DE3206869A1 - Loetfaehige elektroden, weitgehend auf nicht-edelmetall-basis, fuer metalloxid-varistoren - Google Patents
Loetfaehige elektroden, weitgehend auf nicht-edelmetall-basis, fuer metalloxid-varistorenInfo
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Description
Lötfähige Elektroden, weitgehend auf Nicht-Edelmetall-Basis,
für Metalloxid-Varistoren
Die Erfindung bezieht sich auf Siebdruck-Metallaxid-Varistorelektroden,
insbesondere auf die Herstellung von Varistoren mit lötfähigen Elektroden, weitgehend auf Nicht-Edelmetall-Basis.
Ein Zinkoxid (ZnO)-Varistor umfaßt typischerweise eine Scheibe
aus Varistormaterial mit an wenigstens einer ihrer Hauptoberflächen befestigten Elektroden. Wenngleich es eine Reihe
von Methoden zur Befestigung von Elektroden am Varistormaterial gibt, werden die Leitungen zum Verbinden des Varistors
mit einem elektrischen Schaltkreis gewöhnlich durch Löten an den Elektroden befestigt. Lötfähige Elektroden für Varistoren,
die kommerziell angewandt werden, sind entweder siebgedrucktes Silber oder flammgespritztes Messing. Andere Verfahren
zum Befestigen von Elektroden umfassen z.B. das Verdampfen und die stromlose Metal!abscheidung. Diese Methoden sind technisch
möglich, aber mit Ausnahme der größeren sind kostspieligere Varistoren unwirtschaftlich, zum Teil aufgrund der Tatsache,
daß sie nicht leicht zu automatisieren sind.
9*
Ein Verfahren zum Befestigen von Varistorelektroden, das wirtschaftlich und leicht automatisierbar ist, ist das Siebdrucken.
In der Tat werden ZnO-Varistoren für elektronischen Anlagenschutz derzeit unter Verwendung von siebgedruckten
Silberelektroden hergestellt. Ein Nachteil, der mit durchweg aus Silber oder Edelmetall bestehenden Elektroden verbunden
ist, ist der, daß Silber teuer ist. Daher ist es wünschenswert, einen Ersatz für Silber zu finden. An Luft brennbare,
siebdruckfähige Nicht-Edelmetall-Leiterpasten solcher Metalle wie Nickel (Ni), Aluminium (Al) und Chrom (Cr) stehen zur Verfügung
und sind prinzipiell für Varistorelektroden brauchbar. Diese Materialien jedoch sind nicht leicht lösbar und habrn
einen hohen Widerstand im Vergleich mit dem von Materialien auf Silber-Basis. Beispielsweise haben Nickel-, Aluminium-
und Chromelektroden Widerstände von 40 bis 80, 20 bis 50 bzw. 500 bis 900 rnQ/Q . Elektroden auf Silber-Basis mit Widerständen
von 2 bis 4 mfi/D sind üblich.
Die Erfindung bietet einen Metalloxid-Varistor mit lötfähigen Elektroden weitgehend auf Nicht-Edelmetall-Basis zu geringen
Kosten.
Erfindungsgemäß stellt eine Metalloxid-Varistorelektrode einen
dicken Film aus Nicht-Edelmetall, jeweils an ein Varistormaterialsubstrat und an ein foines, auf dom Nlcht-Kciolmol al 1 I Π m
angeordnetes Metallmuster gebunden, dar. Das EdelmetallmuKtcr
kann von jeder geeigneten Konfiguration sein und kann z.B. ein
durch sich schneidende Streifen gebildetes Gitter oder eine Reihe von Punkten sein. Die Elektroden werden durch Siebdrucken
eines Nicht-Edelmetalls, wie von Nickel, Aluminium oder Chrom, auf ein Metalloxid-Varistorsubstrat hergestellt. Nach einer
Trocknungsstufe wird das Edelmetallmuster auf die Nicht-Edelmetallelektrode
durch Siebdruck aufgebracht. Das Varistorsubstrat wird etwa eine Minute bis eine Stunde bei einer Temperatur
von etwa 500 bis 800 0C erhitzt, wodurch elektrisch leitfähige
Bindungen vom Nicht-Edelmetall zum Varistorsubstrat
bzw. zum Edelmetallmuster ausgebildet werden. Die Varistorelektroden
werden an das Edelmetallmuster gelötet.
Die Erfindung ist sowohl im Hinblick auf Anordnung als auch Betriebsweise am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung
in Verbindung mit den Figuren zu verstehen; von diesen veranschaulicht
Fly. 1 einen erfindungsgemäßen Metalloxid-Varistor,
wobei das auf der Nicht-Edelmetallelektrode angeordnete lötfähige Edelmetallmuster ein durch rechtwinklige, sich schneidende
Edelmetallstreifen gebildetes Gitter ist;
Fig. 2 einen Metalloxid-Varistor ähnlich dem der Fig. 1, worin das Muster eine Reihe von Edelmetallpunkten, auf
der Nicht-Edelmetallelektrode durch Siebdruck aufgebracht, ist, und
Fig. 3 ist eine Seitenansicht des in Fig. 2 dargestellten Varistors, die an gegenüberliegenden Seiten des Varistors
angebrachte Elektroden veranschaulicht.
Fig. 1 veranschaulicht eine kreisförmige Nicht-Edelmetallelektrode
3, an jeder Seite an eine herkömmliche Varistorscheibe bzw. ein verteiltes Edelmetallmuster 2 gebunden und damit
elektrische Kontakte bildend. Das Muster 2 besteht aus einer Reihe rechtwinklig sich schneidender Streifen der Breite t,
wobei parallele Streifen durch einen Abstand L getrennt sind. Der Durchmesser der Elektrode 3 ist mit D bezeichnet. Eine
praktisch identische Nicht-Edelmetallelektrode 3 und ein Gitter 2 können auf der gegenüberliegenden Seite (nicht dargestellt)
der Varistorscheibe 1 gebildet sein. Bei manchen Varistoranwendungen jedoch kann es wünschenswert sein, die
Elektroden auf der selben Seite eines einzigen VaristorsubnlraLy
herzustellen, das nicht-kreisförmig gestaltet sein kann- Dies ist eine besonders kostenwirksame Methode zum Anbringen
von Elektroden auf einem Varistormaterial, da die
.:' :..:.::. 320 68G9
Elektroden in einem einzigen Vorgang siebgedruckt werden können.
Fig. 2 veranschaulicht ein alternatives Edelmetallmuster aus einer Reihe von kreisförmigen Edelmetallflächen 4. Eine;
Seitenansicht der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist in Fig. 3 widergegeben und veranschaulicht eine Nicht-Edelmetallelektrode
3· und Edelmetallflächen 4' auf der in
Fig. 2 nicht sichtbaren Seite der Varistorscheibe 1. Bemerkt
sei, daß das Gittermuster 2 der Fig. 2 und die in Fig. 2 veranschaulichte "Punkte"-Reihe lediglich beispielhaft sind. Die
Erfindung funktioniert auch mit anderen Mustern, vorausgesetzt,
die nachfolgend ausgeführten Kriterien finden Anwendung.
Die Varistorscheibe 1 kann bequemerweise irgend eine einer
großen Anzahl herkömmlicher Zinkoxid-Varistormassen umfassen, die von der Halbleiterprodukte-Abteilung der General Electric
Company, Syracuse, New York, erhältlich sind. Nicht-Edelmetallelektroden 3 können z.B. Nickel oder Chrom sein, aber bei der
bevorzugten Ausführungsform sind sie aus Aluminium. NichtEdelmetall-Dickfilmpasten,
die sich zur Verwendung beim Siebdrucken der Elektrode 3 eignen, stehen auch von Electro Science
Laboratories, Inc. (Pennsauken, New Jersey) unter den Bezeichnungen 2554, 2590 und 2560 oder 2321 für Nickel, Aluminium bzw.
Chrom zur Verfügung. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine Dickfilm-Silberpaste der DuPont (Wilmington, Delaware)
unter der Bezeichnung 7713 zum Siebdrucken des Gittermusters
der Fig. 1 und der Punktereihe der Figuren 2 und 3 verwendet. Alternativ können Metalle, wie Platin, Palladium und Gold, zur
Ausbildung des Edelmetallmusters auf der Elektrode 3 verwendet werden.
Zur Herstellung der Elektroden wird ein herkömmliches Siebdruckverfahren
angewandt. Die Nicht-Edelmetallelektrode 3 wird zuerst unter Verwendung eines feinmaschigen Siebes mit
z.B. einem kreisförmigen, durchlässigen, darauf gebildeten Mu-
ster gedruckt. Die Nicht-Edelmetall-Dickfilmpaste dringt
durch die durchlässigen Teile des Siebes auf das Varistorsubstrat 1, wo sie zurückbleibt, wenn das Sieb abgenommen
wird. Vor dem Siebdrucken eines Silbermusters z.B. wird die frisch gedruckte Nicht-Edelmetallelektrode 3 getrocknet, was
sie ihre Form während der Verarbeitung beibehalten läßt. Das Trocknen geschieht durch Erwärmen des Varistorsubstrats in
Luft auf eine Temperatur zwischen etwa 100 und 150 0C für eine
Zeit zwischen 2 und 10 min. Sodann wird das Silbermuster über die getrocknete Nicht-Edelmetallelektrode siebgedruckt. Nach
dem Abschluß des Siebdruckvorgangs wird der Varistor in Luft bei einer Temperatur zwischen 500 und 800 0C für bis zu 1 h
gebrannt. Wenngleich Silberelektroden bei einer Temperatur bis hinauf zu 800 0C gebrannt werden können, ist es wünschenswert,
die Nicht-Edelmetall/Silberelektrode bei einer Temperatur zwischen 500 und 600 0C zu brennen, um die Bildung unerwünschter
Nicht-Edelmetalloxide minimal zu halten.
Das Sintern des Varistors führt zur Bildung elektrisch leitender Haftbindungen von der Nicht-Edelmetallelektrode 3 zum Varistorsubstrat
1 bzw. zum Edelmetallelektrodenmuster. Von Bedeutung ist die Feststellung, daß, obgleich es schwierig ist,
das Nicht-Edelmetall zur Ausbildung einer elektrisch leitfähigen Bindung zu löten, während der Sinterstufe das Edelmetall
leicht eine elektrisch leitfähige Bindung zum Nicht-Edelmetall ausbildet. Danach werden Varistorzuleitungen durch Löten an
den Edelmetallmustern befestigt.
Im allgemeinen ist es wünschenswert, die Menge des in der Elektrode
verwendeten Edelmetalls soweit wie möglich herabzusetzen. Wenn jedoch die in Fig. 1 gezeigten Gitterstreifen zu schmal
gemacht werden, zuweit auseinander angeordnet werden oder nicht genügend Silber aufgedruckt wird, kann es schwierig sein, die
Varistorzuleitungen zu löten. Es wurde gefunden, daß für die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform t = 0,01 cm, L =0,1 cm
und für eine Dicke des Musters 2 zwischen 12,7 und 2 5,4 μπι
(0,5 und 1 mil) ein zufriedenstellend lötfähjges Muster entsteht. Die Dicke der Nicht-Edelmetallelektrode 3 kann zwischen
6,35 und 76,2 μΐη (0,25 und 3 mils) sein.
Nicht-Edelmetallelektroden alleine sind nicht brauchbar als Varistorelektroden, da Nicht-Edelmetalle nicht nur schwer zu
löten sind, sondern sie auch viel höhere Widerstände als z.B. Silber haben, das bei der bevorzugten Ausführungsform verwendet
wird. Der spezifische Widerstand von Aluminiumelektroden z.B. ist 20 bis 50 mQ/D . Der Einfluß eines hohen spezifischen
Widerstandes kann so veranschaulicht werden, daß man Varistoren betrachtet, die einen Leitungsquerschnitt von 1 era2
haben und Ströme bis zu 5 χ 10* A leiten können. Eine Vorrichtung
mit einer Nicht-Edelmetallelektrode mit einem spezifischen Widerstand von 20 χ 10 Ω/D könnten so einen Spannungsabfall
von etwa 100 V (5 χ 1O3 χ 20 χ 10 ) in der Elektrode haben,
wenn Strom vom Zuleitungsanschlußpunkt zum Elektrodenumfang · wandert. Ein Spannungsabfall dieser Größenordnung ist unannehmbar
hoch.
Die Art und Weise, in der der Einfluß eines hohen spezifischen Nicht-Edelmetall-Widerstandes erfindungsgemäß überwunden wird,
mag besser verständlich werden, wenn man berücksichtigt, daß für das Gittermuster 2 der Fig. 1 der effektive Maximalwiderstand
bis zu einem Punkt in der Elektrode 3 annähernd widerqegeben wird durch den Ausdruck ρ(ψ.) * ι wobei ρ der Nicht-Edelmetall-Widerstand/D
, L der Gitterabstand und D der Durchmesser der Elektrode 3 ist. Der Widerstand des Edelmetall-Gittermusters
2 kann vernachläßigbar sein, da er vergleichsweise niedrig ist. Das Muster wäre in jedem Falle nach der Zuleitungsbefestigung
von einer dicken Lotschicht innig überzogen. So kann für einen typischen Gitterabstand L von etwa 0,1 cm und einen Durchmesser
D der Elektrode 3 von 1 cm der tatsächliche Widerstand/D der Elektrode 3 zu 0,01 ρ angegeben werden. Wenn Aluminium mit
einem spezifischen Widerstand von 20 bis 50 mQ/cm2 für die
Elektrode 3 verwendet wird, wird ein effektiver Elektrodenwiderstand/P von 0,2 bis 0,5 mO/Q erhalten. So lägen Spannungs-
abfalle in Gegenwart eines Strompulses von 5 χ 1O3 A in der
Größenordnung von 1 V in der Nicht-Edelmetallelektrode. Dies ist beim Betrieb der Vorrichtung ohne Bedeutung.
Die Menge des zur Bildung des Musters 2 in Fig. 1 erforderlichen
Edelmetalls ist proportional dem Verhältnis t/L, multiplizicsrt
mit der Fläche der Elektrode 3. Wenn t = 0,01 cm, L ~ O,1 cm und die Fläche der Elektrode n 1 cm*, ist die erforderliche
Menge an Edelmetall etwa 0,1 cma. Dies stellt eine Verringerung des Edelmetallbedarfs um einen Faktor 10
dar, verglichen mit einer vollständig aus Edelmetall bestehenden Elektrode mit einer Fläche von 1 cm2 (unter der Annahme,
daß das Silbermuster 2 und die vollständig aus Edelmetall bestehende Elektrode die gleiche Dicke haben).
Der Grund dafür, daß die Menge an zur Bildung einer Varistorelektrode
verwendetem Edelmetall nicht durch einfaches Siebdrucken eines Edelmetallmusters ähnlich dem Muster 2 in Fig.1
oder der Punkteanordnung der Fig. 2 direkt auf das Varistoraubstrat
herabgesetzt werden kann, ist der, daß Strom durch das Varistormaterial nur zwischen mit Elektroden versehenen
Flächen auf gegenüberliegenden Seiten des Varistors fließen würde. Dies würde zu unerwünschten Strom-"Kanälen" führen,
die die Leistung des Varistors herabsetzen würden und für hinlänglich starke Ströme zu einem katastrophalen Varistorversagen
führen könnten. Erfindungsgemäß wird ein solches Kanalisieren
des Stroms durch die Verwendung der Nicht-Edelmetallelektrode vermieden, deren gesamte Oberfläche in innigem
elektrischem Kontakt mit dem Varistormaterial steht. Es muß sorgfältig darauf geachtet werden, sicherzustellen, daß das
Edelmetallmuster dicht genug ist (engen Abstand aufweist), um Spannungsgradienten in der Nicht-Edelmetallelektrode zu
vermeiden. Wenn z.B. nur eine kleine Anzahl von Punkten 4 in der Mitte der Elektrode 3 in Fig. 2 aufgedruckt wäre, würde
Strom vom Mittelbereich der Nicht-Edelmetallelektrode 3 zum Rand des Varistors fließen. Da die Nicht-Edelmetallelektro-
32068G9
de einen nicht-vernachlässigbaren spezifischen Widerstand
hat, würde ein Spannungsgradient entstehen, was dazu führen würde, daß ein Varistorstrom zu Kanalbildung zwischen den
Bereichen höherer Spannung der jeweiligen Varistorelektroden neigen würde. Wie angegeben, kann dies zur katastrophalem
Varistorversagen führen.
Aus den vorstehenden Betrachtungen ist zu entnehmen, daß die Erfindung einen Metalloxid-Varistor mit preiswerten Elektroden
weitgehend aus Nicht-Edelmetall mit durch Siebdruck darauf aufgebrachtem, fein verteiltem, lötfähigem Edelmetallmuster
bietet. Aus der Verringerung der erforderlichen Kcielmetallmenge
und aus der Anwendung des leicht ■automatisierbaren
Siebdruck-Herstellungsverfahrens ergeben sich beträchtliche Kostenersparnisse.
Leerseite
Claims (10)
- AnsprücheT\ J Metalloxid-Varistor (1) mit an wenigstens einer Hauptoberfläche angebrachten Elektroden, gekennzeichnet durchwenigstens eine Nicht-Edelmetallelektrode (3), die an den Metalloxid-Varistor gebunden ist und damit einen elektrisch leitfähigen Kontakt bildet, undein Muster verteilten Edelmetalls (2), einen elektrisch leitfähigen Kontakt mit der Nicht-Edelmetallelektrode bildend und einen ausgewählten Teil der Nicht-Edelmetallelektrode bedeckend.
- 2. Metalloxid-Varistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nicht-Edelmetall wenigstens ein Material aus der Gruppe Nickel, Aluminium und Chrom umfaßt.
- 3. Metalloxid-Varistor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetallmuster wenigstens ein Material aus der Gruppe Silber, Platin, Palladium undGold umfaßt.
- 4. Metalloxid-Varistor nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetallmuster ein durch sich schneidende Streifen des Edelmetalls gebildetes Gitter aufweist.
- 5. Metalloxid-Varistor nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetallmuster eine Reihe diskreter Edelmetallbereiche (4) aufweist.
- 6. Verfahren zur Herstellung von Elektroden weitgehend aus Nicht-Edelmetall für Metalloxid-Varistoren, gekennzeichnet durchSiebdrucken einer Nicht-Edelmetallelektrode auf ein Metalloxid-Varistorsubstrat ,Trocknen der aufgedruckten Nicht-Edelmetallelektrode,Siebdrucken eines verteilten Edelmetallmusters auf die gedruckte Nicht-Edelmetallelektrode, wobei das Muster ausgewählte Bereiche der Nicht-Edelmetallelektrode bedeckt, undErhitzen des Metalloxid-Varistorsubstrats.
- 7. Vorfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nicht-Edelmetallelektrode wenigstens ein Material aus der Gruppe Nickel, Aluminium und Chrom umfaßt.
- 8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetall ein Material aus der Gruppe Silber, Platin, Palladium und Gold umfaßt.
- 9. Verfahren nach den Ansprüchen 6, 7 oder 8, da-:·":.:":ν 32068G9durch gekennzeichnet, daß zum Trocknen das Metalloxid-Varistorsubstrat in Luft bei einer Temperatur zwischen etwa 100 und 150 0C für eine Zeit zwischen etwa 2 und 10 min erwärmt, wird.
- 10. Verfahren nach den Ansprüchen 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhitzen das Metalloxid-Varistorsubstrat in Luft auf eine Temperatur zwischen etwa 500 und 800 0C für eine Zeit bis zu 1 h erhitzt wird.
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