CN105006317A - 一种玻璃封装ptc热敏电阻及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃封装PTC热敏电阻及其制作方法，该PTC热敏电阻包括密封的玻璃管以及设于该玻璃管内的PTC芯片，所述PTC芯片上下表面均有设有导电胶层，导电胶层与PTC芯片上下表面分布的电极相连，每个导电胶层还与一条引线相连，所述引线穿过玻璃管与外界相通。本发明所提供的PTC热敏电阻及其制作方法，用导电胶将引线粘结在PTC芯片的上下表面，避免了焊接高温对PTC芯片产生的不良影响；通过密封的玻璃管使PTC芯片与外界保持良好的隔绝，保证产品的耐用性；同时通过对材料的选择以及封装过程气氛的优化，使产品的最终结构具有良好的稳定性，且能满足目标要求。

Description

一种玻璃封装PTC热敏电阻及其制作方法

技术领域

本发明属于热敏电阻技术领域，具体涉及一种玻璃封装PTC热敏电阻及其制作方法。

背景技术

航天用热敏电阻用作于火箭主体和人造卫星暴露于宇宙环境的监控器和温度传感器。同时还在航天机器的电路中作温度补偿用，一个火箭及人造卫星用多达几百个。现在宇航用热敏电阻有进口品有过渡金属氧化物系NTC热敏电阻，使用硅单晶的硅PTC热敏电阻及白金测温电阻体。温度补偿用PTC热敏电阻已开发并商品化，采用的是民用中所广泛采用的双散热片型的轴向引出型玻璃包封热敏电阻为基础的产品。但航天用热敏电阻对产品本身具有极高的要求，传统的热敏电阻无法达到要求。

本专利选定的是在实际使用温度(-30～95℃)的范围内高灵敏，检测精度高，且作为民用品已实际大量使用的钛酸钡系陶瓷半导体(PTC热敏电阻)，研究各整机厂家的要求条件，MIC规格，NASA有关规格及外国制宇宙元件规格等的同时分析调查外国制宇航元件等同产品，所设定的专利产品的主要目标是阻值在220～22KΩ，测量精度在±5％，使用的温度范围为-55～125℃，并要求保证10年的可靠性，其中最大的问题是要在宇宙这个特殊空间中保证10年的可靠性，这是现有的产品远远达不到的。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种玻璃封装PTC热敏电阻及其制作方法，制得的PTC热敏电阻皆能达到目标要求。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种玻璃封装PTC热敏电阻，包括密封的玻璃管以及设于该玻璃管内的PTC芯片，所述PTC芯片上下表面均有设有导电胶层，导电胶层与PTC芯片上下表面分布的电极相连，每个导电胶层还与一条引线相连，所述引线穿过玻璃管与外界相通。

优选地，所述PTC芯片的材料为(Ba₁-_XSr_X)TiO₃，其中X的值大于或等于0.5。

优选地，所述玻璃管、PTC芯片和引线的材料为热膨胀系数相互接近的材料。

一种玻璃封装PTC热敏电阻的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、用导电胶将引线粘结在PTC芯片的上下表面并对导电胶进行固化；

步骤二、将粘结了引线的PTC芯片封入玻璃管；

步骤三、完成玻璃管的封装，并下降至室温。

在步骤三中，玻璃管封装过程是在氩气中混入0.1％的氧的气氛中完成，通过玻璃封装喷灯完成玻璃管的封装。

本发明的有益效果是：本发明所提供的玻璃封装PTC热敏电阻及其制作方法，用导电胶将引线粘结在PTC芯片的上下表面，避免了焊接高温对PTC芯片产生的不良影响；通过密封的玻璃管使PTC芯片与外界保持良好的隔绝，保证产品的耐用性；同时通过对材料的选择以及封装过程气氛的优化，使产品的最终结构具有良好的稳定性，且能满足目标要求。

附图说明

图1是本发明玻璃封装PTC热敏电阻的结构示意图；

图2是本发明玻璃封装PTC热敏电阻的截面图。

附图标记说明：1、玻璃管；2、PTC芯片；3、导电胶层；4、玻璃管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1和图2所示，本发明提供一种玻璃封装PTC热敏电阻，为了使得该PTC热敏电阻阻值在220～22KΩ，测量精度在±5％，使用的温度范围为-55～125℃，并要求保证10年的可靠性，最基本的要解决热敏电阻芯片的可靠性，然后考虑怎样使热敏电阻芯片在宇宙这一特殊空间中得到保护。

居里点120℃，以BaTiO₃为主成分，利用晶界现象的PTC热敏电阻，根据其阻值变化大的特点，广泛地使用到开关元件、加热元件中，但是作温度补偿用的很少。与之相对应的材料之居里点也顶多到达-30℃。不能满足所要求的宽温度范围(-55～125℃)下的阻值变化直线性或阻值范围。尤其对于直线性范围，要研究像过去硅热敏电阻那种提高急剧性将是非常困难的，但是对于其材料特性的要求可知必须具备2点：

1、直线性：居里点在-50℃以下，阻值到峰值时的温度应在200℃以下；

2、阻值范围：因芯片的大小是有所限制的，故25℃下的电阻率应是至少囊括200Ω·cm～2kΩ·cm范围的齐全的品种。

BaTiO₃的居里点总温度为120℃，为使其变化，必须在钙钛矿型晶体结构A部位的Ba或B部位的Ti的一部分添加固溶被称作移动剂的元素。另外，为了使PTC半导体化要根据原子价控制理论，必须同样地添加所谓半导体化元素(Nb、Y、La、Ce等)，作为向低温侧的移动剂，熟为人知的有向Ba位置移的Ca或Sr，向Ti位置移的Sn或Zr。原有的居里点温度为-30℃者，“移动剂”添加Sr半导体化元素使用的是Nb，包括这些组成系在进行种种研究的结果表明，从居里点的观点看作为移动剂Sr的置换固溶是最有效果的，从电阻率及陶瓷微细构造的均匀性的观点看，作为半导体话元素Y是最有效的；加SiO₂则更有促进烧结的效果，同时其反面，有依靠液面形成而抑制晶粒成型的效果。同时由挤迫正反两方面的效果而能给电阻率以极大的影响，于是得出这基本组成：(Ba₁-_XSr_X)TiO₃+aY₂O₃+bSiO₂。

根据基本组成的研究结果，使Sr固溶0.5克分子浓度以上则可使居里点温度下降到-50℃以下。对于直线性及阻值范围的扩大的目标靠Sr固溶量或微量添加物的方法是有限的，通过各种研究，这个目标可通过改变陶瓷的烧成条件特别是改变降温条件来达到。

关于阻值的发现现象PTC利用的是晶界现象。PTC芯片制造的要点是如何得到均质，致密的陶瓷，还有如通过预烧得到粉体的均质化，用橡皮压床达到成形体的均质化。PTC热敏电阻由于就组成系统的开发均质，致密性也提高，但如何发挥其均质、致密的特长，还要解决欧姆接触的问题，经研究采用的是无电解化学镀镍再烧银的双层结构。

综上所述，宇宙用热敏电阻材料在作为PTC用时着眼于晶体结构的均匀化，稳定化，使用(Ba₁-_XSr_X)TiO3系的新材料，是将BaTiO3的Ba位置50％以上由Sr固溶置换，即PTC芯片的材料为Ba₁-_XSr_XTiO₃，其中X的值大于或等于0.5。

宇航环境下为确保长期可靠性要达到将芯片和外接环境隔绝，和保证电气连接部结构的稳定。本实施例中的玻璃封装PTC热敏电阻包括玻璃管1、PTC芯片2、导电胶层3和引线4，玻璃管1为密封的管状体，PTC芯片2整个都位于玻璃管1内部，PTC芯片2的上下表面分布有电极，两个导电胶层3分别粘结在PTC芯片2的上下表面并与电极相连，每个导电胶层3还与一条引线4相连，引线穿过玻璃管4与外界相通，通过密封的玻璃管使PTC芯片与外界保持良好的隔绝，保证产品的耐用性。

在本实施例中，选用玻璃管作为封装材料而不选用环氧树脂灌封，是因为无外封装者和环氧树脂灌封品在150℃高温试验，PCT试验的阻值变化大，而玻璃封装品显示了非常稳定的数值，分析认为树脂不能密封，于是透过的水分使阻值增大。

玻璃封装完了后下降至室温，但从在玻璃开始固化的温度即玻璃的畸变点温度到达室温之间，如果各种材料和玻璃的热膨胀系数有差则会引起热应力的产生，所以各结构材料在其他性能允许的范围内应尽量选热膨胀系数相互接近的材料，即玻璃管1、PTC芯片2和引线4的材料为热膨胀系数相互接近的材料。

本发明还提供一种玻璃封装PTC热敏电阻的制作方法，用于制作上述玻璃封装PTC热敏电阻，包括以下步骤：

步骤一、用导电胶将引线4粘结在PTC芯片2的上下表面并对导电胶进行固化；

步骤二、将粘结了引线4的PTC芯片2封入玻璃管1；

步骤三、通过玻璃封装喷灯完成玻璃管1的封装，并下降至室温。

由于对PTC热敏电阻采用焊接工艺进行加工时，焊接时所产生的热的影响会使PTC芯片变坏，故本实施例中采用了导电胶粘接的方法以及导电胶层的结构。

在步骤三中，玻璃封装温度再低也要几百度，为防止加温过程中气氛对PTC芯片影响和引线的氧化，和对玻璃密封性的不良影响，热敏电阻各个材料系封装时要改变其氧的浓度，按照各个封装条件封入玻璃。试验调查了引线的氧化状况，全密封性，封装前后的阻值变化及高温放量的阻值变化，NTC热敏电阻Mn-Ni-Co-Cu系热敏电阻工序变化约为-10％。高温放置实验中的高温耐久性随着氧浓度减少而显示阻值稳定性增加的趋势，但氧浓度小到0.001％后密封性将不良，反而使耐久性变坏。所以玻璃封装氧浓度以0.1％为最合适，具体的这种氧浓度下虽然有引线表面氧化现象，而这种表面氧化却有助于玻璃的封装，同时在外部露出的部分的氧化层可以除去的，并能再镀保护层。

具体的，步骤三中，玻璃管封装过程是在氩气中混入0.1％的氧的气氛中完成，但如果这比例变为0.01％则阻值变化变大。这是因为引线上所生成的为确保与玻璃的密封的氧化膜不充分，而造成玻璃封装时密封性能不好。同时，也会由于某种原因玻璃产生裂口时造成密封不良，也有玻璃封装时漏入空气而造成阻值变化变大的现象。

对本实施例的玻璃封装PTC热敏电阻作进一步的分析：

PTC热敏电阻是玻璃密封中空结构，其热应力可以忽略，但其反面则是引线的接连部加有外力。芯片重量在芯片最小型号(8.2kΩ)时为0.0049g，芯片最大型号(220Ω)时为0.0641g，冲击实验中加1500g外力后引线连接部每处荷重分别为约3.79g和48g，而引线的粘结强度分别为约280g和约1400g。可知其水平可确保无问题。

本发明还为了保证PTC热敏电阻10年寿命而进行了各种可靠性评价试验，长期寿命试验主要做高温搁置，另外还要做常温负荷，热冲击试验。机械试验做随机振动，高频震动，冲击试验。航天环境试验做耐放射，热真空试验等。

试验结果示出PTC热敏电阻的在各种试验中高温搁置(4000小时)下的阻值变化为5％，其次是热冲击(1000周期)下的阻值变化为4％，负荷寿命(4000小时)下的阻值变化为1.8％左右；机械的应力试验下的阻值变化为1％以内，宇宙环境的耐放射试验下的阻值变化为1％以内，热真空下的阻值变化为1.5％左右。这些试验结果表明所制产品已达到开发目标值，保证了稳定的质量水平。

热敏电阻的长期寿命由代表基本性能的阻值稳定来评价，往来的经验都是着眼于阻值变化在高温变大，而在高温下改变温度水准进行试验。对于PTC热敏电阻也用同样方法进行研究，结果表明所制产品具有10年的可靠性，与传统产品的3～5年寿命相比有了明显进步。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种玻璃封装PTC热敏电阻，其特征在于：包括密封的玻璃管(1)以及设于该玻璃管(1)内的PTC芯片(2)，所述PTC芯片(2)上下表面均有设有导电胶层(3)，导电胶层(3)与PTC芯片(2)上下表面分布的电极相连，每个导电胶层(3)还与一条引线(4)相连，所述引线穿过玻璃管(4)与外界相通。

2.根据权利要求1所述的玻璃封装PTC热敏电阻，其特征在于：所述PTC芯片的材料为(Ba₁-_XSr_X)TiO₃，其中X的值大于或等于0.5。

3.根据权利要求1或2所述的玻璃封装PTC热敏电阻，其特征在于：所述玻璃管(1)、PTC芯片(2)和引线(4)的材料为热膨胀系数相互接近的材料。

4.一种玻璃封装PTC热敏电阻的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、用导电胶将引线(4)粘结在PTC芯片(2)的上下表面并对导电胶进行固化；

步骤二、将粘结了引线(4)的PTC芯片(2)封入玻璃管(1)；

步骤三、完成玻璃管(1)的封装，并下降至室温。

5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于：在步骤三中，玻璃管封装过程是在氩气中混入0.1％的氧的气氛中完成。

6.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于：在步骤三中，通过玻璃封装喷灯完成玻璃管(1)的封装。