JPS5919449B2 - 電圧非直線抵抗素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は酸化亜鉛を主成分とする焼結体において出発原
料として金属亜鉛を含有してなる電圧非直線抵抗素子の
製造方法に関する。

近年、ＩＣ，Ｉ−ランリスク、サイリスクなどの半導体
素子および半導体回路とその応用の急速な発展にともな
い計測、制御、通信機器および電力機器における半導体
素子および半導体回路の使用が普及し、これら機器の小
型化、高性能化が急速に進展している。

しかし他方ではこのような進歩にともないこれらの機器
やその部品の耐電圧、耐サージおよび耐ノイズ性能は十
分とはいえない。

このためこれらの・機器や部品を異常なサージやノイズ
から保護すること、あるいは回路電圧を安定化すること
がきわめて重要な課題になってきている。

これらの課題のために電圧非直線性がきわめて大きく放
電耐量の大きい寿命特性のすぐれた、しかも安価な電圧
非直線抗折素子の開発が要求されてきている。

従来これらの目的のためにＳｉＣバリスタやＳｉバリス
タなどの電圧非直線抵抗素子やツェナーダイオードなど
が用いられてきた。

また最近では酸化亜鉛を主成分としこれに添加物を加え
たバリスタが開発されている。

バリスタの電流電圧特性は一般につぎの関係 Ｉ −（Ｖ／Ｃ） ａ で表示される。

ここで■はバリスタに印加されている電圧であり、■は
バリスタを流れる電流である。

またＣは与えられた電流を流したときの電圧に対応する
定数である。

α−１はオームの法則にしたがう普通の抵抗体であり、
αが大きいほど非直線性がすぐれているといえる。

ここではバリスタ特性をＣとαで表わすかわりに１ｍＡ
における立上り電圧Ｖ １ ｍＡとαで表わすこととす
る。

従来用いられているＳｉＣバリスタはＳｉＣ粒子を磁器
結合剤で焼き固めたものでその非直線性はＳｉＣ粒子相
互の接触抵抗の電圧依存性に起因している。

したがってバリスタを流れる電流方向の厚みを変えるこ
とによってＣ値を制御することができる。

しかし非直線係数αは３から７と比較的小さい。

しかも非酸化性雰囲気中で焼成する必要がある。

他方Ｓｉバリスタはその非直線性がＳｉのｐ −ｎ接合
に起因したものであるため広範囲にわたってＣ値を制御
することが不可能である。

ツェナーダイオードも同様にＳｉのｐ −ｎ接合を利用
しているために電圧非直線性はきわめて太きいが高電圧
用の素子を作ることが難しく、また放電耐量が小さくサ
ージに弱いという欠点がある。

また酸化亜鉛を主成分とするセラミックバリスタとして
酸化ビスマス、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化アン
チモンなどを含むものが最近開発されている。

これらはその非直線性が焼結体自体に起因しているため
対称形の電圧電流特性を示しその非直線性が非常に大き
いという長所をもっている。

しかしながら衝撃大電流を印加したときの■１ｍＡの正
方向の変化率と負方向への変化率の差が大きく、特に負
方向への変化が大きい。

このことは対称形の電圧電流特性が維持できない。

すなわち極性が発生するという大きな欠点となり安定性
のない素子として信頼性を保証することができない。

この他酸化ビスマスを含まないで酸化ニッケルおよび酸
化バリウム等を含むものや希土類元素および酸化コバル
トを含むものなどが開発されており、これらのものは上
記の衝撃大電流を印加したときのＶｌｍＡの変化率の差
は小さくなっているが、電圧非直線性は酸化ビスマスを
含むものと比較して小さくバリスタとしてのサージ抑制
特性が悪いため使用範囲が限られてしまう欠点があった
。

しかるに本発明の目的は従来の電圧非直線抵抗素子にお
ける上記の欠点を解決せんとするものである。

すなわち本質的に対称形の電圧電流特性を有し、そのサ
ージ抑制特性が良好である高い電圧非直線係数αをもち
実用上衝撃大電流印加時に高い信頼性をユーザに与える
電圧電流特性の維持をなし、さらに課電寿命特性を高め
るｖ１μＡの電圧の高安定性を満足させるものである。

実際には電圧非直線性が焼結体自体に依存しα値が６０
以上と高い値をもち、かつ衝撃大電流を印加した場合の
Ｖ 、ｒｎＡの正方形の変化率と負方向の変化率の差が
１０１）以下ときわめて小さい極性特性をもち、さらに
■１μＡ時の電圧変化率が３係以下と小さい非常にすぐ
れた電圧非直線抵抗素子を製造する方法。

を提供することにある。

以下本発明の詳細を一実施例にもとづき説明する。

実施例 酸化亜鉛に金属亜鉛をｏ、ｏｏｉ〜′２０モル係および
酸化ビスマス、酸化ニッケルをそれぞれｏ、ｏ ｏ ｉ
〜１０モル係の範囲で添加しこれを十分に混合して２０
ｍｍ＄ｘ１ｍｍｔの寸法の円板型に成型し１０００°Ｃ
以上の空気中高温で焼成した。

焼結した試料の両面に電極をつけ特性を測定したところ
第１表に示すような結果が得られた。

すなわち第１表は焼結体の厚みを固定して電極の種類を
変えた場合の特性を調べたものであるがこの第１表から
れかるように電極の種類に無関係に素体の厚みによって
特性が変わる焼結体自体が非直線性をもつ素子であるこ
とがわかる。

つぎに第１図に焼成温度と添加量を変えたときのＶｌｍ
Ａに対応するα値の変化を示す。

試料の焼成温度と組成、添加量は第２表に示すとおりで
ある。

曲線１は本発明の実施例でもつとも大きなα値を示す。

曲線２は比較例で前記試料において金属亜鉛を出発原料
として使用しないですべて酸化亜鉛を用いた場合の特性
を示す。

曲線３は参考例として酸化ビスマスを含まないで酸化亜
鉛に酸化ニッケルおよび酸化バリウム等を添加したもの
である。

これかられかるように酸化ビスマスを含み金属亜鉛を出
発原料として含有するバリスタは大きいα値がＶｌｍＡ
の広い範囲にわたり得られるという特徴をもっている。

つぎに第３表に極性特性の比較を示す。

すなわち第３表は衝撃大電流特性、直流負荷特性、温湿
度サイクル特性をＶ １ ｒｎＡの正方向の変化率と負
方向の変化率で表わしたもので、従来のこの種の電圧非
直線抵抗素子のそれと比較した。

第３表において使用した素子はいずれも同一の形状寸法
にあわせた。

Ｖ１ｍＡ＝ ２００ Ｖの素子の場合に関して示した例
である。

従来のＺｎＯバリスタのデータは本発明の実施例の組成
から金属亜鉛を出発原料として含有しないものである。

第３表の値から本発明の製造方法により得られたバリス
タの値は従来のバリスタの値に比して一段とすぐれてい
ることがわかる。

衝撃電流特性は５００Ａのサージ電流を１００００回印
加した場合のＶｌｒｒＩＡ値の正方向、負方向の変化率
をみたもので、バリスタの主要な用途であるサージ吸収
素子としての安定性を調べたものである。

直流負荷特性は８５℃中で２Ｗの負荷を連続５００時間
印加後のＶｌｍＡの変化率を調べたものである。

従来のバリスタは高温度の場合の劣化が大きいことがわ
かる。

温湿度サイクル特性は一４０℃から８５℃９５係ｐＨの
雰囲気中で２Ｗの負荷を１００サイクル行った後の変化
率を調べたものである。

また第１図に参考例（曲線３）として示した酸化亜鉛に
酸化ニッケルおよびバリウム等を添加したものの極性特
性はαの正方向の変化率と負方向の変化率の差の絶対値
が４〜５係である。

本発明の製造方法により得られた電圧非直線抵抗素子は
非直線性がすぐれているうえ、さらに極性特性がきわめ
て小さい。

このことは対称形の電圧電流特性を維持する意味で非常
に重要であるとともにこれらの寿命特性、安定性は素子
として高い信頼性を保証するものである。

このことは実用上からみて特に重要である。

なお添加物の酸化ビズマス、酸化ニッケルは前記実施例
では酸化物を用いたが空気中高温で酸化物になるもので
あればよく必ずしも酸化物に限らないことはいうまでも
ない。

焼結温度の最適点は添加物の添加量に応じて若干具なる
が、１０００℃以乍の温度では焼結が不十分となり第２
表に示した安定性の特徴を発揮することは難しい。

焼成温度の上限は焼結過度−すなわち焼結体が変形した
り膨張したりする現象−がみられない温度によってきめ
られる。

本発明者の実験結果から金属亜鉛のもつとも有効な添加
量は、第２図に示す衝撃電流特性から明らかなようにｏ
、ｏｏｉ〜２０モル係の範囲である。

０．００１モル％未満または２０モル％を越える範囲で
は負方向の変化率がマイナスとなり従来と同程度の安定
性しかもたない。

また酸化ニッケルのもつとも有効な添加量は第３図に示
す温湿度サイクル特性から、また酸化ビスマスのもつと
も有効な添加量は第４図に示す直流負荷特性からそれぞ
れ明らかなように、いずれも０．００１〜１０モル係の
範囲である。

両者とも０．００１モル％未満また１０モル％を越える
範囲では、負方向の変化率がマイナスとなり安定性に欠
ける。

本発明において上記添加物以外にさらに他の添加物をあ
らかじめ酸化亜鉛に添加しておくか、あるいは焼結体中
に拡散させるか、またはこれらの方法を適具組み合わせ
て実施してもよい。

以上詳述したように本発明によれば酸化亜鉛を主成分と
し焼結体自体が電圧非直線特性を有する電圧非直線抵抗
素子の製造方法において出発原料として金属亜鉛を含有
することによってきわめて大きい非直線性を有し、しか
も極性特性が非常に良好でかつ製造方法がきわめて簡便
であり安定した特性を有する電圧非直線抵抗素子の製造
方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例と従来の参考例とのＶｌｍＡに
対応するα値の変化の比較を示す曲線図、第２図は衝撃
電流特性を示す曲線図、第３図は温湿度サイクル特性を
示す曲線図、第４図は直流負荷特性を示す曲線図である
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化亜鉛を主成分とし焼結体自体が電圧非直線特性
   を有する電圧非直線抵抗素子の製造において、金属亜鉛
   、酸化ビスマスおよび酸化ニッケルを出発原料として含
   有することを特徴とする電圧非直線抵抗素子の製造方法
   。 ２ 金属亜鉛の含有率がｏ、ｏｏｉ〜２０モル係、酸化
   ビスマスおよび酸化ニッケルの含有率がそれぞれ０．０
   ０１〜１０モル係であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の電圧非直線抵抗素子の製造方法。