CN115132439B - 一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，包括具备非线性伏安特性的环形压敏电阻基片和烧结在基片端面上的等距离分布的至少3个独立电极，其中，任意两相邻电极间隙由电极边缘互相平行的直线和基片圆环上内外同心圆弧组成，且与圆环非正交，从现有技术的表面电极、电极间隙的对称性设置改为非对称性设置，不同导热系数的电极材质和基片材质在径向的电极间隙处有了互相间没有接触的交叉，焊接时的热量冲击通过非对称的电极在环形基片上非对称的传导，间接提高了压敏电阻整体导热分布的均匀性，基片焊接破裂的不良率得以下降，且环形压敏变阻器的非线性伏安特性电性能并没有改变，电容得以提高。
Description
技术领域
本发明属于半导体电子陶瓷领域，尤其涉及一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器。
背景技术
环形压敏电阻器是一种具有压敏性和电容性双重功能的半导体陶瓷电子元器件，已被广泛应用于微型直流有刷电机中以消除火花、抑制噪音： 利用其压敏特性吸收换向器上所产生的瞬态火花，保护电机电刷和绕组； 利用其电容特性抑制电磁干扰，延长微电机的工作寿命、提高微电机的工作质量。
随着电子技术发展的日新月异，电机装机焊接效率的提高，现有技术要求在更短的时间内、更高的温度下完成环形压敏电阻的焊接，甚至承受激光焊接，焊接导致环形压敏电阻基片破裂问题的解决与否，直接关系到环形压敏电阻能否装机使用。
授权公告号：CN102856027B， 该发明公开了一种环形压敏电阻器的制备方法，该发明环形压敏电阻器的制备方法中，环形电阻体未设置电极处丝网印刷玻璃浆料，玻璃浆料在烧结时融化润湿环形电阻体并穿透渗入环形电阻体内形成犬齿状的交合状态，形成一种机械内锁连接，可显著提高环形压敏电阻器的机械强度(抗折强度)。可见，该方法除有助于环形压敏电阻从生产、包装、运输、安装等诸多环节的压敏的破裂防护外，还能直接助力焊接导致的基片破裂的改善。
申请号CN2022103530678，钛酸锶环形压敏电阻器用底层欧姆银浆及制备方法和应用，通过改善电极底层欧姆银浆配方的方式，使电极部分可以耐更高的焊接温度和激光焊接等更为严苛的焊接条件，这个技术方案同样间接助力于压敏电阻片因焊接热冲击导致的基片的破裂的改善。
本技术方案提出另外一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器的技术方案。
本技术方案中相关描述的补充定义和说明：
所述焊接是指环形压敏电阻在装机时直流电机电枢绕组上的导线在环形压敏电阻表面电极上的焊接。
所述通过圆心的直线是为了辅助描述任意两相邻电极间隙的无电极覆盖的基片的平面几何形状的虚拟辅助线；所述圆心、过圆心直线、同心圆弧、平行、轴对称等都在环形压敏电阻的同一平面上，上述概念和正太分布并非绝对数学定义上的概念，而是存在工业生产上可以接受的公差；所述正交是指与两相邻电极间隙边缘的互相平行的直线等距离的中间的直线同时与基片圆环内外圆弧相交形成的线段，或，把电极间隙视为与内外圆弧相交的线段时，正交条件下为该线段在基片圆环两弧线距离间最短，图3所示电极间隙即为正交的情况；所述交叉角度指与两相邻电极间隙边缘的互相平行的直线等距离的中间的直线同时与基片圆环的内外圆弧非正交，即内外圆弧间的线段非最短，如图1、2所示的电极间隙为非正交。
所述焊接破裂是指环形压敏电阻接受焊接时，电极局部的受到热量冲击导致环形压敏电阻在基片上出现的暗纹、裂纹、崩缺。
所述径向面积占比间接由电极间隙内任一过圆心直线在圆环上无电极覆盖的长度与两圆弧间的长度的比值来体现。
所述非线性压敏电阻特性可近似地由下公式表示：
I=（U/C）α
式中，I为流过环形压敏电阻器的相邻电极间的电流，U为环形压敏电阻器相邻电极两端的电压，C为材料常数，α为非线性系数且大于1，可由下述公式表示：
α=1/lg（E10/E1）
式中E1、E10值为流经钛酸锶环形压敏电阻器的电流为1mA、10mA时环形压敏电阻器相邻两电极之间的电压。
端面电极也叫平面电极。
发明内容
一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，包括具备非线性伏安特性的环形压敏电阻基片和烧结在基片端面上的等距离分布的至少3个电极，其特征为，任意两相邻电极间隙是由电极边缘互相平行的直线和基片圆环内外同心圆弧围成的无电极覆盖的基片，所述任意两相邻电极间隙的平面形状不以间隙平面内任何一条过环形压敏电阻器圆心的直线为对称轴；
同样地，上述至少3个电极同样为不以过圆心的直线为对称轴，为圆环上的不对称结构；
进一步，所述任意两相邻电极间隙的平面形状不以间隙平面与圆环非正交，且至少有一条过圆心的直线能和至少一电极的部分相交；
进一步，所述任意两相邻电极间隙的基片的形状与所述基片圆环的交叉角度一致，在圆环上彼此等距离分布；
进一步，所述任意两相邻电极间隙的外圆弧长度为1.2±0.8mm；
进一步，所述电极为烧结在基片单面端面上单面平面电极或烧结在基片上下端面上的双面平面电极之一；
进一步，所述电极为平面3极、平面5极、平面6极、平面12极之一；
进一步，所述具备非线性伏安特性的环形压敏电阻基片为钛酸锶环形压敏电阻基片、氧化锌环形压敏电阻基片之一；
进一步，所述电极为银电极、铜电极、铜合金电极之一；
进一步，所述环形压敏电阻基片的尺寸规格为与直流微电机装机匹配的外径2.5mm到外径23.0mm的系列规格；
再进一步，所述环形压敏电阻基片的尺寸规格为与直流微电机装机匹配的外径9.5mm到外径230mm的系列规格；
进一步，所述环形压敏电阻器的压敏电压E10值为1.5~100V的一系列规格；
进一步，所述环形压敏电阻的非线性伏系数α值为2.0~7.0；
进一步，上述环形压敏电阻器的制备方法为：固相合成SrTiO3或SrTiO3复合系主材料；先后添加半导化剂、去离子水、助剂、粘接剂后球磨成浆料，喷雾造粒后干压成型，制成胚片；排胶、还原烧结成半导化基片；空气中氧化热处理形成非线性伏安特性的钛酸锶环形压敏电阻基片；印刷非对称形状的电极底层、面层，烧结，制得钛酸锶环形压敏电阻器；
进一步，上述浆料各组分混合均匀，呈中位粒度为1~4μm正态分布；
再进一步，所述半导化剂为离子半径与Sr2+相近的高价离子，如La3+代Sr2+，或离子半径与Ti4+相近的五价离子，如Nb5+代Ti4+：
SrTiO3+xLa3+ Sr2+ 1-xLa3+ xTi4+ 1-x(Ti4+·e)x O2- 3+xSr2+
SrTiO3+xNb5+ Sr2+Ti4+ 1-x(Ti4+·e)xNb5+ xO2- 3+xTi4+
由于以上掺杂，为保证整体电中性，在高温还原气氛的条件下，易变价的Ti4+容易形成弱束缚，成为导电载流子Ti4+·e， 胚片烧制成了n型半导化基片，同时半导化基片增加导热功能；
再进一步，所述添加还包括低价受主掺杂Mn2+，Na+1离子，通过所述空气中氧化热处理的不同，重新在烧制成的n型半导化基片外壳制造了一个高阻层，生成了不同压敏电压阈值的敏感器件系列规格；因被氧化和受主的掺杂的共同作用，导电载流子被捕获，半导化的外壳的导电导热功能都大为下降；
进一步，印刷上所述的非对称形状的电极底层、面层，底层电极形成欧姆接触，面层电极同时满足导电性和可焊性；
一种微型直流电机，包括定子和转子，其特征，所述直流微电机安装上述任一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器。
有益效果
从现有技术的平面电极、电极间隙与圆环正交的对称性结构改为为不以过圆心的直线为对称轴，为圆环上的不对称结构，环形压敏变阻器的非线性伏安特性电性能并没有改变，但是焊接破裂的不良率得以下降，电容得以提高。
本技术方案具体实施例的电极间隙的平面形状不以间隙内任一条通过环形压敏电阻器圆心的直线为对称轴，较现有技术对比例1~6以之为对称轴的做法，减小了电极间隙中无电极覆盖的裸露基片的径向面积占比，使不同的电极材质和半导体陶瓷基片材质在径向的电极间隙处有了互相间没有接触的交叉，焊接时骤然产生的热量得以通过电极的不对称形状更好地进行不对称的扩散，一反对比例的电极间隙无电极覆盖的裸露基片的面积在两圆弧间集中短距离的情况，改善了压敏电阻整体材质导热分布的均匀性，有效提高耐热冲击的能力，同时提高了压敏电阻的电容。
制备过程中的中位粒度为1~4μm正态分布的浆料有助于烧结过程基片整体半导化的均匀一致彻底地完成，制成半导体基片有较高的密度和更好的导电性能，减少基片局部密度不均造成的缺陷，有利于改善基片承受热冲击和机械冲击。
本技术方案可操作性强，容易上量生产。
附图说明
图1，本技术方案结构示意图之一，平放时的环形压敏俯视结图和侧视图。
图2，本技术方案结构示意图之二，平放时的环形压敏俯视图和侧视图。
图3，现有技术结构示意图，平放时的环形压敏电阻俯视图和侧视图。
上图1、2、3中，1为直流微电机用环形压敏电阻基片，2阴影部分为电极，3为任意两相邻电极的间隙，是由两电极边缘互相平行的直线和基片圆环内外同心圆弧围成的无电极覆盖的基片，D1为环形压敏电阻外径，D2为环形压敏电阻内径，T为环形压敏电阻厚度。
图1中任意两相邻电极的间隙3的基片的形状与圆环非正交，电极间隙3不以该平面内的OA、OB、OC为对称轴；W为任意两相邻电极的间隙的裸露的基片的宽度；其3个间隙3的外圆弧长等于0.7mm，电极为非对称结构，电极间隙内过圆心的直线至少有一条与一个电极的部分相交。
图2中任意两相邻电极的间隙3的裸露的基片的形状与圆环非正交，不以该平面内的OA、OB、OC为对称轴；其3个间隙3的外圆弧长等于0.5mm；电极为非对称结构，电极间隙3内过圆心的直线至少有一条同时与两电极的部分相交，图中OA、OB、OC同时与相邻两电极的部分相交。
图3中任意两相邻电极的间隙3的裸露的基片的形状与圆环正交，以该平面内OA、OB、OC为对称轴，外圆弧长为1.2mm，电极为对称结构。
图4，本技术方案具体实施例5半导化后热处理前的基片的表面电镜图。
图5，本技术方案具体实施例5半导化且热处理后的基片的表面电镜图。
图6，本技术方案具体实施例5电极表面的电镜图。
下面结合附图说明和具体实施例来对本技术方案进一步说明，任何对本技术方案没有创造性的变换、增加、组合、装饰等都将落入本技术方案的保护范围。
具体实施方式
具体实施例1~6和对比例1~6
具体实施例1~6，参照图1，一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，包括具备非线性伏安特性的环形压敏电阻钛酸锶基片1和烧结在基片表面上的银电极2，电极为单面平面3极；空隙3为基片1的内外同心圆弧和互相平行的相邻电极边缘的直线围成的没有电极覆盖的基片，任意两相邻电极间隙3与圆环非正交，电极间隙形状3不以间隙内任意一条穿过环形压敏电阻器的圆心的直线为对称轴，3个空隙3形状与该平面内圆环的交叉角度一致，在圆环上等距离分布，电极间隙的外圆弧长度同为0.7mm，电极本身成非对称形状。
对比例1~6，参照图3，现有技术直流微电机用环形压敏电阻器，与具体实施例不同之处：图中电极间隙3形状与圆环正交，3个电极间隙形状分别以OA、OB、OC为轴对称，电极间隙的外圆弧长度同为1.2mm，电极本身在圆环上成对称形状。
上述具体实施例1~6/对比例1~6的环形压敏电阻器经过以下工艺流程制得：
步骤1，固相合成SrTiO3复合系主材料
(1-x-y) SrCO3+x BaCO3+yCa CO3+ TiO2 （Sr1-x-yBaxCay）TiO3+CO2
步骤2，先后添加半导化剂、去离子水、助剂、粘接剂后球磨成浆料，所述浆料各组分混合均匀，呈中位粒度为1~4μm正态分布；喷雾造粒后干压成型，制成胚片；
上述先后添加具体为(0.05~0.0.1）La2O3，(0.1~0.3)Nb2O5，（0.2~0.4）ZrO2，（0.1~1.5%）（SiO2+MnCO3+Al(NO3)3·9H2O+Na2CO3），适量的PVA；
步骤3，排胶、还原烧结成半导化基片；烧结气氛为N2和N2混合气体，1320~1370℃进行烧结；
步骤4，空气中氧化热处理形成具备非线性伏安特性的钛酸锶环形压敏电阻基片；通过调节热处理温度、时长，制成直流微电机所需要的不同阈值的压敏电压；
步骤5，印刷如图1所示非对称形状的电极底层、面层，烧结，制得本实施例1~6钛酸锶环形压敏电阻器；印刷如图3所示的对称结构的电极底层、面层，烧结制得对比例1~6钛酸锶压敏电阻器。
以上步骤中包括没有详述的为公知技术细节，这里不作赘述。
从实施例1~6和对比例1~6的各10万片中任选100片进行焊接，后进行尺寸检测和外观选别，基片焊接破裂的不良率记录于表1，压敏电阻的具体尺寸记录于表2。
表1 焊接不良记录表
备注：
1.粉料为不同配方的粒料。
压敏批号为记录粒料不同配方、成型日期、班次。
分析1
1. 压敏批号、粉料、烧结炉、压敏尺寸、焊接温度都保持一致的条件下，本实施例1~6的不对称结构的压敏电阻的焊接不良率明显低于现有技术对称结构的不良率,且这一降低的趋势不因压敏批号、粉料、烧结炉的改变而改变。
在压敏批号、粉料、压敏外径、焊接温度、烧结炉合适条件工艺下，现有技术和本技术方案可以出现非常好的焊接效果，见具体实施例6和对比例6；但是外径12mm以上的环形压敏电阻，或者配方进行微调之后，同比对比例和实施例1~5，实施例显示了对焊接不良的明显改善。
进一步在实施例中5、6和对比例5、6中任选20片进行电性能检测分析，结果记录于表3。
备注：MAX为最大值， MIN 为最小值，X为平均值。
分析2
本技术方案具体实施例5、6与对比例5、6一样满足压敏电阻的非线性伏安特性要求，抗折强度、a值略有逊色，依然能满足电机使用的要求，但电容值提高了，利用其电容特性抑制电磁干扰效果也得以提高。
继续选择具体实施例5记录其相关表面电镜图：半导化后热处理前的基片的表面电镜图，半导化且热处理后的基片的表面电镜图，电极表面的电镜图。
分析3
本技术方案实施例制备过程中球磨后各组分混合均匀，中位粒度在1-4μm的正太分布，从电镜图4、5可以看出，烧结后晶粒分布均匀，不见明显的孔洞，从而减少因孔洞导热不均导致的焊接破裂；从电镜图6可见，电极表面已经成为连成一体的结构紧密的导电化合物，焊接导致的热冲击，通过电极的传导发散较图4、5的结构都要快，本技术方案设置了电极的非对称结构可以有效改善压敏电阻整体导热的均匀性。
Claims (14)
1.一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，包括具备非线性伏安特性的环形压敏电阻基片和烧结在基片端面上的等距离分布的至少3个电极，其特征为，任意两相邻电极间隙是由两电极边缘互相平行的直线和基片圆环内外同心圆弧围成的无电极覆盖的基片，所述任意两相邻电极间隙的平面形状不以间隙平面内任何一条过环形压敏电阻器圆心的直线为对称轴。
2.根据权利要求1所述的一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，其特征为，所述任意两相邻电极间隙的平面形状与基片圆环非正交，且至少有一条过圆心的直线能和至少一电极的部分相交。
3.根据权利要求1所述的一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，其特征为，所述任意两相邻电极间隙的基片形状与基片圆环的交叉角度一致，在圆环上彼此等距离分布。
4.根据权利要求1所述的一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，其特征为，所述任意两相邻电极间隙的外圆弧长度为1.2±0.8mm。
5.根据权利要求1所述的一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，其特征为，所述电极为烧结在基片单面端面上单面平面电极或烧结在基片上下端面上的双面平面电极之一。
6.根据权利要求1所述的一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，其特征为，所述电极为平面3极、平面5极、平面6极、平面12极之一。
7.根据权利要求1所述的一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，其特征为，所述具备非线性伏安特性的环形压敏电阻基片为钛酸锶环形压敏电阻基片、氧化锌环形压敏电阻基片之一。
8.根据权利要求1所述的一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，其特征为，所述电极为银电极、铜电极、铜合金电极之一。
9.根据权利要求1所述的一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，其特征为，所述环形压敏电阻基片的尺寸规格为与直流微电机装机匹配的外径9.5mm到外径23.0mm的系列规格。
10.根据权利要求1所述的一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，其特征为，所述环形压敏电阻器的压敏电压E10值为1.5~100V的一系列规格。
11.根据权利要求1所述的一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，其特征为，所述环形压敏电阻的非线性系数α值为2.0~7.0。
12.根据权利要求1至11任一项所述的改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，其特征为，其制备方法为：固相合成SrTiO3或SrTiO3复合系主材料；先后添加半导化剂、去离子水、助剂、粘接剂后球磨成浆料，喷雾造粒后干压成型，制成胚片；排胶、还原烧结成半导化基片；空气中氧化热处理形成非线性伏安特性的钛酸锶环形压敏电阻基片；印刷非对称形状的电极底层、面层，烧结，制得钛酸锶环形压敏电阻器。
13.根据权利要求12所述的一种改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器，其特征为，所述浆料各组分混合后呈中位粒度为1~4μm正态分布。
14.一种微型直流电机，包括定子和转子，其特征，所述直流微电机安装了权利要求1至11任一项所述的改善焊接破裂的直流微电机用环形压敏电阻器。
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