JP2012209292A - Positive thermistor - Google Patents

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Atsushi Kishimoto
敦司 岸本
Masato Goto
正人 後藤
Naoaki Abe
直晃 阿部
Hayato Katsu
勇人 勝
Yasunori Namikawa
康訓 並河
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lead-free positive thermistor with good reliability which can suppress temporal deterioration in resistance value without spoiling thermistor characteristics in spite of long-time power supply.SOLUTION: The positive thermistor includes lead-free semiconductor ceramic which contains substantially no lead as a component element assembly 1, and has external electrodes 2a, 2b formed at both end parts of the component element assembly 1. The semiconductor ceramic principally comprises a BaTiO-based composition, and part of Ba is replaced with alkali metal and Bi. The semiconductor ceramic has a measured sintered density of 70-90% for a logical sintered density. The semiconductor ceramic preferably has part of the Ba replaced with a rare earth element, and at least one kind among Na, K, and Li is useable as the alkali metal.

Description

本発明は、正特性サーミスタに関し、より詳しくは正の抵抗温度係数(Positive Temperature Coefficient;「PTC」という。)を有し、ヒータ用途等に使用される正特性サーミスタ(以下、「PTCサーミスタ」という。)に関する。   The present invention relates to a positive temperature coefficient thermistor, and more specifically, has a positive resistance temperature coefficient (hereinafter referred to as “PTC”) and is used for a heater application or the like (hereinafter referred to as “PTC thermistor”). .)

チタン酸バリウム(BaTiO)系の半導体セラミックは、電圧の印加により発熱し、正方晶から立方晶に相転移するキュリー点Tcを超えると抵抗値が急激に増大するPTC特性を有している。 Barium titanate (BaTiO 3 ) -based semiconductor ceramics have PTC characteristics that generate heat when a voltage is applied and the resistance value increases rapidly when the Curie point Tc at which phase transition from tetragonal to cubic is exceeded.

このようにPTC特性を有する半導体セラミックは、電圧印加による発熱でキュリー点Tcを超えると抵抗値が大きくなって電流が流れにくくなり、温度が低下する。そして、温度が低下して抵抗値が小さくなると再び電流が流れ易くなって温度が上昇する。半導体セラミックは、上述の過程を繰り返すことによって一定の温度又は電流に収束することから、ヒータ用サーミスタやモータ起動用サーミスタとして広く使用されている。   As described above, the semiconductor ceramic having PTC characteristics has a resistance value that increases when the Curie point Tc is exceeded due to heat generation by voltage application, and current hardly flows, and the temperature decreases. And if temperature falls and resistance value becomes small, an electric current will flow easily again and temperature will rise. Semiconductor ceramics are widely used as a thermistor for a heater or a thermistor for starting a motor because it converges to a constant temperature or current by repeating the above-described process.

ところで、ヒータ用途に用いられるPTCサーミスタは、高温で使用されることから、キュリー点Tcの高いことが要求される。このため、従来では、BaTiOにおけるBaの一部をPbで置換することにより、キュリー点Tcを高くすることが行われていた。 By the way, since the PTC thermistor used for a heater use is used at high temperature, it needs to have a high Curie point Tc. For this reason, conventionally, a part of Ba in BaTiO 3 has been replaced with Pb to raise the Curie point Tc.

しかしながら、Pbは環境負荷物質であることから、環境面を考慮し、実質的にPbを含まない非鉛系の半導体セラミックの実現が求められている。   However, since Pb is an environmentally hazardous substance, the realization of a lead-free semiconductor ceramic that substantially does not contain Pb is required in consideration of the environment.

そこで、例えば、特許文献1には、BaTiOのBaの一部をBi−Naで置換したBa1-2X(BiNa)TiO(ただし、0<x≦0.15)なる構造において、Nb、Ta、又は希土類元素のいずれか一種又は一種以上を加えて窒素中で焼結した後、酸化性雰囲気で熱処理したBaTiO系半導体セラミックの製造方法が提案されている。 Therefore, for example, in Patent Document 1, in a structure of Ba 1-2X (BiNa) x TiO 3 (where 0 <x ≦ 0.15) in which a part of Ba of BaTiO 3 is substituted with Bi—Na, Nb There has been proposed a method for producing a BaTiO 3 -based semiconductor ceramic that is sintered in nitrogen after adding one or more of tantalum, Ta, and rare earth elements, and then heat-treated in an oxidizing atmosphere.

この特許文献1では、非鉛系でありながら、キュリー点Tcが140〜255℃と高く、抵抗温度係数が16〜20%/℃のBaTiO系半導体セラミックを得ている。 In Patent Document 1, a BaTiO 3 semiconductor ceramic having a Curie point Tc as high as 140 to 255 ° C. and a resistance temperature coefficient of 16 to 20% / ° C. is obtained although it is lead-free.

また、特許文献2には、組成式を、[(Al0.5A20.5)x(Ba1-y)1-x]TiO (但し、A1はNa、K、Liの一種又は二種以上、A2はBi、QはLa、Dy、Eu、Gdの一種又は二種以上)と表し、前記x、yが、0<x≦0.2、0.002≦y≦0.01を満足する半導体磁器組成物が提案されている。 Patent Document 2 discloses that the composition formula is [(Al 0.5 A 2 0.5 ) x (Ba 1-y Q y ) 1-x ] TiO 3 (where A1 is one or more of Na, K, and Li). , A2 represents Bi, Q represents one or more of La, Dy, Eu, and Gd), and the x and y satisfy 0 <x ≦ 0.2 and 0.002 ≦ y ≦ 0.01. Semiconductor porcelain compositions have been proposed.

この特許文献2でも、非鉛系の半導体セラミックでありながら、キュリー点Tcが130℃以上の組成物を得ている。   This Patent Document 2 also obtains a composition having a Curie point Tc of 130 ° C. or higher while being a lead-free semiconductor ceramic.

特開昭56-169301号公報JP 56-169301 A 特開2005-255493号公報JP 2005-255493 A

しかしながら、特許文献1や特許文献2のようにアルカリ金属及びBiを含有したPTCサーミスタでは、アルカリ金属やBiは揮発性を有することから焼成中に揮発し、このため組成ずれを招くおそれがある。   However, in PTC thermistors containing alkali metal and Bi as in Patent Document 1 and Patent Document 2, since alkali metal and Bi have volatility, they volatilize during firing, which may cause a composition shift.

このような組成ずれを避けるためには、アルカリ金属やBiが揮発することを想定し、これらアルカリ金属やBiを設計値よりも予め余分に含有させて焼成することも考えられる。   In order to avoid such a composition shift, it is conceivable that the alkali metal and Bi are volatilized and the alkali metal and Bi are included in advance in excess of the design value and fired.

ところが、Biとアルカリ金属は部品素体内部より外周部の方が揮発しやすいことから、部品素体内部と外周部の組成が異なり、信頼性の低下を招く怖れがある。   However, since Bi and alkali metal are more easily volatilized at the outer peripheral portion than inside the component element body, the composition of the inner part of the component element body and the outer periphery is different, and there is a fear of lowering reliability.

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、長時間通電してもPTC特性を損なうことなく抵抗値の経時劣化を抑制できる信頼性の良好な非鉛系のPTCサーミスタを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a lead-free PTC thermistor with good reliability capable of suppressing deterioration with time of resistance value without deteriorating PTC characteristics even when energized for a long time. For the purpose.

本発明者らは上記目的を達成するために、非鉛系の半導体セラミックについて、理論焼結密度に対する実測焼結密度(以下、単に「焼結密度」という。)を異ならせて鋭意研究を行なったところ、半導体セラミックの焼結密度を70〜90%とすることにより、信頼性試験前に対して信頼性試験後の半導体セラミックの抵抗値が高抵抗化するのを抑制することができ、これにより長時間連続して電圧を印加してもPTC特性を損なうことなくPTCサーミスタの信頼性向上を図ることができるという知見を得た。   In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors have conducted intensive research on lead-free semiconductor ceramics by varying the measured sintered density relative to the theoretical sintered density (hereinafter simply referred to as “sintered density”). However, by setting the sintered density of the semiconductor ceramic to 70 to 90%, it is possible to suppress the resistance value of the semiconductor ceramic after the reliability test from becoming higher than that before the reliability test. Thus, it was found that the reliability of the PTC thermistor can be improved without impairing the PTC characteristics even when a voltage is applied continuously for a long time.

本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、実質的に鉛を含まない非鉛系の半導体セラミックを部品素体とし、該部品素体の両端部に外部電極が形成されたPTCサーミスタであって、前記半導体セラミックは、BaTiO系組成物を主成分とし、Baの一部が、アルカリ金属及びBiで置換され、前記半導体セラミックの焼結密度が、70〜90%であることを特徴としている。 The present invention has been made based on such knowledge, and a PTC in which a lead-free semiconductor ceramic that does not substantially contain lead is used as a component body, and external electrodes are formed at both ends of the component body. A thermistor, wherein the semiconductor ceramic is mainly composed of a BaTiO 3 composition, a part of Ba is substituted with an alkali metal and Bi, and the sintered density of the semiconductor ceramic is 70 to 90%. It is characterized by.

尚、上述で「鉛を実質的に含まない」とは、Pbを意図的に添加しないことをいい、このようにPbを意図的に添加しない組成系を、本発明では非鉛系という。   In the above description, “substantially free of lead” means that Pb is not intentionally added, and such a composition system in which Pb is not intentionally added is referred to as a non-lead type in the present invention.

また、本発明のPTCサーミスタは、前記半導体セラミックが、前記Baの一部が希土類元素で置換されているのが好ましい。   In the PTC thermistor of the present invention, it is preferable that a part of the Ba is replaced with a rare earth element in the semiconductor ceramic.

また、本発明のPTCサーミスタは、前記アルカリ金属が、Na、K、及びLiのうちの少なくとも1種を含むのが好ましい。   In the PTC thermistor of the present invention, it is preferable that the alkali metal includes at least one of Na, K, and Li.

本発明のPTCサーミスタによれば、実質的に鉛を含まない非鉛系の半導体セラミックを部品素体とし、該部品素体の両端部に外部電極が形成されたPTCサーミスタであって、前記半導体セラミックは、BaTiO系組成物を主成分とし、Baの一部が、アルカリ金属(Na、K、Li)及びBiで置換され、前記半導体セラミックの焼結密度が、70〜90%であるので、信頼性試験前に対する信頼性試験後の抵抗値が高抵抗化するのを抑制することができ、信頼性を向上することができる。すなわち、半導体セラミックの焼結密度を70〜90%に低下させることにより、アルカリ金属は部品素体内部からも効果的に揮発することから、不安定なアルカリ金属が結晶粒界に残存するのを抑制することができる。そしてこれにより信頼性試験前に対する信頼性試験後の半導体セラミックの抵抗値が高抵抗化するのを抑制でき、長時間連続して電圧を印加してもPTC特性を損なうことなく抵抗値の経時劣化を抑制できる信頼性の良好なPTCサーミスタを得ることが可能となる。 According to the PTC thermistor of the present invention, a PTC thermistor in which a lead-free semiconductor ceramic that does not substantially contain lead is used as a component body, and external electrodes are formed at both ends of the component body. The ceramic is mainly composed of a BaTiO 3 -based composition, a part of Ba is substituted with alkali metals (Na, K, Li) and Bi, and the sintered density of the semiconductor ceramic is 70 to 90%. The resistance value after the reliability test before the reliability test can be prevented from increasing, and the reliability can be improved. That is, by reducing the sintered density of the semiconductor ceramic to 70 to 90%, the alkali metal is effectively volatilized also from the inside of the component body, so that unstable alkali metal remains at the crystal grain boundary. Can be suppressed. As a result, the resistance value of the semiconductor ceramic after the reliability test before the reliability test can be prevented from increasing, and even if a voltage is applied continuously for a long time, the resistance value is deteriorated over time without damaging the PTC characteristics. It is possible to obtain a PTC thermistor with good reliability that can suppress the above.

本発明に係るPTCサーミスタの一実施の形態(第1の実施の形態)を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an embodiment (first embodiment) of a PTC thermistor according to the present invention. 図1のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 従来のPTCサーミスタの課題を説明するためのPTCサーミスタの断面図である。It is sectional drawing of the PTC thermistor for demonstrating the subject of the conventional PTC thermistor. 実施例における焼結密度と抵抗変化率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the sintering density and resistance change rate in an Example.

次に、本発明の実施の形態を詳説する。   Next, an embodiment of the present invention will be described in detail.

図1は本発明に係るPTCサーミスタの一実施の形態を模式的にした斜視図であり、図2は図1のA−A断面図である。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing an embodiment of a PTC thermistor according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.

このPTCサーミスタは、部品素体1と、該部品素体1の両端部(表面)に形成された一対の外部電極2a、2bとを備えている。外部電極2a、2bは、Cu、Ni、Al、Cr、Ag、Ni−Cr合金、Ni−Cu等の導電性材料からなる一層構造又は多層構造で形成されている。   The PTC thermistor includes a component body 1 and a pair of external electrodes 2 a and 2 b formed on both ends (surfaces) of the component body 1. The external electrodes 2a and 2b are formed of a single layer structure or a multilayer structure made of a conductive material such as Cu, Ni, Al, Cr, Ag, Ni—Cr alloy, Ni—Cu or the like.

部品素体1は、主成分が、一般式(A)で表される半導体セラミックで形成されている。   The component body 1 is mainly formed of a semiconductor ceramic represented by the general formula (A).

(Ba1-u-v-wBiLnTiO…(A)
ここで、Mは、Li、Na、Kに代表されるアルカリ金属であり、Lnは希土類元素である。この希土類元素Lnとしては、半導体化剤として作用するものであれば、特に限定されるものではなく、例えばY、Sm、Nd、Dy、及びGdの群から選択された1種以上を使用することができる。
(Ba 1-uvw M u Bi v Ln w) m TiO 3 ... (A)
Here, M is an alkali metal typified by Li, Na, and K, and Ln is a rare earth element. The rare earth element Ln is not particularly limited as long as it acts as a semiconducting agent. For example, at least one selected from the group of Y, Sm, Nd, Dy, and Gd is used. Can do.

このように本半導体セラミックは、BaTiO系組成物を主成分とし、Baの一部がアルカリ金属M、Bi、及び希土類元素Lnで置換されている。 As described above, the semiconductor ceramic is mainly composed of a BaTiO 3 -based composition, and a part of Ba is substituted with alkali metals M and Bi and the rare earth element Ln.

そして、本実施の形態では、上記半導体セラミックは、焼結密度が70〜90%となるように焼結されている。   In this embodiment, the semiconductor ceramic is sintered so that the sintered density is 70 to 90%.

すなわち、〔発明が解決しようとする課題〕の項でも述べたように、アルカリ金属M及びBiを含有したPTCサーミスタでは、これらアルカリ金属MやBiが揮発性を有することから焼成中に揮散し、組成ずれを招くおそれがある。   That is, as described in the section [Problems to be Solved by the Invention], in the PTC thermistor containing alkali metals M and Bi, these alkali metals M and Bi are volatilized during firing, There is a risk of causing compositional deviation.

また、アルカリ金属Mは、部品素体1の内部よりも部品素体1の外周部から優先的に揮発する。したがって、部品素体1内ではアルカリ金属Mの濃度勾配が生じ、図3に示す外周部Bは中央部Aに比べてアルカリ金属イオンの濃度が低くなる。この場合、不安定で移動し易くなったアルカリ金属イオンは濃度勾配を打ち消すような方向に移動しようとする。したがって、このような状態で外部電極2a、2bに電圧を印加し通電すると、上記不安定なアルカリ金属イオンは、濃度勾配を打消すように結晶粒界を介して中央部Aから外周部Bの方向に移動する。そして、通電終了後にはアルカリ金属イオンは結晶粒界に残存し、その結果、粒界抵抗が増加して高抵抗化し、抵抗値が経時劣化することとなって信頼性低下を招くおそれがある。   In addition, the alkali metal M volatilizes preferentially from the outer peripheral portion of the component element body 1 rather than inside the component element body 1. Therefore, a concentration gradient of the alkali metal M is generated in the component element body 1, and the concentration of alkali metal ions is lower in the outer peripheral portion B shown in FIG. In this case, the alkali metal ion that is unstable and easily moved tends to move in a direction that cancels the concentration gradient. Therefore, when a voltage is applied to the external electrodes 2a and 2b in such a state, the unstable alkali metal ions are transferred from the central portion A to the outer peripheral portion B through the crystal grain boundaries so as to cancel the concentration gradient. Move in the direction. Then, after the energization is finished, the alkali metal ions remain at the crystal grain boundaries, and as a result, the grain boundary resistance increases to increase the resistance, and the resistance value deteriorates with time, leading to a decrease in reliability.

そこで、本実施の形態では、焼成後における部品素体1内のアルカリ金属Mの濃度が均一乃至略均一となるように、原料粉末を調整して焼結密度を適度に低下させ、焼成中にアルカリ金属Mを中央部Aからも効果的に揮発させている。そしてこれによりアルカリ金属Mの濃度は、部品素体1の中央部Aと外周部Bとで略同等とすることができ、アルカリ金属イオンが中央部Aから外周部Bに移動しようとするのを抑制している。その結果、通電終了時に結晶粒界に留まって粒界抵抗が増加するのを抑制することができ、長時間通電してもPTC特性を損なうことなく、抵抗値の経時劣化を抑制できる信頼性の良好な非鉛系のPTCサーミスタを得ることができる。   Therefore, in the present embodiment, the raw material powder is adjusted to moderately reduce the sintered density so that the concentration of the alkali metal M in the component body 1 after firing is uniform or substantially uniform. The alkali metal M is also volatilized effectively from the central part A. As a result, the concentration of the alkali metal M can be made substantially equal between the central portion A and the outer peripheral portion B of the component body 1, and the alkali metal ions are about to move from the central portion A to the outer peripheral portion B. Suppressed. As a result, it is possible to suppress an increase in grain boundary resistance by staying at the grain boundary at the end of energization, and reliability that can suppress the deterioration of the resistance value with time without deteriorating the PTC characteristics even when energized for a long time. A good lead-free PTC thermistor can be obtained.

そして、このように焼成中の揮散を部品素体1の中央部Aと外周部Bとで略同等とするためには、焼結密度を90%以下に低下させる必要がある。すなわち、焼結密度が90%を超えると、焼結密度が高すぎるため、従来と同様、アルカリ金属Mは外周部Bから優先的に揮散して部品素体1内でアルカリ金属Mの濃度勾配が生じ、アルカリ金属イオンが移動し易くなる。一方、焼結密度が70%未満になると焼結性が低下し、結晶粒子同士の接合が不十分となって半導体化しなくなるおそれがある。   In order to make the volatilization during firing substantially equal between the central part A and the outer peripheral part B of the component body 1 as described above, it is necessary to reduce the sintered density to 90% or less. That is, if the sintered density exceeds 90%, the sintered density is too high, so that the alkali metal M is preferentially vaporized from the outer peripheral portion B and the concentration gradient of the alkali metal M in the component body 1 as in the conventional case. And alkali metal ions easily move. On the other hand, when the sintered density is less than 70%, the sinterability is lowered, and there is a possibility that the crystal particles are not sufficiently joined to become a semiconductor.

したがって、焼結密度は70〜90%に調整する必要がある。   Therefore, it is necessary to adjust the sintered density to 70 to 90%.

焼結密度は、後述するようにポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)やポリスチレン等の焼成過程で消失するような樹脂材料をセラミック原料中に含有させることにより容易に調整することができる。   As described later, the sintered density can be easily adjusted by including in the ceramic raw material a resin material that disappears during the firing process, such as polymethyl methacrylate resin (PMMA) or polystyrene.

尚、アルカリ金属Mの置換モル量u及びBiの置換モル量vは、特に限定されるものではないが、その合計モル量(u+v)が、0.02〜0.20が好ましい。これはBaの一部をアルカリ金属M及びBiで置換することによりキュリー点Tcを上昇させることができるが、合計モル比(u+v)が0.02未満になると、キュリー点Tcを十分に上昇できず、一方、合計モル比(u+v)が0.20を超えると、アルカリ金属M及びBiの揮発量が増加して焼結体の理論組成からの組成ずれが生じ易くなるからである。   The substituted molar amount u of the alkali metal M and the substituted molar amount v of Bi are not particularly limited, but the total molar amount (u + v) is preferably 0.02 to 0.20. This can raise the Curie point Tc by substituting a part of Ba with alkali metals M and Bi. However, when the total molar ratio (u + v) is less than 0.02, the Curie point Tc can be sufficiently raised. On the other hand, if the total molar ratio (u + v) exceeds 0.20, the volatilization amounts of the alkali metals M and Bi increase, and a composition deviation from the theoretical composition of the sintered body tends to occur.

また、希土類元素Lnのモル比wも特に限定されるものではないが、所望の半導体化をさせるためには0.0005〜0.015が好ましい。   Further, the molar ratio w of the rare earth element Ln is not particularly limited, but 0.0005 to 0.015 is preferable in order to obtain a desired semiconductor.

また、BaサイトとTiサイトのモル比mは、化学量論組成は1.000であるが、これに限定されることなく、0.992〜1.004の範囲で必要に応じて適宜選択することができる。   Further, the molar ratio m of the Ba site and Ti site is 1.000 in the stoichiometric composition, but is not limited to this, and is appropriately selected within the range of 0.992 to 1.004 as required. be able to.

次に、上記PTCサーミスタの製造方法を述べる。   Next, a method for manufacturing the PTC thermistor will be described.

まず、セラミック素原料としてBa化合物、Ti化合物、アルカリ金属Mを含有したM化合物、Bi化合物、及び所定の希土類元素Lnを含有したLn化合物を用意する。そして、半導体セラミックの成分組成が所定比率となるように、これらセラミック素原料を秤量し、調合して混合粉末を得る。   First, a Ba compound, a Ti compound, an M compound containing an alkali metal M, a Bi compound, and an Ln compound containing a predetermined rare earth element Ln are prepared as ceramic raw materials. Then, these ceramic raw materials are weighed and mixed to obtain a mixed powder so that the component composition of the semiconductor ceramic becomes a predetermined ratio.

次に、この混合粉末に有機溶剤及び高分子系分散剤を加え、PSZ(部分安定化ジルコニア)ボール等の粉砕媒体と共に、ボールミル内で湿式で十分に混合粉砕し、有機溶剤を乾燥させ、その後、所定の目開きのメッシュを使用して整粒する。続いて、800〜1000℃の範囲で2時間熱処理し、仮焼粉を得る。   Next, an organic solvent and a polymeric dispersant are added to the mixed powder, and the mixture is thoroughly mixed and pulverized in a ball mill together with a pulverizing medium such as PSZ (partially stabilized zirconia) balls, and then the organic solvent is dried. Then, sizing using a mesh with a predetermined opening. Then, it heat-processes in 800-1000 degreeC for 2 hours, and obtains calcining powder.

この仮焼粉に、酢酸ビニル系やポリビニルアルコール系等の有機バインダ、PMMA、ポリスチレン等の樹脂ビーズ、純水、及び必要に応じてMn化合物等の添加剤を加え、再び粉砕媒体と共に湿式で十分に混合粉砕し、セラミックスラリーを得る。   To this calcined powder, an organic binder such as vinyl acetate or polyvinyl alcohol, resin beads such as PMMA and polystyrene, pure water, and additives such as Mn compound as necessary are added, and wet enough with the grinding media again. To obtain a ceramic slurry.

次いで、このセラミックスラリーをプレス加工し、所定形状の成形体を得る。   Next, this ceramic slurry is pressed to obtain a molded body having a predetermined shape.

次いで、この成形体を、所定雰囲気中(例えば、大気雰囲気中、窒素雰囲気中、又は混合気流中)にて、500〜600℃で加熱して脱バインダ処理を行い、その後、所定の雰囲気中(例えば、窒素雰囲気中、又は還元雰囲気の混合気流中)にて、半導体化する温度、例えば、最高温度1250〜1450℃で所定時間焼成し、焼結体である部品素体1を得る。   Next, the molded body is heated at 500 to 600 ° C. in a predetermined atmosphere (for example, in an air atmosphere, a nitrogen atmosphere, or a mixed gas stream) to perform a binder removal treatment, and then in a predetermined atmosphere ( For example, in a nitrogen atmosphere or a mixed air stream in a reducing atmosphere), firing is performed for a predetermined time at a temperature at which the semiconductor is formed, for example, a maximum temperature of 1250 to 1450 ° C., to obtain a component body 1 that is a sintered body.

その後、めっき法、スパッタリング法、塗布焼付法等により、部品素体1の両端部に外部電極2a、2bを形成し、これによりPTCサーミスタが作製される。   Thereafter, external electrodes 2a and 2b are formed at both ends of the component body 1 by plating, sputtering, coating baking, or the like, thereby producing a PTC thermistor.

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記半導体セラミックでは、BaTiOを主成分とし、Baの一部が少なくともアルカリ金属及びBiで置換されていればよく、要求されるPTC特性に応じBaの一部をCaやSrと置換するのも好ましい。 The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above-described semiconductor ceramic, it is only necessary that BaTiO 3 is a main component and a part of Ba is replaced with at least an alkali metal and Bi, and a part of Ba is replaced with Ca or Sr according to required PTC characteristics. It is also preferable.

また、上記半導体セラミックは、上記一般式(A)で表される組成物を主成分とするのであれば、必要に応じて各種添加物を含有させてもよく、例えば、抵抗温度係数の増大に寄与するMnを含有させるのも好ましい。   Moreover, if the said semiconductor ceramic has as a main component the composition represented by the said general formula (A), it may contain various additives as needed, for example, to increase a resistance temperature coefficient. It is also preferable to contain Mn which contributes.

また、半導体セラミック中に不可避不純物が混入しても特性に影響を与えるものではない。例えば、湿式での混合粉砕時に粉砕媒体に使用するPSZボールが、全体で0.2〜0.3重量%程度混入するおそれがあるが、特性に影響を与えるものではない。同様にセラミック素原料中に10重量ppm程度の微量のFe、Si、Cuが混入するおそれがあるが、特性に影響を与えるものではない。   Further, even if inevitable impurities are mixed in the semiconductor ceramic, the characteristics are not affected. For example, there is a possibility that PSZ balls used as a grinding medium at the time of wet mixing and grinding may be mixed by about 0.2 to 0.3% by weight, but this does not affect the characteristics. Similarly, trace amounts of Fe, Si, and Cu of about 10 ppm by weight may be mixed in the ceramic raw material, but this does not affect the characteristics.

また、本発明の半導体セラミックは、非鉛系であるが、〔課題を解決するための手段〕の項でも述べたように、Pbを実質的に含まなければよく、特性に影響を与えない範囲で不可避的に10重量ppm以下の範囲で混入する程度のPbまでも排除するものではない。   Further, the semiconductor ceramic of the present invention is lead-free, but as described in the section of [Means for Solving the Problems], it should be substantially free of Pb and does not affect the characteristics. However, it does not exclude even Pb that is inevitably mixed in the range of 10 ppm by weight or less.

また、PTCサーミスタの外観形状も限定されるものではなく、任意の形状を使用することが可能である。   Further, the external shape of the PTC thermistor is not limited, and any shape can be used.

次に、本発明の実施例を具体的に説明する。   Next, examples of the present invention will be specifically described.

セラミック素原料としてBaCO、NaCO、Bi、TiO、及びYを用意し、焼結後の組成が(Ba0.898Bi0.05Na0.050.002)TiOとなるように、これらセラミック素原料を秤量し、調合して混合粉末を得た。 BaCO 3 , Na 2 CO 3 , Bi 2 O 3 , TiO 2 , and Y 2 O 3 are prepared as ceramic raw materials so that the composition after sintering becomes (Ba 0.898 Bi 0.05 Na 0.05 Y 0.002 ) TiO 3. The ceramic raw materials were weighed and mixed to obtain a mixed powder.

次に、有機溶剤としてのエタノールと、高分子型の分散剤(無水マレイン酸とエチレンオキサイド・プロピレンオキサイドの誘導体)を混合粉末に加え、PSZボールと共に、ボールミル内で24時間湿式で混合粉砕し、その後エタノールを乾燥させ、目開き300μmのメッシュで整粒した。続いて1000℃の温度で2時間熱処理し、仮焼粉を得た。   Next, ethanol as an organic solvent and a polymer-type dispersant (maleic anhydride and ethylene oxide / propylene oxide derivative) are added to the mixed powder, and mixed and pulverized in a ball mill for 24 hours together with PSZ balls, Thereafter, ethanol was dried, and sized with a mesh having an opening of 300 μm. Then, it heat-processed for 2 hours at the temperature of 1000 degreeC, and calcined powder was obtained.

次に、この仮焼粉に、酢酸ビニル系の有機バインダー、Mn、PMMA樹脂ビーズ、及び純水を加え、再び、PSZボールと共にボールミルで16時間湿式で混合粉砕し、セラミックスラリーを作製した。尚、Mnは、含有量が0.05mol%となるように添加した。 Next, vinyl acetate organic binder, Mn 3 O 4 , PMMA resin beads, and pure water are added to the calcined powder, and again mixed and pulverized with a PSZ ball in a ball mill for 16 hours to produce a ceramic slurry. did. Mn 3 O 4 was added so that the content was 0.05 mol%.

次いで、このセラミックスラリーを乾燥させ、目開き300μmのメッシュを使用して整流し、セラミック原料粉末を得た。   Next, the ceramic slurry was dried and rectified using a mesh having an opening of 300 μm to obtain a ceramic raw material powder.

そして、このセラミック原料粉末を一軸プレスで98MPaの圧力で成形加工し、円板状の成形体を得た。   And this ceramic raw material powder was shape-processed by the pressure of 98 MPa with the uniaxial press, and the disk-shaped molded object was obtained.

この成形体を大気雰囲気中、600℃の温度で2時間脱バインダ処理し、酸素濃度10000体積ppmの窒素雰囲気中、最高温度1300℃で2時間焼成し、試料番号1〜5の部品素体を得た。   The molded body was subjected to a binder removal treatment at a temperature of 600 ° C. for 2 hours in an air atmosphere and fired at a maximum temperature of 1300 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere having an oxygen concentration of 10,000 ppm by volume. Obtained.

次いで、この部品素体をラップ研磨し、次いで、スパッタリング法を使用してNiCr/NiCu/Agの三層構造の外部電極を形成し、これにより直径12mm、厚さ2.0mm、高抵抗層の厚みyが0〜500μmからなる試料番号1〜5の試料を作製した。   Next, this component body is lapped and then an external electrode having a three-layer structure of NiCr / NiCu / Ag is formed using a sputtering method, whereby a diameter of 12 mm, a thickness of 2.0 mm, and a high resistance layer are formed. Samples with sample numbers 1 to 5 having a thickness y of 0 to 500 μm were produced.

次いで、試料番号1〜5の各試料について、嵩密度から焼結密度を計算した。   Next, the sintered density was calculated from the bulk density for each sample of sample numbers 1-5.

また、試料番号1〜5の各試料について、温度25℃(室温)での比抵抗ρ、PTC桁数ΔR、及び抵抗変化率Δρ/ρを求めた。 Further, for each of the samples Nos. 1 to 5, the specific resistance ρ 0 at the temperature of 25 ° C. (room temperature), the PTC digit number ΔR, and the resistance change rate Δρ / ρ 0 were obtained.

ここで、比抵抗ρは、直流四端子法を使用し、温度25℃で1Vの電圧を印加して測定した。 Here, the specific resistance ρ 0 was measured by applying a voltage of 1 V at a temperature of 25 ° C. using a DC four-terminal method.

PTC桁数ΔRは、PTCサーミスタの能力を示すものであり、数式(1)で定義される。   The PTC digit number ΔR indicates the capability of the PTC thermistor, and is defined by Expression (1).

ΔR=log(ρmax/ρmin)…(1)
ここで、ρmaxは比抵抗の極大値であり、ρminは比抵抗の極小値で定義される。そして温度Tと比抵抗ρとの特性(以下、「ρ−T特性」という。)を測定し、その極大値と極小値とからPTC桁数ΔRを求めた。
ΔR = log (ρmax / ρmin) (1)
Here, ρmax is a maximum value of specific resistance, and ρmin is defined by a minimum value of specific resistance. And the characteristic (henceforth "(rho) -T characteristic") of temperature T and specific resistance (rho) is measured, and PTC digit number (DELTA) R was calculated | required from the maximum value and the minimum value.

また、抵抗変化率Δρ/ρは通電試験を行って求めた。すなわち、各試料について20Vの直流電圧を印加し、1000時間放置した。そして試験前の抵抗変化率ρと試験後の抵抗変化率ρとを温度25℃で測定し、その差Δρ(=ρ−ρ)を求め、抵抗変化率△ρ/ρを算出した。 The resistance change rate Δρ / ρ 0 was obtained by conducting an energization test. That is, a DC voltage of 20 V was applied to each sample and left for 1000 hours. Then, the resistance change rate ρ 0 before the test and the resistance change rate ρ 1 after the test are measured at a temperature of 25 ° C., the difference Δρ (= ρ 1 −ρ 0 ) is obtained, and the resistance change rate Δρ / ρ 0 is obtained. Calculated.

表1は、試料番号1〜5の各試料の焼結密度、25℃(室温)での比抵抗ρ、PTC桁数ΔR、抵抗変化率Δρ/ρを示している。 Table 1 shows the sintered density, the specific resistance ρ 0 at 25 ° C. (room temperature), the PTC digit number ΔR, and the resistance change rate Δρ / ρ 0 for each sample of sample numbers 1 to 5.

Figure 2012209292
Figure 2012209292

試料番号1は、焼結密度が60%と低く、十分に焼結させることができず、試料を半導体化させることができなかった。   Sample No. 1 had a sintered density as low as 60% and could not be sufficiently sintered, and the sample could not be made into a semiconductor.

一方、試料番号5は、焼結密度が93%と高いため、抵抗変化率Δρ/ρが67%と大きくなった。これは通電試験で内部から表面側に移動するNa量が増大したためと思われる。 On the other hand, Sample No. 5 had a high sintering density of 93%, and therefore the resistance change rate Δρ / ρ 0 was as large as 67%. This seems to be because the amount of Na moving from the inside to the surface side in the energization test increased.

これに対し試料番号2〜4は、焼結密度が70〜90%と本発明範囲内であるので、抵抗変化率Δρ/ρは試料番号5に比べて小さくなり、PTC特性が向上することが分かった。 On the other hand, Sample Nos. 2 to 4 have a sintered density of 70 to 90%, which is within the range of the present invention. Therefore, the resistance change rate Δρ / ρ 0 is smaller than that of Sample No. 5 and the PTC characteristics are improved. I understood.

図4は、焼結密度と抵抗変化率との関係を示す図であり、横軸が焼結密度(%)、縦軸が抵抗変化率Δρ/ρ(%)を示している。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the sintered density and the resistance change rate, where the horizontal axis shows the sintered density (%) and the vertical axis shows the resistance change rate Δρ / ρ 0 (%).

この図4から明らかなように、焼結密度が90%を超えると抵抗変化率Δρ/ρが増大しているのに対し、焼結密度が70〜90%の範囲内であれば、抵抗変化率Δρ/ρを50%未満とすることができ、抵抗値の経時劣化を抑制でき、所望の良好な信頼性が得られることが分かった。 As is apparent from FIG. 4, when the sintered density exceeds 90%, the resistance change rate Δρ / ρ 0 increases, whereas when the sintered density is within the range of 70 to 90%, the resistance is increased. It has been found that the rate of change Δρ / ρ 0 can be less than 50%, deterioration of the resistance value with time can be suppressed, and desired good reliability can be obtained.

長時間通電してもPTC特性を損なうことなく抵抗値の経時劣化を抑制できる信頼性の良好な非鉛系のPTCサーミスタを得ることができ、特に車載向けヒータ等の高温用途に有用である。   A lead-free PTC thermistor with good reliability that can suppress the deterioration of the resistance value with time without impairing the PTC characteristics even when energized for a long time can be obtained, and is particularly useful for high-temperature applications such as in-vehicle heaters.

1 部品素体
2a、2b 外部電極
1 Component body 2a, 2b External electrode

Claims (3)

実質的に鉛を含まない非鉛系の半導体セラミックを部品素体とし、該部品素体の両端部に外部電極が形成された正特性サーミスタであって、
前記半導体セラミックは、BaTiO系組成物を主成分とし、Baの一部が、アルカリ金属及びBiで置換され、
前記半導体セラミックの理論焼結密度に対する実測焼結密度が、70〜90%であることを特徴とする正特性サーミスタ。
A positive temperature coefficient thermistor in which lead-free semiconductor ceramic that does not substantially contain lead is used as a component body, and external electrodes are formed at both ends of the component body,
The semiconductor ceramic is mainly composed of a BaTiO 3 composition, and a part of Ba is substituted with an alkali metal and Bi.
A positive temperature coefficient thermistor characterized in that a measured sintered density with respect to a theoretical sintered density of the semiconductor ceramic is 70 to 90%.
前記半導体セラミックは、前記Baの一部が希土類元素で置換されていることを特徴とする請求項1記載の正特性サーミスタ。   The positive temperature coefficient thermistor according to claim 1, wherein a part of the Ba is substituted with a rare earth element. 前記アルカリ金属は、Na、K、及びLiのうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の正特性サーミスタ。   The positive temperature coefficient thermistor according to claim 1, wherein the alkali metal includes at least one of Na, K, and Li.
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