasta al menos de 7 a 9
órdenes de magnitud, dependiendo de la tensión aplicada en el
varistor. Para la conductividad transversal solamente es importante
una zona delgada de la superficie.
De este modo se consigue una baja resistencia de
transferencia de la metalización al cuerpo de electrocerámica
(cuerpo del varistor). La electrocerámica (el varistor) presenta por
tanto características eléctricas más adecuadas y una facilidad de
contacto mejorada. La resistencia de contacto se puede disminuir
claramente.
La mayoría de las veces, la parte de la
superficie presenta una ondulación después de la sinterización del
cuerpo cerámico. Es decir, la parte de la superficie presenta
deformaciones. Tales ondulaciones o deformaciones presentan
extensiones laterales de típicamente entre 50 \mum y 30 mm, la
mayoría de las veces entre 100 \mum y 10 mm y extensiones
verticales de típicamente entre 5 \mum y 500 \mum, la mayoría de
las veces entre 10 y 200 \mum. Por la irradiación con la luz
láser antes de la aplicación de la metalización se puede disminuir
esta ondulación de la parte de la superficie, es decir, la extensión
vertical de las desigualdades u ondulaciones disminuye. La parte de
la superficie se alisa.
\newpage
De este modo se consiguen características
eléctricas y mecánicas mejoradas del componente electrocerámico, ya
que se consigue una distribución más homogénea del campo eléctrico,
del flujo de corriente y de cargas mecánicas (de presión).
A modo de ejemplo, los varistores se contactan a
menudo con gran presión mecánica: sobre dos metalizaciones
aplicadas ventajosamente sobre lados diametralmente opuestos entre
sí del varistor se comprime respectivamente una placa de contacto,
típicamente de aluminio, para garantizar un buen contacto eléctrico.
Si ahora la ondulación (antes de la irradiación con láser) es
grande, habrá un contacto mecánico y eléctrico entre la placa de
contacto y la metalización solamente en relativamente pocos puntos
de contacto y relativamente separados sobre la parte de la
superficie. De este modo, con la presión de compresión de las placas
de contacto, se obtiene una aplicación de fuerza muy heterogénea en
el cuerpo del varistor (cuerpo de electrocerámica). Además se
producen con golpes de corriente (pulsos de corriente) golpes de
presión (ondas de presión mecánicas) en los puntos de contacto que
son mayores cuantos menos puntos de contacto existan. Y además, los
golpes de corriente conducen a calentamiento local en los puntos de
contacto. Cada uno de los tres fenómenos mencionados conduce
generalmente de forma rápida a la configuración de grietas en la
cerámica. Las grietas la mayoría de las veces están próximas a la
superficie y tienen su punto de partida generalmente cerca de los
(pocos) puntos de contacto. Tales grietas degradan el contacto
eléctrico y mecánico entre la metalización y la cerámica así como el
cuerpo del varistor. Si la cerámica se irradia antes de la
aplicación de la metalización de forma adecuada con luz láser se
puede disminuir claramente la ondulación (sobre todo en su
dimensión vertical), de tal forma que se presenta un número y una
densidad claramente mayores de puntos de contacto. De forma
correspondiente, el uso de radiación con láser para el tratamiento
previo de una cerámica de varistor/una electrocerámica para la
aplicación de una metalización puede prolongar claramente la vida
útil del varistor/del componente electrocerámico. Se consigue una
distribución homogénea de la corriente y una distribución homogénea
de la presión a lo largo de toda la parte de la superficie
metalizada. Por la irradiación con láser antes de la metalización se
resuelven problemas análogos en el caso de otras
electrocerámicas.
En una variante particularmente preferida del
método de producción se utiliza como luz láser un rayo láser
focalizado. Particularmente se irradia la parte de la superficie
antes de la aplicación de la metalización para la disminución de la
ondulación de la parte de la superficie con un rayo láser
focalizado, por lo que se consigue un aplanamiento particularmente
bueno y eficaz de la parte de la superficie. La densidad energética
del rayo láser se puede maximizar de este modo cerca de la
superficie del cuerpo de electrocerámica, mientras que más en el
interior del cuerpo cerámico (por debajo de la superficie) se
presenta una menor densidad energética y, por tanto, una menor
influencia del material cerámico. Particularmente se focaliza el
rayo láser sobre una superficie que se dispone paralela con
respecto a una superficie que homogeniza la ondulación de la parte
de la superficie. De este modo se consigue un aplanamiento
particularmente bueno y, por tanto, una ondulación particularmente
reducida de la parte de la superficie.
Una realización particularmente preferida
adicional se caracteriza por que una energía depositada mediante el
rayo láser por unidad de superficie en la parte de la superficie se
selecciona para el aplanamiento de una parte de la superficie
curvada antes de la irradiación con láser dependiendo del sitio
sobre la parte de la superficie. De este modo se puede dirigir.
Cuando la energía depositada mediante el rayo láser por unidad de
superficie en la parte de la superficie se tiene que seleccionar
dependiendo del sitio sobre la parte de la superficie, esto se
puede realizar de forma ventajosa seleccionando una potencia de luz
del rayo láser y/o un diámetro de rayo del rayo láser y/o la
superficie irradiada por unidad de tiempo por el rayo láser y/o una
cantidad de irradiaciones a las que expone una superficie parcial de
la parte de la superficie dependiendo del sitio sobre la parte de
la superficie.
De este modo se pueden eliminar o al menos
disminuir claramente desviaciones no deseadas de forma con una
extensión vertical del orden de magnitud de típicamente 0,1 mm a 3
mm. El rayo láser se puede conducir entonces, por ejemplo, varias
veces sobre zonas que se tienen que aplanar y/o conducir en zonas
que se tienen que aplanar con líneas de retícula más próximas y/o
se puede explorar las líneas de la retícula de forma más lenta y/o
con una mayor intensidad de luz. Antes de la irradiación con láser o
durante la irradiación con láser de forma ventajosa se mide la
cerámica para determinar la magnitud de la desviación de forma y la
intensidad de láser requerida de forma correspondiente. Se consigue
una retirada de material dependiendo del lugar en la parte de la
superficie. Particularmente también se pueden corregir mayores
ondulaciones o desviaciones de forma de lo que permitía la
utilización de un rayo láser focalizado sin velocidad de retirada
dependiente del sitio.
En una realización ventajosa adicional de la
invención, el cuerpo de electrocerámica presenta una estructura
granular y la parte de la superficie comprende granos y/o uniones de
granos del cuerpo de electrocerámica y/o grietas en la estructura
granular comprenden granos y/o uniones de granos del cuerpo de
electrocerámica. La parte de la superficie, antes de la aplicación
de la metalización se irradia con luz láser para la eliminación de
tales granos y/o uniones de granos. Las dimensiones lineales típicas
de tales granos en varistores se sitúan entre 10 \mum y varios
100 \mum.
Por un procesamiento mecánico de las partes de
la superficie (por ejemplo, por corte, lijado o cepillado) se
pueden incluir defectos como grietas en el cuerpo cerámico,
particularmente en las capas de grano superiores. La capa superior
de una parte de superficie se compone entonces a menudo de una unión
de granos sueltos, por lo que disminuye la adherencia de la
metalización. Tales granos o uniones de granos sueltos o dispuestos
en grietas se pueden retirar mediante la radiación con láser, de
tal forma que se consigue un buen contacto eléctrico y mecánico
homogéneo (gran resistencia a tracción) entre la cerámica y la
metalización.
\newpage
Típicamente se coloca un cuerpo de
electrocerámica durante la sinterización con al menos una parte de
la parte de la superficie sobre una base de sinterización. Puede
suceder que los componentes de la base de sinterización, después de
la finalización del proceso de sinterización, permanezcan en la
parte de la superficie. Ventajosamente, por la irradiación de la
parte de la superficie con luz láser antes de la aplicación de la
metalización se pueden retirar tales componentes de la base de
sinterización. De este modo se consigue una naturaleza homogénea de
la parte de la superficie que carece de tales diferencias locales en
las características eléctricas provocadas por tales componentes de
la base de sinterización.
Antes o después de la aplicación de la
metalización, el cuerpo de electrocerámica se puede proveer al menos
parcialmente de una capa de pasivación no conductora. Si se aplica
una capa de pasivación de este tipo antes de la aplicación de la
metalización, puede ocurrir que partes de la capa de pasivación se
sitúen sobre la parte de la superficie. En este caso, la parte de
la superficie se irradia preferiblemente antes de la aplicación de
la metalización para la retirada de tales partes situadas sobre la
parte de la superficie de la capa de pasivación. Se evitan
resistencias de transferencia grandes y heterogéneas entre la
metalización y el cuerpo de electrocerámica que se producirían
debido a tales partes de la capa de pasivación, de tal forma que se
consiguen características eléctricas uniformes y bajas resistencias
entre la metalización y el cuerpo de electrocerámica.
El componente electrocerámico puede ser, a modo
de ejemplo, un varistor o un componente superconductor de alta
temperatura o un componente piezocerámico o un condensador cerámico
o un termistor o un posistor o una resistencia cerámica o un sensor
de gas cerámico.
Si el componente electrocerámico es un varistor
y el cuerpo de electrocerámica es un cuerpo de varistor, el cuerpo
de varistor es preferiblemente una cerámica de óxido de metal
sinterizada dotada, preferiblemente basada en ZnO, SnO_{2},
SrTiO_{3} o TiO_{2} o una cerámica de carburo dotada, a modo de
ejemplo, SiC.
Cuando el cuerpo cerámico es un cuerpo de
varistor, de forma muy ventajosa se puede irradiar con láser la
parte de la superficie de un cuerpo de varistor para la disminución
de una dependencia de tensión de la conductividad transversal de la
parte de la superficie. Particularmente se puede transformar una
dependencia de tensión a modo de varistor presente antes de la
irradiación con láser de la conductividad transversal en una curva
característica (prácticamente) óhmica.
La superficie de un cuerpo cerámico sinterizado
tiene generalmente esencialmente las mismas características
eléctricas que el volumen del cuerpo cerámico sinterizado. Por
tanto, se presenta una curva característica de
corriente-tensión fuertemente no lineal con una gran
resistencia eléctrica con tensiones por debajo de la tensión de
conmutación (tensión de ruptura) del varistor. La gran dependencia
de tensión de la conductividad transversal de la parte de la
superficie de este modo se puede continuar disminuyendo de tal forma
que se presenta una curva característica esencialmente lineal, es
decir, óhmica. En vez de una dependencia a modo de varistor,
fuertemente no lineal de una corriente que fluye por una parte de la
superficie de una tensión aplicada, después de la irradiación con
láser hay una característica esencialmente óhmica de la
conductividad transversal (en una zona de la superficie delgada).
El varistor presenta de este modo características eléctricas más
adecuadas y una capacidad de contacto mejorada.
En una realización preferida adicional, el
cuerpo de electrocerámica se forma esencialmente cilíndrico, con
forma de disco o con forma de placa, donde sobre las dos superficies
de delimitación paralelas entre sí del cilindro o del disco o de la
placa se dispone respectivamente una parte de superficie, dos partes
de la superficie sobre las que se aplica respectivamente una
metalización. La aplicación de la metalización se realiza
preferiblemente por pulverización térmica.
En una realización preferida adicional, el
cuerpo de electrocerámica es sustancialmente tubular o cilíndrico,
donde se aplica respectivamente una metalización sobre dos partes de
la superficie separadas axialmente entre sí, esencialmente
anulares, dispuestas en la superficie de cubierta externa del tubo o
del cilindro. La aplicación de la metalización se realiza
preferiblemente por pulverización térmica.
En el uso de acuerdo con la invención de luz
láser se usa la misma como tratamiento previo para la aplicación de
una metalización sobre una electrocerámica, particularmente sobre
una cerámica de varistor.
Se obtiene realizaciones preferidas adicionales
y ventajas a partir de las reivindicaciones dependientes y de las
figuras.
A continuación se explica con más detalle el
objeto de la invención mediante ejemplos de realización preferidos,
que se ilustran en los dibujos adjuntos. Se muestra de forma
esquemática:
En la Figura 1, un corte por un varistor de
acuerdo con la invención;
En la Figura 2, una parte de la superficie antes
de la irradiación con luz láser;
En la Figura 3, una parte de la superficie
después de la irradiación con luz láser;
En la Figura 4, curvas características de
corriente-tensión de partes de la superficie
irradiadas con láser y no irradiadas con láser de un varistor,
En la Figura 5, un corte por un varistor con
forma de disco de acuerdo con la invención con superficies
parcialmente metalizadas;
En la Figura 6, una vista tridimensional de una
electrocerámica tubular con dos electrodos anulares.
Las referencias usadas en los dibujos y su
significado se enumeran en la lista de referencias de forma
resumida. Básicamente, las partes iguales o con la misma acción de
las figuras se indican con las mismas referencias. Los ejemplos de
realización descritos están a modo de ejemplo para el objeto de la
invención y no tienen un efecto limitante.
La Figura 1 muestra de forma esquemática un
corte por un varistor 1 producido de acuerdo con la invención como
un ejemplo de un componente electrocerámico. El varistor se forma
esencialmente de forma cilíndrica y comprende un cuerpo de varistor
2. La superficie de tapa y fondo del cilindro forman partes de
superficie 5 ó 6 que están provistas de metalizaciones 3 ó 4. La
superficie periférica cilíndrica no metalizada está provista de una
capa de pasivación 7.
El varistor 1 se usa preferiblemente para la
protección contra sobretensión en el ámbito de alta tensión, media
tensión o incluso baja tensión. Los antecedentes generales con
respecto al tema varistores y los materiales utilizados
preferiblemente se pueden obtener, a modo de ejemplo, del libro
"Ceramic Transaction", Vol. 3, Editor: L. M. Levinson,
American Ceramic Society, 1988 o de la publicación D. R. Clarke,
Varistor Ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 82 (1999), págs.
485-502. La publicación que se ha mencionado en
último lugar se incluye de este modo en su totalidad en la
descripción. Los antecedentes generales con respecto al tema de
electrocerámicas y los materiales utilizados preferiblemente se
pueden obtener, a modo de ejemplo, del libro "Ceramic Materials
for Electronics", Editor: Relva C. Buchanan, Electrical
Engineering and Eletronics/31, 1986.
El cuerpo del varistor 2 es una cerámica
sinterizada, preferiblemente basada en un óxido de metal,
particularmente ZnO. Además del óxido de metal de base, el cuerpo
del varistor 2 contiene como dotación elementos adicionales, a modo
ejemplo, Bi, Sb, Co, Mn, Cr. Preferiblemente, el cuerpo del varistor
2 está configurado como una pieza.
Las metalizaciones 3, 4 sirven para la puesta en
contacto del cuerpo del varistor 2 y forman, por lo tanto,
electrodos 3, 4. Las metalizaciones 3, 4 deben presentar una mayor
capacidad de llevar corriente y una baja resistencia de transición
con la cerámica 2. Además deben presentar una buena adherencia con
la cerámica (gran resistencia a tracción). Las metalizaciones 3, 4
son preferiblemente de Al, Zn, Cu, Ag o aleaciones como, a modo de
ejemplo, latón.
Las metalizaciones 3, 4 se aplican sobre las
partes de la superficie 5 ó 6. En la Figura 1, las partes de la
superficie 5, 6 se corresponden a la superficie de fondo o tapa del
cuerpo cilíndrico del varistor 2. Sin embargo, también pueden ser
mayores y contener las superficies de fondo o tapa o también pueden
ser menores y, en un caso dado, estar contenidas en la superficie
de fondo o tapa. En la Figura 1 se disponen las metalizaciones 3, 4
completamente sobre las patas de la superficie 5, 6.
La capa de pasivación 7 es no conductora y
preferiblemente vítrea, cerámica o un polímero.
Para la producción del varistor 1, los
componentes de la cerámica de varistor 2 se mezclan en forma de
polvo, se comprimen y después se sinterizan colocados sobre una
base de sinterización a temperaturas de típicamente entre 900ºC y
1500ºC. Después se puede realizar una limpieza general mecánica de
la cerámica de varistor 2, a modo de ejemplo, por cepillado.
La superficie de una cerámica sinterizada 2
producida de este modo después se irradia completamente o
preferiblemente de forma parcial con radiación láser. En el caso
del varistor 1 representado en la Figura 1 se tratan las
superficies de fondo y tapa completamente con láser.
Preferiblemente, el rayo láser se conduce a modo de retícula sobre
la superficie que se tiene que irradiar. Son parámetros preferidos
para la irradiación con láser:
- -
- longitud de onda de luz de 600 nm a 14000 nm, preferiblemente de 900 nm a 1200 nm, particularmente de 1064 nm (láser Nd:YAG) o 10600 nm (láser de CO_{2}).
- -
- rayo pulsado, frecuencia de pulso entre 500 Hz y 80 kHz, preferiblemente de 5 kHz a 20 kHz (también es posible funcionamiento con oc)
- -
- potencia media del láser entre 60 W y 200 W, preferiblemente entre 80 W y 200 W
- -
- índice de irradiación de la superficie: 0,1 cm^{2}/s a 20 cm^{2}/s, preferiblemente de 0,5 cm^{2} a 4 cm^{2}/s.
Preferiblemente, cada segmento de superficie
solamente se irradia una vez, sin embargo también es posible y
puede ser ventajoso irradiar dos veces o varias veces el mismo
segmento de superficie.
Ya que la zona irradiada con láser (zona de
exploración) se puede controlar de forma electrónica o asistida por
ordenador, también se pueden generar geometrías complejas y procesar
cuerpos de varistor formados de manera compleja. A modo de ejemplo
se pueden realizar electrodos formados de manera rectangular y
electrodos sobre una superficie de cubierta de un cuerpo de
varistor tubular o cilíndrico, que se extienden, a modo de ejemplo,
a lo largo de una periferia del cuerpo del varistor (véase, por
ejemplo, la Figura 6).
Preferiblemente se usa un rayo láser focalizado.
Las distancias de focalización típicas se sitúan entre 10 mm y 800
mm, preferiblemente entre 50 mm y 250 mm.
La Figura 2 muestra de forma esquemática un
corte por un cuerpo de varistor sinterizado 2 antes de la
irradiación con láser. El rayo láser L se indica con su punto focal
F. La parte de superficie representada 5 presenta una ondulación
que se basa sobre todo en impresiones de la base de sinterización.
Esta ondulación tiene típicamente una dimensión lateral \Delta
del orden de magnitud de 10 \mum hasta varios milímetros y una
dimensión vertical típica D del orden de magnitud de 10 \mum a
0,5 \mum. Se ilustra en la Figura 2 mediante la línea dibujada
delgada, que rodea la parte de superficie 5 (representada mediante
una línea gruesa) que una superficie de cuerpo de varistor
sinterizada presenta generalmente una determinada rugosidad
(microscópica).
Una superficie que homogeniza la ondulación de
la parte de la superficie 5 se indica con S en la Figura 2. En el
caso de una superficie de tapa de un cuerpo de varistor cilíndrico 2
(compárese con la Figura 1), la superficie S es una superficie
plana. Debido a la homogeneidad pretendida del campo eléctrico en el
cuerpo del varistor 2 se prefiere generalmente una forma plana de
los electrodos 3, 4, de tal forma que la superficie S es
preferiblemente plana. Es particularmente adecuado para la
disminución de la dimensión vertical de la ondulación cuando el
foco F del rayo láser L se conduce de tal forma que se sitúa siempre
en una superficie S' paralela con respecto a la superficie S. La
superficie S' se dispone ventajosamente sobre el lado de la
superficie S orientado hacia el volumen del cuerpo del varistor 2,
preferiblemente con una separación de 0,1 mm a 2 mm. Por el uso de
un rayo láser focalizado se obtiene una densidad energética y una
potencia de retirada del rayo láser dependiente de la
profundidad.
Puede suceder que después de la sinterización
permanezcan partes de la base de sinterización en la superficie del
cuerpo del varistor 2. Tales componentes de la base de sinterización
se pueden retirar por la irradiación con láser. También es posible
retirar otras contaminaciones mediante la irradiación con láser de
la superficie del cuerpo del varistor 2. Ventajosamente, antes de
la irradiación con láser todavía puede suceder una limpieza general
mecánica, a modo de ejemplo, por cepillado.
La Figura 3 muestra de forma esquemática en un
corte un recorte aumentado de una parte de la superficie 5 de
acuerdo con la Figura 2 después de la irradiación con láser.
Prácticamente se ha eliminado la ondulación. De este modo se
obtienen distribuciones de campo muy homogéneas y una distribución
de corriente uniforme. Adicionalmente, la parte de la superficie 5
presenta una rugosidad. Esta microrrugosidad tiene típicamente una
dimensión lateral del orden de magnitud de 1 \mum a 10 \mum y
una dimensión vertical del orden de magnitud 1 \mum. La
microrrugosidad provoca una buena adherencia de la metalización
sobre la parte de superficie tratada con láser 5. Las
microrrugosidades R_{a} generadas preferiblemente comprenden de 1
\mum a 4 \mum y, por tanto, son iguales o incluso claramente
superiores a las microrrugosidades comunes generadas mediante
decapado de típicamente de 1 \mum a 1,5 \mum de profundidad.
La irradiación con láser sirve sobre todo para
la preparación de la cerámica de varistor 2 para la posterior
metalización. Las metalizaciones 3, 4 se aplican preferiblemente
mediante pulverización térmica, a modo de ejemplo, pulverización
por arco eléctrico, sobre las partes de la superficie 5, 6. Para
capas metálicas aplicadas por pulverización térmica es
particularmente importante una rugosidad suficiente de la superficie
que se tiene que metalizar, ya que la adherencia es sustancialmente
mecánica y no o apenas química. También son posibles otros métodos
de metalización (métodos de recubrimiento) como, a modo de ejemplo,
PVD, bombardeo iónico, depósito electroquímico o serigrafía.
Evidentemente se puede irradiar con láser una
superficie, de la que entonces solamente se metaliza una parte (de
hecho, la parte de la superficie 5 o 6). A modo de ejemplo se puede
tratar con láser toda la superficie de fondo o de tapa, que
entonces solamente se proporcionan parcialmente con las
metalizaciones 3, 4.
Por la irradiación con láser, sin embargo,
también se puede modificar la composición química de la parte de la
superficie. De este modo se puede conseguir una adherencia mejorada
entre la metalización y el metal aplicado.
Antes o después de la aplicación de las
metalizaciones 3, 4 se aplica ventajosamente la capa de pasivación
7. Representa una capa de aislamiento. Si la capa de pasivación 7 se
aplica antes de la aplicación de las metalizaciones 3, 4, restos no
conductores, vítreos o poliméricos pueden alcanzar las partes de la
superficie 5, 6. Tales restos, que podrían conducir a
heterogeneidades del campo eléctrico y descargas eléctricas, se
pueden eliminar por irradiación con láser.
En la Figura 4 se representa curvas
características de corriente-tensión con logaritmo
doble, que se han medido mediante dos electrodos aplicados sobre
una parte de la superficie no irradiada con láser (círculos y
cuadrados) y sobre una parte de la superficie irradiada con láser
(triángulos y rombos) de un cuerpo de varistor. La tensión V
aplicada entre los electrodos se aplica contra la corriente I que
fluye entre los electrodos. La separación entre los electrodos
comprendía 3 mm para los datos representados por los cuadrados y por
los rombos. Para los puntos de medición representados por círculos
y por triángulos, la separación entre electrodos comprendía 4 mm.
En los datos medidos en las partes de la superficie no irradiadas
con láser (círculos y cuadrados) se puede observar claramente un
comportamiento de tipo varistor con una tensión de ruptura entre 800
V y 1000 V. En los datos medidos en la parte de la superficie
irradiada con láser (triángulos y rombos) se observa claramente un
comportamiento óhmico. Además, la resistencia de contacto es
claramente inferior que sin irradiación con láser. La conductividad
transversal aumenta de forma espectacular con la irradiación con
láser. En el intervalo de tensión medido, la resistencia ha
disminuido de tres a nueve órdenes de magnitud.
La Figura 5 sirve para la ilustración adicional
de la invención y muestra un varistor 1 similar al de la Figura 1.
Por este motivo se describe la Figura 5 partiendo de la Figura 1. A
diferencia del varistor 1 de la Figura 1, los electrodos 3, 4 de la
Figura 5 no ocupan toda la superficie de tapa o de fondo del
cilindro, sino solamente una parte, de tal forma que se obtiene
respectivamente un borde 9 ó 10 que delimita con las partes de la
superficie 5 y 6. Los bordes 9 ó 10 disminuyen la probabilidad de
una descarga eléctrica. Cuando las metalizaciones 3, 4, como en el
ejemplo de la Figura 1, se extendiesen hasta la superficie de
cubierta del cilindro desde la superficie de tapa o de fondo del
canto que separa el cilindro, entonces sería mucho más probable una
descarga eléctrica entre las dos metalizaciones con una tensión
aplicada que con los bordes 9, 10 de la Figura 5.
Se representa claramente que por la irradiación
con láser de las partes de la superficie 5, 6 se ha producido una
retirada de material. Los bordes 9, 10 sobresalen de las partes de
la superficie 5, 6. Las metalizaciones 3 y 4 están configuradas de
forma diversa en la Figura 6. Normalmente, sin embargo, se prefieren
más bien dos metalizaciones 3, 4 del mismo tipo.
La metalización 3 de la parte de la superficie 5
es tan gruesa que sobresale del borde 9. De este modo se produce
una capacidad de contacto más sencilla mediante una pieza de
contacto (representada) que es al menos aproximadamente del mismo
tamaño que la parte de la superficie 5.
La adhesión de la metalización 3 aumenta por la
irradiación con láser sobre la parte de la superficie 5. En el caso
de que durante la metalización algo de metal se pudiera adherir al
borde 9, se adheriría en ese lugar claramente en menor medida que
el metal sobre la parte de la superficie 5. De este modo se puede
retirar de forma sencilla metal depositado en un caso dado sobre el
borde 9, de tal forma que se produce una geometría de electrodos
definida por la irradiación con láser.
La parte de la superficie 6 está provista, a
diferencia de la parte de la superficie 5, de una metalización tan
delgada 4 que la misma es sobrepasada por el borde 10. De este modo,
el borde 10 forma una barrera (adicional) contra descargas
eléctricas.
Los métodos de decapado tienen la desventaja que
los cuerpos cerámicos se colocan en un baño de decapado y por este
motivo se decapa toda la cerámica, es decir, tanto las partes de la
superficie que se tienen que metalizar como las partes de la
superficie que no se tienen que metalizar. Esto puede influir
negativamente en las características eléctricas de la cerámica. Una
cubrición de las partes de la superficie que no se tienen que
metalizar durante el decapado es difícil y compleja. La irradiación
con láser no necesita tales máscaras.
La Figura 6 muestra un ejemplo de electrodos no
planos 3, 4. El componente electrocerámico representado 1 (a modo
de ejemplo, varistor 1 o piezocerámica 1) comprende un cuerpo
cerámico tubular 2. Los electrodos 3, 4 se disponen sobre la
superficie de cubierta externa 8 del tubo y se configuran de forma
anular rodeando la superficie de cubierta 8. Mediante la
irradiación con láser se pueden tratar estas partes de la superficie
e incluso con formas más complejas.
Básicamente, el tratamiento con láser se puede
realizar en aire o incluso o en otra atmósfera de gas (a modo de
ejemplo, N_{2}, H_{2}, O_{2}). De este modo se puede influir
en la conductividad y composición química de la parte de la
superficie irradiada.
Mediante la irradiación con láser de acuerdo con
la invención de un cuerpo de varistor, por tanto, se pueden
disminuir o eliminar desigualdades u ondulaciones de una parte de la
superficie que se tiene que metalizar del cuerpo de electrocerámica
y se puede generar una microrrugosidad así como una modificación de
la composición química de la superficie de la parte de la
superficie, que posibilitan una buena adherencia de la metalización.
Además, en cerámicas de varistor se puede generar una superficie
conductora al menos aproximadamente de forma óhmica con una gran
conductividad transversal, por la que se consigue una distribución
de corriente muy homogénea particularmente cerca de la
metalización. Adicionalmente es posible retirar restos que proceden
particularmente de la base de sinterización o de la aplicación de
una capa de pasivación. Anteriormente se han mencionado otras
acciones y realizaciones ventajosas adicionales.
- 1
- componente electrocerámico, varistor
- 2
- electrocerámica, cuerpo de electrocerámica, cerámica de varistor, cuerpo de cerámica de varistor
- 3, 4
- metalización, electrodo
- 5, 6
- partes de superficie
- 7
- capa de pasivación
- 8
- superficie de cubierta externa
- 9, 10
- borde
- d
- dimensión vertical típica de la rugosidad
- D
- dimensión vertical típica de la ondulación
- \delta
- dimensión lateral típica de la rugosidad
- \Delta
- dimensión lateral típica de la ondulación
- F
- foco del rayo láser
- L
- luz láser, rayo láser
- S, S'
- superficie.
Claims (17)
1. Un método para la producción de un componente
electrocerámico (1), en el que sobre al menos una parte de la
superficie (5; 6) de un cuerpo de electrocerámica sinterizado (2) se
aplica una metalización (3; 4), caracterizado porque antes de
la aplicación de la metalización (3; 4), la parte de la superficie
(5; 6) se irradia con luz láser (L).
2. El método de producción de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque por la irradiación con
láser, en la parte de la superficie (5; 6) se retira material de la
electrocerámica (2) y porque el cuerpo de electrocerámica (2),
después de la irradiación con láser, comprende un borde (9) que
delimita con la parte de la superficie (5; 6), borde (9) que no se
irradia o se irradia menos que la parte de la superficie (5; 6) con
la luz láser (L).
3. El método de producción de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque para hacer rugosa la
parte de la superficie (5; 6), la parte de la superficie (5; 6) se
irradia con la luz láser (L) antes de la aplicación de la
metalización (3; 4).
4. El método de producción de acuerdo con una de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para
la mejora de la adherencia de la metalización (3; 4) por
modificación de la naturaleza química de la parte de la superficie
(5; 6), la parte de la superficie (5; 6) se irradia con la luz láser
(L) antes de la aplicación de la metalización (3; 4).
5. El método de producción de acuerdo con una de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para
el aumento de la conductividad transversal eléctrica de la parte de
la superficie (5; 6), la parte de la superficie (5; 6) se irradia
con la luz láser (L) antes de la aplicación de la metalización (3;
4).
6. El método de producción de acuerdo con una de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
parte de la superficie (5; 6), después de la sinterización del
cuerpo de electrocerámica (2), presenta una ondulación y porque la
parte de la superficie (5; 6) se irradia con la luz láser (L) antes
de la aplicación de la metalización (3; 4) para la disminución de
la ondulación de la parte de la superficie (5; 6).
7. El método de producción de acuerdo con una de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque como
luz láser (L) se utiliza un rayo láser (L) focalizado, donde
particularmente la parte de la superficie (5; 6), antes de la
aplicación de la metalización (3; 4) para la disminución de una
ondulación de la parte de la superficie (5; 6) se irradia con la
luz láser (L) y el rayo láser (L) se focaliza sobre una superficie
(S'), que se dispone paralela con respecto a una superficie (S) que
homogeniza la ondulación de la parte de la superficie (5; 6).
8. El método de producción de acuerdo con una de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque una
energía depositada mediante el rayo láser (L) por unidad de
superficie en la parte de la superficie (5; 6) para aplanar una
parte de la superficie (5; 6) curvada antes de la irradiación con
láser se selecciona dependiendo del sitio sobre la parte de
superficie (5; 6).
9. El método de producción de acuerdo con una de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque una
energía depositada mediante el rayo láser (L) por unidad de
superficie en la parte de la superficie (5; 6) se selecciona
dependiendo del sitio sobre la parte de la superficie (5; 6),
seleccionando una potencia de luz del rayo láser (L) y/o un
diámetro de rayo del rayo láser (L) y/o la superficie irradiada por
unidad de tiempo por el rayo láser (L) y/o un número de
irradiaciones a las que se expone una superficie parcial de la
parte de la superficie (5; 6), dependiendo del sitio sobre la parte
de la superficie (5; 6).
10. El método de producción de acuerdo con una
de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
cuerpo de electrocerámica (2) presenta una estructura granular y
porque la parte de la superficie (5; 6) comprende granos sueltos
y/o uniones de granos del cuerpo de electrocerámica (2) y/o granos
y/o uniones de granos dispuestos en grietas en la estructura
granular del cuerpo de electrocerámica (2), donde la parte de la
superficie (5; 6) se irradia con luz láser (L) antes de la
aplicación de la metalización (3; 4), para la retirada de tales
granos y/o uniones
de grano.
de grano.
11. El método de producción de acuerdo con una
de las reivindicaciones precedentes, en el que el cuerpo de
electrocerámica (2) durante la sinterización con al menos una parte
de la parte de la superficies (5; 6) se coloca sobre una base de
sinterización, caracterizado porque la parte de la superficie
(5; 6) se irradia con luz láser (L) antes de la aplicación de la
metalización (3; 4), para la retirada de componentes de la base de
sinterización remanentes después de la sinterización en la parte de
la superficie (5; 6).
12. El método de producción de acuerdo con una
de las reivindicaciones precedentes, en el que el cuerpo de
electrocerámica (2) antes de la aplicación de la metalización (3; 4)
se provee al menos parcialmente de una capa de pasivación no
conductora (7), caracterizado porque la parte de la
superficie (5; 6) se irradia con luz láser (L) antes de la
aplicación de la metalización (3; 4) para la retirada de partes
situadas sobre la parte de la superficie (5; 6) de la capa de
pasivación (7).
13. El método de producción de acuerdo con una
de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
componente electrocerámico (1) es un varistor (1) o un componente
superconductor de alta temperatura o un componente piezocerámico o
un condensador cerámico o un termistor o un posistor o una
resistencia cerámica o un sensor de gas cerámico.
14. El método de producción de acuerdo con una
de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
componente electrocerámico (1) es un varistor (1) y el cuerpo de
electrocerámica (2) es un cuerpo de varistor (2) y porque el cuerpo
de varistor (2) es una cerámica de óxido de metal (2) sinterizada
dotada, preferiblemente basada en ZnO, SnO_{2}, SrTiO_{3} y
TiO_{2} o una cerámica de carburo dotada.
15. El método de producción de acuerdo con una
de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
componente electrocerámico (1) es un varistor (1) y el cuerpo de
electrocerámica (2) es un cuerpo de varistor (2) y porque la parte
de la superficie (5; 6) se irradia con luz láser (L) antes de la
aplicación de la metalización (3; 4) para la disminución de una
dependencia de tensión de la conductividad transversal de la parte
de la superficie (5; 6), particularmente porque la parte de la
superficie (5; 6) se irradia con luz láser (L) antes de la
aplicación de la metalización (3; 4) para la generación de una
dependencia de tensión óhmica de la conductividad transversal de la
parte de la superficie (5; 6).
16. El método de producción de acuerdo con una
de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
cuerpo de electrocerámica (2) se conforma esencialmente cilíndrico,
con forma de disco o de placa, donde sobre las dos superficies
delimitantes paralelas entre sí del cilindro o del disco o de la
placa se dispone respectivamente una parte de la superficie (5; 6),
dos partes de la superficie (5; 6) sobre las que se aplica
respectivamente una metalización (3; 4) por pulverización térmica o
el cuerpo de electrocerámica (2) se forma esencialmente tubular o
cilíndrico, donde sobre dos partes de la superficie (5, 6) separadas
axialmente entre sí, esencialmente anulares, dispuestas en la
superficie de cubierta externa (8) del tubo o del cilindro, se
aplica una metalización (3; 4) por pulverización térmica.
17. Un uso de la radiación láser (L) como
tratamiento previo para la aplicación de una metalización (3; 4)
sobre una electrocerámica (2), particularmente sobre una cerámica de
varistor (2).
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