CN102503580A

CN102503580A - 热敏陶瓷溅射膜电极的制备方法

Info

Publication number: CN102503580A
Application number: CN2011103222202A
Authority: CN
Inventors: 金浩; 王德苗; 任高潮; 岑嘉宝; 冯斌; 沈小虎
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明属于电子材料技术领域，特别是涉及一种热敏陶瓷上室温下溅射膜电极的方法，其特征主要包括：陶瓷清洗、掩膜装架、抽真空、充工作气体、溅射电极膜；本发明与现有技术相比，具有工艺设计合理、溅射成膜速度快、生产成本低廉、全制程无污染，且所制备的膜层结合牢固、高温焊接性能优良等优点，它是目前一种较为理想的热敏陶瓷电极的制备方法。

Description

热敏陶瓷溅射膜电极的制备方法

技术领域 　　本发明属于电子材料技术领域，特别是涉及一种溅射制备热敏陶瓷电极膜的方法。

背景技术

作为各种温度传感、温度补偿、过热、过载的主流产品，热敏陶瓷（PTC）在电子产品中具有及其广阔的应用。陶瓷电极制造（俗称陶瓷金属化）是电子陶瓷生产中的一个关键技术，它直接影响到陶瓷器件的欧姆接触电阻、耐压、寿命与可靠性等关键技术性能。现有用于陶瓷金属化的工艺方法主要有化学镀镍法、烧渗合金法、丝网印刷银浆烧结法。化学镀镍法包括超声清洗、粗化、SnCl₂敏化处理、PdCl₂活化处理、次磷酸盐预镀、浸入镀镍液、热处理等过程，工艺过程复杂，存在环境污染；烧渗合金法通过在陶瓷表面先涂盖配置好的浆料，然后再烧结，其工艺简单，但产品耐冲击电流小，耐老化潮湿特性差；丝网印刷银浆烧结工艺与烧渗合金法类似，是在瓷片上丝网印刷银浆后再高温烧结而成，其缺点是耗能大、需要大量昂贵的银，生产成本高，此外，此金属膜层中含有铅等有害元素。上述工艺均存在能耗高、污染大、成本昂贵、可靠性差的缺点，与当前建设节约型社会与绿色工艺技术的发展趋势相违背，已经不适合继续应用于陶瓷电极的生产了。因此，采用绿色技术对电子陶瓷进行金属化势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产成本低、金属化膜层品质优良、全制备过程无污染的热敏陶瓷电极的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供的热敏陶瓷溅射膜电极的制备方法是采用下述步骤实现的，其工艺步骤包括：陶瓷清洗、掩膜装架、抽真空、充工作气体、溅射电极膜；其中：

陶瓷清洗：把热敏陶瓷基片放到充水的球磨机中球磨滚洗15-60分钟，然后分别放进自来水与去离子水中超声清洗15-20分钟，最后离心甩干并120°-150°C烘干；

掩膜装架：将经过清洗、烘干的陶瓷基片通过掩膜工装装架到基片架上；

抽真空：将装好陶瓷的基片架置于多靶磁控溅射设备内并抽真空；

充工作气体：当真空度达到10^-3Pa量级时，向真空腔内动态地输入Ar等惰性气体，维持真空腔内氩气的压力在2×10^-1Pa－8×10^-1Pa范围内；

溅射电极膜：采用磁控溅射向陶瓷基片的表面溅射镀覆多层膜系金属膜；根据不同的陶瓷基片性能的要求，部分基片只需陶瓷表面单面溅射，部分基片需陶瓷表面正反两面溅射；溅射镀完膜层后，向溅射腔体内充入大气，取出工件。

所述的热敏陶瓷是BaTiCO₃为主要成份的热敏半导瓷或压敏陶瓷、热释电陶瓷中的一种，如PTC、PZT、NTC、BST、BNT陶瓷中的一种。

所述的电极层由依次布置的底层过渡层溅射薄膜、中间阻挡层溅射薄膜和表面导电层溅射薄膜构成。

所述的底层过渡层溅射薄膜由钛、铬、铝、铜、镍及其合金中的一种活性较强的金属材料构成，其厚度为50-300nm。

所述的中间阻挡层溅射薄膜由镍、铬、铜及其合金中的一种材料构成，其厚度为300-5000nm。

所述的表面导电层溅射薄膜由金、银、锡、铜的一种材料构成，其厚度为50-300nm。

所述电极层的底层过渡层溅射薄膜、中间阻挡层溅射薄膜和表面导电层溅射薄膜在多靶溅射镀膜机中依次镀覆，所述的磁控溅射靶可以是平面靶磁控溅射、柱形靶磁控溅射的一种，多靶磁控溅射镀膜机的种类可以是双面炉装式镀膜机，也可以是双面连续式镀膜机。

本发明与现有技术相比，具有工艺设计合理、溅射成膜速度快、生产成本低廉、全制程无污染，且所制备的膜层结合牢固、高温焊接性能优良等优点，它是目前一种较为理想的热敏陶瓷电极的制备方法。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为热敏陶瓷溅射膜电极的示意图。

附图标号说明：1-PTC陶瓷衬底，2-底层过渡层溅射膜，3-中间阻挡层溅射膜，4-表面导电层溅射膜，21-底层过渡层溅射膜，31-中间阻挡层溅射膜，41-表面导电层溅射膜。

具体实施方式

本发明的热敏陶瓷溅射膜电极的制备方法主要采用陶瓷清洗、掩膜装架、抽真空、充工作气体、溅射电极膜等工艺步骤；各步骤内容如下：

陶瓷清洗：压制烧结的陶瓷基片1在其表面制备电极层前先要进行清洗，以获得清洁的表面；清洗分粗洗、精细、甩干、烘干步骤；粗洗在球磨机中进行，把陶瓷基片1放到充流动水的球磨机中滚洗15-60分钟左右，去除陶瓷基片1的毛刺和表面重污染物，然后分别放进自来水与去离子水中，各超声清洗10-20分钟，最后离心甩干，并在摄氏120°-150°C环境中烘干；所述的陶瓷为BaTiCO₃为主要成份的热敏半导瓷或压敏陶瓷、热释电陶瓷中的一种，如PTC、PZT、NTC、BST、BNT陶瓷中的一种；

掩膜装架：将经过清洗、烘干的陶瓷基片1通过掩膜工装装架到基片架上，采用掩模的目的是为了防止热敏陶瓷边缘在溅射过程中溅镀上金属引起短路的情况；

抽真空：将装满陶瓷基片1的基片架放入单机式或连续式的多靶真空溅射设备中抽真空，使真空度达到10^-3Pa量级；

充工作气体：向真空腔内动态地输入Ar等惰性气体，并维持真空腔内氩气的压力在2×10^-1Pa－8×10^-1Pa范围内；

溅射电极膜：分别开启磁控溅射靶，依次向陶瓷基片溅射镀覆底层过渡层溅射薄膜2和21、中间阻挡层溅射薄膜3和31、和表面导电层溅射薄膜4和41，各个磁控溅射靶的溅射功率为2-25W/cm²，靶与基片的间距为5-11cm；

由于陶瓷和金属的机械、热力学性质有很大差距，因此设置底层过渡层来匹配电极与陶瓷的热力学特性，底层过渡层薄膜2和21可以是由钛、铬、铝、铜、镍及其合金中的任一种活性较强的金属材料制成，厚度在50-300nm；

中间阻挡层薄膜3和31可以是镍、铬、铜及其合金的单层膜，也可以是镍、铬、铜及其合金的共溅膜，也可以是镍、铬、铜及其合金的多层膜系，其厚度为300-5000nm；设置中间阻挡层的目的有二：一是节省银等贵重金属，二是为了阻挡高温焊料的溶蚀；因为金、银等表面导电层的材料与焊锡的固溶性很大，难以经受320°C的无铅焊料溶蚀，如果没有中间阻挡层，则表面导电导的金、银膜厚必须大于几十微米才能承受高温焊锡的溶蚀，这会使生产成本大为增加；设置由镍、镍铜合金、铬铜合金等材料构成的中间阻挡层溅射薄膜能有效阻挡高温焊锡的溶蚀，同时又降低了生产成本；

表面导电层薄膜4和41可以是由金、银、锡、铜的任一种电阻率低、焊接性能好的材料制成，该表面导电层薄膜4和41镀得很薄，厚度为50-300nm；

镀完膜层后，向溅射腔体内充入大气，当真空内腔与外界大气压力一致时取出溅射好的工件，电极膜制备过程结束。

实施例1

将20mm×20mm×4mm的PTC发热陶瓷体1放到球磨机中球磨滚洗半小时，然后分别放进自来水与去离子水中超声清洗3次，每次20min。然后120°C干燥烘干20min；

抽真空：将清洗好的PTC陶瓷置于多靶磁控溅射设备内抽真空，使真空度达到10^-3Pa量级；

充工作气体：将PTC陶瓷放置在多靶磁控溅射镀膜机的真空腔内，将真空腔抽到8×10^-3Pa真空状态后，再向真空腔内动态地输入Ar等惰性气体，维持真空腔内压力在5×10^-1Pa；

溅射电极膜：通过磁控溅射分别向陶瓷基片正反两个表面溅射镀覆底层过渡层，材料为Cr膜，厚度为300nm、中间阻挡层为300nm的NiCu合金膜7、表面导电层Ag膜300nm。镀完膜层后，向溅射腔体内充入大气，当真空内腔与外界大气压力一致时取出溅射好的工件即可。

经测试，电极与BaTiO₃系PTC发热陶瓷形成的欧姆接触电阻小于0.4Ω，结合力大于6.5MPa，电极能承受350^oC4秒的高温无铅焊锡熔蚀；经250^oC10小时老化后，欧姆接触电阻几乎没有变化。

实验例2

该实施例与实施例1的差异在于中间阻挡层的结构，在本例中，底层电极溅射完后，Cr靶与NiCu靶同时溅射，即中间阻挡层的结构为Cr-NiCu的合金；其余步骤与实验例1一样，在此不在赘述；

本实施例中，最后的膜层结构为Cr/CrNiCu/Ag，膜厚分别为 300nm/700nm/300nm。经测试，电极与BaTiO₃系PTC发热陶瓷形成的欧姆接触电阻小于0.4Ω，结合力大于6.4MPa，电极能承受350^oC4秒的高温无铅焊锡熔蚀；经250^oC10小时老化后，欧姆接触电阻几乎没有变化。

实验例3

该实施例采用膜层结构为Al/Ni/Cu，膜厚分别为120nm/300nm/120nm，其余步骤与实验例1一样，在此不在赘述；

经测试，电极与BaTiO₃系PTC发热陶瓷形成的欧姆接触电阻小于0.4Ω，结合力大于6.4MPa，电极能承受400^oC5秒的高温无铅焊锡熔蚀；经250^oC10小时老化后，欧姆接触电阻几乎没有变化。

经规模化试生产评估，采用本发明技术对陶瓷金属化后，相比原有的丝网印刷银浆烧结法金属化技术，膜层的抗拉强度、欧姆接触电阻、可焊性、抗无铅焊锡溶蚀特性、耐压等金属化膜层的质量普遍提高40%以上，而生产成本降低了60%以上，节省电力50%。

Claims

1.一种热敏陶瓷溅射膜电极的制备方法，其特征在于包含下列步骤：陶瓷清洗、掩膜装架、抽真空、充工作气体、溅射电极膜；各步骤的内容如下：

陶瓷清洗：把陶瓷基片放到充水的球磨机中滚洗20-60分钟，然后分别放进自来水与去离子水中超声清洗各15分钟以上，最后离心甩干并在摄氏120℃-150℃环境中烘干；

溅射电极膜：在多靶磁控溅射镀膜机中向陶瓷基片表面溅射镀覆多层膜系金属膜，各个磁控溅射溅射靶的溅射功率为2-25W/cm²，靶与基片的间距为5-11cm，溅射镀完膜层后，向溅射腔体内充入大气，取出工件。

2.根据权利要求1所述的热敏陶瓷溅射膜电极的制备方法，其特征在于所述热敏陶瓷是BaTiCO₃为主要成份的热敏半导瓷或压敏陶瓷、热释电陶瓷中的一种，其形状是片状瓷片、环状瓷片和柱状瓷片中的一种。

3.根据权利要求1所述的热敏陶瓷溅射膜电极的制备方法，其特征在于所述多层膜系金属膜由依次布置的底层过渡层溅射薄膜、中间阻挡层溅射薄膜和表面导电层溅射薄膜构成。

4.根据权利要求1和3所述的热敏陶瓷溅射膜电极的制备方法，其特征在于所述的底层过渡层溅射薄膜由钛、铬、铝、铜、镍及其合金中的一种活性较强的金属材料构成，其厚度为50-300nm。

5.根据权利要求1和3所述的热敏陶瓷溅射膜电极的制备方法，其特征在于所述的中间阻挡层溅射薄膜由镍、铬、铜及其合金中的一种材料构成，其厚度为300-5000nm。

6.根据权利要求1和3所述的热敏陶瓷溅射膜电极的制备方法，其特征在于所述表面导电层溅射薄膜由金、银、锡、铜的一种材料构成，其厚度为50-300nm。

7.根据权利要求1和3所述的热敏陶瓷溅射膜电极的制备方法，其特征在于所述多靶磁控溅射机为炉装式镀膜机或连续式镀膜机中的一种，多靶磁控溅射机中的磁控溅射靶是平面靶磁控溅射、柱形靶磁控溅射的一种。