CN106782953B - 一种压敏电阻器及制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压敏电阻器及其制造工艺，所述压敏电阻器由陶瓷基体、引出端、电极层、绝缘层构成，陶瓷基体上预制有凹形区域，即为电极定位区域，电极上设有引出端，绝缘层全部或部分包裹陶瓷基体、电极层、引出端，采用溅射或喷涂电极，掩膜板的电极孔定位覆盖于凹形空缺，小电极孔与大凹形空缺构成瓶状结构，电极飘散沉积至凹形空缺内形成电极，可实现电极精确布满凹形空缺，避免批量溅射时因陶瓷基体直径差异导致的电极偏心，同时凹形空缺边缘陶瓷基体厚度大于内部，有利与减小边缘跨弧风险，减弱边缘效应，可大幅提升通流性能，所述的压敏电阻器制备过程包括陶瓷基体制作、电极化、连接引出端、涂装绝缘层及打印、测试。

Description

一种压敏电阻器及制造工艺

技术领域

本发明涉及压敏电阻制造领域，尤其指一种成型过程中同步预制凹形电极区的压敏电阻器及制造工艺。

背景技术

压敏电阻器由于其良好的电压限制特性，从弱电系统到强电系统，从静电防护、SPD阀片到避雷器、从线路防浪涌到电机灭磁能量吸收得到广泛的应用。其抑制电压导通时，接近短路，故其双电极重合大小类似导线线径，直接决定产品的通流能力。

考虑到电极厚度影响电流扩散和载流能力，电子陶瓷中常用的表面金属化方法，电镀和蒸发因镀层薄，不适合大电流的冲击。故压敏电阻器通常采用印刷浆料、溅射、热喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂电极成型工艺，这些表面金属化方法，均需要有掩膜遮蔽陶瓷基体以确定电极位置和面积大小。比如印刷浆料法，需要预制定位板和丝网，在金属板上开定位孔、陶瓷基体依靠定位板确定电极大概位置，再通过丝网偏移来重合定位，由丝网印刷面积确认大小。比如溅射和喷涂，通过预制掩模板和中心电极孔来确定电极位置和电极大小。但因粉末制造过程中的添加剂的均匀性、颗粒级配、环境温度、湿度、堆积角、成型压力、排胶温度、烧成温度的波动，成瓷后的产品有1-2％的尺寸波动性，譬如20D产品，同一批次直径偏差即达到±0.15mm。故在批量化生产时，上述方法即便采用造价不菲的精确定位工装治具，依靠定位孔与陶瓷基体边缘接触方式定位，根本上无法克服电极偏心的问题。对于避雷器阀片，采用人工逐个安装橡胶套遮蔽的方法，费时费力，也存在橡胶套老化变形封闭不严实时导致的偏心或电极边缘溢出问题。

为解决掩膜板对压敏陶瓷基体的遮蔽问题，专利ZL201420466952.8，提出采用弹簧将压敏基体顶紧在掩膜板的设计，可实现厚度存在差异的陶瓷基体全部贴紧掩膜板，避免厚度差异导致的空隙，但对电极对中的问题未能解决。陶瓷基体排入掩膜板定位孔后，依靠定位孔边沿定位，当陶瓷基体尺寸适当时，陶瓷基体中心与电极孔中心重合，则溅射后电极位于陶瓷基体中心，当陶瓷基体尺寸有差异时，陶瓷基体中心在定位孔中出现对应的偏移，最终导致电极偏心。

电极偏心不仅导致压敏电阻器通流能力下降，容易出现侧闪，严重时甚至电极偏移至陶瓷基体侧面，直接导通。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压敏电阻器制造方法,以解决上述问题，通过在成型过程中同步预制电极区,利用溅射或喷涂金属微粒飞散沉积的原理，可保证电极精确定位于设计位置，并实现产品技术性能的提升，并可缩小产品体积，实现小型化，降低产品跨弧放电风险，提升产品设计的自由度，降低了对配套掩膜工装精度要求，易于批量化生产。

为了实现上述发明的目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种压敏电阻器，包括有引出端、绝缘层、电极层和陶瓷基体，所述的陶瓷基体为圆形、方形、椭圆形、多边形的一种，所述陶瓷基体的上下底面各有一预制凹形电极区，预制凹形电极区的底面平行于其所在的陶瓷基体底面，预制凹形电极区的底面为圆形、椭圆形、矩形、圆角矩形、带圆角的多边形的一种，预制凹形电极区的深度为0.04mm——50mm，预制凹形电极区底面的总面积占电极总面积的50％——99％，电极层位于预制凹形电极区中的陶瓷基体表面，电极层上设有引出端，绝缘层全部或部分包裹陶瓷基体、电极层、引出端。

所述压敏电阻器的制备过程包括，压敏电阻器陶瓷基体制备、陶瓷基体电极化，连接引出端、绝缘层涂覆、标识打印、测试，其制造的具体工艺过程如下：

1)压敏电阻器陶瓷粉料制备，氧化锌材料作为主体粉料，在搅拌罐内球磨至所需粒度后，将水、分散剂加入搅拌罐，搅拌后形成均匀的浆料，将添加剂如氧化铋、氧化锰、氧化镍、氧化铬、氧化钴、氧化铝等的一种或几种，按配方球磨分散后加入搅拌罐，与氧化锌浆料混合搅拌，混合均匀后，将预先制备的PVA溶液及消泡剂加入搅拌罐，混合均匀，并过滤粗颗粒及意外混入的杂质，喷雾造粒，控制出料水分，粒度比例，形成陶瓷粉料。

2)压敏电阻器生片冲压成型，陶瓷粉料注入合金模具中，通过传动，使上下模具相对移动，经排气、保压，将松散的陶瓷粉末压制为具有一定形状和强度的压敏电阻器生片，成型模具采用凸形结构，制备后生片的凹形区域为预制的电极区。

3)生片烧结，生片排钵后放入匣钵，为保持烧成时的气氛，匣钵内铺设烧成后的陶瓷粉末，生片装钵后敞口进入排胶炉，排除有机粘合剂后盖紧匣钵，经高温烧结成瓷。

4)清洗、烘干，压敏电阻器陶瓷基体出钵后表面粘结匣钵内垫料，经水洗、烘干后，进入下一工序。

5)掩膜板选取，传统压敏电阻器溅射、喷涂工艺中，掩膜板的电极孔内侧与陶瓷基体表面贴合，电极孔尺寸与最终溅射后电极尺寸一致，电极孔位置与溅射后电极位置重合，若片径不匹配，则偏向，本工艺采用将陶瓷基体预制凹形电极区制作为电极区的方法，掩膜板电极孔尺寸小于最终电极尺寸的形式，掩膜板覆盖陶瓷基体后，电极孔对位陶瓷基体预制凹形电极区，电极孔面积小于预制凹形电极区面积，陶瓷基体预制电极区外的区域及部分预制凹形区被掩膜板遮盖。

6)溅射或喷涂电极，采用溅射或喷涂方法并配合相应掩膜板，在掩膜板电极孔与陶瓷基体预制凹形电极区形成的瓶状空腔内，溅射或喷涂电极层，利用溅射或喷涂金属飞散沉积的特点，使预制凹形电极区内充分溅射或喷涂电极，且无需考虑对中问题，作为进一步改进，如避雷器用阀片，可通过平面磨去除边缘高台或毛刺，得到更均匀的电极。

7)连接引出端，在电极上通过金属引线焊接、导电螺栓固定、导电胶粘贴、甚至直接连接其他电子元件导电层等方式，在压敏电阻器电极层上连接引出端。

8)涂覆绝缘层，将连接引出端后的压敏电阻器涂覆绝缘层。

9)标识打印、测试，压敏电阻器绝缘层上打印标识，按国家标准对产品进行各项测试。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

溅射工艺中利用电极材料各方向飘散沉积的特性，对空腔进行金属化的方式已存在，其空腔属于产品结构中固有存在的，但对压敏电阻器制备来说，常规压敏电阻器表面是不存在凹形区域的，本发明在成型时同步预制了凹形的电极区，配合小面积电极孔的掩膜板形成空腔，可实现陶瓷基体凹形区域内的电极沉积，电极尺寸与凹形区域内的陶瓷基体面积相同，从而完成预制电极区的电极化，实现电极的精确定位，并保证即使陶瓷基体直径出现差异，只要掩膜板电极孔能够与陶瓷基体凹形区域形成空腔，即可实现电极自动成型于预制的凹形电极区内，且易于实现压敏电阻器的批量溅射或喷涂工艺生产，可大大减少排版检查、外观检查的工作量，避免边缘溢出的废品，有益于提高生产效率。无需加工精确的定位工装治具，可极大地节约生产成本。

因电极可精确定位，故可以尽可能地扩大电极，增加压敏电器的通流能力，大电流冲击时，电流热效应更均匀。

在压敏电阻器的制程与试验中发现，陶瓷本体均匀、无明显缺陷点的压敏电阻器通流失效时，一般表现为电极边缘熔孔或陶瓷本体边缘跨弧，此时如继续追加通流测试，压敏电阻器本体将炸裂，压敏电阻器这一失效模式的主要原因是电极的边缘效应，即电极边缘处电场强度强于电极内部，大电流冲击时，电极边缘的陶瓷本体流经的电流密度大于电极内部区域，导致电极边缘击穿，其产生原因为电极带电时，电荷互相排斥，当电极面积无穷大时，各电荷受力状态视为相同，电荷间距相同，场强分布均匀，当电极面积有限时，电极内部区域的电荷受到各方向斥力，合力较小，但在电极边缘，电荷受到其他电极内部区域电荷的共同斥力，受力更强，因此电极边缘区域的电荷趋向缩短间距，达到受力平衡，这种在有限电极边缘电荷密度增大的现象，二维上被称为边缘效应，在三维上表现为尖端放电。压敏电阻器在电极边缘的电场线密集，其方向大致为由一侧电极边缘沿圆弧形指向另一侧电极边缘，采用凹形结构后，电极边缘的陶瓷基体厚度高于电极中心，电极边缘间距增大，可有效减小电极间沿陶瓷基体表面跨弧的风险，此外电极边缘厚度增加等效于单位厚度电场强度减小，缩小了电极边缘与电极内部的场强差异，可减弱边缘效应造成的失效风险。压敏电阻器多次通流冲击时，失效原因一般为通流热膨胀造成微裂隙并随通流次数增加微裂隙扩散炸片、多次通流后包封料膨胀陶瓷基体表面绝缘强度降低进而边缘跨弧两种，陶瓷基体预制预制凹形电极区的设计，可有效减小表面跨弧风险，此外，电极边缘陶瓷基体加厚，增加了陶瓷基体的强度，可有效减少通流发热时造成的微裂纹。实践验证，陶瓷基体采用预制凹形电极区结构后，耐多次通流能力有了极大提升。本发明在产品通流性能有较大提高的前提下，如有需要，可进一步缩小电极面积，减少压敏电阻器尺寸，使产品通流性能与业内产品性能接近，有利与节约材料成本、实现产品的进一步小型化。

压敏电阻器在生产过程中，生片成型后，生片各区域密度并不一致，一般生片边缘直角转折处较脆弱，极易在排版中碰撞脱落，造成烧结后瓷片缺角，进而电极间沿陶瓷基体表面距离缩短，通流性能下降，业内一般采用生片边缘倒角的方法解决这一问题，倒角后压制的生片，排气顺畅，保压时间长，生片边缘密度提升，易于防止缺角，传统方式电极化时，易因电极偏移，印刷或喷涂电极时扩散蔓延至倒角处造成跨弧问题，采用本发明的预制凹形电极区结构后，电极定位精准，无电极溢出问题，可完全配合倒角结构，有利与提升产品设计的自由度，此外，即使不使用倒角结构，加厚的生片边缘也有利与减少缺角潜在的绝缘距离不足，通流失效的风险。

附图说明

图1是本发明一种压敏电阻器的正视结构示意图。

图2是本发明一种压敏电阻器的侧视结构示意图。

图3是本发明一种压敏电阻器的陶瓷基体侧视结构示意图

图4是本发明一种压敏电阻器陶瓷基体覆盖掩膜板后的侧视结构溅射示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明：

实施例1，参见附图1、2、3所示，本发明涉及的一种压敏电阻器,其包括引出端001、绝缘层002、电极层003和陶瓷基体004，所述的陶瓷介电基体004为圆形，陶瓷基体004的上下底面401、402各有一预制凹形电极区411、412，预制凹形电极区411的底面421平行于其所在陶瓷基体004的底面401，预制凹形电极区412的底面422平行于其所在陶瓷基体004的底面402，预制凹形电极区411的底面421、预制凹形电极区412的底面422均为圆形，预制凹形电极区411、预制凹形电极区412的深度为10mm，预制凹形电极区411的底面421面积与预凹形电极区412的底面422面积之和为电极层003总面积的95％，预制凹形电极区411、412为电极区，电极层003位于预制凹形电极区411、412中的陶瓷基体表面，电极层003上设有引出端001，绝缘层002全部包裹陶瓷基体004、电极层002，部分包裹引出端001。

上述压敏电阻器的制备过程包括压敏电阻器陶瓷基体制备、陶瓷基体电极化，连接引出端、绝缘层涂覆、标识打印、测试，其制造的具体工艺过程如下：

1)压敏电阻器陶瓷粉料制备，氧化锌材料作为主体粉料，在搅拌罐内球磨至所需粒度后，将水、分散剂加入搅拌罐，搅拌后形成均匀的浆料，将添加剂如氧化铋、氧化锰、氧化镍、氧化铬、氧化钴、氧化铝等的一种或几种，按配方球磨分散后加入搅拌罐，与氧化锌浆料混合搅拌，混合均匀后，将预先制备的PVA溶液及消泡剂加入搅拌罐，混合均匀，并过滤粗颗粒及意外混入的杂质，喷雾造粒，控制出料水分，粒度比例，形成陶瓷粉料。

2)压敏电阻器生片冲压成型，陶瓷粉料注入合金模具中，通过传动，使上下模具相对移动，经排气、保压，将松散的陶瓷粉末压制为具有一定形状和强度的压敏电阻器生片，成型模具采用凸形结构，制备后生片的凹形区域为预制的电极区。

3)生片烧结，生片排钵后放入匣钵，为保持烧成时的气氛，匣钵内铺设烧成后的陶瓷粉末，生片装钵后敞口进入排胶炉，排除有机粘合剂后盖紧匣钵，经高温烧结成瓷。

4)清洗、烘干，压敏电阻器陶瓷基体出钵后表面粘结匣钵内垫料，经水洗、烘干后，进入下一工序。

5)掩膜板选取，参见附图1、4所示，掩膜板电极孔501尺寸小于最终电极的尺寸，掩膜板005覆盖陶瓷基体004后，电极孔501对位陶瓷基体004预制凹形电极区411，电极孔501面积小于预制凹形电极区411面积，陶瓷基体预制电极区外的区域及部分预制凹形电极区411被掩膜板遮盖，溅射时电极材料502进入掩膜板005与陶瓷基体004形成的空腔，完成预制凹形电极区的电极化。

6)溅射电极，采用溅射方法并配合相应掩膜板，在掩膜板电极孔与陶瓷基体预制凹形电极区形成的瓶状空腔内，溅射电极层，利用溅射金属飞散沉积的特点，使预制凹形电极区内充分溅射电极，无需考虑对中问题。

7)连接引出端，在电极上通过金属引线焊接方式，在压敏电阻器电极层上连接引出端。

8)涂覆绝缘层，将连接引出端后的压敏电阻器涂覆绝缘层，除引出端引出的部分外，压敏电阻器与外部绝缘。

9)标识打印、测试，压敏电阻器绝缘层上打印标识，按国家标准对产品进行各项测试。

本发明与现有技术尺寸对比：

本发明与现有技术通流对比：

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限。

Claims (2)

1.一种压敏电阻器，其特征在于，包括引出端、绝缘层、电极层和陶瓷基体，所述的陶瓷基体为圆形、椭圆形、多边形的一种，所述陶瓷基体的上下底面各有一预制凹形电极区，预制凹形电极区的底面平行于其所在的陶瓷基体底面，预制凹形电极区的底面为圆形、椭圆形、矩形、带圆角的多边形的一种，预制凹形电极区底面的总面积占电极总面积的50％——99％，电极层位于预制凹形电极区中的陶瓷基体表面，电极层上设有引出端，绝缘层全部或部分包裹陶瓷基体、电极层、引出端；其中，所述压敏电阻器的制造工艺包括压敏电阻器陶瓷基体制备、陶瓷基体电极化，连接引出端、绝缘层涂覆、标识打印、测试，具体工艺过程如下：

1)压敏电阻器陶瓷粉料制备，氧化锌材料作为主体粉料，在搅拌罐内球磨至所需粒度后，将水、分散剂加入搅拌罐，搅拌后形成均匀的浆料，将添加剂氧化铋、氧化锰、氧化镍、氧化铬、氧化钴、氧化铝中的一种或几种，按配方球磨分散后加入搅拌罐，与氧化锌浆料混合搅拌，混合均匀后，将预先制备的PVA溶液及消泡剂加入搅拌罐，混合均匀，并过滤粗颗粒及意外混入的杂质，喷雾造粒，控制出料水分，粒度比例，形成陶瓷粉料；

2)压敏电阻器生片冲压成型，陶瓷粉料注入合金模具中，通过传动，使上下模具相对移动，经排气、保压，将松散的陶瓷粉末压制为具有一定形状和强度的压敏电阻器生片，成型模具采用凸形结构，制备后生片的凹形区域为预制的电极区；

3)生片烧结，生片排钵后放入匣钵，为保持烧成时的气氛，匣钵内铺设烧成后的陶瓷粉末，生片装钵后敞口进入排胶炉，排除有机粘合剂后盖紧匣钵，经高温烧结成瓷；

4)清洗、烘干，压敏电阻器陶瓷基体出钵后表面粘结匣钵内垫料，经水洗、烘干后，进入下一工序；

5)掩膜板选取，本工艺采用将陶瓷基体预制凹形电极区制作为电极区的方法，掩膜板电极孔尺寸小于最终电极尺寸的形式，掩膜板覆盖陶瓷基体后，电极孔对位陶瓷基体预制凹形电极区，电极孔面积小于预制凹形电极区，陶瓷基体预制电极区外的区域及部分预制凹形区被掩膜板遮盖；

6)溅射或喷涂电极，采用溅射或喷涂方法并配合相应掩膜板，在掩膜板电极孔与陶瓷基体预制凹形电极区形成的瓶状空腔内，溅射或喷涂电极层，利用溅射或喷涂金属飞散沉积的特点，使预制凹形电极区内充分溅射或喷涂电极，且无需考虑对中问题；

7)连接引出端，在电极上通过金属引线焊接、导电螺栓固定、导电胶粘贴、甚至直接连接其他电子元件导电层的方式，在压敏电阻器电极层上连接引出端；

8)涂覆绝缘层，将连接引出端后的压敏电阻器涂覆绝缘层；

9)标识打印、测试，压敏电阻器绝缘层上打印标识，按国家标准对产品进行各项测试。

2.根据权利要求1所述的一种压敏电阻器，其特征在于，所述的压敏电阻器陶瓷基体预制凹形电极区的深度为0.04mm——50mm。