CN103400675A

CN103400675A - 氧化锌压敏电阻器及其制备方法

Info

Publication number: CN103400675A
Application number: CN2013102889203A
Authority: CN
Inventors: 金浩; 王德苗; 王文婷; 冯斌; 何梅
Original assignee: SUZHOU SAVEE VACUUM ELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: Hangzhou bifanke Electronic Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-07-11
Also published as: CN103400675B

Abstract

本发明公开了一种氧化锌压敏电阻器，包括氧化锌压敏陶瓷基片、电极层、电极引线，所述电极层分别设置在氧化锌压敏陶瓷基片的上下表面，电极层上分别设置有电极引线，其特征在于，所述电极层包括用于提高氧化锌压敏陶瓷基片与电极层的结合力、降低接触电阻的底层过渡层。使得电极层与氧化锌压敏陶瓷基片结合牢固，提高了电极层本身的通流能力。进一步的，所述电极引线是使电流均匀地分布在电极层上的曲线电极引线。增强了氧化锌压敏电阻器的耐浪涌冲击能力；整个制备过程绿色环保，可比现有技术降低耗能45%以上，生产成本可比现有技术节省60%以上。

Description

氧化锌压敏电阻器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种氧化锌压敏电阻器及其制备方法。

背景技术

氧化锌压敏电阻器是以氧化锌粉末为基，按照不同配比掺杂金属氧化物高温烧结成陶瓷基片，在陶瓷基片表面覆以电极层，再焊接电极引线而制成，氧化锌压敏电阻器因具有电压非线性好、极限电压低、耐浪涌冲击量大、响应速度快等优点，被广泛应用于各种电子仪器和电力设施中。

氧化锌压敏电阻器包括氧化锌压敏陶瓷基片、布置在氧化锌压敏陶瓷基片表面的电极层以及焊接在电极层表面的电极引线三部分，其中电极层用来与氧化锌压敏陶瓷基片产生欧姆接触，电极引线用来引出电极以便与电路连接。由于氧化锌压敏电阻的电极层与电极引线的接触点在瞬间需要承受几千甚至几万安培的浪涌电流，这对电极层以及电极引线都提出了苛刻的要求。现有技术的氧化锌压敏电阻，电极引线为铜质直线导丝，电极层则为丝网印刷再烧结的银层，工作电流以及浪涌电流通过这根直线导丝流经电极层，为使强大的浪涌电流通过电极层时不烧毁电极层，银电极层厚度不得不达到几十微米甚至上百微米。

为了改善氧化锌压敏电阻器的性能以及降低成本，申请号为03111988.3，发明名称为“氧化锌压敏电阻器的电极生产工艺”的中国发明专利申请公开了一种真空蒸发法制备氧化锌压敏电阻器电极的生产工艺，其采用真空蒸发工艺，在陶瓷基片表面蒸镀电极层。但是真空蒸发法制备的电极层存在较多针孔，致密性差，电极层与陶瓷基片之间结合力差，因而电极层在后续焊接工艺中很容易被高温焊锡熔蚀，而且蒸发材料的适用性有限，很多材料难以实现蒸发。此外，蒸发工艺很难获得大面积均匀一致的电极层，难以实现规模化生产。另一件申请号为201110140236.1，发明名称为“铜电极氧化锌压敏电阻器及其制备方法”的中国专利申请公开了一种铜浆烧渗法制备氧化锌压敏电阻器电极的方法，其采用链带式隧道电炉作为生成设备，在无氧环境下进行铜电极烧渗。该方法用铜电极代替银电极在一定程度上节约了成本。但是该方法制备的铜电极层厚度为5—10um，生产成本仍然很高，而且存在生产过程中污染严重，能源消耗量大，电极层与陶瓷基片的结合力差等缺陷。

显然，现有技术的氧化锌压敏电阻器存在着诸多缺点：

1.由于银与氧化锌陶瓷无论是机械性质还是电学性质都属于不匹配接触，所以会导致两个问题：其一，电极层与氧化锌压敏陶瓷基片的结合力很差，一般都低于15N, 使用中电极层极易脱落，器件的可靠性差，寿命短；其二，欧姆接触电阻大，一般都大于几个欧姆，浪涌电流通过这样大的欧姆接触电阻时，所产生的热量也相应大，容易烧毁电极层。

2.由于电极引线是一条直线导丝，电流主要集中在该直线导丝与电极层的接触处，电流密度分布极不均匀，强大的浪涌电流极易局部烧穿电极层，从而导致电阻器永久性损坏。

3.为防止电极层烧毁，其银电极层厚度不得不达到几十微米甚至上百微米，需要消耗大量昂贵的银材料，生产成本高。

4.电极层的丝印银浆需要隧道窑高温烧结，能耗大并且工艺过程会挥发出氧化铅等毒性物质，污染严重，产品不符合RoHS标准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电极层与陶瓷基片结合牢固、通流能力强、生产成本低廉、制备过程绿色环保的氧化锌压敏电阻器及其制备方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种氧化锌压敏电阻器，包括氧化锌压敏陶瓷基片、电极层、电极引线，所述电极层分别设置在氧化锌压敏陶瓷基片的上下表面，电极层上分别设置有电极引线，其特征在于，所述电极层包括用于提高氧化锌压敏陶瓷基片与电极层的结合力、降低接触电阻的底层过渡层。

由于底层过渡层的匹配作用，使得电极层与氧化锌压敏陶瓷基片结合牢固，电极层的抗拉强度大于40N，大大优于现有技术压敏电阻器的结合力；电极层与氧化锌压敏陶瓷基片的欧姆接触电阻大大降低，大幅度降低了电极层在浪涌电流下的焦耳热，提高了电极层本身的通流能力。

进一步的，所述底层过渡层由镍、铬、钛、铝、铜的一种或几种的合金溅射膜构成。

进一步的，所述电极引线是使电流均匀地分布在电极层上的曲线电极引线。曲线电极引线能有效分散电流密度，使浪涌电流均匀地分布整个电极层，增强了氧化锌压敏电阻器的耐浪涌冲击能力，优选曲线电极引线是形状呈盘香形或三角形或勾形或矩形片状的铜质丝材引线。

进一步的，所述电极层还包括增强电极层可焊性的表面焊接层，所述表面焊接层由金、银、铜的一种溅射膜构成，增强了电极引线在电极层的焊接。

进一步的，所述电极层还包括位于底层过渡层和表面焊接层之间、用于阻挡高温焊接时焊料对电极层的溶蚀并提高通流能力的中间阻挡层，所述中间阻挡层由镍、铬、铜的一种或者几种的合金溅射膜构成。提高了氧化锌压敏电阻器的寿命且减少了制造成本。

当电极层仅包含底层过渡层和表面焊接层时，此为二层膜系电极层；当电极层包含底层过渡层、中间阻挡层和表面焊接层时，此为三层膜系电极层。可以根据实际需要选择不同的类型，节约成本。

进一步的，所述氧化锌压敏陶瓷基片是以氧化锌为基粉，按照不同配比掺杂金属氧化物的压敏半导瓷，其形状是片状瓷片或者环状瓷片或者柱状瓷片。

一种制备以上所述氧化锌压敏电阻器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将高温烧结好的氧化锌压敏陶瓷基片放入球磨机中滚动水洗15-60分钟，然后依次在自来水和去离子水中超声清洗10-20分钟，离心甩干后并120-200℃烘干；

2）将清洗烘干后的氧化锌压敏陶瓷基片装入专用的掩膜夹具中，然后将掩膜夹具装到工件架上，所述专用的掩膜夹具由铝合金或不锈钢或高分子材料制成，专用的掩膜夹具的掩膜形状和大小根据氧化锌压敏陶瓷基片的形状和大小来制作；

3）将工件架送入多靶溅射镀膜设备内，并将设备腔体抽真空，使腔体内真空度达到10^-3Pa数量级时，向真空腔体中充入高纯度氩气，动态维持真空腔内氩气的压力在2×10^-1—8×10^-1Pa范围内；

4）当制备包括底层过渡层、中间阻挡层和表面焊接层的氧化锌压敏电阻器时：在多靶溅射镀膜设备腔体内依次双面溅镀底层过渡层，材料为镍或铬或钛或铝或铜或其合金的一种，厚度为50—500nm，中间阻挡层，材料为镍或铬或铜或其合金的一种，厚度为300—4000nm，表面焊接层，材料为金或银或铜的一种，厚度为200—2000nm。溅射完成后，取出工件；

5）当制备仅包括底层过渡层和表面焊接层的氧化锌压敏电阻器时：在多靶溅射镀膜设备腔体内依次双面溅镀底层过渡层，材料为镍或铬或钛或铝或铜或其合金的一种，厚度为20—500nm，表面焊接层，材料为金或银或铜的一种，厚度为400—5000nm，溅射完成后，在表面焊接层表面进行防氧化工艺处理，取出工件；

6）在氧化锌压敏电阻器的表面焊接层焊接上曲线电极引线，包封好后对氧化锌压敏电阻器的性能进行测量。

整个制备过程绿色环保，电极层不含违禁物质、制备工艺中也不产生违禁物质；能源消耗低，可比现有技术降低耗能45%以上；该工艺一致性重复性好，适合大批量生产；氧化锌压敏电阻器的电极层的总厚度只有2-5微米，并且只要用少量的价格相对较低的材料就能达到优良的性能，因此生产成本可比现有技术节省60%以上。

进一步的，所述多靶溅射镀膜设备可以是单炉式镀膜机，也可以是连续式的双面溅射系统。多靶溅射镀膜设备中的磁控溅射靶可以是平面溅射靶，也可以是柱形溅射靶。

本发明的有益效果是：电极层与氧化锌压敏陶瓷基片结合牢固、通流能力强、生产成本低廉、增加了氧化锌压敏电阻器的使用寿命，且制备过程绿色环保。

附图说明

图1为本发明三层膜系电极层氧化锌压敏电阻器的结构示意图；

图2为本发明呈盘香形的电极引线的氧化锌压敏电阻器的俯视图；

图3为本发明呈勾形的电极引线的氧化锌压敏电阻器的俯视图；

图4为本发明呈矩形片状的电极引线的氧化锌压敏电阻器的俯视图；

图5为本发明用于制备氧化锌压敏电阻器的掩膜夹具示意图。

附图的标记含义如下：

1：氧化锌压敏陶瓷基片；2：电极层；21：底层过渡层； 22：中间阻挡层； 23：表面焊接层； 3：电极引线； 4：掩膜夹具模板一； 41：模板上的沉隔； 42：沉隔上方的通孔；43：通孔上方的倒角；44：螺钉；5：掩膜夹具模板二。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种氧化锌压敏电阻器，包括氧化锌压敏陶瓷基片1、电极层2、电极引线3，其中电极层分别设置在氧化锌压敏陶瓷基片的上下表面，电极层上分别设置有电极引线，氧化锌压敏陶瓷基片是以氧化锌为基粉，按照不同配比掺杂金属氧化物的压敏半导瓷，其形状是片状瓷片或者环状瓷片或者柱状瓷片。电极层包括用于提高氧化锌压敏陶瓷基片与电极层的结合力、降低接触电阻的底层过渡层21。由于底层过渡层的匹配作用，使得电极层与氧化锌压敏陶瓷基片结合牢固，电极层的抗拉强度大于40N，大大优于现有技术压敏电阻器的结合力；电极层与氧化锌压敏陶瓷基片的欧姆接触电阻大大降低，大幅度降低了电极层在浪涌电流下的焦耳热，提高了电极层本身的通流能力。优选底层过渡层由镍、铬、钛、铝、铜的一种或几种较活泼金属材料的合金溅射膜构成，其厚度为10nm—200nm。

进一步的，电极引线不是传统的直线导丝而是使电流均匀地分布在电极层上的曲线电极引线。曲线电极引线能有效分散电流密度，使浪涌电流均匀地分布整个电极层，增强了氧化锌压敏电阻器的耐浪涌冲击能力，优选曲线电极引线是形状呈盘香形或三角形或勾形或矩形片状的铜质丝材引线，图2是呈盘香形的电极引线，图3是呈勾形的电极引线，图4是呈矩形片状的电极引线，它们能够在自动焊接机中一次性的弯曲、打扁、钎焊。

进一步的，为了增强电极引线在电极层的焊接电极层还包括增强电极层可焊性的表面焊接层23，优选表面焊接层由金、银、铜的一种溅射膜构成，其厚度为50nm—500nm。电极层还可以包括位于底层过渡层和表面焊接层之间、用于阻挡高温焊接时焊料对电极层的溶蚀并提高通流能力的中间阻挡层22，优选中间阻挡层由镍、铬、铜的一种或者几种的合金溅射膜构成，其厚度为300nm—4000nm。中间阻挡层的作用有两个，一是节约成本，降低银等贵重金属的消耗，二是阻挡在后续焊接工艺中高温焊料的溶蚀，由于金银与焊锡的固溶性很大，难以承受高温焊料溶蚀，若没有中间阻挡层，则表面焊接层金属薄膜的膜厚需几个微米甚至十几个微米才能承受高温焊锡的溶蚀，这会导致成本大幅度增加。较薄的并且价格低廉的镍铬合金、镍铜合金等材料制备的中间阻挡层就能有效阻挡高温焊锡的溶蚀，而大幅度降低了成本，提高了氧化锌压敏电阻器的寿命且减少了制造成本。

当电极层包含底层过渡层、中间阻挡层和表面焊接层时，此为三层膜系电极层，如图1所示，其中底层过渡层可以使电极层和氧化锌压敏陶瓷基片之间结合牢固并形成良好的欧姆接触，同时能有效地阻止银等金属向氧化锌压敏陶瓷基片内部扩散，中间阻挡层选用与底层过渡层和表面焊接层均能形成良好结合的材料制得；当电极层仅包含底层过渡层和表面焊接层时，此为二层膜系电极层，底层过渡层的材料、厚度、作用及制备工艺与上述三层膜系电极层中的底层过渡层相同，在此不再赘述；表面焊接层用价格比银低得多的材料制得，并在表面焊接层表面进行防氧化工艺处理，这与三层膜系电极层相比更大的节约了成本。可以根据实际需要选择不同的类型，节约成本。

图5是本发明用于制备氧化锌压敏电阻器的掩膜夹具示意图，包括掩膜夹具模板一4，模板上的沉隔41，沉隔上方的通孔42，通孔上方的倒角43，螺钉44，掩膜夹具模板二5。其中掩膜夹具由铝合金、不锈钢或高分子材料制成，掩膜夹具的掩膜形状和大小根据氧化锌压敏陶瓷基片的形状和大小来制作。将氧化锌压敏陶瓷基片依次放入掩膜夹具模板一4的沉隔41上，沉隔41上全部铺满氧化锌压敏陶瓷基片后，将另一块掩膜夹具模板二5完全对称的盖上，并用螺丝44固定，最后将装满氧化锌压敏陶瓷基片的掩膜夹具放入真空系统中。

实施例1

本例是在直径尺寸为Ф10mm，厚度为2mm型号为10471K的氧化锌压敏陶瓷基片表面溅射制备三层膜系电极层的生产工艺，其中底层过渡层为铬，中间阻挡层为镍铜合金，表面焊接层为银。

将高温烧结好的氧化锌压敏陶瓷基片放入球磨机中滚动水洗30分钟，然后依次在自来水和去离子水中分别超声清洗20分钟，甩干后放入烘箱中120℃干燥烘干20分钟；将清洗烘干后的陶瓷基片装入专用的掩膜夹具中，然后将掩膜夹具装到工件架上；将工件架送入多靶溅射镀膜设备内，并将设备腔体抽真空，使腔体内真空度达到5×10^-3Pa；向真空腔体中充入高纯度氩气，动态维持真空腔内氩气的压力在5×10^-1Pa；在多靶溅射镀膜设备腔体内依次双面溅镀底层过渡层，材料为铬膜，厚度为200nm，中间阻挡层，材料为镍铜合金膜，厚度为2400nm，表面焊接层，材料为银膜，厚度为200nm。其中多靶溅射镀膜设备可以是单炉式镀膜机，也可以是连续式的双面溅射系统。多靶溅射镀膜设备中的磁控溅射靶可以是平面溅射靶，也可以是柱形溅射靶。溅射完成后，取出工件。在表面焊接层焊接上勾形的电极引线，包封好后对性能进行测量。

使用上述工艺制备的氧化锌压敏电阻器，氧化锌压敏陶瓷基片和电极层的欧姆接触电阻值＜0.4Ω，焊接拉力为≥45 N，压敏电压为440v—480V，非线性系数≥53，漏电流≤6uA，通流容量达到IEC 61643-1-2005 标准规定的同等规格氧化锌压敏电阻器的水平，生产成本可节省60%以上。

实施例2

本例是在直径尺寸为Ф14mm，厚度为2mm型号为14561K的氧化锌压敏陶瓷基片表面溅射制备两层膜系电极层的生产工艺，底层过渡层为铬，表面焊接层为铜。

本实施例中，除了没有中间阻挡层，表面焊接层改用铜外，其他工艺步骤与实施例1一样，在此不再赘述。两层膜系电极层中底层过渡层，材料为铬膜，厚度为200nm，表面焊接层，材料为铜，厚度为2800nm。溅射完成后，在表面焊接层表面进行防氧化工艺处理，在表面焊接层焊接上盘香状的电极引线，包封好后对性能进行测量。

使用上述工艺制备的氧化锌压敏电阻器，氧化锌压敏陶瓷基片和电极层的欧姆接触电阻值＜0.5Ω，焊接拉力为≥50 N，压敏电压为520v—560V，非线性系数≥48，漏电流≤4uA，通流容量达到IEC 61643-1-2005 标准规定的同等规格氧化锌压敏电阻器的水平，生产成本可节省70%以上。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种氧化锌压敏电阻器，包括氧化锌压敏陶瓷基片、电极层、电极引线，所述电极层分别设置在氧化锌压敏陶瓷基片的上下表面，电极层上分别设置有电极引线，其特征在于，所述电极层包括用于提高氧化锌压敏陶瓷基片与电极层的结合力、降低接触电阻的底层过渡层。

2.根据权利要求1所述的一种氧化锌压敏电阻器，其特征在于，所述底层过渡层由镍、铬、钛、铝、铜的一种或几种的合金溅射膜构成。

3.根据权利要求1所述的一种氧化锌压敏电阻器，其特征在于，所述电极引线是使电流均匀地分布在电极层上的曲线电极引线。

4.根据权利要求3所述的一种氧化锌压敏电阻器，其特征在于，所述曲线电极引线是形状呈盘香形或三角形或勾形或矩形片状的铜质丝材引线。

5.根据权利要求2所述的一种氧化锌压敏电阻器，其特征在于，所述电极层还包括增强电极层可焊性的表面焊接层，所述表面焊接层由金、银、铜的一种溅射膜构成。

6.根据权利要求5所述的一种氧化锌压敏电阻器，其特征在于，所述电极层还包括位于底层过渡层和表面焊接层之间、用于阻挡高温焊接时焊料对电极层的溶蚀并提高通流能力的中间阻挡层，所述中间阻挡层由镍、铬、铜的一种或者几种的合金溅射膜构成。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种氧化锌压敏电阻器，其特征在于，所述氧化锌压敏陶瓷基片是以氧化锌为基粉，按照不同配比掺杂金属氧化物的压敏半导瓷，其形状是片状瓷片或者环状瓷片或者柱状瓷片。

8.一种制备以上所述氧化锌压敏电阻器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

3）将工件架送入多靶溅射镀膜设备内，并将设备腔体抽真空，使腔体内真空度达到10^-3Pa数量级时，向真空腔体中充入高纯度氩气，动态维持真空腔内氩气的压力在2×10^-1Pa—8×10^-1Pa范围内；

4）当制备包括底层过渡层、中间阻挡层和表面焊接层的氧化锌压敏电阻器时：在多靶溅射镀膜设备腔体内依次双面溅镀底层过渡层，材料为镍或铬或钛或铝或铜或其合金的一种，厚度为50—500nm，中间阻挡层，材料为镍或铬或铜或其合金的一种，厚度为300-4000nm，表面焊接层，材料为金或银或铜的一种，厚度为200—2000nm，溅射完成后，取出工件；

9.根据权利要求8所述的一种制备氧化锌压敏电阻器的方法，其特征在于，所述多靶溅射镀膜设备可以是单炉式镀膜机，也可以是连续式的双面溅射系统。

10.根据权利要求8所述的一种制备氧化锌压敏电阻器的方法，其特征在于，多靶溅射镀膜设备中的磁控溅射靶可以是平面溅射靶，也可以是柱形溅射靶。