CN105845299A - 氧化锌压敏电阻器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种氧化锌压敏电阻器的制备方法，包括如下步骤：a）提供氧化锌陶瓷基片；b)在所述氧化锌陶瓷基片的表面设置电极层；以及c)在所述电极层上设置电极引线，其中，所述步骤b)包括：b‑1)在所述氧化锌陶瓷基片的表面设置过渡层；和b‑2)在所述过渡层之上设置焊接层，所述过渡层由镍、铬、钛、铝、铜或其合金形成，所述焊接层由金、银、铜或其合金形成。

Description

氧化锌压敏电阻器的制备方法

技术领域

本发明涉及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胚体，在胚体表面覆以电极层，再焊接电极引线而制成，它包括氧化锌基陶瓷胚体、布置在陶瓷表面的电极层以及焊接在电极层表面的电极引线三部分，电极层用来与陶瓷产生欧姆接触，引线用来引出电极以便与电路连接。

作为压敏电阻，其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，这对电极层以及引线都提出了苛刻的要求。相关技术的氧化锌压敏电阻，与电极层焊接的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。显然，相关技术的压敏电阻存在着诸多缺点：

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，电极层与氧化锌陶瓷的结合力很差，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，电流主要集中在该导丝与电极膜层的线接触处，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要达到几十微米甚至上百微米，需要消耗大量昂贵的银子，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存在污染；银浆中也存在铅等违禁物质，产品不符合RoSH标准。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种具有寿命长、能耗低、环保的氧化锌电阻器的制备方法。

根据本发明实施例的氧化锌压敏电阻器的制备方法，包括如下步骤：

a）提供氧化锌陶瓷基片；

b) 在所述氧化锌陶瓷基片的表面设置电极层；以及

c)在所述电极层上设置电极引线，

其中，所述步骤b)包括：

b-1) 在所述氧化锌陶瓷基片的表面设置过渡层；和

b-2) 在所述过渡层之上设置焊接层，

所述过渡层由镍、铬、钛、铝、铜或其合金形成，所述焊接层由金、银、铜或其合金形成。

根据本发明实施例的氧化锌压敏电阻器的制备方法，通过设置过渡层，可以使电极层和陶瓷基片间两者之间结合牢固，使得电极层的抗拉强度可以提高到40N，远远高于相关技术的压敏电阻器的结合力；且使得电极层与陶瓷基片之间形成良好的欧姆接触，其欧姆接触电阻可以降低至零点几欧姆，从而大幅地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流通能力；同时，该过渡层还能有效地阻止焊接层中的银等金属向陶瓷基片内部扩散。

另外，根据本发明上述实施例的制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述步骤b)还包括：

b-11)在形成所述过渡层后且设置所述焊接层之前，在所述过渡层表面设置阻挡层。

在本发明的一些实施例中，所述过渡层由所述过渡层由由镍、铬、钛、铝、铜的合金形成，所述焊接层由金、银、铜或其合金形成，所述阻挡层由镍铜合金形成。

在本发明的一些实施例中，分别在所述氧化锌陶瓷基片的两侧设置所述电极层。

在本发明的一些实施例中，所述电极层通过溅射法镀覆在所述氧化锌陶瓷基片表面。

在本发明的一些实施例中，所述过渡层厚度为10nm—200nm，所述阻挡层厚度为300nm—4000nm，所述焊接层厚度为50nm—500nm。

在本发明的一些实施例中，在所述步骤c)中，通过焊接的方法将所述电极引线设置在所述电极层上。

在本发明的一些实施例中，所述电极引线为曲线状电极引线或片状电极引线。

在本发明的一些实施例中，所述电极引线为盘香形、Y形、三角形、或勾形铜质丝状电极引线。

附图说明

图1为本发明实施例的制备方法制备的氧化锌压敏电阻器的横截面示意图， 其中：1—氧化锌压敏陶瓷基片，2—电极层，21—过渡层，22—阻挡层，23—焊接层，3—电极引线；

图2是本发明实施例的制备方法制备的氧化锌压敏电阻器的局部俯视图，其中，（a）电极引线3为盘香形，（b）电极引线3为勾形，（c）电极引线3为片状电极；

图3是本发明实施例的氧化锌压敏电阻器的制备方法流程图；

图4为掩膜夹具示意图，其中，1—氧化锌陶瓷基片，7—上模板，71—沉隔，72—通孔，73—倒角，74—螺钉，8—下模板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方法对本发明作进一步说明，但发明内容不限于附图。

首先，参考附图1描述氧化锌压敏电阻器。

如图1所示，该氧化锌压敏电阻器包含：氧化锌基陶瓷基片1、设置在所述陶瓷基片1表面的电极层2、以及设置在所述电极层2上的电极引线3。此处，需要说明的是，图1中示出了在氧化锌陶瓷基片1两侧均形成有电极层2以及电极引线3的情形，但本发明不限于此，也可以仅在氧化锌陶瓷基片1的一侧形成有电极层2及电极引线3，还可以是在一侧形成有电极层2及电极引线3，而在另一侧形成其他电极材料层以及引线结构等。

其中，电极层2可以是由过渡层21、位于过渡层21外侧的阻挡层22、以及位于最外侧的焊接层23所构成的三层结构溅射薄膜，也可以是由过渡层21和焊接层23构成的二层结构溅射薄膜。

具体而言，过渡层21可以选用镍、铬、钛、铝、铜或其合金的一种较活泼金属材料制得，其厚度为10nm—200nm。该过渡层21可以使电极层2和陶瓷基片1间两者之间结合牢固，使得电极层2的抗拉强度可以提高到40N，远远高于相关技术的压敏电阻器的结合力；且使得电极层2与陶瓷基片1之间形成良好的欧姆接触，其欧姆接触电阻可以降低至零点几欧姆，从而大幅地降低了电极层2在浪涌电流下的焦耳热，提高了电极层2本身的流通能力；同时，该过渡层21还能有效地阻止焊接层23中的银等金属向陶瓷基片1内部扩散。

表面的焊接层23由金、银、铜或其合金材料制得。在本发明所制备的多层膜系电极膜中，其厚度为50nm—500nm即可满足性能要求。

在三层结构中，位于中间层的阻挡层22，选用与底层过渡层21和表面焊接层23均能形成良好结合的材料制得，例如，可以由选自所述过渡层21中的元素以及选自所述焊接层23中的元素所构成的合金形成，还可以从结合力角度考虑，选自在周期表中元素属性介于过渡层21的元素与焊接层23的元素之间的元素所形成。阻挡层22的厚度为300nm—5000nm。中间的阻挡层22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22金属薄膜，则表面焊接层23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22就能有效阻挡高温焊锡的溶蚀，而大幅度降低了成本。另外，本发明中，氧化锌压敏电阻器的电极层2的总厚度只有2-4微米左右，并且只要用少量的银子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。

作为电极引线3，可以是如图2（a）所示出的盘香形、图2（b）勾形铜质丝状电极引线、以及图2（c）所示的片状电极引线，此外，还可以是如Y形，三角形等铜质丝状电极引线（未图示）。盘香形等形状的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，从而可以进一步提高本发明的氧化锌压敏电阻器的耐浪涌冲击能力。

下面，参考图1~图4来说明氧化锌压敏电阻器的制备方法。

如图3所示，根据本发明实施例的制备方法，包括如下步骤：

a）提供氧化锌陶瓷基片。

该氧化锌陶瓷基片1可以是市售的一般用于制备氧化锌压敏电阻器的氧化锌陶瓷基片，也可以是按照现有技术的方法自行制备的氧化锌陶瓷基片。

b）在所述氧化锌陶瓷基片的表面设置电极层。

在设置电极层2时，可以包括：b-1) 在所述氧化锌陶瓷基片1的表面设置过渡层21；和b-2) 在所述过渡层21之上设置焊接层23。

此外，还可以包括b-11)在形成所述过渡层21后且设置所述焊接层23之前，在所述过渡层21表面设置阻挡层22。

也就是说，可以如图1所示，分别在氧化锌陶瓷基片1的两侧依次溅射镀膜过渡层21、阻挡层22、以及焊接层23；也可以仅溅射镀膜过渡层21、以及焊接层23。

关于过渡层21、阻挡层22、以及焊接层23的具体材料以及成膜厚度参考上述对于电阻器的说明，在此不再赘述。

在氧化锌陶瓷基片1的表面设置电极层2的方法可以有多种，例如印刷-烧结法等。优选地，在本发明的实施例中，采用溅射法镀膜成型。

在进行溅射法镀膜成型时，可以使用如图4所示的掩膜夹具。

如图4所示，该掩模夹具包括上模板7和与所述上模板7相连接的下模板8，其中，在所述上模板7下表面上形成有：

用于设置氧化锌陶瓷基片1的圆柱形沉隔71；以及

位于所述圆柱形沉隔71上方的圆柱形通孔72，其中，所述圆柱形通孔72的截面积小于所述圆柱形沉隔71。所述圆柱形通孔72的上端还可以形成有倒角73。优选地，下模板8上也形成有分别与所述上模板7中的所述圆柱形沉隔71以及所述圆柱形通孔72相对应的圆柱形沉隔以及圆柱形通孔。上模板7与所述下模板8可以通过螺钉74相连接。

所述上模板7和所述下模板8中可以分别形成有多个由所述圆柱形沉隔71与所述圆柱形通孔72构成的组，从而可以同时在多个氧化锌陶瓷基片1上设置电极层2。

下面，以设置过渡层为例，对具体如何使用该掩膜夹具进行溅射说明。

首先，将氧化锌陶瓷基片1设置在掩模夹具的下模板8上的沉隔71中，然后将上模板7与之对应地合上（使该氧化锌陶瓷基片1置入上模板7所对应的沉隔71中），此后用螺钉74将上模板7和下模板8进行紧固，以夹紧该氧化锌陶瓷基片1。此后，将该掩膜夹具设置在溅射腔内，以过渡层21材料为靶心进行溅射，则溅射出的过渡层21材料通过该圆柱形通孔72沉积在氧化锌陶瓷基片1上，从而在氧化锌陶瓷基片1上形成过渡层21。

关于阻挡层22以及焊接层23，可以通过类似的方法完成，只要更换靶心材料，并根据所使用的材料而适当调整溅射法镀膜中的具体工艺条件即可。

在溅射镀膜完成后，向腔体内充入大气，当腔体内与外界大气压力一致时打开阀门，取出工件，则得到表面设置有电极层2的氧化锌陶瓷基片1。

c)在所述电极层上设置电极引线。

在设置完电极层之后，最后，在所述电极层2之上还需要设置电极引线。

电极引线3为曲线状铜质丝状电极引线（例如，盘香形、Y形、三角形、或勾形）或片状电极引线。

电极引线3可以通过焊接的方式设置在电极层2的表面。

通过上述制备过程，则得到了氧化锌压敏电阻器。

整个制备过程绿色环保，电极层不含违禁物质；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。

下面，通过具体实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

在本实施例中，在直径尺寸为Ф10mm，厚度为2mm型号为10471K的氧化锌压敏电阻瓷片表面溅射制备三层结构电极层。其中，底层的过渡层采用铬，中间的阻挡层采用镍铜合金，表面的焊接层采用银。

为了去除氧化锌陶瓷基片表面杂质，将氧化锌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。

将清洗烘干后的氧化锌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设备内，并将设备腔体抽真空，使腔体内真空度达到5×10^{- 3}Pa；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；在多靶溅射设备腔体内依次溅镀底层过渡层，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1400nm，表面焊接层，材料为银膜，厚度为200nm。

溅射完成后，取出工件。

使用上述工艺制备得到的氧化锌压敏电阻器，基片和电极的欧姆接触电阻值＜1Ω，焊接拉力为≥2 kg，压敏电压为440v—480v，非线性系数≥53，漏电流≤6uA，通流容量达到同等规格烧银电极氧化锌压敏电阻器的水平，生产成本可节省60%以上。

Claims (9)

1.一种氧化锌压敏电阻器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a）提供氧化锌陶瓷基片；

b) 在所述氧化锌陶瓷基片的表面设置电极层；以及

c)在所述电极层上设置电极引线，

其中，所述步骤b)包括：

b-1) 在所述氧化锌陶瓷基片的表面设置过渡层；和

b-2) 在所述过渡层之上设置焊接层，

所述过渡层由镍、铬、钛、铝、铜或其合金形成，所述焊接层由金、银、铜或其合金形成。

2.如权利要求1所述的氧化锌压敏电阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤b)还包括：

b-11)在形成所述过渡层后且设置所述焊接层之前，在所述过渡层表面设置阻挡层。

3.如权利要求2所述的氧化锌压敏电阻器的制备方法，其特征在于，所述过渡层由所述过渡层由由镍、铬、钛、铝、铜的合金形成，所述焊接层由金、银、铜或其合金形成，所述阻挡层由镍铜合金形成。

4.如权利要求3所述的氧化锌压敏电阻器的制备方法，其特征在于，分别在所述氧化锌陶瓷基片的两侧设置所述电极层。

5.如权利要求3所述的氧化锌压敏电阻器的制备方法，其特征在于，所述电极层通过溅射法镀覆在所述氧化锌陶瓷基片表面。

6.如权利要求2所述的氧化锌压敏电阻器的制备方法，所述过渡层厚度为10nm—200nm，所述阻挡层厚度为300nm—4000nm，所述焊接层厚度为50nm—500nm。

7.如权利要求1所述的氧化锌压敏电阻器的制备方法，其特征在于，在所述步骤c)中，通过焊接的方法将所述电极引线设置在所述电极层上。

8.如权利要求1所述的氧化锌压敏电阻器的制备方法，其特征在于，所述电极引线为曲线状电极引线或片状电极引线。

9.如权利要求8所述的氧化锌压敏电阻器的制备方法，其特征在于，所述电极引线为盘香形、Y形、三角形、或勾形铜质丝状电极引线。