JP2019091907A - バリスタ装置の製造方法およびバリスタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】優れたコスト効率で製造可能なバリスタ装置を提供する。【解決手段】バリスタ装置（１００）の製造方法は、バリスタ装置（１００）用の、セラミック材料を含む基体（１）を提供するステップと、卑金属電極領域（２）用の基材を基体に提供するステップと、卑金属電極領域（２）が形成され、かつバリスタ装置（１００）の基体（１）に強固に接続されるように、基材を有する基体（１）を保護ガス雰囲気下においてある温度条件下で暴露するステップとを含む。【選択図】図１

Description

本開示は、バリスタ装置の製造方法およびバリスタ装置に関する。

バリスタは、たとえば中国特許出願公開公報第１０１３３９８２１Ａ号明細書および中国特許出願公開公報第１０２３２４２９０号明細書により公知である。

本開示の目的は、改良されたバリスタ装置、より特定的には、優れたコスト効率で製造可能なバリスタ装置を提供することである。

この目的は、独立請求項の主題により実現される。有利な実施の形態および改良は、従属請求項の主題である。

本開示のある局面は、バリスタ装置のための基体を提供するステップを含むバリスタ装置の製造方法に関する。基体は、すでに焼結された材料、好ましくはセラミック材料を含む。さらに、基体は、好ましくは円盤形状を有する。上記方法は、卑金属電極領域のための基材を基体に提供するステップをさらに含む。卑金属電極領域は、電極層を構成するか、あるいはバリスタ装置の電極に寄与し得る。上記電極は、さらに他の構成要素を含んでもよい。好ましくは、卑金属電極領域は電極層である。上記方法は、卑金属電極領域が形成され、かつ、その卑金属電極領域がバリスタ装置の基体に強固に接続されるように、基材を有する基体を保護ガス環境下において、ある温度条件下に暴露するステップをさらに含む。保護ガスは、好ましくは雰囲気に追加可能な気体または気体状の添加剤である。保護ガス環境または雰囲気は、便宜的には、たとえば上記温度条件下に基体を暴露する間に基体が酸化することを防止するために必要である。好ましくは、保護ガスは、非常に低濃度または機能上無視できる程度の酸素を含有する高純度窒素ガスである。上記方法は、バリスタ装置を完成させるステップをさらに含む。

セラミック材料または基体は、焼結されていない材料であってもよく、上記温度条件下に基体を暴露している間に焼結される材料であってもよい。

本開示の利点として、コスト効率が非常に優れた手法でバリスタ装置を製造することができる。これは、バリスタ装置内の卑金属電極領域のために用いられる基材が、電極材料のためのたとえば銀（Ａｇ）または他の貴金属と比べてはるかに安価であるためである。

ある実施の形態において、卑金属電極領域のための基材を有する基体を提供するステップの間または後に、基材は、たとえば１５０℃から２００℃までの間の温度で乾燥される。

ある実施の形態において、基材が基体に提供される前に、不動態が基体に提供される。
ある実施の形態において、不動態は、上記温度条件下で基体を暴露する間の化学反応および／または保護ガスの影響から基体を保護する。

不動態は、便宜的には、バリスタ装置の動作のために上記温度条件下に基体を暴露する間に、基体の所望の電気的性質および／または半導体的性質を維持または確立するために
必要である。

不動態は、好ましくは、基体上に堆積した不動態層である。不動態は基体表面の不動態であってもよく、それによって基体は不動態を基体に提供する間にコーティングされる。好ましくは、不動態は、電気的に非導通性である。便宜的には、基体には、基体のサイトまたは表面領域が化学的に結合していない状態であって、かつ、化学的に結合していない領域またはコーティングされていない領域内に基材を後に提供または適用できるように、不動態が提供される。これは、たとえばバリスタ装置の１以上の電極を提供するためである。

ある実施の形態において、上記温度は、卑金属電極領域が形成されるように基材をバーンインするための、または基材を基体に機械的に接続するための焼成温度である。これにより、基材に存在し得る溶剤または化学物質を基材から排除し得る。

ある実施の形態において、不動態は、たとえば上記温度条件での暴露の間に保護ガス環境の還元条件下において、基体または基体の一部分の化学還元から基体を保護するように構成または提供される。上記還元は、とりわけ基体の電気的性質または半導体的性質を損なったり、これら性質に悪影響を与えたりする可能性がある。

ある実施の形態において、不動態は、たとえばその後のはんだ付けのステップおよび／またはバリスタ装置の製造ステップの間において、基体外部から基体内部への腐食剤または他の化学物質の拡散から基体を保護する。

ある実施の形態において、基体に不動態のための原料が提供された後に、上記原料は、不動態を形成するために３００℃から６００℃までの温度において硬化される。このプロセスは、基体に不動態を適切に提供するために必要的または便宜的であり得る。

ある実施の形態において、基体には、スクリーン印刷によって基材が提供される。この実施の形態によれば、卑金属電極領域および／またはバリスタ装置全体のための基材を大規模に生産、たとえば大量生産することができる。これにより、卑金属電極領域のためのコスト効率に優れた材料の利点を、上述したように、さらに活用することができる。あるいは、基体に、あらゆる便宜的な技術によって基材を提供することができる。

ある実施の形態において、基体は、たとえばコンベア型加熱炉など異なる温度区画を有する加熱炉内にて上記温度条件に暴露される。少なくとも１つの区画において、卑金属電極領域が形成され、基体に強固に接続され得る。

ある実施の形態において、４５０℃から８００℃までの温度の区画では、卑金属電極領域が形成されて基体に強固に接続されるように、５分から３０分までの期間、基体は暴露される。この実施の形態により、便宜的かつ都合のよい卑金属電極領域の形成および／または固定あるいは強固な接続が可能になる。

ある実施の形態において、上記温度条件下への基体の暴露後に、基体には、はんだ接点および／またははんだストラップが提供される。この実施の形態は、便宜的には、バリスタ装置が適用されるあらゆる構成要素とのバリスタ装置の電気的接続を可能にする。

ある実施の形態において、はんだ接点の材料および／またははんだストラップの材料は、鉛フリーである。この実施の形態は、ＲｏＨＳのようなガイドラインの要求に適合することを可能にする。ＲｏＨＳは、欧州連合（ＥＵ）に採用された「電気・電子機器に含まれる特定有害物質の使用制限に関する欧州議会及び理事会指令」（Directive on the res
triction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic
equipment）の短縮形である。

ある実施の形態において、バリスタ装置を完成させるステップは、これまで製造された基体に保護的および／または機械的に安定化させる外部コーティングまたはカプセル化とを提供するステップを含む。

本開示のさらに別の局面は、セラミック基体と、卑金属電極領域を含む電極とを備えたバリスタ装置に関する。卑金属電極領域は、セラミック基体に直接接続される。卑金属電極領域は、低いか無視できるほどの酸素を含み得る。酸素の原子組成百分率は、たとえば０．５％であり、好ましくは０．１％未満である。

１以上の貴ではない卑金属電極領域によって、高価な貴金属を電極材料に用いることを都合よく避けられるので、バリスタ装置の製造コストを低減することができる。

ある実施の形態において、卑金属電極領域は、銅を含むか、完全に銅によってできている。電極材料としての銅のコスト効率の利点とともに、銅の電気的性質または熱的伝導特性の利点をバリスタ装置に利用することができる。有利なことに、この実施の形態は、大きな活性すなわちセラミック表面積と、比較的大きなＡＣ動作電圧とを有するバリスタ装置の製造をさらに可能にしたり促進したりする。

バリスタ装置のある実施の形態において、セラミック基体の電極表面は、少なくとも４００ｍｍ２の面積を有する。この電極表面は、たとえば上面から見た基体の主表面（以下を参照）と完全に、または実質的に一致し得る。この実施の形態によれば、便宜的にはまたは好ましくは、バリスタ装置のサージ電流の吸収容量を増加させることができる。

あるバリスタ装置の実施の形態において、バリスタ装置は、少なくとも７５Ｖの二乗平均平方根ＡＣ動作電圧用に設計されている。

あるバリスタ装置の実施の形態において、バリスタ装置は不動態を含む。不動態は、たとえば基体に直接的に接触しない卑金属電極領域のエリアまたは表面において、セラミック基体に直接接続される。この実施の形態によれば、不動態によって最も都合良くかつ簡易に上述の外部影響から基体を保護することができる。

あるバリスタ装置の実施の形態において、不動態は、鉛フリーのガラス、セラミック材料および／または無機材料である。

あるバリスタ装置の実施の形態において、セラミック基体は、各々がセラミック基体の主表面に接続された２つの卑金属電極領域を含む。この実施の形態は、バリスタ装置の電気的接続に関して都合がよい。

ある実施の形態において、不動態は、セラミック基体の端面のみに配置されている。この端面は、セラミック基体の主表面を接続する。

その結果として、バリスタ装置の製造中に劣化または腐食が最も生じやすいセラミック基体の端の領域を外的影響から適切に保護することができる。たとえば、上記境界または端領域における幾何学的端部効果は、特に漏れ電流、エネルギー吸収容量、電流−電圧特性といったバリスタ装置の電気的性質に悪影響を与え得る。それだけでなく、バリスタ装置の寿命または耐久性に関しても影響がある可能性がある。

バリスタ装置の代替的な実施の形態において、不動態は、卑金属電極領域が提供されるべきセラミック基体の側面または領域以外のいかなるセラミック基体の側面に配置されてもよい。

この実施の形態によれば、不動態化すなわち不動態の保護効果は、これまでに説明された実施の形態と比べて、さらに増加させたり最適化したりことができる。

あるバリスタ装置の実施の形態において、卑金属電極領域は、５μｍから３０μｍまでの厚みを有する層である。この厚みは、十分に覆われた、あるいは連続的に覆われた電極表面を形成するという観点からと同時に、セラミック基体への卑金属電極領域のコスト効率に優れた応用を可能にするという観点から、最適化または適正化することができる。

ある実施の形態において、提示されるバリスタ装置は、先行技術のバリスタ装置および／または卑金属電極領域に代えて貴金属の電極または電極領域（たとえば銀により形成されたもの）を備える同種のバリスタ装置との比較において、類似または同等の電気的性質を有する。ここで「同等」または「類似」とは、貴金属電極を備えた上述の参照用バリスタ装置との比較において、バリスタ電圧または漏れ電流に関し、上記電気的性質が大幅に悪化したり劣化したりしていないことを意味する。

あるバリスタ装置の実施の形態において、バリスタ装置は、ストラップ状および／またはディスク状のバリスタである。この実施の形態によれば、バリスタ装置のセラミック基体は、モノリシック材料または要素から形成される。

あるバリスタ装置の実施の形態において、バリスタ装置は、複数層のバリスタではない。

バリスタ装置は、たとえば落雷による過電圧から各装置を保護するために、たとえば電化製品、通信装置または産業用電源に利用することができる。

異なる局面または実施の形態とともに本明細書の以上および以下に説明される特徴は、他の局面および実施の形態においても適用され得る。この開示の主題のさらなる特徴および有利な実施の形態は、図面とともに以下に説明される例示的な実施の形態から明らかになるであろう。

バリスタ装置は、好ましくは上述の方法によって製造されるので、バリスタ装置の製造方法とともに以上および以下で説明される特徴は、バリスタ装置そのものに関するものであってもよいし、あるいは逆であってもよい。

バリスタ装置の概略断面図である。

同様の要素、同種の要素および同等に作用する要素は、図面中、同じ参照符号を付して表され得る。また、図面の縮尺は正確でない場合もある。むしろ、重要な原理についてはより良い説明を行なうために、特定の特徴は強調して図示されている。

図１は、長手方向のバリスタ装置１００の断面図である。バリスタ装置１００は、ストラップ状バリスタおよび／またはディスク状バリスタである。バリスタ装置１００は、基体１を備える。基体１は、便宜的にはセラミック材料によって作られる。さらに、基体１は、好ましくは、ディスク様の形状を有する。ディスクの主な伸張方向は、図１では水平
方向を通り、基体１の主表面を通って伸張し得る。基体１は、２つの主面７を含む（図１の左側面および右側面または表面を参照）。主面７は、基体１の表面（おもて面）および裏面に関するものであってもよい。基体１は、１以上の端面６をさらに含む。好ましくは、端面６は主表面７を接続する。バリスタ装置１００または基体のディスク様の実施の形態によれば、端面６は、基体１の円周表面をさらに形成し得る。

追加的または代替的に、基体１は平面形状を含み得る。好ましくは、基体１は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含むか酸化亜鉛によって構成される。実際には、非線形抵抗挙動といったバリスタの機能は、酸化亜鉛によるものである可能性がある。

バリスタ装置１００は、好ましくは２つの電極をさらに備え、各電極は主表面７に適用される。電極の各々は、卑金属電極領域２によって構成され得る。電極または卑金属電極領域２について言及する場合、図１に示される電極２の両方か卑金属電極領域２について自動的に言及しているものとする。

卑金属電極領域２は、好ましくは銅によって作られている。あるいは、卑金属電極領域２は、他の卑金属によって作られたものであってもよい。好ましくは、卑金属電極領域２は、５μｍから３０μまでの厚みを有する。好ましくは、卑金属電極領域２は、著しくは酸化されておらず、酸素の原子組成百分率が０．１％未満しかない。

図１には明示されていないものの、電極は、たとえば金属である電極材料または電極層をさらに含み得る。これらは、たとえばバリスタ装置１００への接点のはんだ付けの間などの製造中に、存在する可能性がある腐食物質のための拡散障壁として機能し得る。しかしながら、卑金属電極領域２は、基体１に直接接触する電極領域である。

バリスタ装置１００の基体１は、面積が１００ｍｍ２以上の電極表面を有し、好ましくは、たとえば４００ｍｍ２以上などのような２００ｍｍ２以上の面積を有する。上記電極表面（明示せず）は、好ましくは、少なくとも１つの卑金属電極領域２に接続されているか当該卑金属電極領域２によって覆われている基体１の表面に関する。この電極表面は、基体１の各側面上の主表面７に一致し得る。

バリスタ装置１００は、２５Ｖ以上、好ましくは、たとえば７５Ｖ以上など５０Ｖ以上の二乗平均平方根ＡＣ動作電圧用にさらに設計され得る。

バリスタ装置１００は、不動態３、好ましくは不動態層をさらに備える。不動態３は、基体１の端面６、すなわち図１において基体１の上面および底面に適用される。端面６は、好ましくは電極表面または主表面７の１つと比べて小さな面積を有し、それによりバリスタ装置１００の製造中に劣化または腐食が起こりやすい可能性がある。不動態３は、図１に示されるように、端面６にしか配置されていない。

あるいは、不動態３は、明示されていないものの、卑金属電極領域２が提供または適用される、基体１の側面または領域以外であれば、基体１のいかなるサイトまたは外側面に配置されてもよい。

不動態は、鉛フリーガラス、セラミック材料および／または無機材料であってもよいし、これらを含んでもよい。不動態は、たとえば、バリスタ装置１００の製造中における化学還元のような保護ガスまたはガス雰囲気下での化学反応および／または影響から基体を保護するために提供される。

バリスタ装置１００は、たとえばバリスタ装置の各側面（図１における左側面および右側面を参照）において電極２にはんだ付けされるはんだストラップ４をさらに備える。はんだストラップ４は、好ましくはスズ（Ｓｎ）により作られている。図１では明示していないが、電極２は、さらなる電極および／またははんだ材料を含んでもよい。バリスタ装置１００は、外部コーティング５をさらに備える。

以下においては、バリスタ装置の製造方法が説明される。上記製造方法は、バリスタ装置１００用の基体１を提供するステップと、卑金属電極領域用の基材を基体に提供するステップと、卑金属電極領域２が形成され、かつ、その卑金属電極領域２がバリスタ装置１００の基体１に強固に接続されるように、基材を有する基体１を保護ガス雰囲気のある温度条件下に暴露するステップとを含む。このような趣旨で、基材は、金属ペーストであってもよいし金属ペーストを含んでもよい。好ましくは、基材は、バインダまたは結着剤をさらに含む。

基材は、たとえばスクリーン印刷または他の印刷方法により提供されてもよい。
バリスタ装置の製造中において、基体１は、不動態化のための原材料によってその後にコーティングされ得る。続いて、基体１は、不動態３を形成するために硬化または焼成され、さらに卑金属電極領域のために基材によりコーティングされ、乾燥され、上記温度条件下で暴露され、たとえばはんだストラップ４にはんだ付けされ、そして外部コーティング５によりコーティングされてもよい。

はんだストラップ４および／または上記他のはんだ接点もしくは層は、互いにはんだ付けされてもよい。このはんだ付けは、たとえば真空および／または保護環境もしくは外気条件下において、浸漬はんだ付けまたはリフローはんだ付けにより行なわれる。また、はんだ付けの間には、バー状、ペースト状もしくはワイヤ状のようなフラックス材料および／または特別な鉛フリーはんだが使用され得る。特に、はんだストラップ４は、ボルトであってもよく、かつ／または、曲がった形状もしくは真っ直ぐな形状であってもよい。この方法は、それまでに製造または組み立てられた構成要素に外部コーティング５を提供またはコーティングするステップをさらに含む。外部コーティング５は、カプセル化および／または有機材料もしくは無機材料であってもよく、たとえばエポキシ樹脂である。

暴露するステップは、基材のためにバーンインを行なうステップであってもよいし、バーンインを行なうステップを含んでもよい。このステップによって、上記材料は卑金属電極領域に変換され、それと同時に基体１に機械的に接続される。製造中には、さらなる電極材料が基体１に堆積または適用されてもよい。

暴露するステップは、好ましくは、ベルト状窯（キルン）のようなコンベア型加熱炉または窯（図面では明示されていない）の内部において行なわれる。上記加熱炉は、空気をほとんど含まない高純度窒素のような保護ガス雰囲気を適用するための設備をさらに備えることが好ましい。コンベア型加熱炉は、好ましくは、加熱領域、高温領域、冷却領域および出口エリアを備える。加熱領域においては、上述のバインダを基材から除去することが好ましい。高温領域においては、上記した基材の暴露またはバーンインのために、４５０℃から８００℃までの温度が加えられることが好ましい。好ましくは、既成の基体が上記範囲内の温度に５分から３０分までの期間暴露される。期間および温度は、個々の装置または基体のサイズに依存し得る。大きな装置では、より小さな装置と比べて、熱的衝撃を大きくしなければならない場合がある。冷却領域においては、個々の製品は、たとえば高温領域の温度から冷却され得る。

詳細には、不動態は、上述のように、たとえば５６０℃で１時間のように、３００℃から６００℃までの温度で１０分から４時間までの時間をかけて硬化され得る。

詳細には、基材は、空気環境下において、たとえば１００℃から３００℃までの温度で２分から１５分までの時間をかけて乾燥され得る。

ある実施の形態において、バリスタ装置は、３３．７ｍｍの長さを有し、３２ｍｍよりも長い直径を有し、２１６Ｖ〜２６４Ｖのバリスタ電圧を有し、２μＡの漏れ電流を有し、８／２０μｓの電流容量もしくは電圧パルス形状を有し、および／または２ｍｓのエネルギー吸収耐性を有し得る。

代替的な実施の形態において、バリスタ装置は、６７５Ｖ〜８２５Ｖのバリスタ電圧および／または１０ｐＡよりも大きな漏れ電流を有し得る。

保護範囲は、以上の本明細書で示された例に限定されるものではない。この発明は、新規な各特性および特性の各組合せによって具体化される。この発明は、特に、たとえ特徴または特徴の組合せが特許請求の範囲または実施例に明示的に記載されていなくても、特許請求の範囲に記載されたすべての特徴の各組合せを含む。

１ 基体、２ 卑金属電極領域、３ 不動態、４ はんだストラップ、５ 外部コーティング、６ 端面、７ 主表面、１００ バリスタ装置。

Claims (13)

1. バリスタ装置（１００）の製造方法であって、
   前記バリスタ装置（１００）用の、セラミック材料を含む基体（１）を提供するステップと、
   卑金属電極領域（２）用の基材を前記基体に提供するステップと、
   前記卑金属電極領域（２）が形成され、かつ前記バリスタ装置（１００）の基体（１）に強固に接続されるように、前記基材を有する前記基体（１）を保護ガス雰囲気下においてある温度条件下で暴露するステップと、
   前記バリスタ装置（１００）を完成させるステップとを含む、バリスタ装置の製造方法。
2. 前記基体（１）に基材が提供される前に、前記基体（１）に不動態（３）が提供される、請求項１に記載のバリスタ装置（１００）の製造方法。
3. 不動態（３）のための原料が前記基体（１）に提供された後に、前記原料は、不動態（３）を形成するために３００℃から６００℃までの温度において硬化される、請求項２に記載のバリスタ装置の製造方法。
4. 前記基体（１）には、スクリーン印刷によって前記基材が提供される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバリスタ装置の製造方法。
5. 前記基体（１）は、異なる温度区画を有する加熱炉の内部において、前記温度条件下で暴露される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバリスタ装置の製造方法。
6. 前記基体（１）は、４５０℃から８００℃までの温度の区画において、前記卑金属電極領域（２）が形成され、かつ前記基体（１）に強固に接続されるように、５分から３０分までの期間、暴露される、請求項５に記載のバリスタ装置の製造方法。
7. 前記基体（１）の前記温度条件下での暴露後において、はんだ接点および／またははんだストラップが前記基体（１）に提供される、請求項１〜６のいずれか１項に記載のバリスタ装置の製造方法。
8. セラミック基体（１）と、
   卑金属電極領域（２）を含む電極とを備え、
   前記卑金属電極領域（２）は、前記セラミック基体（１）に直接接続される、バリスタ装置（１００）。
9. 前記卑金属電極領域（２）は、銅を含む、請求項８に記載のバリスタ装置（１００）。
10. 前記セラミック基体（１）に直接接続された不動態（３）を備える、請求項８または９に記載のバリスタ装置（１００）。
11. 前記セラミック基体は、各々が前記セラミック基体（１）の主表面（７）に接続された２つの卑金属伝教領域を備え、
    前記不動態（３）は、前記セラミック基体（１）の端面（６）にしか配置されず、
    前記端面（６）は、前記セラミック基体（１）の前記主表面（７）に接続される、請求項１０に記載のバリスタ装置（１００）。
12. 前記不動態（３）は、鉛フリーガラス、セラミック材料および／または無機材料である、請求項８〜１１のいずれか１項に記載のバリスタ装置（１００）。
13. 前記卑金属電極領域（２）は、５μｍから３０μｍまでの厚みを有する層である、請求項８〜１２のいずれか１項に記載のバリスタ装置（１００）。