TW201604303A - 具預處理層的電極電子元件及其製備方法 - Google Patents

Abstract

本發明是一種具預處理層的電極電子元件及其製備方法，該電極電子元件包括一陶瓷基體、形成於該陶瓷基體表面的預處理層、於該預處理層上電極層、與電極層電性連接的引腳及包覆整個陶瓷基體與電極層的一絕緣層，其中，本發明在該陶瓷基體與電極層之間提供一預處理層，取代傳統直接形成銀電極層的製法，藉此本發明可在該陶瓷基體與電極層之間形成良好的結著力，本發明可以在保證原有產品電氣特性前提下，降低傳統印刷貴金屬銀電極元素耗用，避免傳統印刷有機銀漿使有機溶劑揮發和熱分解造成的環境污染，提高電極層與陶瓷基體之間的歐姆。

Description

具預處理層的電極電子元件及其製備方法

本發明關於一種電極電子元件，尤指一種具有預處理層的電極電子元件及其製備方法。

壓敏電阻以氧化鋅粉末為主材，摻雜氧化鉍、氧化銻、氧化錳等晶界元素，經乾壓成型後，排除有機粘結劑，再高溫燒成為帶有非線性特性的陶瓷電阻。

傳統壓敏電阻的導電電極層較常採用絲網印刷技術形成，在製作該電極層時，是在一陶瓷晶片上附著含銀60~80%的有機銀漿，經過600~900℃高溫燒滲後，使有機銀漿形成所需的電極層。該電極層一般要求在6~15μm的厚度以保證焊接技術以及產品信賴性。但採用傳統絲網印刷銀漿技術存在如下缺點和不足：

1、有機銀漿中含有大量有害物質，會產生嚴重污染環境；

2、生產成本高，需要耗費大量貴重的銀材料。為達到壓敏電阻承受較大突波電壓衝擊的能力，不得不採用加厚銀層的方式，銀層厚度一般都在15μm以上。

利用傳統絲網印刷銀電極所製成的壓敏電阻，有以下缺點：

1、結合力差，銀與陶瓷屬於不匹配結合，主要靠有機銀漿中玻璃態物質滲透到陶瓷晶界來提高結合力，所以電極層與陶瓷基體之間的附著力不佳。

2、歐姆接觸電阻大。

3、電極層不耐無鉛焊料溶蝕：因為銀與錫的固相溶解能力大，高溫下焊錫極易熔蝕銀層。在目前環保壓力下，使用無鉛焊錫技術焊接生產產品，為了防止電極發生虛焊、熔銀，故需要使用含銀量較多的3Ag焊錫(即含有3%銀的錫銀銅合金焊錫)，阻礙產品成本降低；同時，由於無鉛焊錫(Sn-Ag)高溫互熔特性，造成產品長時間通電後，銀電極層被焊錫侵蝕以及電極附著力降低甚至脫離，為移動設備（如汽車）等使用此類壓敏電阻產生安全隱患。

為了降低壓敏電阻的製造成本，中國大陸申請號為201310177249.5，發明名稱為“一種電子陶瓷元件的卑金屬複合電極及其製備方法”，公開了多層熱噴塗賤金屬的技術，此技術所製作壓敏電阻的電極缺點是，當高放電時，電流易在介面產生高熱量，在多次高電流衝擊後不同金屬電極介面容易分離，對產品的長期應用可靠性帶來風險。

本發明的主要目的是提供一種具預處理層的電極電子元件，其電極不須使用印刷有機銀漿製成。

為達成前述目的，本發明具預處理層的電極電子元件包含有： 一陶瓷基體，具有相對的兩表面； 兩預處理層，分別形成於該陶瓷基體的相對兩表面； 兩電極層，分別形成於該兩預處理層上； 兩引腳，各引腳的上端分別連接一對應的電極層； 一絕緣層，包覆該陶瓷基體、該兩電極層及兩引腳的上端； 其中，該預處理層為鎳、釩、鉻、鋁、鋅中的一種或多種元素合金形成。

本發明先在陶瓷基體的表面形成一預處理層後，再於該預處理層上形成電極層，該預處理層可提高歐姆接觸特性及電極層與陶瓷基材之間附著力。

本發明的有益效果是：1、降低傳統印刷貴金屬銀電極元素耗用，且因為無使用銀材料作為電極，可具有優良的抗焊錫侵蝕特性；2、避開傳統絲網印刷工藝的有機溶劑揮發和熱分解造成的環境污染；3、電極層與陶瓷基體的歐姆接觸更佳，減少熱能產生，提高元件使用壽命，使電子元件電氣特性得到提升。

本發明之另一目的是提供一種具預處理層電極電子元件的製備方法，其包含： 準備一陶瓷基體，該陶瓷基體具有兩相對表面； 於該陶瓷基體之兩相對表面上以濺鍍方式分別形成兩預處理層，其中，該預處理層為鎳、釩、鉻、鋁、鋅中的一種或多種元素合金形成； 於各處理層的表面形成一電極層； 於各電極層連接一引腳； 以一絕緣層包覆該陶瓷基體、該電極層及該引腳的一部分。

以前述方法製成之電極電子元件，因為具備該預處理層，可提高歐姆接觸特性及電極層與陶瓷基材之間附著力。

結合附圖和優選實施例對本發明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。

如圖1A、圖1B所示，本發明的電極電子元件包括一陶瓷基體1、分別形成在該陶瓷基體1相對表面的兩預處理層21、兩電極層22、分別與兩電極層22連接的兩引腳3，以及一包覆該陶瓷基體1、該預處理層21、電極層22與部分引腳3的一絕緣層4。

參照圖2的流程，電極電子元件以壓敏電阻為例，其製作流程的前段主要包括配料噴霧造粒、乾壓成型、燒結陶瓷等已知步驟，故不再贅述；當陶瓷基體1已經完成之後，即進行本發明主要的預處理步驟，於陶瓷基體1的表面形成該預處理層21，再進行形成該電極層22的噴塗程序及後續的引腳焊接、絕緣包覆、固化等步驟，詳細流程如後所述。

在該陶瓷基體1的相對表面以濺鍍形成金屬材料的預處理層21，該預處理層21所採用的是鎳、釩、鉻、鋁、鋅中的一種或幾種元素材料。濺鍍的原理圖如圖3所示，其原理為已知技術，因此不再多加贅述。另請參考圖4所示，當清潔完成該陶瓷基體1的表面後，將該陶瓷基體1放入一治具50中，該治具50由鋁材、不銹鋼或其他耐高溫的高分子材料製作而成，係形成有多數個鏤空部52以露出陶瓷基體1的表面，露出部位為待濺鍍的區域，該待濺鍍形狀由所需電極的形狀而定，本實施例以圓形為例說明。

請參考圖5所示，當陶瓷基體1放入治具50後，可集合多片治具50再共同置入一濺鍍室的工件架54，再將多個工件架54排列在一濺鍍機內部開始執行濺鍍作業，所使用的真空磁控濺鍍設備可為單爐、雙門或連續腔體濺鍍設備；濺鍍所用的靶材可為平面靶或柱形靶。濺鍍作業時會先設定各靶材的功率與鍍膜時間，開始抽真空，真空度為-0.02~-0.08Mpa；於濺鍍腔體內充入惰性氣體，例如充入氬氣，氬氣流量為45~50ml/s；當濺鍍作業約10~30分鐘，完成真空磁控濺鍍厚度約0.1~0.5微米(μm)的預處理層21。

前述鎳、釩、鉻、鋁、鋅幾種元素材料可以與陶瓷基體1完美契合，形成低阻抗的歐姆接觸，片電阻(單位電阻)極小。因為接觸的阻抗降低，可減少受浪湧電流衝擊時所產生的熱量，防止電極層22因高溫而燒蝕破壞。由於本發明的電極電子元件未採用有機銀漿，同時具有優良的抗焊錫侵蝕特性，電極電子元件焊接後之成品能避免受焊錫的侵蝕，從而延長元件的老化壽命。

當形成該預處理層21之後，進行電極的噴塗作業。即在預處理層21上噴塗一電極層22，該電極層22的材料由鋅、銅、錫、鎳中的一種或複數種元素合金組成，通過雙面同時電弧噴塗或火焰噴塗而成。工件架通過隧道連續噴塗室，按照各工位的參數設置，約2~10S內完成。

詳細的噴塗流程包含有以下步驟： 1）將已預處理過的陶瓷基體1置入連續式電弧或火焰噴塗機的工件架中； 2）噴塗機為隧道連續式，可直接噴塗預處理層21的表面，並設置多工工位的噴頭，每個噴頭噴所需材料的一種或合金； 3）設定各工位元噴塗電壓為20~35V，噴塗電流為100~200A，噴塗氣壓為0.5Mpa；噴塗時間為2~5秒鐘，噴塗厚度為5~10μm。

當形成該電極層22後，將電極層22與引腳3焊接，焊接品經環氧樹脂進行絕緣層4的包覆，再測試電氣特性。

本發明電極電子元件可以是壓敏、氣敏、PCT熱敏、NTC熱敏、壓電陶瓷、陶瓷電容等類型的元件；其形狀可方形，圓形，橢圓型，管型，柱型，錐型等。以電壓敏電阻為例，此類壓敏電阻其電極的耐組合波衝擊能力可提升50%。

參考上述表格的第二、三列所示，常規壓敏電阻為滿足大能量瞬間衝擊的目的，傳統是採用印刷銀電極的作法，形成較厚的電極層(Ag)來分散電流密度，若通流能力要求是6KA，則銀電極層一般厚度達到16μm以上。

本發明如上述表格第四~六列所示，本發明提供的壓敏電阻結構含有濺鍍形成的預處理層21，起到歐姆接觸、過度/隔離焊錫侵蝕的作用，預處理層21加上電極層22的總厚度僅在10μm以下。相較傳統銀電極，該預處理層21的結構因為是利用濺鍍技術形成，預處理層21微觀分析比傳統單層(膜厚約10~15μm)絲網印刷銀電極更緻密、孔隙更小，請參考附件一所示，傳統印刷方式形成的銀電極可看出其結構內的孔隙相對較大，但本發明以濺鍍方式形成的預處理層21如附件二所示，其結構相對緻密。另外，如表格第三、四列所示，在相同通流能力(6KA)之下，本發明濺鍍Ni、噴塗Zn之總厚度僅為6.5μm，相較於印刷銀電極的15.4μm，本發明的總厚度可大幅縮減。從耐衝擊的方面來比較，壓敏電阻耐受6KV/3KA耦合最大連續交流工作電壓90度相角上衝擊至失效（間隔60秒）的能力，從傳統銀電極壓敏電阻的34~65次，提升至新電極結構壓敏電阻的100~120次，幾乎提升了200%。

以上說明書中描述的只是本發明的具體實施方式，各種舉例說明不對本發明的實質內容構成限制，所屬技術領域的普通技術人員在閱讀了說明書後可以對以前所述的具體實施方式做修改或變形，而不背離本發明的實質和範圍。

1‧‧‧陶瓷基體
21‧‧‧預處理層
22‧‧‧電極層
3‧‧‧引腳
4‧‧‧絕緣層
50‧‧‧治具
52‧‧‧鏤空部
54‧‧‧工件架

圖1A是本發明一實施例的結構示意圖。 圖1B是本發明一實施例的側面剖視結構示意圖。 圖2是壓敏電阻之製作流程圖。 圖3是濺鍍原理示意圖。  圖4 是一濺鍍用的鏤空治具示意圖。 圖5是一濺鍍用的工件架示意圖。

1‧‧‧陶瓷基體

21‧‧‧預處理層

22‧‧‧電極層

3‧‧‧引腳

4‧‧‧絕緣層

Claims (9)

1. 一種具預處理層的電極電子元件，包含： 一陶瓷基體，具有相對的兩表面； 兩預處理層，分別形成於該陶瓷基體的相對兩表面； 兩電極層，分別形成於該兩預處理層上； 兩引腳，各引腳的上端分別連接一對應的電極層； 一絕緣層，包覆該陶瓷基體、該兩電極層及兩引腳的上端； 其中，該預處理層為鎳、釩、鉻、鋁、鋅中的一種或多種元素合金形成。
2. 如請求項1所述具預處理層的電極電子元件，該預處理層係以濺鍍方式形成。
3. 如請求項1或2所述具預處理層的電極電子元件，該預處理層的厚度為0.1~0.5微米(μm)。
4. 如請求項3所述具預處理層的電極電子元件，該電極層為由鋅、銅、錫、鎳中的一種或複數種元素合金形成。
5. 如請求項4所述具預處理層的電極電子元件，該電極層係以噴塗方式形成，厚度為5~20微米(μm)。
6. 一種具預處理層電極電子元件的製備方法，包含： 準備一陶瓷基體，該陶瓷基體具有兩相對表面； 於該陶瓷基體之兩相對表面上以濺鍍方式分別形成兩預處理層，其中，該預處理層為鎳、釩、鉻、鋁、鋅中的一種或多種元素合金形成； 於各處理層的表面形成一電極層； 於各電極層連接一引腳； 以一絕緣層包覆該陶瓷基體、該電極層及該引腳的一部分。
7. 如請求項6所述具預處層電極電子元件的製備方法，其中，在形成該預處理層之前，係先清潔該陶瓷基體表面；該預處理層的濺鍍厚度為0.1~0.5微米(μm)。
8. 如請求項7所述具預處理層電極電子元件的製備方法，該電極層係以噴塗方式形成，由鋅、銅、錫、鎳中的一種或複數種元素合金形成，該電極層的厚度為5~20微米(μm)。
9. 如請求項8所述具預處理層電極電子元件的製備方法，該以濺鍍方式形成兩預處理層之步驟係包含： 將陶瓷基體置入一治具中，該治具有鏤空部以露出陶瓷基體之待濺鍍區域； 將載有該陶瓷基體的該治具放入一工件架，並將該工件架置入一濺鍍腔體內，其中，該濺鍍腔體內的真空度為-0.02~-0.08Mpa，於該濺鍍腔體內充入氬氣時，氬氣流量為45~50ml/s； 於噴塗形成該電極層時，係設定噴塗槍所需的電流為100~200A，噴塗氣壓為0.5Mpa，噴塗時間為2~5秒鐘，噴塗厚度為5~10μm。