SE527949C2 - Metod att framställa en varistor - Google Patents

Description

25 30 35 527 949 2 företrädesvis i temperaturintervallet 1100-1300 °C under Ca- 2-1O h.

Efter sintringen slipas eller läppas varistorkroppens ändytor vanligtvis.

Efter slipningen beläggs varistorkroppens ändytor med ett skikt av elektrodmaterial. Den detaljerade utformningen av skiktet bestäms av risken för överslag eller haveri pà grund av strömförträngning.

Vanligtvis anbringas skikt av elektrodmaterial pà varistorkropparnas ändytor genom metallisering, företrädesvis genom ljusbàgs- eller flamsprutning av aluminium eller zink. Skiktets tjocklek är vanligtvis ca. 50 mikrometer. Skikt av elektrodmaterial, som anbringats enligt ovan nämnda metoder, kännetecknas av inhomogeniteter, tjockleksvariationer, relativt högt kontaktmotständ, hög ytràhet, svårigheter med korrosionsmotstàndet och interna spänningar i gränsskiktet.

Det är känt att man belagt relativt tunna skikt av guld, pà experimentprover av polymermaterial som innehàllit ZnO som fyllmedel, genom sputtering, se AC Conductivity Effects of Non-linear Fillers in Electrical Insulation, 2000 Conference on Electrical Insulation and Dielectrc Phenomena, p. 133.

Denna metod som är relaterad till ett polymert material med fyllmedel har ännu ej kommersialiserats.

I GB 1508327 omnämns en varistor med flera ingàngsanslutningar vars syfte är att ge skydd mot spänningstransienter i flerfaskretsar. Den cylindriska varistorkroppen innehåller diametrala snitt i den ena ändytan, bildande ”tàrtbitar" av varistorer, varvid dessa kontakteras med elektroder som exempelvis anbringas med 10 15 20 25 30 35 527 949 3 hjälp av sputtering. En nackdel med en sàdan varistor är att den har begränsad ström- och energihàllfasthet- Förmàgan att, utan att haverera, motstà upprepade elektriska belastningar, exempelvis impulsströmar under tidsPefi°der om ca. 4 - 20 us, benämnes högströmshàllfasthet. Detta beskrivs exempelvis i den amerikanska patentskriften US 6,l99,268 Bl.

Strömförträngningen i anslutning till skiktets periferi kan genom elektro-termisk instabilitet leda till lokal överhettning av nämnda varistor och därmed haveri. Förmågan att, utan att haverera, motstà höga impulsströmar under tidsperioder av storleksordningen 0.5 ms eller längre, benämnes energihàllfasthet.

UPPFINNINGENS SYFTE Ett huvudändamàl med föreliggande uppfinning är att anvisa en varistor som har förbättrad högströmshàllfasthet och energihàllfasthet och en metod för tillverkning därav. Därmed kan den fysiska storleken pà varistorn minskas, och storleken pà den apparat vari den ingàr, vid given effektnivà alternativt kan varistorn hantera en större effekt vid given storlek och apparaten vari den ingàr kan tillverkas mer ekonomiskt fördelaktigt än enligt känd teknik.

Ett ytterligare ändamål med föreliggande uppfinning är att erbjuda en varistor, och en metod för tillverkning därav, som ger mindre spridning av prestanda än hittills kända metoder.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Dessa ändamål uppnàs med en metod, sàsom definieras i patentkrav 1. Metoden enligt uppfinningen kännetecknas av 10 15 20 25 30 527 949 4 att àtminstone en elektrod, genom en jon- eller atomförflyttande metod, anbringas pà en varistorkropps ändyta, pà ett sàdant sätt att skikttjockleken för nämnda elektrod ligger inom ett utprovat intervall. Det har vid experiment och undersökningar överraskande visat sig att en förbättring av ström- och energihàllfastheten uppnås med ett skikt av tjockleken 5 till 30 mikrometer, och att en väsentlig förbättring uppnås med ett skikt av tjockleken 10 till 20 mikrometer. Ett skikt i det angivna tjockleksintervallet ger en god vidhäftning, hög mekanisk hàllfasthet och liten benägenhet för termisk sprickbildning samtidigt som det ger en god strömfördelning vilket bidrar till förbättrad strömhàllfasthet och energihállfasthet. Tack vare bättre vidhäftning i det nämnda tjockleksintervallet sä erhàlls också en mindre spridning i prestanda.

Med jon- eller atomförflyttande metod avses en metod som innebär att atomer, eller joner, förflyttas fràn ett s k ”target”, eller annan materialkälla, till den yta som ska beläggas. Exempel pà jon- eller atomförflyttande metod är Magnetron Sputtering, Ion Beam Sputtering, DC (Glow Discharge) Sputtering och Radio Frequency (RF) Sputtering, vilka alla tillhör gruppen av metoder som kallas Physical Vapour Deposition (PVD). Tid, temperatur, vakuumtrycknivà och placering väljs sà att skiktet får en tjocklek inom det ovan angivna tjockleksintervallet. Beläggningstiden beror av beläggningshastigheten som i sin tur beror av vilken processutrustning som används. Ett krav är att temperaturen ej överstiger 400°C. Ett lämpligt temperaturintevall är 90 till l80°C. Vakuumtrycket ska ej överstiga 5'l0ß torr. Ett lämpligt intervall är 104 till 10% torr. ”Target” eller annan materialkälla väljs sa att skiktet fàr den sammansättning som àsyftas. 10 15 20 25 30 35 527 949 5 Till jon- eller atomförflyttande metoder kan också räknas Chemical Vapour Deposition (CVD) där ÜOHGI eller at°mer tillförs i gasform.

Det har visat sig vid undersökning av skikten att Ytfinheten enligt definitionen (se exempelvis S Jacobsson och S Hogmark, Tribologi, Karleboserien, Liber Utbildning AB, Arlöv 1996, s. 16) Ra = 1/L med en undre gräns x = 0 och övre gräns x = L 'fl2(x)| dx för ett skikt som beläggs med en jon- eller atomförflyttande metod är mindre än 3 mikrometer, medan ett skikt som beläggs en annan metod, t ex med flamsprutning eller ljusbàgssprutning, har ytfinheten Ra större än 8 mikrometer.

En fördel med en jon- eller atomförflyttande metod är att den effektiva kontaktytan blir avsevärt större för ett skikt som belagts med en sàdan metod.

Skikttjockleken mäts som skillnaden mellan skiktets ytteryta, med hänsyn tagen till medelavvikelsen Ra, och skiktets undre ytan, anliggande mot varistorkroppen, med hänsyn tagen till medelavvikelsen Ra för denna yta.

Enligt en föredragen utföringsform av den angivna metoden utnyttjas ett snävare skikttjockleksintervall som ligger mellan 10 och 20 mikrometer vilket ger ytterligare förbättrade egenskaper och mindre spridning i prestanda.

Detta ändamål också kan nas genom en varistor enligt patentkrav ll.

Da metaller i allmänhet har god ledningsförmàga, och en viss formbarhet, sà är de lämpliga som elektrodmaterial för skiktet. Aluminium, eller legeringar därav, kan genom sin 10 15 20 25 30 35 527 949 6 goda elektriska och termiska ledningsförmàga med fördel användas.

I en föreslagen utföringsform av metoden slipas varistorkroppens yta innan beläggning av skiktet Utförs- Därigenom ökas ytterligare vidhäftningen mellan skiktet och varistorkroppens ändyta. Alternativa metoder till slipning. som ger liknande fördelaktiga resultat, är läppning, vàtkemisk etsning, torretsning/jonsputtering och laserbearbetning.

I ytterligare en föredragen utföringsform av metoden lämnas en område med bredden 0.01 millimeter till 6 millimeter, längs ändytans kant, obelagt. Det förhindrar strömförträngning i elektroden vid ändytans kant och ger en bättre strömhàllfasthet och högre energihàllfasthet för varistorn.

I ytterligare en utföringsform av metoden göres en avfasning av ändytans kant efter det att beläggning av skiktet utförts.

Avfasningen hindrar strömförträngning vid ändytans kant.

Avfasningen göres så att en vinkel uppstår mellan ändytan och den yta som utgör avfasningens yta. Vinkeln kan t GX ligga i intervallet ll0° till l65°. Avfasningen kan också utgöras av tvà eller flera delavfasningar eller göras helt avrundad.

I ytterligare en utföringsform av metoden kombineras en avfasning av ändytans kant med ett område, med bredden 0.01 millimeter till 6 millimeter, som har lämnats obelagt.

Den ovan beskrivna metoden kan användas för hela spänningsomràdet fràn t ex nagra mV till 800 kv eller mer.

Metoden kan användas i överspänningsskydd för elektronisk utrustning och datorer sàväl som i elektriska kraftnät. 10 15 20 25 30 35 527 949 7 En fördelaktig användning av uppfinningen är som spänningsskydd vid höga spänningar, över 50 kV toPPSPännln9f dà skiktets goda vidhäftningsegenskaper och låga Sprldnlng 1 prestanda är särskilt värdefulla.

En varistor enligt uppfinningen är särskilt användbar i ventilavledare.

FIGURBESKRIVNING Föreliggande uppfinning skall nu förklaras närmare med hjälp av olika utföringsformer och med hänvisning till bifogade ritningar.

Fig l är en perspektivskiss av en varistor enligt uppfinningen.

Fig 2 är ett axiellt tvärsnitt genom en varistor enligt en utföringsform av uppfinningen varvid skiktet ej täcker ändytan i en kantzon.

Fig 3 är ett axiellt tvärsnitt genom en varistor enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen varvid kanten mellan varistorns ändyta och dess mantelyta avfasats.

Fig 4a till 4d är axiella tvärsnitt med alternativa utföringsformer för omrâdet omkring kanten mellan ändytan och varistorkroppens mantelyta.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Figur l visar en varistor 1 enligt en utföringsform av uppfinningen. Varistorn innefattar en varistorkropp 2 med tvà parallella ändytor 3,4 tillverkad av ett material, som 10 15 20 25 30 35 527 949 8 innehàller en eller flera metalloxider, t ex zinkoxid, och tvà elektroderna anordnade pà varistorkroppens ändytor. Var och en av elektroderna innefattar ett skikt av elektrodmaterial 5,5, t ex aluminium, belagd pà ändytan medelst en jon- eller atomförflyttande metod, t ex magnetron sputtering. Detta skikt har i den här utföringsformen en tjocklek av ca. 15 mikrometer.

Varistorn 1 tillverkas genom att en varistorkropp 2 färdigställs genom sintring, vid ca. 1150 °C, av en Qen0m pressning formad pulverkropp, innehållande huvudsakligen zinkoxid och mindre mängder av andra metalloxider.

Varistorkroppens ändytor 3,4 förbehandlas genom slipning varefter elektroderna innefattande skikten 5,6 av aluminium, anbringas pá varistorkroppens ändytor genom magnetron sputtering. Beläggningen pàförs, i den här utföringsformen, under ca. 30 minuter vid en temperatur av ca. 125° och vid ett vakuumtryck av 5'10¿ torr.

Figur 2 visar en varistor 1 enligt en utföringsform av uppfinningen innefattande en cylindrisk varistorkropp 2 med tvà parallella ändytor 3,4 som belägges med skikten 5b,6b endast till en del, genom att delar av ändytorna täcks med masker. Enligt denna utföringsform förblir en omràde 7,8 av bredden d ca. 1 mm, utmed ändytans kant 9,10 obelagt.

Figur 3 visar en varistor 1 enligt en utföringsform av uppfinningen innefattande en cylindrisk varistorkropp 2 med tvà parallella ändytor 3,4 som belägges med skikten 5c,6c. Ändytorna har före beläggningen behandlats genom slipning.

Kanterna 12,13 mellan varistorns ändytor 14,15 och den cylindriska mantelytan 11 avfasades. Avfasningen 16,17 ästadkoms genom slipning. Vinklarna u och v är i bàda fallen 135°. 10 15 20 25 30 35 527 949 9 Figur 4a visar en varistor enligt en utföringSf°rm av uppfinningen innefattande en cylindrisk varistorkropp med tvà parallella ändytor som belägges med skikt. Denna utföringsform skiljer sig fràn den i figur 3 genom att den ena ändytan endast har belagts till en del dà ett omràde utmed ändytans kant täckts med en mask. Denna ändyta har efter beläggningen avfasats.

Den andra ändytan har helt belagts med ett skikt varefter kanten avfasats.

Figur 4b visar en varistor enligt en utföringsform av uppfinningen innefattande en cylindrisk varistorkropp med tvà parallella ändytor som belägges med skikt. Bàda ändytorna har endast belagts till en del då ett omràde utmed ändytornas kanter täckts med en mask. Denna utföringsform skiljer sig fràn den i figur 4a dels genom att endast den ena ändytan har avfasats dels genom att bàda ändytorna endast belagts till en del dà ett område utmed ändytornas kanter täckts med masker.

Figur 4c visar en varistor enligt en utföringsform av uppfinningen innefattande en cylindrisk varistorkropp med tva parallella ändytor som belägges med skikt. Den ena ändytan har endast belagts till en del dà ett omràde utmed ändytans kant täckts med en mask. Den andra ändytan har helt belagts med ett skikt varefter kanten avfasats.

Utföringsformen enligt figur 4c skiljer sig fràn den i figur 4a genom att kanten pà den ändyta som endast belagts till en del saknar avfasning.

Figur 4d visar en varistor enligt en utföringsform av uppfinningen innefattande en cylindrisk varistorkropp med tvà parallella ändytor som belägges med skikt. Bàda ändytorna har endast belagts till en del dà ett område utmed ändytornas kanter täckts med en mask. Bada ändytorna har efter beläggningen avfasats. Utföringsformen enligt figur 4d 10 15 20 25 30 35 527 949 10 skiljer sig fràn den i figur 4b genom att bàda ändytornas kanter har avfasats.

Den tekniska effekten av uppfinningen verifierades med följande experiment. Varistorer med diametern 62 mm och höjden 42,5 mm till ett antal av 18 framställdes i enlighet med uppfinningen varvid ändytorna efter att ha förbehandlats genom slipning helt belades med aluminium. I en kontrollgrupp, som också innefattade 18 varistorer, anbringades elektroderna av aluminium enligt känd teknik genom ljusbägssprutning. varistorerna utsattes för ett prov, som inleddes med tre strömimpulser under en minut varefter varistorerna kyldes ner till rumstemperatur. Efter detta utsattes de pà nytt för tre strömimpulser under en minut med àtföljande nedkylning till rumstemperatur. Proceduren upprepades till dess att varistorerna utsatts för 21 strömimpulser vardera. Strömmen i var och en av impulserna, som var och en av varistorerna utsattes för, var 770 A.

Samtliga varistorer, som tillverkats i enlighet med uppfinningen, och samtliga i kontrollgruppen klarade provet utan att skadas.

Efter provserien med strömimpulser pà nivàn 770 A genomfördes en andra serie enligt samma procedur men pà nivàn 1200 A. Även den andra provserien innefattade totalt 21 strömimpulser. Av varistorerna, som tillverkats i enlighet med uppfinningen, klarade 16 av 18 provet utan att skadas, medan i kontrollgruppen endast tvà av 18 förblev oskadade.

Slutsatsen är att de varistorer som tillverkades enligt uppfinningen har en betydligt förbättrad energihàllfasthet jämfört med dem som tillverkades enligt känd teknik.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen kan en varistor tillverkas genom att varistorkroppens ändytor förbehandlas genom torretsning/jonsputtering varefter elektroderna innefattande skikten av aluminium, anbringas pà 10 15 20 527 949 11 varistorkroppens ändytor genom DC (Gï0W DiSChêr9e) Sputtering.

Enligt ytterligare en annan utföringsform av uppfinningen kan en varistor tillverkas genom att varistorkroppens ändytor förbehandlas genom torretsning/jonsputtering varefter elektroderna innefattande skikten av aluminium, anbringas pà varistorkroppens ändyt0r QGHON Ion Beam Sputtering.

Enligt ytterligare en annan utföringsform av uppfinningen kan en varistor tillverkas genom att varistorkroppens ändytor förbehandlas genom vàtkemisk etsning varefter elektroderna innefattande skikten av aluminium, anbringas pà varistorkroppens ändytor genom RF (Radio FreqUeflCY) Sputtering.

Claims (14)

10 15 20 30 527 949 I2. PATENTKRAV

1. Metod att framställa en varistor (1) varvid metoden innefattar: en varistorkropp (2) med två ändytor (3,4) tillverkas baserat på en eller flera metalloxider, åtminstone ena ändytan hos varistorkroppen belâggs med ett skikt av elektrodmaterial, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda elektrodmaterial innehåller aluminium eller en legering därav och beläggning sker medelst en jon- eller atomförflyttande metod, varvid förhållanden under beläggningen anpassas så att skiktets tjocklek är inom intervallet 5 mikrometer till 30 mikrometer.

2. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att förhållandena under beläggningen anpassas så att skiktets tjocklek är inom intervallet 10 mikrometer till 20 mikrometer.

3. Metod enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att nämda ändyta (3,4) före beläggningen med skiktet (5,6) förbehandlas för att öka vidhäftningen mellan skiktet och varistorkroppens ändyta.

4. Metod enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda ändyta (3,4) före beläggningen med skiktet (5,6) förbehandlas med slipning. 10 15 20 527 949

5. Metod enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda ändyta (3,4) före beläggningen med skiktet (5,6) förbehandlas med vátkemisk etsning.

6. Metod patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda ändyta (3,4) före beläggningen med skiktet (5,6) förbehandlas med torretsning/jonsputtring.

7. Metod enligt nagot av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda ändyta (3,4) är omgiven av en kant, och att nämnda ändyta förhindras att beläggas med skikt så att ett omrâde (7,8), med bredden 0,01 till 6,0 m, utmed ändytans kant (9) förblir obelagt.

8. Metod enligt nagot av tidigare patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda ändyta (3,4) är omgiven av en kant, varvid kanten avfasas (l6,l7) efter beläggningen av skiktet.

9. Varistor (1) innefattande en varistorkropp (2) med tva parallella ändytor (3,4) tillverkad av ett material, som innehåller en eller flera metalloxider, och åtminstone en elektrod utförd i ett elektriskt ledande elektrodmaterial anordnad pá någon av varistorkroppens ändytor (3,4), k ä n n e t e c k n a d av 10 15 20 5217 949 IH att nämnda elektrod innefattar ett skikt av aluminium eller en legering därav (5,6) belagd pá ândytan medelst en ÜOH" eller atomförflyttande metod varvid nämnda skikt (5,6) har en tjocklek inom intervallet 5 mikrometer till 30 mikrometer.

10. Varistor (1) enligt patentkrav 9, k ä n n e t e c k n a d av att nämda skikt (5,6) har en tjocklek inom intervallet 10 mikrometer till 20 mikrometer.

11. Varistor (1) enligt nagot av patentkraven 9 eller 10, k ä n n e t e c k n a d av att nämda ändyta (3,4) är omgiven av en kant som har en utbredning som är mindre än ändytans utbredning, varvid ändytan har ett omrâde som saknar beläggning med elektrodmaterial (7,8), utmed kanten, varvid detta obelagda område har bredden 0.01 m till 6 .O m.

12. Varistor (1) enligt nagot av patentkrav 9 till 11, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda ändyta (3,4) är omgiven av en avfasad kant (16,17).

13. Användning av en varistor enligt nagot av kraven 9 till 12, i en elektrisk skyddstillämpning där toppspänningen överstiger 50 kv.

14. Användning av en varistor enligt något av kraven 9 till 12, i en ventilavledare.