Estudio de los parámetros de procesamiento de varistores de óxido de zinc y modelización de la junta de grano con películas delgadas.

Resumen

En este trabajo se han estudiado algunos parámetros del procesamiento de varistores de óxido de zinc, con vistas a la producción industrial de estos componentes. Del estudio previo de algunos varistores comerciales se deduce que la microestructura es semejante en todos ellos, con ligeras variaciones en la composición. Los aditivos que más influencia tienen en la sinterización de los varistores son el Bi2O3 y el Sb2O3, que constituyen básicamente la fase líquida gracias a la cual se verifica la consolidación de los polvos. En la microestructura final, el Sb2O3 se encuentra oxidado como Sb(V) en la espinela α-Zn7Sb2O12, que se presenta como granos de tamaño comprendido entre 1 y 4 μm, y con ciertas cantidades de Cr, Mn, Co y Ni en solución sólida. El Bi2O3 se segrega en las juntas de grano ZnO-ZnO y en los puntos triples; en este último caso, se presenta con diferentes variedades cristalinas o incluso amorfas. Los granos de ZnO, con tamaño comprendido entre 5 y 15 μm, constituyen la fase mayoritaria, y contienen en solución sólida pequeñas cantidades de Co y Ni. La sinterización de los varistores debe realizarse en atmósfera de aire, pues el defecto de oxígeno empeora las propiedades eléctricas por aumento de las vacantes de oxígeno en la capa de deplección, y por reducción parcial de algunos óxidos. La mayor dificultad para la producción de varistores de tamaño real, comparado con los de tamaño de laboratorio, es la compactación del polvo. Es necesario realizar la mezcla en húmedo, y con dispersantes o aglutinantes orgánicos para garantizar una adecuada distribución de los aditivos. Se consigue una distribución homogénea del aglutinante realizando una granulación del polvo antes de la compactación. De todos los aglutinantes estudiados, el más efectivo ha resultado ser el polietilén glicol (PEG) disuelto en agua destilada. Se ha comprobado también que los restos que dejan algunos aglutinantes tras su descomposición influyen en la variación del coeficiente de no linealidad con la frecuencia de muestreo. El coeficiente α también se reduce con la porosidad residual en los varistores. Una de las composiciones estudiadas posee excelentes propiedades eléctricas, superiores incluso a las de los varistores comerciales. Posee a bajas frecuencias un coeficiente de no linealidad (α) superior a 50, y una tensión de ruptura (Vb) razonable, del orden de 300 V/mm. Esta composición se ha utilizado como referencia para comprobar la influencia en la microestructura y las propiedades eléctricas de la velocidad de enfriamiento, pequeños cambios en la composición, temperatura de sinterización, etc. Además, muestras de esta composición han sido sometidas a los ensayos estándar de los varistores comerciales de alta tensión. Se ha elaborado un modelo material de las juntas de grano, mediante dispositivos de película delgada, con capas sucesivas de ZnO, Bi2O3 y ZnO, y dos películas adicionales más de cobre, como contactos. Ante la dificultad para realizar tratamientos de difusión en estos dispositivos, se ha simulado la difusión mediante películas de mezcla de Bi2O3 y ZnO, depositadas por cosputtering. La caracterización eléctrica de estos dispositivos muestra unas características no lineales, lo cual indica que con modelos similares se puede realizar la simulación de las propiedades eléctricas de los varistores.