DE3405834A1 - Varistor consisting of a wafer of zinc-oxide material, which is semiconductive as a result of doping, and a method for producing this varistor - Google Patents
Varistor consisting of a wafer of zinc-oxide material, which is semiconductive as a result of doping, and a method for producing this varistorInfo
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Abstract
Description
Varistor aus einer Scheibe aus durch Dotierung halbleiten-Varistor made of a disk made of semiconducting by doping
dem Zinkoxid-Material und Verfahren zur Herstellung dieses Varistors Die Erfindung betrifft einen Varistor aus einer Scheibe aus durch Dotierung halbleitendem Zinkoxid-Material, deren Stirnflächen mit nicht bis zu ihren Rändern reichenden Belegungen aus Metall als Elektroden und deren Umfangsfläche mit einem dichten Überzug aus Isoliermaterial versehen sind.the zinc oxide material and method of making this varistor The invention relates to a varistor made from a disk made of semiconducting material due to doping Zinc oxide material, the end faces of which do not extend to their edges Coverings made of metal as electrodes and their peripheral surface with a dense coating are made of insulating material.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Varistors, bei dem zunächst die Scheibe aus Zinkoxid-Material auf keramische Weise hergestellt und mit den Belegungen aus Metall und dem Überzug aus Isoliermaterial versehen wird.The invention also relates to a method for producing a such varistor, in which initially the disc made of zinc oxide material on ceramic Wise made and with the coverings made of metal and the coating of insulating material is provided.
Varistoren aus Zinkoxid-Material werden auf keramische Weise hergestellt und mit den Belegungen aus Metall und dem Überzug aus Isoliermaterial versehen.Varistors made of zinc oxide material are manufactured in a ceramic way and provided with the coverings made of metal and the cover made of insulating material.
Varistoren aus Zinkoxid-Material sind hinreichend bekannt, in der Literatur vielfach beschrieben und in der Praxis im umfangreichen Maße angewendet.Varistors made of zinc oxide material are well known in the The literature has been widely described and used extensively in practice.
Halb leitendes Zinkoxid-Material für Varistoren ist hinsichtlich der Zusammensetzung beispielsweise in der DE-PS 18 02 452 oder in der DE-AS 20 61 653 beschrieben.Semi-conductive zinc oxide material for varistors is in terms of Composition, for example, in DE-PS 18 02 452 or in DE-AS 20 61 653 described.
In den Schriften sind auch Herstellungsverfahren beschrieben, bei denen in allgemeinster Form die Ausgangsstoffe, nämlich Zinkoxid, die Dotierungsstoffe, nämlich die verschiedensten Elemente einschließlich seltener Erden, und ggf. als Flußmittel dienende Zusätze, beispielsweise Siliciumdioxid und ähnliches, miteinander vermischt gegebenenfalls vorgesintert und erneut feingemahlen, und schließlich aus dem Ausgangspulver oder dem gemahlenen Pulver Scheiben geformt, insbesondere gepreßt werden, die der Wärmebehandlung zum Zwecke der Sinterung unterworfen werden.Manufacturing processes are also described in the documents which in the most general form the starting materials, namely zinc oxide, the dopants, namely the most diverse elements including rare earths, and possibly as Flux-serving additives, for example silicon dioxide and the like, with one another mixed, if necessary, pre-sintered and finely ground again, and finally out the starting powder or the ground powder formed into disks, in particular pressed which are subjected to the heat treatment for the purpose of sintering.
Die Schaffung einer ausreichend festen Isolation auf der Umfangsfläche der Scheibe zwischen den auf ihren Stirnflächen befindlichen Belegungen bereitet besondere Probleme, die einerseits darin bestehen, daß im Bereich unterhalb der Umfangsfläche durch eine andere Feldverteilung als im Inneren des Körpers erhöhte Feldstärken auftreten. Diese Probleme sind sehr ausführlich in der EP-A3 0 058 336 beschrieben. Zur Lösung wird dort vorgeschlagen, die Mantelfläche konkav zu gestalten oder in der Mantelfläche wenigstens eine rinnenartige Vertiefung anzubringen, die um die gesamte Scheibe herumläuft.The creation of a sufficiently strong insulation on the circumferential surface the disk between the assignments located on their end faces special problems, on the one hand, that in the area below the Circumferential area increased due to a different field distribution than inside the body Field strengths occur. These problems are very detailed in EP-A3 0 058 336 described. As a solution, it is proposed there to make the lateral surface concave or to attach at least one channel-like depression in the lateral surface, which runs around the entire disc.
Andererseits bestehen die Probleme bei der Schaffung einer ausreichenden Isolation darin, daß bei Überspannungen Überschläge von Elektrode zu Elektrode längs der Oberfläche auftreten können.On the other hand, there are problems in creating a sufficient one Isolation is that in the event of overvoltages, flashovers from electrode to electrode lengthways surface.
Diese Probleme sind beispielsweise in der EP-A1 0 050 735 und in der US-PS 4 148 135 behandelt.These problems are for example in EP-A1 0 050 735 and in U.S. Patent 4,148,135.
Zur Lösung werden dort Überzüge aus Clas- oder Keramikwerkstoff oder auch aus Silikongummi vorgeschlagen.As a solution there are coatings made of clas or ceramic material or also suggested made of silicone rubber.
Aus der DE-OS 31 23 552 ist es auch bekannt, Zinkoxid-Varistoren auf der Peripherie des Sinterkörpers mit einem gasundurchlässigen isolierenden Überzug zu versehen und in gasisolierten Überspannungsableitern für Unterwerke zu verwenden. Der undurchlässige Überzug verhindert, daß der Varistor instabil wird, wenn ein nicht-oxidierendes Gas als Isolationsgas verwendet wird. Beim Einsatz von ZnO-Varistoren in Überspannungsableitern kommt es bei hohen Stromstößen zu kanalartigen Durchschlägen im Bereich des Elektrodenrandes auf der Scheibe.From DE-OS 31 23 552 it is also known to have zinc oxide varistors the periphery of the sintered body with a gas-impermeable insulating coating to be provided and used in gas-insulated surge arresters for substations. The impermeable coating prevents the varistor from becoming unstable when a non-oxidizing gas is used as the insulation gas. When using ZnO varistors In surge arresters, high current surges lead to channel-like breakdowns in the area of the electrode edge on the disc.
Beim Betrieb dieser Varistoren unter inerter Atmosphäre, z.B. Schutzgase wie N2, SF6 usw. , unterliegen die Varistoren einer Degradation.When operating these varistors in an inert atmosphere, e.g. protective gases like N2, SF6 etc., the varistors are subject to degradation.
Um die Einwirkung der Gase auf den Varistor zu unterbinden, wird eine möglichst geschlossene Schutzschicht angestrebt.To prevent the gases from acting on the varistor, a A protective layer that is as closed as possible is sought.
Zum Problem der Überschläge von Metallrand zu Metallrand der Belegungen sind Lösungsvorschläge nicht bekannt.On the problem of rollover from metal edge to metal edge of the coverings no proposed solutions are known.
Die Probleme, die bei Anwendung in inerten Atmosphären auftreten, werden durch Aufbringen von Schutzlacken und Gläsern auf der Peripherie des Sinterkörpers teilweise gelöst. Ungeschützt bleibt nach wie vor aber der Freirand zwischen Metallisierung und Schutzschicht an der Mantelfläche.The problems encountered when used in inert atmospheres are made by applying protective lacquers and glasses to the periphery of the sintered body partially resolved. However, the free edge between the metallization remains unprotected and protective layer on the jacket surface.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Varistor und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, bei dem ein wirksamer Schutz vor Einwirkungen der Atmosphäre zur Unterwanderung der Metallbelegungen auf den Randstreifen zwischen dem Rand jeder Metallbelegung und der Übergangskante von Stirnfläche zur Umfangs- fläche bewirkt wird.The present invention is based on the object of a varistor and to specify a process for its manufacture in which an effective protection against the effects of the atmosphere to infiltrate the metal deposits on the Edge strips between the edge of each metal covering and the transition edge of the end face for circumferential area is effected.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Varistor der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe in den Randbereichen beider Stirnflächen mit je einer umlaufenden Stufe versehen ist und der auf die Umfangsfläche aufgebrachte Uberzug bis auf diese Stufen reichend aufgetragen ist, daß die Höhen der Stufen der Dicke des Überzuges auf den Stufen entsprechen und die Tiefen der Stufen so bemessen sind, daß die auf die Stirnflächen aufgebrachten Belegungen die auf die Stufen reichenden Teile des Überzuges wenigstens um einen Betrag überlappen, der der Dicke des Überzuges auf den Stufen entspricht.To solve this problem, the varistor is the one specified at the beginning Type according to the invention characterized in that the disc in the edge areas both end faces are each provided with a circumferential step and the The coating applied to the circumference is applied to these steps, that the heights of the steps correspond to the thickness of the coating on the steps and the depths of the steps are dimensioned so that the applied to the end faces Allocations the parts of the coating that extend onto the steps by at least one Overlap amount equal to the thickness of the coating on the steps.
Durch die spezielle Ausformung des Bereichs der Freirandzone der Scheiben wird erreicht, daß die Metallschicht die Schutzschicht überdeckt, wodurch ein gasdichter Abschluß erzielt und der kritische Bereich der metalliesierten Randzone auf einen inaktiven Bereich verlagert wird.Due to the special shape of the area of the free edge zone of the panes it is achieved that the metal layer covers the protective layer, whereby a gas-tight Completion achieved and the critical area of the metallized edge zone on one inactive area is relocated.
Der Durchmesser der Scheibe kann über die gesamte Dicke derselben gleich sein, so daß eine ebene Umfangsfläche resultiert.The diameter of the disk can be over the entire thickness of the same be the same, so that a flat peripheral surface results.
Zur Erhöhung der Randisolation ist es aber vorteilhaft, daß - wie bekannt - die Durchmesser der Scheibe von ihren Stirnflächen zu ihrer Mitte hin sich verringernd ausgebildet ist, so daß eine konkave Umfangsfläche resultiert.To increase the edge insulation, however, it is advantageous that - how known - the diameter of the disc from its end faces to its center is designed to decrease, so that a concave peripheral surface results.
Andererseits kann - wie ebenfalls bekannt - die Umfangsfläche mit wenigstens einer umlaufend angeordneten Vertiefung versehen sein, in die der Überzug hineinreicht oder die mit dem Uberzugsmaterial gefüllt ist.On the other hand - as is also known - the circumferential surface with at least one circumferentially arranged recess into which the coating or which is filled with the coating material.
Als Überzugsmaterialien kommen die an sich bekannten Materialien, wie hochisolierende Keramik, Clas und Cummi oder andere hochisolierende und dichte und somit gasundurchlässige Kunststoffe in Frage.The materials known per se are used as coating materials, such as highly insulating ceramics, clas and cummi or other highly insulating and dense and thus gas-impermeable plastics in question.
Das Verfahren zum Herstellen eines Varistors der eingangs angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß a) die Scheibe vor oder nach ihrer Herstellung in den Rand bereichen beider Stirnflächen mit umlaufenden Stufen versehen wird, deren Höhen H um einen Betrag S größer sind als die Dicke K der im fertigen Varistor auf den Stufen letztlich verbleibenden Teile des Überzuges und deren Tiefen T praktisch auf die im fertigen Varistor erforderliche Tiefe abgestimmt sind, b) danach auf die Umfangsflächen, einschließlich eventueller Vertiefungen, sowie auf die Stufen und etwas bis auf die Stirnflächen reichend der Überzug aufgetragen und durch Wärmebehandlung verfestigt wird, c) die Stirnflächen und die auf den Stufen befindli- chen Teile des Überzuges um den Betrag S abgetragen, insbesondere abgeschliffen werden, so daß die Dicke K der Teile des Überzuges auf den Stufen und deren restliche Höhe R der Stufen resultieren, und d) die Belegungen aus Metall auf die Stirnflächen sowie die Teile des Überzuges auf den Stufen teilweise überlappend aufgetragen werden.The method for making a varistor specified at the beginning Art is characterized according to the invention in that a) the disc before or after their production in the edge areas of both faces with circumferential steps is provided whose heights H are greater than the thickness K of the im by an amount S finished varistor on the steps ultimately remaining parts of the coating and their depths T practically matched to the depth required in the finished varistor are, b) then on the circumferential surfaces, including any depressions, as well as the coating applied to the steps and somewhat up to the end faces and solidified by heat treatment, c) the end faces and those on the steps Any parts of the coating that are located are removed by the amount S, in particular abraded so that the thickness K of the parts of the coating on the steps and their remainder The result is the height R of the steps, and d) the metal coverings on the end faces as well as the parts of the coating on the steps are applied partially overlapping.
Bei der im Verfahrensschritt b) vorgesehenen Wärmebehandlung kann es sich um ein Verglasen des Glaspulvers, um eine Sinterung keramischen Überzugsmaterials oder um die Aushärtung der Kunststoffe handeln, alles mit dem Ziel, einen für Gase undurchlässigen Überzug zu erhalten.In the case of the heat treatment provided in process step b), it is a vitrification of the glass powder, a sintering of the ceramic coating material or the curing of plastics, all with the aim of making one for gases to obtain impermeable coating.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying figures explained.
Es zeigen: Fig. 1 einen fertigen Varistor im Querschnitt, Fig. 2a - 2 e schematisch den Ablauf des Herstellungsverfahrens und die Figuren 3 4 und 5 Ausschnittsvergrößerungen entsprechend den Kreisen A, B, C und D in den Fig. 2a, 2c und 2e.They show: FIG. 1 a finished varistor in cross section, FIG. 2a - 2 e schematically the sequence of the production process and Figures 3 4 and 5 enlarged sections corresponding to circles A, B, C and D in Fig. 2a, 2c and 2e.
Der Varistor gemäß Fig. 1 besteht aus einer Scheibe aus keramisch hergestellten Zinkoxid-Material. Die Stirnflächen 2 und 3 sind mit aus Metall bestehenden Belegungen 4 und 5 versehen. In den Randbereichen der Stirnflächen 2 und 3 der Scheibe 1 sind umlaufende Stufen 8 und 9 vorhanden, auf die sich die Teile 10 und 11 des Überzuges 7 erstrecken, der auf die Mantelfläche 6 aufqetragen ist.The varistor according to FIG. 1 consists of a disk made of ceramic manufactured zinc oxide material. The end faces 2 and 3 are made of metal Assignments 4 and 5 provided. In the edge areas of the end faces 2 and 3 of the disc 1 there are circumferential steps 8 and 9, on which the parts 10 and 11 of the Cover 7 extend, which is applied to the lateral surface 6.
Wenn der Durchmesser der Scheibe über ihre gesamte Dicke gleich bleibt, resultiert ein Zylinder mit ebener Mantelfläche 6.If the diameter of the disc remains the same over its entire thickness, the result is a cylinder with a flat lateral surface 6.
Wenn die Durchmesser der Scheibe 1 von ihren Stinflächen 2 und 3 zur Mitte der Scheibe hin abnehmend gestaltet sind, so resultiert eine Scheibe mit einer konkav gewölbten Mantelfläche 12, die in Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist. Der Überzug 7 verläuft dann selbstverständlich auf dieser konkav gewölbten Mantelfläche.When the diameter of the disc 1 from its smelting surfaces 2 and 3 to Are designed to decrease towards the middle of the disk, a disk with a results concavely curved lateral surface 12, which is indicated in Fig. 1 by dashed lines. Of the Cover 7 then naturally runs on this concavely curved surface.
Wenn in der Mantelfläche 6 umlaufende Vertiefungen 13 und 14 enthalten sind, die in Fig. 1 gestrichelt angedeutet sind, so erstreckt sich der Überzug 7 in die Vertiefungen hinein oder füllt diese sogar vollständig aus.If contained in the circumferential surface 6 recesses 13 and 14 are indicated by dashed lines in FIG. 1, the coating 7 extends into the depressions or even completely fills them out.
Die konkave Ausbildung der Mantelfläche oder auch das Anbringen wenigstens einer Vertiefung in der Mantelfläche erhöhen, wie aus der EP-A3 0 058 336 bekannt ist, die Durchschlagsfestigkeit im Randbereich. Im Zusammenwirken mit der Gestaltung der Scheibe gemäß der vorliegenden Erfindung tritt im Hinblick auf die Verwendbarkeit dieser Varistoren eine Wirkung auf, die über das bloße Zusammenwirken hinausgeht, denn neben der künstlichen Verlängerung der Strompfade durch die Vertiefungen an der Mantelfläche wird durch die Gestaltung des Kantenbereichs der zu überhöhten Feldstärken führende "Randeffekt" der Elektroden ausgeschaltet.The concave formation of the lateral surface or the attachment at least Increase a recess in the lateral surface, as known from EP-A3 0 058 336 is the dielectric strength in the edge area. In cooperation with the design the disc according to the present invention occurs in terms of usability These varistors have an effect that goes beyond the mere interaction, because in addition to the artificial extension of the current paths through the depressions the outer surface is to be exaggerated by the design of the edge area "Edge effect" of the electrodes leading to field strengths is switched off.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist in den Figuren 2a bis 2e dargestellt. Beim Verfahrensschritt 2a wird die Scheibe vor oder nach ihrer Herstellung in den Randbereichen beider Stirnflächen mit den umlaufenden Stufen 8 und 9 versehen, deren Höhen H, wie in Fig. 4 gezeigt, um einen Betrag S gröBer sind als die Dicke K gemäß Fig. 5 der im fertigen Varistor auf den Stufen 8 bzw. 9 letzlich verbleibenden Teile 10 bzw. 11 des Überzuges 7 und deren Tiefen T praktisch auf die im fertigen Varistor erforderliche Tiefe abgestimmt sind.The method of the present invention is shown in Figures 2a through 2e shown. In process step 2a, the disk is made before or after its manufacture provided with circumferential steps 8 and 9 in the edge areas of both end faces, whose heights H, as shown in FIG. 4, are greater than the thickness by an amount S K according to FIG. 5 of the final remaining in the finished varistor on stages 8 and 9, respectively Parts 10 and 11 of the coating 7 and their depths T practically on those in the finished Varistor required depth are matched.
In den Figuren 3 bis 5 ist gestrichelt angedeutet, das die Stromkanten auch etwas abgerundet sein können.In FIGS. 3 to 5, dashed lines indicate that the current edges can also be slightly rounded.
Im Verfahrensschritt 2b wird der aus dem Verfahrensschritt 2a resultierende Körper mit den für die Bildung des Überzuges 7 erforderlichen Material (Glaspulver, Keramikpulver, Kunststoff bzw. Lack oder Gummi) versehen und zwar derart, daß die Umfangsflächen einschließlich eventueller Vertiefungen sowie die Stufen und etwas bis auf die Stirnflächen reichend das Material aufgetragen wird, wonach im Verfahrensschritt 2c die Verfestigung durch Wärmebehandlung erfolgt.In method step 2b, the resulting from method step 2a Body with the material required for the formation of the coating 7 (glass powder, Ceramic powder, plastic or paint or rubber) provided in such a way that the Circumferential surfaces including any depressions as well as the steps and something the material is applied reaching up to the end faces, after which in the process step 2c the solidification takes place by heat treatment.
Im Verfahrensschritt 2d werden die Stirnflächen 2 bzw. 3 und die auf den Stufen 8 bzw. 9 befindlichen Teile 10 bzw. 11 des Überzuges 7 um den Betrag S abgetragen, insbesondere abgeschliffen, so daß die Dicke K der Teile 10 bzw. 11 des Überzuges 7 auf den Stufen 8 bzw. 9 und die restliche Rinne R dieser Stufen resultieren.In process step 2d, the end faces 2 or 3 and the the steps 8 and 9 located parts 10 and 11 of the coating 7 by the amount S removed, in particular ground down, so that the thickness K of the parts 10 and 11 of the coating 7 on the steps 8 and 9 and the remaining channel R of these steps result.
Schließlich wird im Verfahrensschritt 2 e die Scheibe 1 mit Belegungen aus Metall versehen, und zwar derart, daß die Belegungen 4 und 5 die Stirnflächen 2, 3 nicht ganz bis zum Rand reichend mit Metall versehen sind, wobei aber die Belegungen 4 und 5 die auf den Stufen 8 bzw. 9 befindlichen Teile 10 bzw. 11 des Überzuges 7 teilweise überlappen.Finally, in process step 2e, the pane 1 is provided with toppings made of metal, in such a way that the assignments 4 and 5 are the end faces 2, 3 are not provided with metal reaching all the way to the edge, but the assignments 4 and 5 the parts 10 and 11 of the coating located on the steps 8 and 9, respectively 7 partially overlap.
Bevorzugte Abmessungen sind Durchmesser des Körpers 1 20 bis 120 mm und mehr, vorzugsweise 80 mm Dicke des Körpers 1 größer 6 mm, vorzugsweise 24 mm Höhen H der Stufen 8 und 9 je 0,2 - 3 mm, vorzugsweise 2,0 mm Tiefen T der Stufen 8 u. 9 je 0,2 - 10 mm, vorzugsweise 3 mm Dicken K der Teile 10 und 11 des Uberzuges 7 ca. 0,5 mm größer als Höhe der Stufen S (vor dem Abschleifen) Abzuschleifende Teile S je 0,1 - 2,5 mm, vorzugsweise 1,5 m 5 Patentansprüche 5 FigurenPreferred dimensions are the diameter of the body 120 to 120 mm and more, preferably 80 mm, thickness of the body 1 greater than 6 mm, preferably 24 mm Heights H of steps 8 and 9 each 0.2-3 mm, preferably 2.0 mm depth T of the steps 8 and 9 each 0.2-10 mm, preferably 3 mm thick K of the parts 10 and 11 of the coating 7 approx. 0.5 mm larger than the height of the steps S (before sanding) Parts S 0.1 - 2.5 mm each, preferably 1.5 m 5 claims 5 figures
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