FR2500951A1 - Electrodes soudables consistant essentiellement en metal ordinaire pour varistors a oxyde metallique - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS ELECTRONIQUES. UN VARISTOR A OXYDE METALLIQUE COMPORTE DES ELECTRODES SOUDABLES CONSISTANT ESSENTIELLEMENT EN METAL ORDINAIRE QUI FORME EN DEPOSANT PAR SERIGRAPHIE UNE COMPOSITION DE METAL ORDINAIRE 3 SUR UN SUBSTRAT 1. ON FORME ENSUITE PAR SERIGRAPHIE UN RESEAU D'ELEMENTS EN METAL PRECIEUX 2 SUR LE METAL ORDINAIRE ET ON CHAUFFE LE VARISTOR DANS L'AIR A UNE TEMPREATURE COMPRISE APPROXIMATIVEMENT ENTRE 500C ET 800C. LE RESEAU D'ELEMENTS EN METAL PRECIEUX PERMET DE SOUDER AISEMENT LES CONDUCTEURS DU VARISTOR. APPLICATION A LA FABRICATION DE VARISTORS ECONOMIQUES.

Description

La présente invention concerne les électrodes de

varistor à oxyde métallique formées par sérigraphie. L'inven-

tion porte plus particulièrement sur la fabrication de

varistors comportant des électrodes soudables qui consis-

tent en grande partie en métaux non précieux. Un varistor à l'oxyde de zinc (ZnO) comprend de façon caractéristique un disque de matière de type varistor,

avec des électrodes fixées sur l'une au moins de ses surfa-

ces principales. Bien qu'il existe un certain nombre de pro-

cédés pour fixer les électrodes à la matière du type varis-

tor, les conducteurs destinés à connecter le varistor à un

circuit électrique sont habituellement fixées aux électro-

des par soudage au moyen d'un alliage fusible. Les élec-

trodes soudables pour les varistors qui sont utilisés, dans les applications industrelles consistent soit en argent déposé par sérigraphie, soit en laiton pulvérisé à la

flamme. Parmi d'autres techniques pour la fixation d'élec-

trodes figurent, par exemple, l'évaporation et le dépôt

chimique de métal. Ces procédés sont techniquement réalisa-

bles mais, sauf pour les plus grands varistors, de coût élevé, ils ne sont pas économiques, en partie du fait

qu'ils sont difficiles à automatiser.

La sérigraphie est un procédé économique et

qu'on peut facilement automatiser, pour la fixation d'élec-

trodes de varistor. En fait, les varistors au ZnO destinés à la protection du matériel électronique sont couramment fabriqués en utilisant des électrodes en argent formées par

sérigraphie. Un inconvénient associé aux électrodes entière-

ment en argent ou entièrement en métal précieux consiste en ce que l'argent est coûteux. Il est donc souhaitable de

trouver une matière de remplacement pour l'argent. Il exis-

te des pâtes conductrices de métaux ordinaires qui se prê-

tent à la sérigraphie et à la cuisson à l'air, pour des

métaux tels que le nickel (Ni), l'aluminium (Al) et le chro-

me (Cr), et ces pâtes sont en principe utilisables pour les électrodes de varistor. Cependant, ces matières ne sont pas facilement soudables et elles ont une résistivité élevée en

comparaison de celle des matières à base d'argent. Par exem-

ple, les électrodes de nickel, d'aluminium et de chrome ont respectivement des résistivités de 40-80, 20-50 et 500-900 mZL.. On trouve communément des électrodes à base d'argent

ayant des résistivités de 2-4 mûl.

L'invention permet de disposer d'un varistor à

oxyde métallique comportant des électrodes soudables, écono-

miques et consistant dans une large mesure en un métal non précieux. Conformément à l'invention, une électrode de varistor à oxyde métallique comprend une pellicule épaisse de métal ordinaire qui adhère d'une part à un substrat en matière du type varistor et d'autre part à un motif fin en

métal précieux disposé sur la pellicule de métal ordinaire.

Le motif en métal précieux peut avoir n'importe quelle con-

figuration commode et peut consister par exemple en une grille formée par des bandes qui se coupent, ou en un réseau

de points. On fabrique les électrodes en déposant par séri-

graphie un métal ordinaire tel que du nickel, de l'aluminium

ou du chrome, sur un substrat de varistor à oxyde métalli-

que. Après une étape de séchage, on dépose par sérigraphie

le motif en métal précieux sur l'électrode en métal ordinai-

re. On chauffe le substrat de varistor pendant une durée

comprise approximativement entre 1 mn et 1 h, à une tempéra-

ture comprise approximativement entre 5000C et 8000C, ce qui forme des liaisons conductrices de l'électricité entre le métal ordinaire et le substrat de varistor, d'une part, et le motif en métal précieux, d'autre part. On soude les

électrodes de varistor sur le motif en métal précieux.

La suite de la description se réfère aux dessins

annexés-qui représentent respectivement:

Figure 1: un varistor à oxyde métallique confor-

me à l'invention, dans lequel le motif soudable en métal précieux placé sur l'électrode en métal ordinaire est une grille formée par des bandes orthogonales de métal précieux qui se coupent;

Figure 2: un varistor à oxyde métallique simi-

laire à celui de la figure 1 dans lequel le motif consiste

en un réseau de points en métal précieux formé par sérigra-

phie sur l'électrode en métal ordinaire; et Figure 3: une vue latérale du varistor représenté sur la figure 2, montrant des électrodes fixées aux faces

opposées du varistor.

La figure 1 montre une électrode en métal ordinai-

re 3, de forme circulaire, dont les faces adhèrent respecti-

Vement à un disque de varistor classique 1 et à un motif en

métal précieux 2, de type réparti, en établissant des con-

tacts électriques avec le disque et le motif. Le motif 2 est formé par un certain nombre de bandes orthogonales de largeur t qui se coupent, et les bandes parallèles sont séparées par une distance L. Le diamètre de l'électrode 3 est désigné par D. On peut former une électrode en métal ordinaire 3 et une grille 2 pratiquement identiques sur la

face opposée (non représentée) du disque de varistor 1.

Cependant, dans certaines applications dans le domaine des

varistors, il peut être souhaitable de former les électro-

des sur la même face d'un seul substrat de varistor qui peut avoir une configuration géométrique non circulaire. Ceci constitue un procédé particulièrement économique pour fixer des électrodes sur une matière du type varistor, du fait

que les électrodes peuvent être formées par une seule opé-

ration de sérigraphie.

La figure 2 représente un motif en métal précieux

constituant une variante, qui est formé par un certain nom-

bre de zones circulaires en métal précieux, 4. La figure 3 montre une vue latérale du mode de réalisation représenté sur la figure 2 et elle fait apparaître une électrode en

métal ordinaire 3' et des zones en métal précieux 4' for-

mées sur la face du disque de varistor 1 qui n'est pas visi-

ble sur la figure 2. Il faut noter que le motif en forme de grille de la figure 1 et le réseau de "points" représenté sur la figure 2 ne constituent que des exemples. L'invention fonctionne de façon satisfaisante avec d'autres motifs, à

condition que les critères indiqués ci-après soient respec-

tés. Le disque de varistor 1 peut commodément être constitué par l'une quelconque des nombreuses compositions Ir

25009S1

de varistor à l'oxyde de zinc, de type classique, que fabri-

que le Semiconductor Products Department de la firme General Electric Company, Syracuse, New York. Les électrodes en métal ordinaire 3 peuvent être par exemple en nickel ou en chrome, mais elles sont en aluminium dans le mode de réali- sation préféré. La firme Electro Science Laboratories, Inc. (Pennsauken, New Jersey) fournit des compositions de métal

ordinaire en couche épaisse utilisables pour former l'élec-

trode 3 par sérigraphie, sous les désignations 2554, 2590 et 2560 ou 2321, correspondant respectivement au nickel, à

l'aluminium et au chrome. Dans le mode de réalisation pré-

féré, on emploie un.e composition d'argent en couche épaisse, fournie par la firme Dupont (Wilmington, Delaware), sous la désignation 7713, pour former par sérigraphie le motif en forme de grille 2 de la figure 1 et le réseau de points des figures 2 et 3. Selon une variante, on peut utiliser des métaux tels que le platine, le palladium et l'or pour former

le motif en métal précieux sur l'électrode 3.

On emploie une opération de sérigraphie classique

pour fabriquer les électrodes. On forme tout d'abord l'élec-

trode en métal ordinaire 3, en employant un écran à mailles fines sur lequel est formé par exemple un motif perméable circulaire. Le métal de la composition en métal ordinaire à couche épaisse traverse les parties perméables de l'écran pour atteindre le substrat de varistor 1 sur lequel il

demeure lorsqu'on enlève l'écran. Avant de former par séri-

graphie un motif en argent, par exemple, on sèche l'électro-

de en métal ordinaire 3 qui vient d'être formée, ce qui lui

permet de conserver sa configuration pendant le traitement.

On effectue le séchage en chauffant le substrat de varistor dans l'air à une température comprise approximativement

entre 1000C et 1500C pendant une durée comprise approximati-

vement entre 2 et 10 mn. On forme ensuite le motif en argent,

par sérigraphie, sur l'électrode en métal ordinaire séchée.

Lorsque l'opération de sérigraphie est terminée, on cuit le varistor dans l'air à une température comprise entre 5000C et 8000C pendant une durée allant jusqu'à une heure. Bien qu'il soit possible de cuire les électrodes en argent à une température s'élevant jusqu'à 8000C, il est souhaitable de

cuire l'électrode en métal ordinaire/argent à une tempéra-

ture comprise entre 5000C et 6000C, pour minimiser la forma-

tion d'oxydes indésirables du métal ordinaire.

La cuisson du varistor entraîne la formation de liaisons adhésives et conductrices de l'électricité entre l'électrode en métal ordinaire 3 et le substrat de varistor 1 d'une part, et le motif d'électrode en métal précieux, d'autre part. Il est important de noter que malgré la difficulté que présente la réalisation d'une soudure sur le métal ordinaire pour former une liaison conductrice de l'électricité, au cours de l'opération de cuisson le métal

précieux forme aisément une liaison conductrice de l'élec-

tricité avec le métal ordinaire. On fixe ensuite les con-

ducteurs du varistor aux motifs en métal précieux, par sou-

dage avec un alliage fusible.

Il est généralement souhaitable de réduire autant que possible la quantité de métal précieux employée dans l'électrode. Cependant, si les bandes de grille de la figure

1 sont trop étroites, trop espacées ou comportent une quan-

tité insuffisante d'argent, il peut être difficile de souder les conducteurs du varistor. Pour le mode de réalisation

qui est représenté sur la figure 1, on a trouvé qu'on obte-

nait un motif ayant une soudabilité satisfaisante avec t = 0,01 cm, L, 0, 1 cm et une épaisseur du motif 2 comprise entre 12,5 pm et 25 pim. L'épaisseur de l'électrode en métal

ordinaire 3 peut être comprise entre 6 et 75 pm.

Des électrodes en métal ordinaire seules ne sont pas utilisables en tant qu'electrodes de varistor du fait qu'outre leur difficulté de soudage, les métaux ordinaires ont également des résistivités très supérieures à celle de l'argent, par exemple, qui est employé dans le mode de

réalisation préféré. La résistivité d'électrodes en alumi-

nium est par exemple de 20 à 50 mXLrf On peut voir l'effet d'une résistivité élevée en considérant que des varistors ayant une section transversale conductrice de 1 cm peuvent acheminer des courants s'élevant jusqu'à 5 x 103 A. Un varistor équipé d'une électrode en métal ordinaire ayant une

2500 95-1

résistivité de 20 x 10 3L-a pourrait ainsi avoir une chute

de tension d'environ 100 V (5 x 10 x 20 x 10 3) dans l'élec-

trode lorsque le courant circule depuis le point de fixation du conducteur jusqu'à la périphérie de l'électrode. Une chute de tension de cet ordre de grandeur est trop élevée

pour être acceptable.

On comprendra mieux comment l'invention résout le problème de la résistivité élevée du métal ordinaire en considérant que pour le motif en forme de grille 2 de la figure 1, la résistance effective maximale jusqu'à un point situé dans l'électrode 3 est donnée approximativement par l'expression p(L)2, dans laquelle Q est la résistance carrée du métal ordinaire, L est la séparation entre les bandes de la grille et D est le diamètre de l'électrode 3. On peut

négliger la résistance du motif de grille 2 en métal pré-

cieux, du fait qu'elle est relativement faible. Le motif est de toute manière revêtu d'une couche épaisse de soudure, en contact intime, après fixation des conducteurs. Ainsi, pour une valeur caractéristique d'environ 0,1 cm de l'écartement L des bandes de la grille, et un diamètre D de 1 cm pour l'électrode 3, on peut considérer que la résistance carrée

de l'électrode 3 est de 0,01 À. Si on utilise pour l'élec-

trode 3 de l'aluminium ayant une résistivité de 20 à 50 m.fLO, on obtient une résistance carrée effective de l'électrode

comprise entre 0,2 et 0,5 mnQD. Les chutes de tension en pré-

sence d'une impulsion de courant de 5 x 103 A seraient

ainsi de l'ordre de 1 V dans l'électrode en métal ordinaire.

Ceci n'a pas d'importance dans le fonctionnement du dispo-

sitif. , La quantité de métal précieux nécessaire pour former le motif 2 sur la figure 1 est proportionnelle au rapport t/L multiplié par l'aire de l'électrode 3. Si t - 0,01 cm, L, 0,1 cm et si l'aire de l'électrode 3 est de 1 cm, la quantité de métal précieux nécessaire est

approximativement de 0,1 cm. Ceci représente une diminu-

tion dans un rapport de 10 de la quantité de métal précieux,

par rapport à une électrode formée entièrement en métal pré-

cieux avec une aire de i cm (en supposant que le motif er, argent 2 et l'électrode entièrement en métal précieux aient

la même épaisseur).

La raison pour laquelle on ne peut pas réduire la quantité de métal précieux utilisé pour former une électrode de varistor en formant simplement par sérigraphie un motif en métal précieux, similaire au motif 2 de la figure 1 ou au réseau de points de la figure 2, directement sur le substrat de varistor, consiste en ce que le courant ne circulerait à l'intérieur de la matière du varistor qu'entre les zones

munies d'électrodes, sur les faces opposées du varistor.

Ceci produirait des "canaux" de courant indésirables qui

dégraderaient les performances du varistor et, pour des cou-

rants suffisamment élevés, pourraient provoquer une destruc-

tion du varistor. Conformément à l'invention, on évite la canalisation du courant par l'utilisation de l'électrode en

métal ordinaire dont la totalité de la surface est en con-

tact électrique intime avec la matière du type varistor. Il faut prendre soin de faire en sorte que le motif en métal

précieux soit suffisamment dense (c'est-à-dire que ses élé-

ments soient suffisamment proches) pour éviter des gradients de tension dans l'électrode en métal ordinaire. Par exemple, si on ne formait par sérigraphie qu'un petit nombre de points 4 au centre de l'électrode 3 sur la figure 2, le courant circulerait de la région centrale de l'électrode en métal ordinaire 3 vers la périphérie du varistor. Du fait

qu'une résistivité non négligeable est associée à l'électro-

de en métal ordinaire, il apparaîtrait un gradient de ten-

sion, et le courant du varistor manifesterait alors une tendance à se canaliser entre les régions à tension plus, élevée des électrodes de varistor respectives. Comme on l'a

indiqué, ceci peut conduire à une destruction du varistor.

La description précédente permet de voir que

l'invention procure un varistor à oxyde métallique compor-

tant des électrodes économiques consistant en grande partie

en métal ordinaire, sur lesquelles un motif en métal pré-

cieux soudable, réparti de façon fine, est formé par séri-

graphie. On obtient des économies importantes grâce à la diminution de la quantité de métal précieux nécessaire et à l'utilisation du processus de fabrication par sérigraphie,

qu'il est facile d'automatiser.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Varistor à oxyde métallique (1) comportant des

électrodes fixées sur l'une au moins de ses surfaces prin-

cipales, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une élec-

trode en métal ordinaire (3) fixée sur lui et formant avec lui un contact conducteur de l'électricité; et un motif en métal précieux réparti (2) qui forme un contact conducteur de l'électricité avec l'électrode en métal ordinaire, ce motif en métal précieux couvrant une partie choisie de

l'électrode en métal ordinaire.

2. Varistor à oxyde métallique selon la revendica-

tion 1, caractérisé en ce que le métal ordinaire comprend au moins une matière choisie dans le groupe formé par le

nickel, l'aluminium et le chrome.

3. Varistor à oxyde métallique selon l'une quel-

conque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le

motif en métal précieux (2) comprend au moins une matière choisie dans le groupe formé par l'argent, le platine, le

palladium et l'or.

4. Varistor à oxyde métallique selon l'une quel-

conque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que

le motif en métal précieux (2) consiste en une grille for-

mée par des bandes du métal précieux qui se coupent.

5. Varistor à oxyde métallique selon l'une quel-

conque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que

le motif en métal précieux (2) consiste en un certain nombre

de régions discrètes (4) en métal précieux.

6. Procédé de fabrication d'électrodes consistant en grande partie en métal non précieux, pour des varistors à oxyde métallique, caractérisé en ce que: on forme par sérigraphie une électrode en métal ordinaire (3) sur un substrat de varistor en oxyde métallique (1); on sèche l'électrode en métal ordinaire formée par sérigraphie; on forme par sérigraphie un motif en métal précieux réparti

(2) sur l'électrode en métal ordinaire formée par sérigra-

phie, et ce motif couvre des régions choisies de l'électrode en métal ordinaire, et on chauffe le substrat de varistor en

250095 1

oxyde métallique.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'électrode en métal ordinaire (3) est constituée par au moins une matière choisie dans le groupe comprenant le nickel, l'aluminium et le chrome.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 6 ou 7, caractérisé en ce que le métal précieux con-

siste en une matière choisie dans le groupe comprenant

l'argent, le platine, le palladium et l'or.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 6, 7 ou 8 caractérisé en ce que l'opération de sécha-

ge s'effectue en chauffant le substrat de varistor à oxyde métallique dans l'air à une température comprise approximativement entre 1000C et 1500C pendant une durée

comprise approximativement entre 2 et 10 mn.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 6, 7 ou 8, caractérisé en ce que l'opération de chauffage consiste à chauffer le substrat de varistor à oxyde métallique dans l'air à une température comprise approximativement entre 5000C et 8000C pendant une durée

allant jusqu'à une heure.