專(zhuān)利名稱：激光輻照的金屬化電陶瓷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電工技術(shù)，特別是涉及電陶瓷部件如壓敏電阻。本發(fā)明還涉及按權(quán)利要求1的前述部分制備電陶瓷部件的方法。
背景技術(shù)：
電陶瓷部件是可電觸點(diǎn)接通和可對(duì)其施加電壓的陶瓷部件，以滿足電功能、電化學(xué)功能或其它的功能。其主要成分是電陶瓷。電陶瓷部件的實(shí)例是高溫超導(dǎo)部件、壓電晶體部件、陶瓷電容器、熱敏電阻和冷敏電阻、陶瓷電阻、陶瓷氣體傳感器和壓敏電阻。后者將在下面詳述。
壓敏電阻是具有非線性電流-電壓特性曲線的電陶瓷部件，它主要用作中壓領(lǐng)域、高壓領(lǐng)域以及低壓領(lǐng)域的導(dǎo)體。主要應(yīng)用基于燒結(jié)熱敏陶瓷如基于摻雜的ZnO的燒結(jié)熱敏陶瓷的金屬氧化物-熱敏電阻。為與之接觸，通過(guò)為這種或其它電陶瓷提供兩個(gè)(或多個(gè))金屬電極，其中該接觸必須具有低的接觸電阻和高的電流負(fù)荷量。此外，在其陶瓷表面上還需一層高粘附性的金屬層，以確?？煽康暮蜋C(jī)械穩(wěn)定的接觸。
在US 6169038中公開(kāi)了一種使半導(dǎo)體表面粗糙化的方法，其中將表面經(jīng)酸蝕刻。通過(guò)蝕刻過(guò)程產(chǎn)生表面的微粗糙度。如果為這類(lèi)粗糙化的表面提供金屬化，則由于微粗糙度在半導(dǎo)體和金屬層之間產(chǎn)生強(qiáng)的嚙合，以致達(dá)到金屬層和半導(dǎo)體表面之間的優(yōu)良粘附。類(lèi)似的蝕刻方法被用在制備壓敏電阻和其它的電陶瓷部件中。
在這類(lèi)蝕刻方法中產(chǎn)生要加以處置的化學(xué)廢物，并且在實(shí)施這類(lèi)方法時(shí)由于所用化學(xué)試劑的危險(xiǎn)性必須采取昂貴的安全措施。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種一開(kāi)始所提到的方法，該方法不具有上述缺點(diǎn)。通過(guò)本發(fā)明的方法特別可進(jìn)行電陶瓷的安全和對(duì)環(huán)境無(wú)害的金屬化。
本發(fā)明的目的以權(quán)利要求1的特征部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在權(quán)利要求17中還要求保護(hù)激光的應(yīng)用。
在用于制備電陶瓷部件的本發(fā)明方法中，要在燒結(jié)的電陶瓷體的至少一個(gè)表面部分上實(shí)施金屬化。該方法的特征在于實(shí)施金屬化前要對(duì)該表面部分進(jìn)行激光輻照。
因此，可通過(guò)激光光線輻照來(lái)代替其它用于表面部分處理的方法如蝕刻、研磨、噴砂或切削加工，激光輻照法是一種對(duì)環(huán)境無(wú)害的快速方法。此外，通過(guò)激光輻照可產(chǎn)生特別有利的表面部分的特征。
激光輻照的另一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是其要金屬化的表面部分的形狀可以簡(jiǎn)單的方式和實(shí)際上任意地選定。例如濕化學(xué)方法中，必須在電陶瓷體上涂敷掩模，以將電陶瓷體的表面部分與要處理部分分開(kāi)。在激光輻照時(shí)，激光束可經(jīng)簡(jiǎn)單控制以僅使要金屬化的表面部分受輻照。這樣就能以簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)覆蓋該電陶瓷體的所限定的面即限定的部分的金屬化(電極)。
特別是如果通過(guò)激光輻照提高了金屬化在電陶瓷體上的粘附性，則有可能特別是用金屬化方法來(lái)產(chǎn)生相當(dāng)好的電極形狀，而這種金屬化方法，至少是在不采用掩模的情況下，是不可能在有限的表面區(qū)域內(nèi)得到可定域的金屬化(例如由氣相或電化學(xué)的金屬沉積)。在未受激光輻照的表面區(qū)域，沉積金屬的粘附性小于在受激光輻照表面部分上的粘附性，以致那里的金屬可容易地從電陶瓷體上去掉，例如通過(guò)刷的方法去掉?；蛟谖词芗す廨椪毡砻鎱^(qū)域的金屬粘附性是如此之小，以致那里未產(chǎn)生金屬沉積，即未發(fā)生金屬化。
特別是當(dāng)該電陶瓷體有兩個(gè)通過(guò)至少一條棱邊相互分開(kāi)的外表面，其中對(duì)兩個(gè)外表面的每一個(gè)都要提供至少一個(gè)金屬化(電極)并且規(guī)定在這兩電極之間要加以電壓時(shí)，則可簡(jiǎn)單地制備所定義的要金屬化的表面部分是有利的。可如此選擇至少一個(gè)表面部分(并進(jìn)行金屬化)，以使其離棱邊有間隔。在該棱邊和該表面部分之間有一條排列的邊界。與該金屬化是伸展到棱邊情況相比，以這種方法就減少了從一個(gè)電極到另一個(gè)電極的電火花放電的可能性。優(yōu)選是兩金屬化(電極)具有一個(gè)邊界。
如果通過(guò)在表面部分中的激光輻照將電陶瓷的材料去掉，并且如果在激光輻照后該電陶瓷體有一條在該表面部分上未被輻照或與所述表面部分相比較少激光輻照的與所述表面部分鄰接的邊界，則可進(jìn)一步改進(jìn)耐火花放電性。經(jīng)激光輻照后，未經(jīng)(或少量經(jīng))激光輻照的邊界鄰近該表面部分，該邊界相對(duì)于該表面部分是凸出的。該邊界高出該表面部分，并可減少越過(guò)邊界的電火花放電的可能性，特別是當(dāng)該金屬化也被邊界高出的情況。
與其它制備用于金屬化的表面部分的方法相比，激光輻照的優(yōu)點(diǎn)是，可用簡(jiǎn)單的方法不僅能處理平面，也可處理曲面，例如圓柱形筒的面。
用激光輻照表面部分來(lái)使其粗糙化是特別有利的。這種粗糙化有助于在電陶瓷體上特好地固定金屬化。如此達(dá)到的粗糙度的橫向擴(kuò)展通常為0.1μm-50μm，大多數(shù)為2μm-20μm，垂直擴(kuò)展通常為0.1μm-10μm，大多數(shù)為0.3μm-5μm?？蛇_(dá)到金屬化的特別好的粘附性和抗脫落性，達(dá)到了較高的粗糙度。
在施加金屬化之前，有利的是使該表面部分經(jīng)激光輻照以通過(guò)該表面部分的化學(xué)特性的改性來(lái)改進(jìn)金屬化的粘附性。類(lèi)似于蝕刻方法，通過(guò)激光輻照可改變電陶瓷體表面的化學(xué)組成，如改變表面上的氧化物的化學(xué)計(jì)量。通過(guò)該表面部分的化學(xué)組成的改變還可改進(jìn)金屬化的粘附性。
有利的是該表面部分可經(jīng)激光輻照以增大該表面部分的橫向?qū)щ娦浴?br> 燒結(jié)的電陶瓷體的表面與該燒結(jié)的電陶瓷體的體積內(nèi)有基本相同的電特性。但對(duì)于低的接觸電阻常希望有較大的橫向?qū)щ娦浴Ｔ诒砻娌糠稚系膬蓚€(gè)以間隔施加的電極的情況下，由電流-電壓-比產(chǎn)生的橫向?qū)щ娦酝ㄟ^(guò)激光輻照可明顯，特別是呈幾個(gè)數(shù)量級(jí)地下降。
在壓敏電阻情況下，特別是在低于壓敏電阻的接通電壓(擊穿電壓)的電壓時(shí)存在非常大的電阻。在表面部分上的兩個(gè)以間隔施加的電極的情況下由電流-電壓-比產(chǎn)生的橫向?qū)щ娦酝ㄟ^(guò)激光輻照可明顯，特別是呈1-2個(gè)數(shù)量級(jí)或最高達(dá)至少7-9個(gè)數(shù)量的下降，這視在壓敏電阻上所施加的電壓而定。僅薄的表面區(qū)域?qū)M向?qū)щ娦云鹱饔谩?br> 以這種方法達(dá)到金屬化相對(duì)于電陶瓷體(壓敏電阻體)的低接觸電阻。由此該(該壓敏電阻的)電陶瓷體具有有利的電特性和改進(jìn)的可接觸性?？擅黠@降低接觸電阻。
大部分情況下，該表面部分在陶瓷體燒結(jié)后具有波紋度。即表面部分具有變形。這類(lèi)波紋度或變形的橫向擴(kuò)展為50μm-30mm，大部分為100μm-10mm，其垂直擴(kuò)展通常為5μm-500μm，大部分為10μm-200μm。在施加金屬化前通過(guò)激光輻照可降低該表面部分的波紋度，即降低了不平整度或波紋度的垂直擴(kuò)展。使該表面部分變平滑了。
由此達(dá)到該電陶瓷部件有改進(jìn)的電特性和機(jī)械特性，因?yàn)榭蓪?shí)現(xiàn)電場(chǎng)、電流和機(jī)械(壓力)負(fù)荷的均勻分布。
例如壓敏電阻常在大的機(jī)械壓力下接觸，優(yōu)選是在熱敏電壓的相對(duì)兩側(cè)上所安置的兩個(gè)金屬化層的每個(gè)上壓上通常由鋁制成的接觸板，以確保優(yōu)良的電接觸。當(dāng)波紋度(激光輻照前)大時(shí)，在接觸板和金屬化層之間的機(jī)械和電接觸僅相對(duì)較小，并且在表面部分上形成間隔較遠(yuǎn)的觸點(diǎn)。由此在向接觸板施加壓緊壓力時(shí)，在壓敏電阻體(電陶瓷體)上發(fā)生非常不均勻地力導(dǎo)入。此外，在電流沖擊(電流脈沖)、壓力沖擊(機(jī)械壓力波)情況下，存在的觸點(diǎn)越少，對(duì)觸點(diǎn)的這種沖擊就越大。而且電流沖擊還導(dǎo)致在觸點(diǎn)上的局部加熱。這三種現(xiàn)象的每一個(gè)通常都導(dǎo)致在陶瓷上快速形成裂紋。這種裂紋常近表面，其起始點(diǎn)通常接近一些觸點(diǎn)處。這種裂紋使金屬化與陶瓷以及壓敏電阻體之間的電接觸和機(jī)械接觸惡化。如果在施加金屬化前使該陶瓷以合適的方式經(jīng)激光輻照，則可明顯減少該波紋度(特別是在垂直方面上)，由此就可存在明顯較多的接觸點(diǎn)數(shù)目和較大的接觸點(diǎn)密度。因此，將激光輻照用于欲施加金屬化的壓敏電阻陶瓷/電陶瓷的預(yù)處理可明顯增加該壓敏電阻/電陶瓷部件的使用時(shí)間。這可達(dá)到在整個(gè)金屬化的表面部分的均勻電流分布和均勻壓力分布。在其它電陶瓷情況下，通過(guò)金屬化前的激光輻照可解決類(lèi)似的問(wèn)題。
在一個(gè)特別優(yōu)選的制備工藝的方案中，采用聚焦激光束作為激光。特別是該表面部分在施加金屬化前經(jīng)聚焦激光束輻照來(lái)降低該表面部分的波紋度，由此達(dá)到特別好的和有效的表面部分的平整性。以這種方法使激光束的能量密度在近電陶瓷體的表面處為最大，而在陶瓷體的內(nèi)部(表面以下)有小的能量密度，由此對(duì)陶瓷材料有小的影響。特別是該激光束聚焦在平行于要使平面部分的波紋度均化的平面上。由此，達(dá)到特別好的平整度和特別小的表面部分的波紋度。
另一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案的特征在于，為了在激光輻照前平整彎曲的表面部分，則在表面部分的單位面積上由該激光束沉積的能量要依表面部分上的位置來(lái)選擇。如果選用在該表面部分的單位面積上由該激光束沉積的能量要依表面部分上的位置來(lái)選擇的方法，則有利的方法是該表面部分面積所經(jīng)受的激光束的光功率和/或激光束的輻照直徑和/或每單位時(shí)間由激光束輻照的面積和/或輻照數(shù)目均根據(jù)表面部分上的位置來(lái)選擇。
由此可除去其垂直擴(kuò)展的數(shù)量級(jí)通常為0.1mm-3mm的不希望有的形狀偏差或至少可明顯地減少。例如該激光束可多次通過(guò)要平整的區(qū)域和/或在要平整的區(qū)域緊鄰光柵線行進(jìn)和/或沿光柵線較慢地和/或以較大光強(qiáng)度行進(jìn)。在激光輻照前或激光輻照期間優(yōu)選對(duì)陶瓷進(jìn)行測(cè)量，以確定形狀偏差程度和相應(yīng)所需的激光強(qiáng)度。這達(dá)到在表面部分上與位置相關(guān)的材料剝蝕。與采用聚焦激光輻照但無(wú)與位置相關(guān)的剝蝕率相比，可修改更大的波紋度或形狀偏差。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，該電陶瓷體具有顆粒結(jié)構(gòu)，在該表面部分上存在有電陶瓷體的松散的顆粒和/或顆粒復(fù)合體，和/或在顆粒結(jié)構(gòu)的裂紋中存在電陶瓷體的顆粒和顆粒復(fù)合體。該表面部分在施加金屬化前經(jīng)激光輻照以剝蝕這些顆粒和/或顆粒復(fù)合體。在壓敏電阻中這種顆粒的典型線性尺寸為10μm-數(shù)百μm。
通過(guò)該表面的機(jī)械加工(例如切割、研磨或清刷)會(huì)引入缺陷，如在陶瓷體中的裂紋，特別是在最上面的顆粒層中。因此，表面部分的最上層常由松散的顆粒復(fù)合體構(gòu)成，由此降低了金屬化的粘附性。這種松散的或在裂紋中分布的顆?；蝾w粒復(fù)合體可通過(guò)激光輻照去除，以達(dá)到在陶瓷體和金屬化之間的優(yōu)良的、均勻的電接觸和機(jī)械接觸(高的抗拉強(qiáng)度)。
在燒結(jié)過(guò)程中電陶瓷體以其至少一部分表面部分放置在燒結(jié)支撐板上。這時(shí)在燒結(jié)過(guò)程結(jié)束后會(huì)有燒結(jié)支撐板的組分保留在表面部分中。通過(guò)在施加金屬化前用激光輻照該表面部分可有利地剝蝕掉這類(lèi)燒結(jié)支撐板的組分。這樣達(dá)到該表面部分的均質(zhì)特性，由此消除了由這種燒結(jié)支撐板的組分引起的電特性方面的局部差別。
在施加金屬化之前或之后，可為電陶瓷體至少部分施加不導(dǎo)電的鈍化層。如果這種鈍化層在施加金屬化之前提供，那么部分鈍化層會(huì)存在表面部分上。在這種情況下，該表面部分在施加金屬化前優(yōu)選經(jīng)激光輻照，以剝蝕這類(lèi)在表面部分上存在的鈍化層部分。這就可避免由于這種鈍化層部分引發(fā)的在金屬化和電陶瓷體之間的大的和不均勻的接觸電阻，以致在金屬化和電陶瓷體之間達(dá)到均勻的電特性及小的電阻。
該電陶瓷部件可以是例如壓敏電阻或高溫超導(dǎo)部件或壓電陶瓷部件或陶瓷電容器或熱敏電阻或冷敏電阻或陶瓷電阻或陶瓷氣體傳感器。
如果該電陶瓷部件是壓敏電阻并且該電陶瓷體是壓敏電阻體，優(yōu)選該壓敏電阻體是摻雜的燒結(jié)金屬氧化物陶瓷，優(yōu)選是基于ZnO、SnO2、SrTiO3或TiO2，或是摻雜的碳化物陶瓷如SiC。
當(dāng)該陶瓷體是壓敏電阻體時(shí)，很有利的是該壓敏電阻體的表面部分經(jīng)激光輻照以減少該表面部分的橫向?qū)щ娦缘碾妷合嚓P(guān)性。特別是可將激光輻照前存在的壓敏電阻類(lèi)的橫向?qū)щ娦缘碾妷合嚓P(guān)性轉(zhuǎn)變成(近似)歐姆特性曲線。
燒結(jié)陶瓷體的表面的電特性通?；旧吓c該燒結(jié)陶瓷體的體內(nèi)的電特性相同。在低于壓敏電阻的接通電壓(擊穿電壓)的電壓時(shí)，它呈具有大電阻的強(qiáng)非線性電流-電壓-特性曲線。該表面部分的橫向?qū)щ娦缘呐c電壓的強(qiáng)相關(guān)性可被減小到基本上是線性的，即具有歐姆特性曲線。在激光輻照后，存在基本上是歐姆特性的橫向?qū)щ娦砸源鎵好綦娮桀?lèi)的在表面上流動(dòng)的電流與所存在的電壓之間的強(qiáng)的非線性關(guān)系(在薄的表面區(qū)域)。由此該壓敏電阻具有合適的電特性和改進(jìn)的可接觸性。
在另一實(shí)施方案中，該電陶瓷體主要成形為圓柱形、盤(pán)形或板形，其中在該圓柱體或盤(pán)或板的兩個(gè)相互平行的界面上各設(shè)置表面部分，在該兩個(gè)表面部分上每一個(gè)都施加金屬化。金屬化的施加優(yōu)選通過(guò)熱噴涂進(jìn)行。
在另一實(shí)施方案中，該電陶瓷體基本上是管形或圓柱形，其中在兩個(gè)互相以軸向間隔開(kāi)的基本上呈環(huán)狀排列在管或圓柱體外表面上的表面部分上，為每一表面部分施加金屬化。金屬化的施加優(yōu)選通過(guò)熱噴涂進(jìn)行。
在本發(fā)明的激光光線的應(yīng)用中，它是用作在電陶瓷特別是壓敏電阻陶瓷上施加金屬化的預(yù)處理。
其它的優(yōu)選實(shí)施方案和優(yōu)點(diǎn)可由從屬權(quán)利要求及附圖得知。
附圖簡(jiǎn)述下面將按在附圖中說(shuō)明的優(yōu)選實(shí)施例來(lái)詳細(xì)闡明本發(fā)明的主題

圖1是本發(fā)明的壓敏電阻的截面圖。
圖2是激光輻照前的表面部分。
圖3是激光輻照后的表面部分。
圖4是經(jīng)激光輻照和未經(jīng)激光輻照的壓敏電阻表面部分的電流-電壓-特性曲線。
圖5是本發(fā)明的具有部分金屬化表面的板形壓敏電阻的截面圖。
圖6具有兩個(gè)環(huán)狀電極的管形電陶瓷的三維示圖。
圖中所用的標(biāo)號(hào)及其含意綜合于標(biāo)號(hào)表中。基本上是在圖中相同的或起相同作用的部分具有相同的標(biāo)號(hào)。所述的實(shí)施例示例性地代表本發(fā)明的主題，并不具有限制的作用。
實(shí)施本發(fā)明的方法圖1以本發(fā)明制備的壓敏電阻1作為電陶瓷部件的截面示圖。該壓敏電阻基本上呈圓柱形，具有壓敏電阻體2。該圓柱體的頂面和底面形成表面部分5和6，其上提供有金屬化3和4。未金屬化的圓柱周面帶有鈍化層7。
該壓敏1電阻優(yōu)選用作在高壓、中壓以及低壓領(lǐng)域的過(guò)壓保護(hù)。關(guān)于壓敏電阻的基本原理和其優(yōu)選使用的材料例如可參看書(shū)“Ceramic Transaction”，Vol.3，編者L.M.Levinson，AmericanCeramic Society，1988或D.R.Clarke，Varistor Ceramics，J.Am.Ceram.Soc.，82(1999)，pp 485-502。將后一出版物的全部公開(kāi)內(nèi)容引入本描述中。關(guān)于電陶瓷的基本原理和優(yōu)選使用的材料例如可參考書(shū)“Ceramic Materials for Electronics”，編者Relva C.Buchanan，Electrical Engineering and Electronics/31，1986。
壓敏電阻體2是燒結(jié)陶瓷，優(yōu)選是基于金屬氧化物，特別是ZnO的燒結(jié)陶瓷。該壓敏電阻體2除含基礎(chǔ)金屬氧化物外還含有作為摻雜的其它元素，例如Bi、Sb、Co、Mn、Cr。壓敏電阻體2優(yōu)選是以單塊形成。
金屬化3、4用于壓敏電阻體2的接觸，并形成電極3，4。金屬化3、4應(yīng)具有大的載流性及與陶瓷2的低接觸電阻。此外，它還具有優(yōu)良的在陶瓷上的粘附性(高的抗拉強(qiáng)度)。該金屬化3、4優(yōu)選由Al、Zn、Cu、Ag或合金如黃銅制成。
金屬化3、4是在表面部分5和6上施加的。在圖1中表面部分5、6相應(yīng)于圓柱形壓敏電阻體2的頂面和底面。這些表面部分可以是較大的，并包括頂面或底面，或也可以任選是較小的，被頂面或底面所包括。在圖1中，金屬化3、4完全配置在表面部分5、6上。鈍化層7是不導(dǎo)電的，優(yōu)選是玻璃類(lèi)、陶瓷的或聚合物。
為了制備壓敏電阻1，將呈粉末狀的壓敏電阻陶瓷2的組分混合、壓制和然后再在通常為900℃-1500℃的溫度下將其放在燒結(jié)支撐板上燒結(jié)。接著可對(duì)壓敏電阻陶瓷2進(jìn)行粗凈化，例如用刷除凈化。
然后對(duì)如此制得的燒結(jié)陶瓷2的表面以激光束進(jìn)行全部或優(yōu)選部分輻照。在圖1所示的壓敏電阻1的情況下，該頂面和底面經(jīng)完全激光輻照。優(yōu)選是該激光束以光柵的方式通過(guò)要處理的表面。該激光輻照的參數(shù)優(yōu)選為-光波長(zhǎng)為600nm-14000nm，優(yōu)選900nm-1200nm，特別是1064nm(Nd:YAG-激光器)或10600nm(CO2-激光器)。
-脈式光束，脈沖頻率為500Hz-80kHz，優(yōu)選5kHz-20kHz(cw-運(yùn)行也是可以的)。
-平均激光功率為60w-200w，優(yōu)選80w-200w-輻照的面積速率0.1cm2/s-20cm2/s，優(yōu)選0.5cm2/s-4cm2/s。
優(yōu)選是每個(gè)面段僅輻照一次；但也可并優(yōu)選是在同一面段上輻照2次或多次。
因?yàn)橛眉す廨椪盏膮^(qū)域(掃描區(qū)域)是可以電子或以計(jì)算機(jī)輔助來(lái)控制的，所以也可產(chǎn)生復(fù)雜的幾何形狀和加工復(fù)雜形狀的壓敏電阻體。例如可實(shí)現(xiàn)直角形的電極和在管形或圓柱形壓敏電阻體上的外表面上的電極，這些電極例如沿壓敏電阻體的周面延伸(見(jiàn)圖6實(shí)施例)。
優(yōu)選采用聚焦激光束。焦距典型為10mm-800mm，優(yōu)選為50mm-250mm。
圖2示出經(jīng)燒結(jié)的壓敏電阻體2在激光輻照前的截面圖。激光束L以焦點(diǎn)F表示。所述的表面部分5具有波紋狀，這主要源自燒結(jié)支撐板的壓印。這種波紋狀的橫向尺寸Δ的數(shù)量級(jí)通常為10μm-幾毫米，縱向尺寸D的數(shù)量級(jí)通常為10μm-0.5mm。在圖2中沿表面部分5(以粗線表示)波動(dòng)的細(xì)線表明，經(jīng)燒結(jié)的壓敏電阻體表面通常還有一定的(微觀的)粗糙度。
在圖2中表面部分5的波紋狀的平均面是以S表示。在圓柱形壓敏電阻體2的頂面情況下(對(duì)比圖1)該面S是平面。由于要使在壓敏電阻體2中的電場(chǎng)均勻，通常平面形狀的電極3、4是優(yōu)選的，所以面S優(yōu)選為平面。如果激光束L的焦點(diǎn)F總是以處于與面S相平行的面S’中引進(jìn)，這就特別適用于減小該波紋狀的縱向尺寸。該面S’優(yōu)選處于面向該壓敏電阻體2的體積的S面?zhèn)?，其間距優(yōu)選為0.1mm-2mm。通過(guò)應(yīng)用聚焦激光光束，產(chǎn)生激光束的與深度相關(guān)的能量密度和剝蝕功率。
在燒結(jié)后會(huì)在壓敏電阻體2的表面中留下燒結(jié)支撐板的組分。這種燒結(jié)支撐板的組分可通過(guò)激光輻照剝蝕。同樣也可通過(guò)激光輻照從該壓敏體2的表面將其它污物剝蝕掉。在激光輻照前還可有利地進(jìn)行機(jī)械粗凈化，例如采取刷除。
圖3是經(jīng)激光輻照后圖2中表面部分5的放大截面圖。該波紋狀實(shí)際上已消除。由此產(chǎn)生非常均勻的電場(chǎng)分布和均勻的電流分布。此外，該表面5具有粗糙度。該粗糙度的橫向尺寸通常為1μm-10μm數(shù)量級(jí)，縱向尺寸通常為1μm數(shù)量級(jí)。該微粗糙度使金屬化在激光輻過(guò)的表面部分5上有優(yōu)良的粘附性。優(yōu)選產(chǎn)生的微粗糙度Ra為1μm-4μm，并由此等值于通常的采用蝕刻法產(chǎn)生的典型為1μm-1.5μm深的微觀粗糙度或甚至明顯優(yōu)于該微粗糙度。
激光輻照主要用于壓敏電阻陶瓷的預(yù)處理以進(jìn)行其后的金屬化。該金屬化3、4優(yōu)選采用噴涂法例如電弧噴涂法涂敷于表面部分5、6上。對(duì)于通過(guò)熱噴涂涂敷金屬層，待金屬化的表面的足夠粗糙度是特別重要的，因?yàn)槠湔掣叫灾饕Q于機(jī)械特性，而不是或完全不是化學(xué)特性。其它的金屬化方法(涂層法)如PVD、濺涂法、電化學(xué)沉積或絲網(wǎng)印刷也是可能的。
當(dāng)然可用激光輻照一塊面積，然后該面積的一部分(即表面部分5或6)經(jīng)金屬化。例如整個(gè)頂面或底面經(jīng)激光輻照，然后僅部分提供以金屬化3、4。
通過(guò)激光輻照也可改性表面部分的化學(xué)組成。用這種方法可達(dá)到金屬化和被涂敷的金屬之間的改進(jìn)的粘附性。
在施加金屬化3、4之前或之后，涂敷以鈍化層7是有利的。該鈍化層是一種絕緣層。如果該絕緣層7在施加金屬化3、4之前涂敷，則由此在表面部分5、6上得到非導(dǎo)電的玻璃狀的或聚合物的殘余物。這種可導(dǎo)致電場(chǎng)非均勻性和電擊穿的殘余物可經(jīng)激光輻照剝蝕。
圖4示出雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)的電流-電壓-特性曲線，它是通過(guò)在壓敏電阻體的未經(jīng)激光輻照的表面部分(圓點(diǎn)和方塊點(diǎn))和經(jīng)激光輻照過(guò)的表面部分(三角點(diǎn)和菱形點(diǎn))上施加的兩個(gè)電極測(cè)定的。它是電極之間施加的電壓V相對(duì)于電極之間的電流I的關(guān)系。對(duì)通過(guò)方塊點(diǎn)和通過(guò)菱形點(diǎn)顯示的數(shù)據(jù)，其電極之間的間距為3mm。對(duì)通過(guò)圓點(diǎn)和通過(guò)三角點(diǎn)顯示的測(cè)量點(diǎn)，其電極間距為4mm。在未經(jīng)激光輻照的表面部分上測(cè)定的數(shù)據(jù)(圓點(diǎn)和方形點(diǎn))情況下，明顯看出其擊穿電壓為800V-1000V的壓敏電阻樣行為。在經(jīng)激光輻照的表面部分上測(cè)定的數(shù)據(jù)(三角點(diǎn)和菱形點(diǎn))情況下，明顯看出是歐姆特性。此外，該接觸電阻明顯小于未經(jīng)激光輻照的情況。通過(guò)激光輻照大大增加了橫向可導(dǎo)電性。在測(cè)量的電壓范圍內(nèi)，該電阻下降4-9個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖5用于進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，并表明如圖1類(lèi)似的壓敏電阻1。為此圖5是基于圖1來(lái)描述。與圖1中的壓敏電阻不同的是在圖5中的電極3、4不占有圓柱體的整個(gè)頂面或底面，而僅是其一部分，以致在表面部分5和6上各產(chǎn)生邊界9或10。邊界9和10減小了電火花放電的可能性。如果與圖1所示實(shí)施例一樣，該金屬化3、4延伸到分離圓柱表面和頂面或底面的棱邊處，則兩金屬化層之間在施加電壓時(shí)的電火花放電比圖5中有邊界9、10的情況的電火花放電的可能性要大得多。
明顯表明，通過(guò)激光輻照表面部分5、6發(fā)生了材料的剝蝕。邊界9、10伸出表面部分5、6。在圖6中金屬化3和4以不同方式形成。但通常兩個(gè)同樣的金屬化3、4是優(yōu)選的。
表面部分5的金屬化3是如此厚，以致凸出界面9。由此借助于至少與表面部分5近似大小的接觸元件(未示出)產(chǎn)生較容易的可接觸性。
通過(guò)激光輻照增加了金屬化3在表面部分5上的粘附性。如果在金屬化時(shí)會(huì)有任何金屬粘附在界面9上，則其上的粘附金屬明顯地小于在表面部分5上的金屬。由此可能沉積在邊界9上的金屬可易于去除，以致形成由激光輻照所定義的電極幾何形狀。
與表面部分5不同，在表面部分6上提供如此薄的金屬化4，以致邊界10突出該表面部分。由此該邊界10形成(附加的)對(duì)電火花放電的阻擋。
蝕刻方法的缺點(diǎn)在于，將陶瓷體浸入蝕刻池，因此整個(gè)陶瓷，不僅要金屬化的表面部分，而且不需金屬化的表面部分均受蝕刻。這可對(duì)陶瓷的電特性有不利影響。不需金屬化的表面部分在蝕刻期間的遮蓋是困難的和昂貴的。激光輻照不需這種掩模。
圖6示出非平面電極3、4。所示的電陶瓷部件1(例如壓敏電阻1或壓電陶瓷1)具有管形陶瓷體2。電極3、4排列在小管的外表面8上，并形成圍繞外表面8的環(huán)形電極。借助于激光輻照可處理這種以及復(fù)雜形狀的表面部分。
激光處理原則上可在空氣中或也可在其它氣體氣氛(例如N2、H2、O2)中進(jìn)行。由此，可影響被輻照表面部分的導(dǎo)電性和化學(xué)組成。
通過(guò)對(duì)壓敏電阻體的按本發(fā)明的激光輻照，可減少或消除電陶瓷體的要金屬化表面部分的不平整性或波紋性，并且可產(chǎn)生表面部分的微觀粗糙性以及表面化學(xué)組成的改性，它可實(shí)現(xiàn)金屬化的優(yōu)良粘附性。此外，在壓敏電阻陶瓷情況下，可產(chǎn)生至少近于歐姆導(dǎo)電的具有大的橫向?qū)щ娦缘谋砻?，由此產(chǎn)生特別是近金屬化層的均勻電流分布。此外，還可剝蝕掉特別是由燒結(jié)支撐板或涂敷鈍化層所帶來(lái)的殘余物。其余的有利作用和實(shí)施方案在上面已提及。
圖中的標(biāo)號(hào)表1電陶瓷部件，壓敏電阻2電陶瓷，電陶瓷體，壓敏電阻陶瓷，壓敏電阻陶瓷體3，4 金屬化，電極5，6 表面部分7鈍化層8外表面9，10邊界d粗糙度的典型縱向尺寸D波紋度的典型縱向尺寸δ粗糙度的典型橫向尺寸Δ 波紋度的典型橫向尺寸F激光輻照的焦點(diǎn)L激光光線，激光束S，S’ 面
權(quán)利要求
1.一種用于制備電陶瓷部件(1)的方法，其中在燒結(jié)的電陶瓷體(2)的至少一個(gè)表面部分(5；6)上施加金屬化(3；4)，其特征在于，在施加金屬化(3；4)之前用激光光線(L)輻照該表面部分(5；6)。
2.權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于，通過(guò)激光輻照剝蝕在表面部分(5；6)中的電陶瓷(2)的材料，并且在激光輻照后，該電陶體(2)具有鄰近表面部分(5；6)的邊界(9)，該邊界(9)不受激光光線(L)輻照或受比表面部分(5；6)少的激光光線(L)輻照。
3.權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于，為使表面部分(5；6)粗糙化，在施加金屬化(3；4)前用激光光線(L)輻照該表面部分(5；6)。
4.上述權(quán)利要求之一的制備方法，其特征在于，為了通過(guò)改性表面部分(5；6)的化學(xué)特性來(lái)改進(jìn)金屬化(3；4)的粘附性，在施加金屬化(3；4)前用激光光線(L)輻照該表面部分(5；6)。
5.上述權(quán)利要求之一的制備方法，其特征在于，為增加表面部分(5；6)的橫向可導(dǎo)電性，在施加金屬化(3；4)之前用激光光線(L)輻照該表面部分(5；6)。
6.上述權(quán)利要求之一的制備方法，其特征在于，在電陶瓷體(2)經(jīng)燒結(jié)后，該表面部分(5；6)具有波紋性，并且為減少該表面部分(5；6)的波紋性，在施加金屬化(3；4)前用激光光線(L)輻照該表面部分(5；6)。
7.上述權(quán)利要求之一的制備方法，其特征在于，采用聚焦的激光束(L)作為激光光線(L)，特別是為減少表面部分(5；6)的波紋性，在施加金屬化(3；4)前用激光光線(L)輻照該表面部分(5；6)，并且將激光束(L)聚焦到與平均化表面部分(5；6)的波紋性的面(S)平行的面(S’)上。
8.上述權(quán)利要求之一的制備方法，其特征在于，為在激光輻照前平整彎曲的表面部分(5；6)，則在表面部分(5；6)的單位面積上由激光束(L)所沉積的能量依表面部分(5，6)上的位置來(lái)選擇。
9.上述權(quán)利要求之一的制備方法，其特征在于，在表面部分(5；6)的單位面積上由激光束(L)所沉積的能量依表面部分(5；6)的位置來(lái)選擇，其中表面部分(5；6)的部分面積所經(jīng)受的激光束(L)的光功率和/或激光束(L)的輻照直徑和/或每單位時(shí)間由激光束(L)輻照的面積和/或輻照次數(shù)均依據(jù)表面部分(5；6)上的位置來(lái)選擇。
10.上述權(quán)利要求之一的制備方法，其特征在于，電陶瓷體(2)具有顆粒結(jié)構(gòu)，在表面部分(5；6)上存在有電陶瓷體(2)的松散顆粒和/或顆粒復(fù)合體和/或在顆粒結(jié)構(gòu)的裂紋中存在有的電陶瓷體(2)的顆粒和/或顆粒復(fù)合體，該表面部分(5；6)在施加金屬化(3；4)前經(jīng)激光光線(L)輻照以剝蝕掉這些顆粒和/或顆粒復(fù)合體。
11.上述權(quán)利要求之一的制備方法，其中在燒結(jié)過(guò)程中，電陶瓷體(2)至少有一部分表面部分(5；6)放置在燒結(jié)支撐板上，其特征在于，該表面部分(5；6)在施加金屬化(3；4)前用激光光線(L)輻照以剝蝕在燒結(jié)后在表面部分(5；6)上所保留的燒結(jié)支撐板的組分。
12.上述權(quán)利要求之一的制備方法，其中在施加金屬化(3；4)之前在電陶瓷體(2)的至少部分上提供有非導(dǎo)電的鈍化層(7)，其特征在于，該表面部分(5；6)在施加金屬化(3；4)之前用激光光線(L)輻照以剝蝕掉在表面部分(5；6)上存在的鈍化層(7)的部分。
13.上述權(quán)利要求之一的制備方法，其特征在于，電陶瓷部件(1)是壓敏電阻(1)或高溫超導(dǎo)部件或壓電陶瓷部件或陶瓷電容器或熱敏電阻或冷敏電阻或陶瓷電阻或陶瓷氣體傳感器。
14.上述權(quán)利要求之一的制備方法，其特征在于，電陶瓷部件(1)是壓敏電阻(1)，電陶瓷體(2)是壓敏電阻體(2)，壓敏電阻體(2)是摻雜的燒結(jié)金屬氧化物陶瓷(2)，優(yōu)選是基于ZnO、SnO2、SrTiO3或TiO2的金屬氧化物陶瓷(2)，或是摻雜的碳化物陶瓷。
15.上述權(quán)利要求之一的制備方法，其特征在于，電陶瓷件(1)是壓敏電阻(1)，電陶瓷體(2)是壓敏電阻體(2)，表面部分(5；6)在施加金屬化(3；4)前經(jīng)激光光線(L)輻照以減小表面部分(5；6)的橫向?qū)щ娦缘碾妷合嚓P(guān)性，特別是表面部分(5；6)在施加金屬化(3；4)前用激光光線(L)輻照以產(chǎn)生表面部分(5；6)的橫向?qū)щ娦缘臍W姆電壓相關(guān)性。
16.上述權(quán)利要求之一的制備方法，其特征在于，電陶瓷體(2)基本是圓柱形、盤(pán)形或板形，其中在圓柱或盤(pán)或板的兩個(gè)相互平行的界面上各設(shè)置一個(gè)表面部分(5；6)，在該兩個(gè)表面部分(5；6)上通過(guò)熱噴涂施加金屬化(3；4)，或電陶瓷體(2)基本上是管形或圓柱形，其中在兩個(gè)相互以軸向間隔開(kāi)的基本呈環(huán)狀排列在管或圓柱體外表面(8)上的表面部分(5，6)上通過(guò)熱噴涂施加金屬化(3；4)。
17.激光束(L)在電陶瓷(2)，特別是在壓敏電阻陶瓷(2)上施加金屬化(3；4)時(shí)用作預(yù)處理的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備電陶瓷部件(1)例如壓敏電阻(1)的方法，它包括在表面部分(5；6)上施加金屬化(3；4)前以激光輻照該電陶瓷體(2)的表面部分(5；6)。通過(guò)激光輻照產(chǎn)生表面的微粗糙度和/或化學(xué)改性，這使金屬化有優(yōu)良的粘附性，它可降低和消除電陶瓷體(2)的要金屬化的表面部分(5；6)的不平整性或波紋度。此外，產(chǎn)生改進(jìn)的橫向?qū)щ娦裕纱诉_(dá)到特別是近金屬化(3；4)處的小的接觸電阻和非常均勻的電流分布。此外，還可剝蝕掉特別是源自燒結(jié)支撐板或鈍化層的涂敷所帶來(lái)的殘余物。有利的是該電陶瓷體在經(jīng)激光輻照后具有與表面部分(5；6)鄰接的未經(jīng)激光輻照的邊界(9)。激光束優(yōu)選是脈沖的或聚焦的。
文檔編號(hào)H01G4/12GK1576263SQ200410071688
公開(kāi)日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2004年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月21日
發(fā)明者R·凱斯勒, F·格羅伊特, M·哈格梅斯特 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司