Способ изготовления электрокерамического компонента
Изобретение относится к области электротехники, в частности к изготовлению варистора. Способ предусматривает облучение лазером участка поверхности корпуса варистора перед нанесением слоя металлизации на указанный участок. Корпус варистора выполнен из легированной спеченной керамики на основе оксида металла, в частности ZnO, SnO2, SrTiO3, TiO2, или из легированной карбидной керамики. С помощью облучения лазером получают микрошероховатость и/или химическую модификацию поверхности, что позволяет обеспечить хорошее сцепление слоя металлизации и при этом уменьшить или устранить области неравномерности или волнистости на участке корпуса, который должен быть металлизирован. Кроме того, может быть получена улучшенная поперечная электропроводность, благодаря чему достигается низкое сопротивление контакта и очень равномерное распределение тока, в частности, рядом со слоем металлизации. Кроме того, возможно удалить остатки держателя, используемого при обжиге, или остатки слоя пассивирования. После облучения лазером корпус варистора, предпочтительно, содержит бортик, который примыкает к участкам поверхности, подлежащим металлизации, и который не был облучен лазером. Луч лазера может быть импульсным и сфокусированным. Технический результат изобретения - упрощение подготовки поверхности, подлежащей металлизации, и улучшение качества этой поверхности. 5 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области электротехники, в частности к электрокерамическим компонентам, таким как, например, варисторы. Оно относится к способу изготовления электрокерамического компонента в соответствии с вводной частью пункта 1 формулы изобретения.
Уровень техники
Электрокерамические компоненты представляют собой керамические компоненты, на которых может быть сформирован электрический контакт, и на которые можно подавать электрическое напряжение для выполнения электрической, электромеханической или некоторой другой функции. Их существенным компонентом является электрокерамика. Примеры электрокерамических компонентов представляют компоненты высокотемпературных сверхпроводников, пьезокристаллические компоненты, керамические конденсаторы, термисторы с отрицательным температурным коэффициентом, термисторы с положительным температурным коэффициентом, керамические резисторы, керамические датчики газа и варисторы. Последние будут более подробно описаны ниже.
Варисторы представляют собой электрокерамические компоненты, которые имеют нелинейную вольт-амперную характеристику и которые, в частности, используют в качестве ограничителей напряжения, предназначенных для работы на средних напряжениях, высоких напряжениях, а также на низких напряжениях. В большинстве случаев используют металлооксидные варисторы, которые основаны на спеченной варисторной керамике, полученной, например, на основе легированного ZnO. На этих и других электрокерамических изделиях обычно устанавливают два (или большее количество) металлических электродов, и контакты должны иметь низкое сопротивление контакта и обладать способностью передавать большой ток. Кроме того, необходимо, чтобы слой металла имел прочное сцепление с поверхностью керамики для обеспечения надежного и стабильного механического контакта.
В US 6'169'038 описан способ придания шероховатости поверхности полупроводника, в котором поверхность протравливают кислотой. Микрошероховатость поверхности получают с использованием процесса травления. Если на поверхность, которой была придана, таким образом, шероховатость, нанесена металлизация, между полупроводником и слоем металла обеспечивается прочное сцепление, благодаря микрошероховатости так, что обеспечивается хорошее соединение между слоем металла и поверхностью полупроводника. Аналогичные способы травления используют при производстве варисторов и других электрокерамических компонентов.
При использовании таких способов травления образуются химические отходы, которые необходимо удалять, и при этом требуется выполнять дорогостоящие меры по обеспечению безопасности при выполнении таких способов, из-за риска, связанного с использованием химических реактивов.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение, таким образом, относится к способу придания шероховатости керамической поверхности, указанного выше типа, который не обладает вышеуказанными недостатками. В соответствии с настоящим изобретением, это, в частности, необходимо для обеспечения возможности безопасно наносить металлизацию на электрокерамику, без загрязнения окружающей среды.
Эта цель достигается с помощью способа, включающего свойства по пункту 1 формулы изобретения.
Кроме того, использование света лазера заявлено в пункте 17 формулы изобретения.
В способе, в соответствии с настоящим изобретением, для производства электрокерамического компонента слой металлизации наносят, по меньшей мере, на одну часть поверхности спеченного электрокерамического корпуса. Способ определяется тем, что часть поверхности облучают лазерным светом перед нанесением металлизации.
В результате, другие способы обработки участка поверхности, такие как вытравливание, шлифовка, пескоструйная очистка, или способы, в которых предполагается удаление материала, могут быть заменены облучением с использованием лазерного света, который не загрязняет окружающую среду и представляет собой быстро выполняемый способ. Кроме того, облучение лазером позволяет получать особенно предпочтительное качество участка поверхности.
Другое существенное преимущество облучения лазером состоит в том, что форму участка поверхности (предназначенного для металлизации) можно легко выбирать практически без ограничений. В случае применения способов жидкостной химической обработки на электрокерамический корпус необходимо, например, наносить маски для исключения некоторых участков поверхности электрокерамического корпуса из процесса обработки. В случае облучения лазером, лучом лазера можно просто управлять таким образом, что будет облучаться только участок поверхности, предназначенный для металлизации. В результате можно легко получать металлизацию (электроды), которые покрывают определенные области, определенный участок электрокерамического корпуса.
В частности, если сцепление слоя металлизации на электрокерамическом корпусе усиливают с помощью лазерной обработки, возможно, в частности, получить хорошо определенную форму электрода с использованием способов металлизации, которые (по меньшей мере, без использования трафаретов) позволяют обеспечить удовлетворительное ограничение металлизации на определенных областях поверхности (например, при нанесении металла из газовой фазы или при использовании электрохимического осаждения металла). В областях поверхности, которые не были облучены лазером, сцепление осаждаемого металла при этом меньше, чем на облученном участке поверхности, так что металл можно легко удалять с этих участков электрокерамического корпуса, например, с помощью обработки щеткой. В качестве альтернативы, на участках поверхности, которые не были облучены лазером, получают настолько слабое сцепление металла, что на них не будет происходить осаждение металла, то есть будет отсутствовать металлизация.
В частности, если электрокерамический корпус имеет две внешние поверхности, которые отделены друг от друга с помощью, по меньшей мере, одной кромки, когда на каждой из этих двух внешних поверхностей требуется сформировать, по меньшей мере, один слой металлизации (электрод), и между этими двумя электродами должно быть приложено напряжение, предпочтительно, возникает возможность простого формирования определенных участков поверхности, которые должны быть металлизированы. Затем, в частности, по меньшей мере, один из участков поверхности можно выбрать (и металлизировать) таким образом, что он будет отделен некоторым промежутком от кромки. Кроме того, между кромкой и этим участком поверхности расположен, по меньшей мере, один бортик. Таким образом, снижается вероятность искрового пробоя от одного электрода к другому по сравнению со случаем, в котором металлизация проходит до самой кромки. Предпочтительно, оба слоя металлизации (электрода) выполнены с одним бортиком.
Дополнительное повышение диэлектрической прочности получают, когда материал электрокерамики удаляют под действием облучения лазером на участке поверхности, и после облучения лазером на электрокерамическом корпусе будет сформирован бортик, который примыкает к участку поверхности, причем этот бортик не был облучен светом лазера, или был облучен в меньшей степени, чем металлизируемый участок поверхности. После облучения лазером бортик, который не был облучен лазером (или был облучен лазером в меньшей степени), примыкает к участку поверхности и выполнен приподнятым по отношению к участку поверхности. Бортики выступают за пределы участка поверхности и снижают вероятность электрического искрового пробоя через бортик, в частности, если бортик также выступает над слоем металлизации.
По сравнению с другими способами подготовки участка поверхности для металлизации, облучение лазером может иметь преимущество, состоящее в том, что можно легко обрабатывать не только плоские, но также и изогнутые поверхности, например внешнюю поверхность цилиндра.
Участок поверхности, в частности, предпочтительно, можно облучать светом лазера для придания шероховатости. Такое придание шероховатости предназначено для улучшения сцепления слоя металлизации на электрокерамическом корпусе. Неровности получаемой шероховатости имеют размеры в поперечном направлении, обычно от 0,1 мкм до 50 мкм, в частности от 2 мкм до 20 мкм, и в вертикальном направлении обычно от 0,1 мкм до 10 мкм, в частности от 0,3 мкм до 5 мкм. Возможно получить металлизацию, которая обеспечивает в особенности хорошее сцепление и стойкость к отслоению. При этом получают повышенную шероховатость.
Перед нанесением слоя металлизации участок поверхности, предпочтительно, облучают светом лазера для улучшения сцепления слоя металлизации путем модификации химического качества участка поверхности. Аналогично способам вытравливания, химический состав поверхности электрокерамического корпуса может быть изменен под действием облучения лазером, например, в результате изменения стехиометрии оксидов на поверхности. В результате образования модифицированного химического состава на участке поверхности сцепление слоя металлизации может быть даже улучшено.
Участок поверхности, предпочтительно, можно облучать светом лазера для повышения поперечной электропроводности участка поверхности.
Поверхность спеченного электрокерамического корпуса обычно имеет, по существу, те же электрические свойства, что и материал в объеме спеченного электрокерамического корпуса. Однако для обеспечения низкого сопротивления контакта часто требуется обеспечить более высокое значение поперечной электропроводности. При этом поперечная электропроводность, значение которой получают как отношение ток/напряжение, для случая двух электродов, установленных на некотором расстоянии друг от друга на участке поверхности, в результате облучения лазером может быть существенно изменена, в частности, на несколько порядков величины.
Варистор имеет очень высокое электрическое сопротивление, в частности, когда к нему приложены напряжения ниже напряжения переключения варистора (напряжения пробоя). Поперечная электропроводность, получаемая как отношение ток/напряжение, для случая двух электродов, установленных на некотором расстоянии друг от друга на участке поверхности, может быть существенно изменена при облучении лазером, в частности, по меньшей мере, на один или на два или, по меньшей мере, до семи - девяти порядков величины, в зависимости от приложенного к варистору напряжения. Для значения поперечной электропроводности существенную роль играет только тонкая область поверхности.
При этом получают низкое сопротивление контакта слоя металлизации по отношению к электрокерамическому корпусу (корпусу варистора). Электрокерамика (варистор), таким образом, имеет более предпочтительные электрические свойства и улучшенную способность образования контакта. Сопротивление контакта при этом может быть снижено.
Участок поверхности после обжига керамического корпуса обычно имеет определенную степень волнистости. Это означает, что участок поверхности имеет деформацию. Такие области волнистости или деформации имеют поперечную протяженность обычно от 50 мкм до 30 мкм, в частности от 100 мкм до 10 мкм, и вертикальная протяженность деформации обычно составляет от 5 мкм до 500 мкм, в частности от 10 мкм до 200 мкм. Волнистость участка поверхности может быть снижена путем облучения лучом лазера перед нанесением металлизации, то есть при этом вертикальная протяженность неровностей или волнистости уменьшается. Часть поверхности при этом сглаживается.
В результате, получают улучшенные электрические и механические свойства электрокерамического компонента, поскольку электрическое поле, поток тока и механическая нагрузка (давление) распределяются более равномерно.
Например, часто контакты варисторов формируют с приложением высокого механического давления: при этом одну контактирующую пластину, обычно изготовленную из алюминия, прижимают к двум участкам металлизации, предпочтительно расположенным на противоположных сторонах варистора, для получения хорошего электрического контакта. Если волнистость при этом велика (до облучения лазером), механический и электрический контакт между контактирующей пластиной и слоем металлизации образуется только в относительно небольшом количестве точек контакта на участке поверхности, которые расположены на относительно большом расстоянии друг от друга. В результате происходит очень неравномерное приложение силы к корпусу варистора (электрокерамическому корпусу) при приложении контактного давления к контактирующим пластинам. Кроме того, когда возникают выбросы тока (импульсы тока), в точках контакта образуются импульсы давления (волны механического давления), которые тем больше, чем меньше количество точек контакта. Кроме того, выбросы тока приводят к местному нагреву точек контакта. Каждое из трех указанных выше явлений обычно быстро приводит к формированию трещин в керамике. Трещины обычно проходят рядом с поверхностью, и их начальная точка обычно располагается рядом с (несколькими) контактными точками. Такие трещины приводят к деградации электрического и механического контакта между слоем металлизации и керамикой, а также корпусом варистора. Если керамику соответствующим образом облучать светом лазера перед нанесением металлизации, волнистость (прежде всего в вертикальном направлении) может быть существенно снижена, в результате чего обеспечивается существенное большее количество точек контактов и повышается их плотность. В соответствии с этим, использование облучения лазером для предварительной обработки керамики варистора/электрокерамики для нанесения слоя металлизации позволяет существенно увеличить срок службы варистора/электрокерамического компонента. При этом обеспечивается равномерное распределение тока и равномерное распределение давления по всему металлизированному участку поверхности. В случае электрокерамики других типов, аналогичные проблемы решают с помощью облучения лазером перед нанесением металлизации.
В особенно предпочтительном варианте способа изготовления в качестве света лазера используют сфокусированный луч лазера. В частности, перед нанесением слоя металлизации, участок поверхности облучают сфокусированным лучом лазера для снижения степени волнистости участка поверхности, в результате чего участок поверхности выравнивают особенно качественно и эффективно. При этом рядом с поверхностью электрокерамического корпуса плотность энергии луча лазера может быть максимальной, и глубже внутрь керамического корпуса (ниже поверхности) луч может иметь уменьшенную плотность энергии и, таким образом, оказывать меньшее влияние на керамический материал. В частности, луч лазера фокусируют на область, которая расположена параллельно области усредненного уровня волнистости участка поверхности. В результате, достигается особенно удовлетворительное выравнивание и чрезвычайно малая волнистость участка поверхности.
Дополнительный, особенно предпочтительный вариант выполнения, отличается тем, что количество энергии, прикладываемой к единице площади на участке поверхности с помощью луча лазера для выравнивания неровного участка поверхности, выбирают перед облучением лазером, как функцию расположения на участке поверхности. Таким образом, если количество энергии, прикладываемой к единице площади на участке поверхности с помощью луча лазера, выбирают как функцию расположения на участке поверхности, то это может быть, предпочтительно, выполнено путем выбора выходного уровня мощности света луча лазера и/или диаметра луча лазера, и/или площади, облучаемой за единицу времени лучом лазера, и/или количества облучений площади участка поверхности, как функции расположения на участке поверхности.
В результате обычно могут быть устранены или, по меньшей мере, существенно сглажены нежелательные отклонения формы с протяженностью по вертикали от 0,1 мм до 3 мм. Луч лазера при этом можно перемещать, например, повторно по областям, которые требуется выровнять и/или его можно перемещать по более плотно расположенным рядом друг с другом линиям растра в областях, которые должны быть выровнены, и/или его можно перемещать вдоль линий растра более медленно, и/или с большей интенсивностью света. Керамические детали, предпочтительно, измеряют перед или в ходе облучения лазером для определения степени отклонения формы и, соответственно, требуемой интенсивности лазера. Зависимое от расположения удаление материала выполняют на определенном участке поверхности. В частности, большие области волнистости или более значительные отклонения формы могут быть скорректированы, чем было бы возможно при использовании сфокусированного луча лазера без зависимости степени удаления от места расположения.
В дополнительном предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения электрокерамический корпус имеет структуру частиц, и несвязанные частицы и/или композиты в виде частиц электрокерамического корпуса, присутствуют на участке поверхности, и/или частицы, и/или композиты частиц электрокерамического корпуса присутствуют в трещинах в структуре частиц. Перед нанесением слоя металлизации участок поверхности облучают лучом лазера для удаления таких частиц и/или композитов частиц. Обычные линейные размеры таких частиц в варисторах составляют от 10 мкм до нескольких сотен микрометров.
В результате механической обработки участков поверхности (например, с использованием резки, шлифования или обработки щетками) на керамическом корпусе могут образоваться дефекты, такие как трещины, в частности, в верхних слоях частиц, при этом верхний слой участка поверхности часто состоит из несвязанных композитов частиц, которые уменьшают степень сцепления слоя металлизации. Такие частицы или композиты частиц, которые не связаны или располагаются в трещинах, можно удалять с помощью облучения лазером так, что обеспечивается хорошая равномерность электрического и механического контакта (высокий предел прочности на разрыв) между керамикой и слоем металлизации.
В ходе процесса обжига электрокерамический корпус обычно устанавливают, по меньшей мере, на части участка поверхности на держателе обжига. Части держателя обжига могут оставаться на участке поверхности после окончания процесса обжига. Такие части держателя обжига, предпочтительно, могут быть удалены путем облучения участка поверхности светом лазера перед нанесением слоя металлизации. Таким образом получают равномерное качество участка поверхности, на котором отсутствуют локальные различия электрических свойств, создаваемые такими частями держателей обжига.
Перед и после нанесения металлизации на электрокерамическом корпусе, по меньшей мере, на его части может быть сформирован непроводящий слой пассивирования. Если такой слой пассивирования был нанесен перед нанесением слоя металлизации, участки слоя пассивирования могут попасть на участок поверхности металлизации. В этом случае участок поверхности металлизации, предпочтительно, облучают светом лазера перед нанесением слоя металлизации для удаления таких частей слоя пассивирования, которые расположены на участке поверхности металлизации. При этом устраняется большое или неравномерное сопротивление контакта между слоем металлизации и электрокерамическим корпусом, возникающее из-за наличия таких частей слоя пассивирования, что обеспечивает равномерные электрические свойства и низкое сопротивление между слоем металлизации и электрокерамическим корпусом.
Электрокерамический компонент может представлять собой, например, варистор или компонент высокотемпературного сверхпроводника или пьезокерамический компонент или керамический конденсатор или термистор с отрицательным температурным коэффициентом или термистор с положительным температурным коэффициентом или керамический резистор или керамический датчик газа.
Если электрокерамический компонент представляет собой варистор, и электрокерамический корпус представляет собой корпус варистора, такой корпус варистора, предпочтительно, выполнен в виде керамической детали из легированного спеченного оксида металла, предпочтительно на основе ZnO, SnO2, SrTiO3 или TiO2 или легированной карбидной керамики, например SiC.
Если керамический корпус представляет собой корпус варистора, участок поверхности корпуса варистора, предпочтительно, можно облучать лучом лазера для уменьшения зависимости поперечной электропроводности участка поверхности от напряжения. В частности, зависимость поперечной электропроводности от напряжения, характерная для варистора, имевшаяся перед облучением лазером, может быть преобразована в (практически) омическую характеристику.
Поверхность спеченного керамического корпуса обычно имеет, по существу, одинаковые электрические свойства с материалом в объеме спеченного керамического корпуса. При этом, в случае напряжений ниже напряжения переключения (напряжение пробоя) варистора, такой корпус имеет в высокой степени нелинейную вольт-амперную характеристику с высоким электрическим сопротивлением. Сильная зависимость поперечной электропроводности участка поверхности от напряжения может быть снижена до такой степени, что будет получена, по существу, линейная, то есть омическая характеристическая кривая. Вместо характерной для варистора в высокой степени нелинейной зависимости тока, который протекает на участке поверхности, от напряжения, после облучения лазером, получают, по существу, омическую характеристику поперечной электропроводности (в тонком слое поверхности). Варистор, таким образом, будет иметь более предпочтительные электрические свойства и улучшенную способность образования контакта.
В дополнительном предпочтительном варианте выполнения электрокерамический корпус имеет, по существу, цилиндрическую форму, форму диска или форму пластины, причем в каждом случае на двух оконечных плоскостях цилиндра, диска или пластины, которые расположены параллельно друг другу, выбирают участки поверхности, и на каждый из этих двух участков поверхности наносят по одному слою металлизации. Металлизацию предпочтительно наносят путем термического напыления.
В другом предпочтительном варианте выполнения электрокерамический корпус выполнен, по существу, трубчатым или цилиндрическим, причем в каждом случае слой металлизации наносят на два, по существу, кольцевых участка поверхности, разнесенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль оси и расположенных на внешней поверхности трубки или цилиндра. Металлизацию, предпочтительно, наносят путем термического напыления.
При использовании света лазера в соответствии с настоящим изобретением, указанный свет используют в качестве предварительной обработки перед нанесением слоя металлизации на электрокерамику, в частности на керамику варистора.
Другие предпочтительные варианты выполнения и преимущества будут определены в зависимых пунктах формулы изобретения и представлены на чертежах.
Краткое описание чертежей
Предмет настоящего изобретения более подробно описан ниже со ссылкой на предпочтительные примеры вариантов выполнения, которые иллюстрируются прилагаемыми чертежами, на которых в каждом случае схематично:
на фигуре 1 показан вид в разрезе варистора, в соответствии с настоящим изобретением;
на фигуре 2 показан участок поверхности перед облучением светом лазера;
на фигуре 3 показан участок поверхности после облучения светом лазера;
на фигуре 4 показаны вольт-амперные характеристики участков поверхности варистора, которые были облучены лазером, и участков поверхности варистора, которые не были облучены лазером;
на фигуре 5 показан вид в разрезе варистора дискообразной формы в соответствии с настоящим изобретением с частично металлизированными поверхностями, и
на фигуре 6 показано трехмерное изображение трубчатого электрокерамического элемента с двумя кольцевыми электродами.
Используемые на чертежах номера ссылки и их значения приведены в списке номеров ссылки. Идентичные или действующие идентично детали всегда обозначены идентичными номерами ссылки на чертежах. Описанные примеры вариантов выполнения представлены в виде примеров предмета изобретения и не обладают ограничительным эффектом.
Осуществление изобретения
На фигуре 1 схематично представлен вид в разрезе варистора 1, который изготовлен в соответствии с настоящим изобретением, в качестве примера электрокерамического компонента. Варистор имеет, по существу, цилиндрическую форму и содержит корпус 2 варистора. На верхней и нижней сторонах цилиндра образованы участки 5 и 6 поверхности, на которые нанесены слои 3 и 4 металлизации. Не металлизированная цилиндрическая сторона окружности содержит слой 7 пассивирования.
Варистор 1, предпочтительно, используют для защиты от избыточного напряжения при высоких напряжениях, средних напряжениях или также при низких напряжениях работы. Общее описание варисторов и предпочтительно используемых материалов можно найти, например, в книге "Ceramic Transaction", vol.3, Editor: L.M.Levinson, American Ceramic Society, 1988 или в публикации D.R.Clarke, Varistor Ceramics, J.Am.Ceram. Soc, 82 (1999) pp.485-502. Последняя публикация приведена в настоящем описании полностью в качестве ссылки. Общее описание электрокерамики и предпочтительно используемых материалов можно найти, например, в книге "Ceramic Materials for Electronics", Editor: Relva C. Buchanan, Electrical Engineering and Electronics/31, 1986.
Корпус 2 варистора выполнен из спеченной керамики, предпочтительно, на основе окисла металла, в частности ZnO. Кроме основного окисла металла, корпус 2 варистора включает дополнительные элементы в виде легирующих присадок, например, Bi, Sb, Co, Mn, Cr. Корпус 2 варистора, предпочтительно, выполнен в виде одной детали.
Слои 3, 4 металлизации используют для формирования контакта с корпусом 2 варистора и, таким образом, для формирования электродов 3, 4. Слои 3, 4 металлизации должны обладать возможностью пропускания большого тока и должны иметь низкое сопротивление контакта с керамикой 2. Кроме того, они также должны обладать хорошим сцеплением с керамикой (высоким пределом прочности на разрыв). Слои 3, 4 металлизации, предпочтительно, изготовлены из Al, Zn, Cu, Ag или их сплавов, таких как, например, латунь.
Слои 3, 4 металлизации нанесены на участки 5 и 6 поверхности. Участки 5, 6 поверхности соответствуют нижней поверхности или верхней поверхности цилиндрического корпуса 2 варистора на фигуре 1. Однако они также могут быть выполнены большими и могут включать всю нижнюю поверхность или всю верхнюю поверхность, или могут быть выполнены меньшими и могут быть расположены, если необходимо, на части нижней поверхности или на части верхней поверхности. На фиг.1 показаны слои 3, 4 металлизации, расположенные на участках 5, 6, занимающих полностью всю поверхность.
Слой 7 пассивирования является неэлектропроводным и, предпочтительно, представляет собой стекловидный слой, слой керамики или слой полимера.
Для изготовления варистора 1 компоненты керамики 2 варистора смешивают в форме порошка, прессуют и затем обжигают с удержанием на держателе обжига при температурах обычно от 900°С до 1500°С. Затем выполняют грубую механическую очистку керамики 2 варистора, например, с помощью щеток.
Поверхность изготовленной таким образом спеченной керамики 2 затем полностью или, предпочтительно, частично облучают лазером. В случае варистора 1, представленного на фиг.1, нижнюю и верхнюю поверхности полностью подвергают облучению лазером. Луч лазера, предпочтительно, направляют в виде растра на облучаемую поверхность. Предпочтительно параметры лазера для облучения представляют собой:
- длина волны света от 600 нанометров до 14000 нанометров, предпочтительно, от 900 нанометров до 1200 нанометров, в частности 1064 нанометров (Nd:YAG лазер) или 10600 нанометров (CO2 лазер)
- импульсный режим излучения, частота повторения импульсов от 500 Гц до 80 кГц, предпочтительно от 5 кГц до 20 кГц (также возможно применение непрерывного режима излучения)
- средняя мощность лазера от 60 В до 200 В, предпочтительно от 80 В до 200 В
- скорость облучения единицы площади: от 0,1 см2/с до 20 см2/с, предпочтительно, от 0,5 см2/с до 4 см2/с.
Каждый сегмент поверхности, предпочтительно, облучают только один раз, но также можно, и может быть предпочтительно, облучать один и тот же сегмент поверхности два раза или больше.
Поскольку область (область сканирования), которую облучают лазером, можно контролировать с помощью электроники или с использованием компьютера, также возможно получать сложные формы облучаемого участка поверхности, и можно обрабатывать корпуса варистора со сложной формой. Например, могут быть сформированы электроды прямоугольной формы и электроды на внешней поверхности трубчатого или цилиндрического корпуса варистора, которые проходят, например, по окружности корпуса варистора (см., например, фигуру 6).
Предпочтительно, используют сфокусированный луч лазера. Обычно фокусное расстояние составляет от 10 мм до 800 мм, предпочтительно, от 50 мм до 250 мм.
На фигуре 2 схематично показан вид в сечении спеченного корпуса 2 варистора перед облучением лазером. Для луча L лазера показана точка F фокусирования. Изображенный участок 5 поверхности имеет волнистость, которая возникла в основном в результате физического контакта с держателем обжига. Такая волнистость обычно имеет продольный размер Δ, величина которого составляет порядка от 10 мкм до нескольких миллиметров, и типично размер D по вертикали, величина которого составляет порядка от 10 мкм до 0,5 мм. На фиг.2 тонкой волнистой линией, которая вычерчена вокруг участка 5 поверхности (представленного толстой линией) показано, что поверхность спеченного корпуса варистора обычно также имеет определенную (микроскопическую) шероховатость.
Область усредненного значения волнистости участка 5 поверхности обозначена на фиг.2 буквой S. В случае верхней поверхности цилиндрического корпуса 2 варистора (сравни с фигурой 1), область S представляет собой плоскую поверхность. Из-за необходимости обеспечения однородного электрического поля в корпусе 2 варистора обычно, предпочтительно, получить плоскую форму электродов 3, 4 так, что область S, предпочтительно, должна быть плоской. Особенно предпочтительный способ уменьшения вертикального размера волнистости состоит в том, что точку F фокусирования луча L лазера устанавливают таким образом, что она всегда располагается в области S', которая параллельна области S. Область S', предпочтительно, расположена со стороны области S, которая обращена вглубь корпуса 2 варистора, предпочтительно, на расстоянии от 0,1 мм до 2 мм. Благодаря использованию сфокусированного луча лазера получают зависимую от глубины плотность энергии и мощность удаления материала лучом лазера.
После обжига части держателя обжига могут оставаться на поверхности корпуса 2 варистора. Такие компоненты держателя обжига можно удалить путем облучения лазером. Также возможно удалять другие загрязнения с поверхности корпуса 2 варистора путем облучения лазером. Перед облучением лазером, предпочтительно, также можно использовать механическую грубую очистку, например, с помощью щеток.
На фиг.3 схематично показан вид в разрезе с увеличением части участка 5 поверхности, показанного на фиг.2, после облучения лазером. В этом случае волнистость практически устранена. В результате, получают очень равномерное распределение поля и равномерное распределение тока. Кроме того, участок 5 поверхности имеет шероховатость. Такая микрошероховатость обычно имеет поперечный размер величиной порядка от 1 мкм до 10 мкм и вертикальный размер величиной порядка 1 мкм. Микрошероховатость обеспечивает хорошее сцепление слоя металлизации с участком 5 поверхности, который был подвергнут облучению лазером. Значения Rа предпочтительно формируемой микрошероховатости составляют от 1 мкм до 4 мкм и, таким образом, равны или даже значительно больше, чем обычные значения микрошероховатости, которые обычно составляют от 1 мкм до 1,5 мкм в глубину, формируемые с помощью вытравливания.
Облучение лазером используют, в частности, для предварительной обработки керамики 2 варистора для последующей металлизации. Слои 3, 4 металлизации предпочтительно наносят на участки 5, 6 поверхности с использованием термического напыления, например напыления световой дугой. Для слоев металла, которые наносят способом термического напыления, особенно важно обеспечить достаточную шероховатость металлизируемой поверхности, поскольку сцепление в этом случае, по существу, является механическим и не создается, или маловероятно создается, химическим путем. Также можно применять другие способы металлизации (способы нанесения покрытия), такие как, например, осаждение из газовой фазы (ОГФ (PVD)), напыление, электрохимическое осаждение или печать через экран.
Конечно, с помощью лазера можно облучать определенную область и затем металлизировать только участок (как, в частности, участок 5 или 6 поверхности) указанной области. Например, вся нижняя поверхность или верхняя поверхность может быть подвергнута облучению лазером, и затем только на часть ее может быть нанесен слой 3, 4 металлизации.
Однако с помощью облучения лазером также можно модифицировать химический состав участка поверхности. Таким образом можно обеспечить улучшенное сцепление между участком поверхности и нанесенным металлом.
Перед нанесением слоев 3, 4 металлизации или после, предпочтительно, наносят слой 7 пассивирования. Он состоит из изолирующего слоя. Если слой 7 пассивирования нанесен перед нанесением слоев 3, 4 металлизации, неэлектропроводные, стеклоподобные или полимерные остатки могут попасть, в результате, на участки 5, 6 поверхности. Такие остатки, которые могут привести к образованию неоднородности электрического поля и к электрическим пробоям, могут быть удалены путем облучения лазером.
На фиг.4 представлены вольт-амперные характеристики в двойном логарифмическом масштабе, которые были получены с использованием двух электродов, нанесенных на участок поверхности, который не был облучен лазером (круги и квадраты), и на участок поверхности, который был облучен лазером (треугольники и ромбы) корпуса варистора. Напряжение V, которое прикладывали между электродами, отмечено на графике в зависимости от тока I, который протекал между электродами. Расстояние между электродами составляло 3 мм для данных, представленных квадратами, и данных, представленных ромбами. Для точек измерения, представленных кругами, а также для точек, представленных треугольниками, расстояние между электродами составляло 4 мм. В случае данных, измеренных на участках поверхности, которые не были подвергнуты облучению лазером (круги и квадраты), можно явно видеть поведение варистора, с напряжением пробоя от 800 В до 1000 В. В случае данных, которые были получены в результате измерений на участке поверхности, облученной лазером (треугольники и ромбы), явно можно видеть омическое поведение. Кроме того, сопротивление контакта в этом случае существенно ниже, чем без облучения лазером. Поперечная электропроводность в результате облучения лазером существенно увеличилась. В измеренном диапазоне напряжений сопротивление уменьшилось от четырех до девяти порядков величины.
На фигуре 5 представлена дополнительная иллюстрация настоящего изобретения, на которой показан варистор 1, аналогичный изображенному на фиг.1. По этой причине фигура 5 описана со ссылкой на фигуру 1. В отличие от варистора 1, изображенного на фиг.1, электроды 3, 4 на фиг.5 занимают не всю верхнюю или нижнюю поверхность цилиндра, а скорее только часть ее так, что в каждом случае формируется бортик 9 или 10, который примыкает к участкам 5 и 6 поверхности. Бортики 9 и 10 снижают вероятность искрового пробоя. Когда слои 3, 4 металлизации проходят, как, например, показано на фигуре 1, до кромки, которая отделяет внешнюю цилиндрическую поверхность от верхней поверхности или нижней поверхности цилиндра, значительно повышается вероятность электрического искрового пробоя между двумя слоями металлизации, при приложении напряжения, по сравнению со случаем, когда используют бортики 9, 10, показанные на фигуре 5.
Здесь явно показано, что в результате облучения лазером участков 5, 6 поверхности была удалена часть материала. Бортики 9, 10 выступают над участками 5, 6 поверхности. Слои 3, 4 металлизации, показанные на фиг.6, выполнены по-разному. Однако обычно, предпочтительно, используют два идентичных слоя 3, 4 металлизации.
Слой 3 металлизации участка 5 поверхности выполнен настолько толстым, так что он выходит за пределы бортика 9. В результате этого проще обеспечивается контакт с использованием контактного элемента (не показан), который имеет, по меньшей мере, приблизительно такой же размер, что и участок 5 поверхности.
Сцепление слоя 3 металлизации с участком 5 поверхности повышено путем облучения лазером. Если в ходе металлизации на бортик 9 осядет некоторое количество металла, указанный металл сцепляется в этом месте в значительно меньшей степени, чем металл на участке 5 поверхности. В результате, металл, который, возможно, осядет на бортик 9, можно легко удалить так, что будет получена форма электрода, определенная облучением лазером.
Участок 6 поверхности, в отличие от участка 5 поверхности, содержит такой тонкий слой 4 металлизации, что бортик 10 выступает за его пределы. В результате, бортик 10 формирует (дополнительный) барьер для электрического искрового пробоя.
Способы вытравливания имеют недостаток, состоящий в том, что керамические корпуса устанавливают в травильную ванну, и поэтому происходит вытравливание всей поверхности керамики, то есть как участков поверхности, которые должны быть металлизированы, так и участков поверхности, которые не должны быть металлизированы. Это может оказать отрицательное влияние на электрические свойства керамики. При этом трудно и сложно закрывать участки поверхности, которые не должны быть металлизированы во время вытравливания. При облучении лазером не требуется применять подобные технологии.
На фигуре 6 показан пример не плоских электродов 3, 4. Электрокерамический компонент 1 (например, варистор 1 или пьезокерамический элемент 1), представленный на чертеже, имеет трубчатый керамический корпус 2. Электроды 3, 4 расположены на внешней поверхности 8 малой трубки и сформированы в виде колец, которые окружают внешнюю поверхность 8. Такие участки поверхности, а также участки поверхности с более сложной формой, можно обрабатывать с использованием облучения лазером.
Обработка лазером, в принципе, может быть выполнена на воздухе или в атмосфере какого-либо другого газа (например, N2, H2, O2). В результате, может быть оказано определенное влияние на электропроводность и химический состав облученных участков поверхности.
Благодаря облучению лазером, в соответствии с настоящим изобретением, корпуса варистора, становится возможным уменьшить или устранить неравномерность или волнистость участка поверхности электрокерамического корпуса, который должен быть металлизирован, и при этом возможно сформировать микрошероховатость и обеспечить модификацию химического состава участка поверхности, что позволяет обеспечить хорошее сцепление слоя металлизации. Кроме того, может быть получена керамика варистора, поверхность которого имеет практически омическое поведение электропроводности, по меньшей мере, с высоким значением поперечной электропроводности, на основе чего можно обеспечить очень равномерное распределение тока, в частности, рядом со слоем металлизации. Кроме того, возможно удалять остатки, которые образуются, в частности, из-за держателя обжига или в результате нанесения слоя пассивирования. Другие предпочтительные эффекты и варианты выполнения описаны выше.
1. Способ изготовления варистора (1), характеризующийся тем, что по меньшей мере на один участок (5; 6) поверхности спеченного корпуса (2) варистора наносят слой (3; 4) металлизации, причем корпус (2) варистора выполняют из легированной спеченной керамики (2) на основе оксида металла, предпочтительно ZnO, SnO2, SrТiO3, TiO2, или из легированной карбидной керамики, при этом участок (5; 6) поверхности облучают светом (L) лазера перед нанесением слоя (3; 4) металлизации, причем после обжига участок (5; 6) поверхности корпуса (2) варистора имеет волнистость и перед нанесением слоя (3; 4) металлизации участок (5; 6) поверхности облучают лазером (L) для уменьшения волнистости участка (5; 6) поверхности.
2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что используют сфокусированный луч (L) лазера перед нанесением слоя (3; 4) металлизации на участок (5; 6) поверхности для уменьшения волнистости участка (5; 6) поверхности, при этом луч (L) лазера фокусируют на область (S'), которая расположена параллельно области (S), представляющей собой усредненное значение волнистости участка (5; 6) поверхности.
3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что материал корпуса (2) варистора удаляют путем облучения лазером на участке (5; 6) поверхности, при этом после облучения лазером на корпусе (2) варистора образуется бортик (9), который примыкает к участку (5; 6) поверхности, причем бортик (9) не облучают или облучают в меньшей степени светом (L) лазера, чем участок (5; 6) поверхности.
4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для придания шероховатости участку (5; 6) поверхности участок (5; 6) поверхности облучают светом (L) лазера перед нанесением слоя (3; 4) металлизации.
5. Способ по одному из пп.1-3, характеризующийся тем, что для улучшения сцепления слоя (3; 4) металлизации путем модификации химического качества участка (5; 6) поверхности участок (5; 6) поверхности облучают светом (L) лазера перед нанесением слоя (3; 4) металлизации.
6. Способ по одному из пп.1-3, характеризующийся тем, что для повышения электрической поперечной проводимости участка (5; 6) поверхности участок (5; 6) поверхности облучают светом (L) лазера перед нанесением слоя (3; 4) металлизации.
7. Способ по одному из пп.1-3, характеризующийся тем, что количество энергии, вкладываемой на единицу площади участка (5; 6) поверхности с помощью луча (L) лазера для выравнивания участка (5; 6) поверхности, который является искривленным перед облучением лазером, выбирают в зависимости от места на участке (5; 6) поверхности.
8. Способ по одному из пп.1-3, характеризующийся тем, что количество энергии, прикладываемой на единицу площади участка (5; 6) поверхности с помощью луча (L) лазера, выбирают в зависимости от места на участке (5; 6) поверхности путем выбора выходной мощности света луча (L) лазера и/или диаметра луча (L) лазера, и/или площади, которую облучают за единицу времени лучом (L) лазера, и/или количества облучений, которым подвергают площадь участка (5; 6) поверхности, в зависимости от места на участке (5; 6) поверхности.
9. Способ по одному из пп.1-3, характеризующийся тем, что на корпус (2) варистора перед нанесением слоя (3, 4) металлизации наносят, по меньшей мере, частично неэлектропроводный слой (7) пассивирования, при этом перед нанесением слоя (3; 4) металлизации участок (5; 6) поверхности облучают светом (L) лазера для удаления частей слоя (7) пассивирования, которые расположены на участке (5; 6) поверхности.
10. Способ по одному из пп.1-3, характеризующийся тем, что корпус (2) варистора формируют, по существу, цилиндрической формы, в форме диска или пластины, при этом участок (5; 6) поверхности расположен на двух оконечных плоскостях цилиндра или диска, или пластины, которые расположены параллельно друг другу, при этом на каждый из этих двух участков (5, 6) поверхности наносят по одному слою (3, 4) металлизации с использованием термического напыления, или корпус (2) варистора формируют, по существу, трубчатой формы или цилиндрической формы, и в этом случае слои (3, 4) металлизации наносят с помощью термического напыления на два, по существу, кольцевых участка (5, 6) поверхности, которые разнесены друг от друга вдоль оси и которые расположены на внешней поверхности (8) трубки или цилиндра.
11. Способ изготовления варистора (1), характеризующийся тем, что по меньшей мере на один участок (5; 6) поверхности спеченного корпуса (2) варистора наносят слой (3; 4) металлизации, причем корпус (2) варистора выполняют из легированной спеченной керамики (2) на основе оксида металла, предпочтительно, ZnO, SnO2, SrTiO3, ТiO2, или из легированной карбидной керамики, при этом участок (5; 6) поверхности облучают светом (L) лазера перед нанесением слоя (3; 4) металлизации, причем корпус (2) варистора имеет структуру, включающую частицы, и свободные частицы и/или композиты частиц корпуса (2) варистора присутствуют на участке (5; 6) поверхности и/или частицы, и/или композиты частиц корпуса (2) варистора находятся в трещинах, причем участок (5; 6) поверхности облучают светом (L) лазера перед нанесением слоя (3; 4) металлизации для удаления таких частиц и/или композитов частиц.
12. Способ изготовления варистора (1), характеризующийся тем, что по меньшей мере на один участок (5; 6) поверхности спеченного корпуса (2) варистора наносят слой (3; 4) металлизации, причем корпус (2) варистора выполняют из легированной спеченной керамики (2) на основе оксида металла, предпочтительно, ZnO, SnO2, SrТiO3, TiO2, или из легированной карбидной керамики, при этом участок (5; 6) поверхности облучают светом (L) лазера перед нанесением слоя (3; 4) металлизации, причем корпус (2) варистора поддерживают в ходе обжига на держателе для обжига с помощью, по меньшей мере, части участка (5; 6) поверхности, при этом перед нанесением слоя (3; 4) металлизации участок (5; 6) поверхности облучают светом (L) лазера для удаления частей держателя для обжига, которые остались на участке (5; 6) поверхности после обжига.
13. Способ изготовления варистора (1), характеризующийся тем, что по меньшей мере на один участок (5; 6) поверхности спеченного корпуса (2) варистора наносят слой (3; 4) металлизации, причем корпус (2) варистора выполняют из легированной спеченной керамики (2) на основе оксида металла, предпочтительно, ZnO, SnO2, SrTiO3, TiO2, или из легированной карбидной керамики, при этом участок (5; 6) поверхности облучают светом (L) лазера перед нанесением слоя (3; 4) металлизации, для уменьшения зависимости поперечной электропроводности участка (5; 6) поверхности от напряжения, в частности для получения омической зависимости поперечной электропроводности участка (5; 6) поверхности от напряжения.
14. Применение лазерного облучения (L) в качестве предварительной обработки перед нанесением слоя (3; 4) металлизации на керамику (2) варистора.
Приоритет по пунктам:
21.07.2003 по пп.1-14.
