JPS6028203A - 電圧非直線抵抗体の製造方法 - Google Patents

電圧非直線抵抗体の製造方法

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JPS6028203A
JPS6028203A JP58137231A JP13723183A JPS6028203A JP S6028203 A JPS6028203 A JP S6028203A JP 58137231 A JP58137231 A JP 58137231A JP 13723183 A JP13723183 A JP 13723183A JP S6028203 A JPS6028203 A JP S6028203A
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JP
Japan
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zinc oxide
voltage
oxide
bismuth
sintered body
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JP58137231A
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Inventor
清 松田
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Marcon Electronics Co Ltd
Original Assignee
Marcon Electronics Co Ltd
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は酸化亜鉛化生成分とする焼結体にお(・て出発
原料添加物としてチタン酸ビスマス化合物乞含むことを
特徴とする電圧非直線抵抗体の製造 。
方法に関する。
近年、IC,)ランジスタ、サイリスタなどの半導体素
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
制御1通信機器および電力機器における半導体および半
導体回路の使用が普及し、これら機器の小形化、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、耐ノイス性は十分とは言えない。このためこれらの
機器や部品を異状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必要である。これ
らの目的のためこれまではSiCやSiバリスタが多用
されてきた。また最近では酸化亜鉛化生成分としてこれ
に添加物を加えたバリスタが開発されている。しかし最
近は半導体および半導体回路の高密度化、高集積化にと
もない半導体および半導体回路の低電圧化、低電力化が
いっそう促進されている。これらの半導体や半導体回路
欠保護1ろためあるいは回路電圧欠安定化す、るために
さらに低電圧で働くバリスタが必要となってきた。
バリスタの電圧電流特性は一般にっぎの関係式I=(’
V/C)ct で表わされる。ここで■はバリスタ素体に印加される電
圧であり、■はバリスタ素体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は優れている。
ここではバリスタ特性7Cとαで表わすかわりに電流k
 1. mA /(Hfの電流密度で流したときの立上
り電圧V ]、 mAとαで表わす。焼結体自体が電圧
非直線性欠もつ代表的なものであるSiCバリスタはS
iC粒子ケ磁器結合剤で焼き固めたもので、その非直線
性はSiC粒子の接触抵抗の電圧依存性に起因している
。バリスタの素体厚さ1闘の場合電流y1mA/at流
したときの立上り電圧Y V1mA/ImとするとSi
CバリスタはSiC粒子の粒径と素体厚さ乞制御するこ
とによりVlmAが数Vのものから数千■のものまで製
造可能であるが、非直線係数αが3〜7と小さいため十
分でない。またSiCバリスタと同様に焼結体自体が非
直線性火有するものにZnO系バリスタがある。これは
酸化亜鉛に主成分として添加物として少量の酸化ビスマ
ス、酸化コバルト、酸化マンガン、it化アンチモンな
どを含むものである。ZnO系バリスタの非直線係数は
約20〜5oでありSiCバリスタに比して非常に優れ
た非直線性ケ示す。このため半導体や半導体回路の保護
に非常に適しているが半導体や半導体回路の使用電圧が
ますます低電圧化の傾向にある。しかしこれまでのZn
O系バリスタではこの低電圧化に対応する低電圧バリス
タ(V1’rrlAが約20V)4製造することが非常
に困難であった。この理由としてZnO系バリスタの微
細構造は第1図に示すように低抵抗の酸化亜鉛結晶粒(
1)馨非直線性を発揮させる高抵抗の粒界層(2)でポ
リ囲んだものである。図中(3)は電極、(4)は端子
である。このため焼結体厚さ1關当たりのV l mA
 7mm は素体の厚み方向に存在する粒界層(2)の
数により決定される。ZnO系バリスタでは1粒界層当
たりの立上り電圧は約2.5V程度である。
酸化亜鉛に酸化ビスマス、酸化コバルト、酸化マンガン
など欠加えたものを1100〜1300 ’0の温度で
焼結したとき、焼結体中の酸化亜鉛結晶粒(1)の粒径
は30〜40μm程度である。このためV 1 mA 
7mmは40V以上となる。コノためV l mA −
2QVのバリスタ乞製造するには厚さQ、5 yの素体
化つくる必要がある。この場合微細構造は酸化亜鉛結晶
粒(1)が10個直列につながり粒子と粒子との間に8
個の粒界層(2)が存在するかたちになる。
厚さQ、5龍の累体乞製造する方法として焼結体馨研磨
して所定の厚さゲ得る方法がある。しかし焼結体は酸化
亜鉛結晶粒(1)欠主としてビスマス酸化物からなる粒
界層(2)が取り囲んでいるため機械的強度は弱い。こ
のため研磨中に酸化亜鉛結晶粒(1)が脱落したりマイ
クロクラ゛ツクが発生し局部的に電圧の低い欠陥部が生
じる。またもう一つの方法として焼結体が所定の厚さに
なるように焼結後の収縮率を加味して薄い板状に成型す
る方法がある。
この場合は収縮率ケ加味して0.6〜0.7關の厚さに
成型したけnばならない。しかし成型体の機械的強度は
非常に弱いため割れや欠けなどが生じ成型体の取扱いが
非常に困難である。これらの欠点ケなくするためには焼
結体の酸化亜鉛結晶粒(1)の粒径火約100μmまで
成長させ、素体厚さが約1.0龍でVlmA−20Vの
バリスタができるようにし、成型体強度2強くする必要
がある。最近ZnO系低電圧バリスタの製造方法として
たとえば特開昭54−140995号公報で提案されて
いるように粒径が100μm程度の酸化亜鉛結晶粒(1
)を使用する方法がある。これは焼結過程で酸化亜鉛結
晶粒(11’K 100μm程度の太きさまで成長させ
ることが困難なため主成分である酸化亜鉛の一部に最初
から大きく成長させた酸化亜鉛結晶粒(1)を使用する
ものである。しかし大きく成長させた酸化亜鉛結晶粒(
1)欠得るには酸化亜鉛に炭酸バリウムや炭酸ストロン
チウ7!−ヲ加えたもの火成型。
焼結し、この焼結体を純水中で煮沸することにより酸化
亜鉛結晶粒(1)ヲ取り囲んだBaやSry水に溶解さ
せ焼結体を分解する必要がある。また酸化亜鉛結晶粒(
1)以外の原料の粒径は数μm以下である。このため焼
結過程で酸化亜鉛結晶粒(1)部分と他の原料粉末部分
とに収縮率の差が生じ焼結体が多孔質になる。このため
V 1 m A /mrsが低く緻密な葉体ケ得るには
酸化亜鉛結晶粒(1)の焼結温度。
粒径、添加割合、結晶核以外の原料の組成などの条件の
選択が複雑となる。
また添加物に酸化ビスマス化含むZnO系バリスタの欠
点として焼結体の熱処理条件(電極焼付工程も含む)に
より寿命特性が大きく変わることがあげられる。これは
非直線性を発揮させる粒界層(2)が主として酸化ビス
マスからなるためである。
熱処理前の焼結体中の酸化ビスマス結晶相はα相。
β相、δ相のうちの少なくとも]種類に含む。この焼結
体乞熱処理することにより酸化ビスマスは全てγ相に変
わる。このγ相への変化の過程により寿命特性が大きく
変動すると考えられる。このように酸化亜鉛欠生成分と
して添加物に酸化ビスマスゲ含む組成系で低電圧バリス
タ欠製造するには工程数が非常に多く、かつ条件の選択
や管理も複雑であるという欠点があった。
本発明は酸化亜鉛を主成分とし添加物として酸化ビスマ
スにかわりチタン酸ビスマス化合物を含み、かつ添加物
であるチタン酸ビスマス化合物は焼結過程における酸化
チタンと酸化ビスマスの固相反応によるものでなく出発
原料としてチタン酸ビスマス化合物火使用することによ
り焼結体中の酸化亜鉛結晶粒’%100μm以上に成長
させることを可能とした電圧非直線抵抗体の製造方法ケ
提供せんとするものである。以下本発明の詳細について
説明する。すなわち出発原料添加物としてチタン酸ビス
マス化合物を含むバリスタの微細構造は従来の添加物と
して酸化ビスマス化合むものと同様であり非直線性化発
揮させる粒界層かチタン酸ビスマス化合物からなるもの
である。これにより化ビスマスにかわりチタン酸化スマ
ス化含物欠含むことによりあらかじめ粒成長させた酸化
亜鉛結晶粒ゲ用いろような複雑な製造方法を採用するこ
とな(混合、成型、焼結の通常の製造方法により低電圧
バリスタの製造が可能となり、かつ熱処理工程における
粒界層の結晶相変化がないため信頼性が高く製造の容易
な電圧非直線抵抗体の製造方鉛、酸化ビスマス、チタン
酸ビスマス化合物、酸化チタン、酸化コバルト、酸化マ
ンガン、酸化ニッケル乞出発原料として第1表に示す組
成割合に秤量、混合し、乾燥、造粒、成型後1100〜
1300’(:”の温度で焼結し直径15u、厚さ1.
Qm+wの焼結体を得た。これにオーミンクな接触欠示
す1、 Otynfの電極ケ形成しVlmA、/myと
非直線係数α火測定した。第1表にその結果ケ示す。本
発明の実施例ば○印を付した組成/f65〜8であり、
これらは1220 ’Cの温度で2時間焼結したもので
ある。
(以下余白) 第 1 表 第1表において組成/161〜4は酸化ビスマスの量を
変えた参考例であり、組成/165〜8はチタン酸ビス
マス化合物の量を変えた実施例、組成扁9〜12は酸化
ビスマスと酸化チタンのモル比馨焼結過程の反応でチタ
ン酸ビスマス化合物が生じるようにし、その量を変えた
参考例である。第1表から実施例の組成45〜8が最も
V 1 m A /myが低くなり、かつ非直線係数α
も高く効果が顕著であることがわかる。また酸化ビスマ
ス、チタン酸ビスマス化合物、酸化ビスマス+酸化チタ
ンのそれぞれの添加量に対する焼結体のV1’mA/y
ryの変化を第2図に、非直線係数αの変化を第3図に
示す。
第2図および第3図において曲線Aは酸化ビスマス、曲
線Bはチタン酸ビスマス化合物2曲線Cは酸化ビスマス
+酸化チタンの場合化示す。ただし曲線Cの酸化ビスマ
ス+酸化チタンの添加量はBi 4Ti 3012とし
て換算した値である。
第2図および第3図からチタン酸ビスマス化合物を添加
した曲線Bの実施例は酸化ビスマスゲ添加した曲線への
参考例と比較して非直線係数αにそこなうことなく酸化
亜鉛結晶粒ケ犬゛ぎく成長させることかわかる。また酸
化ビスマス+酸化チタンケ添加し焼結工程中でチタン酸
ビスマス化合物を生成した曲線Cの参考例では酸化亜鉛
結晶粒が成長せず■1mAZ龍も低くならないことがわ
かる。
第4図は熱処理温度に対する寿命特性、すなわち空気中
25°Cの雰囲気で1mA/dの電流’&1000時間
通電したときの立上り電圧V1mAの変化率ΔV 1 
mA i示すもので曲線A2は組成/162の参考例2
曲線B6は組成/I66の実施例2曲線C10は組成A
10の参考例の場合化示す。
第4図から出発原料添加物としてチタン酸ビスマス化合
物ケ含む曲線B6の実施例は熱処理温度に影響されない
ことがわかる。またチタン酸ビスマス化合物の添加量が
0.05モル%未満では酸化亜鉛結晶粒化成長させるの
に十分でな(V l m A /myが高くなるため適
当でない。また3゜0モル%&Mえると必要量以上とな
り焼結体表面に析出し焼結体が融着するなどの弊害が生
じ、かつV ]、 m A /myも高くなり、非直線
係数αも低くなりはじめるので適当ではない。
なお上記実施例で用いた添加物に加えてさらにSb、 
Cr、 Sn、 Al、 Mg、 Ba、 B、 Si
、 Pb、 Fe。
Srの酸化物を少量添加せしめることにより非直線性を
いっそう改善できる。また添加物は金属酸化物として換
算したがチタン酸ビスマス化合物以外は焼結後酸化物に
なるものであればよく、たとえば出発原料が金属炭酸化
物や金属水酸化物などであってもよ(、最終的な焼結体
の組成がZn0Coo、MnO,NiOの形に換算した
値が本発明の組成範囲内であればよい。
以上詳述したように本発明は酸化亜鉛ケ主成分とし、出
発原料添加物として少なくともチタン酸ビスマス化合物
’x B i 4T i z012の形に換算して0.
05〜3.0モル%含むことによって酸化亜鉛結晶粒化
100μm以上に成長させることかできるため低電圧バ
リスタの製造が容易となり、かつ熱処理工程における粒
界層の結晶相変化がないため信頼性が高(特性の安定し
た電圧非直線抵抗体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ZnO系バリスタの微細構造ケ示す拡大断面図
、第2図〜第4図は本発明の実施例と参考例との特性比
較を示すもので第2図は添加物の添加量に対するVlm
A、/+mの変化を示す曲線図、第3図は同様に非直線
係数αの変化7示す曲線図、第4図は熱処理温度に対す
るV l mAの変化率火水す曲線図である。 (1)・・・・・酸化亜鉛結晶粒 (2)・・・・・粒界層 (3)・・・・・電 極 (4)・・・・・端 子 特許出願人 マルコン電子株式会社 第1図 第2図 11J3 D、OS O,500,rD 3olJ0春
如4(q三)L−’/、) 第3図 Q63 D、aE O,5D、JD 101.0綿 カ
ロ !ト(モ+t2) 第4図 0 ヌυ 466 7# Jiν 究11) 11)ρ
ρ挙些辱搾S1〜(QC)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)酸化亜鉛を主成分とし焼結体自体が電圧非直線性
    を有する電圧非直線抵抗体の製造方法にお(・て、出発
    原料添加物として少なくともチタン酸ビスマス化合物Y
     B i 4T i 3012の形に換算して0.05
    〜3.0モル%含むことを特徴とする電圧非直線抵抗体
    の製造方法。
  2. (2)チタン酸ビスマス化合物のほかに添加物元素とし
    てCo、 Mn、 Ni、 Cr、 Sb、 Sn、 
    AI、 Mg。 Ba、 B’、 Si、 Pb、 Fe、 Sr のう
    ち少なくとも1種以上を含むこと馨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体の製造方法。
JP58137231A 1983-07-26 1983-07-26 電圧非直線抵抗体の製造方法 Pending JPS6028203A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5739742A (en) * 1995-08-31 1998-04-14 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Zinc oxide ceramics and method for producing the same and zinc oxide varistors
US5770113A (en) * 1995-03-06 1998-06-23 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Zinc oxide ceramics and method for producing the same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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