DE3206869A1

DE3206869A1 - Loetfaehige elektroden, weitgehend auf nicht-edelmetall-basis, fuer metalloxid-varistoren

Info

Publication number: DE3206869A1
Application number: DE19823206869
Authority: DE
Inventors: Lionel Monty 12309 Schenectady N.Y. Levinson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1981-03-02
Filing date: 1982-02-26
Publication date: 1982-09-16
Also published as: DE3206869C2; MX150551A; IE820150L; FR2500951A1; JPS57159002A; US4441094A; FR2500951B1; IE53097B1; JPS643323B2

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.

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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

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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 cm^a. 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-

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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

Ansprüche

T\ J Metalloxid-Varistor (1) mit an wenigstens einer Hauptoberfläche angebrachten Elektroden, gekennzeichnet durch

wenigstens eine Nicht-Edelmetallelektrode (3), die an den Metalloxid-Varistor gebunden ist und damit einen elektrisch leitfähigen Kontakt bildet, und

ein 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 und

Gold 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 durch

Siebdrucken 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, und

Erhitzen 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-

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durch 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.