TWI655645B - Electrode electronic component and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

本發明是一種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,該電極層是由兩種或兩種以上的賤金屬或合金噴塗形成,金屬材料的濃度在電極層中呈現梯度分佈;藉此,本發明可有效降低了成本,避免使用傳統絲網印刷銀電極所用之有機溶劑揮發和熱分解而造成環境污染,減少不同金屬間直接接合的問題,降低大電流下電極層剝離風險,縮短了電極層製作流程,並維持電極層與陶瓷基體之間的結合性及電極層與金屬引腳之間的可焊性。

Description

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,尤指一種以兩種或兩種以上不同金屬材料形成電極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60~806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出一種電極電子元件及其製備方法,電極電子元件中的電極層是以兩種或兩種以上金屬材料漸層堆疊混合形成,夠使電極層與陶瓷基體能緊密結合又能保持良好的焊接性能。
本發明的電極電子元件,包括陶瓷基體、陶瓷基體下端的引腳及包封整個陶瓷基體且與引腳組連接的絕緣層,所述引腳與電極層相連接,所述電極層為兩種或兩種以上賤金屬或合金的噴塗層;所述噴塗層的濃度呈梯度分佈。
進一步的說,本發明的噴塗層由鋅、銅、錫、鎳、鋁中的兩種或兩種以上元素合金的賤金屬組成;厚度為20~100μm。
本發明所述的噴塗層自陶瓷本體向外包括前段、中段以及後段;所述的前段為一種賤金屬或合金層;後段為另一種賤金屬或合金層;所述 的中段為兩種或兩種以上賤金屬或合金的混合層。所述的前段的金屬濃度呈遞減分佈,濃度由100%至0%;所述的後段的金屬濃度呈遞增分佈,濃度由0%至100%。
同時,本發明還提供了一種電極電子元件的製備方法,包括以下步驟:準備一預處理過一陶瓷基體,該陶瓷基體具有相對的兩表面;於該陶瓷基體之每一表面進行電極層噴塗作業,包含:先以第一金屬材料噴塗於該陶瓷基體的表面,經過一第一時間後,加入第二金屬材料噴塗於該陶瓷基體的表面;先停止該第一金屬材料的噴塗,當第一金屬材料停止噴塗後再經過一第二時間才停止該第二金屬材料的噴塗,以利用該第一金屬材料、第二金屬材料形成一電極層於該陶瓷基體的表面;分別連接兩引腳至該陶瓷基體相對兩表面之電極層;以一絕緣層包覆該陶瓷基體、該電極層及部分的該引腳。
本發明的有益效果是:本發明在保證原有產品電氣特性前提下,具有以下優點:1、有效降低了成本;2、避免傳統絲網印刷銀電極的有機溶劑揮發和熱分解所造成的環境污染;3、減少不同金屬間接合問題,降低大電流下剝離風險,縮短了電極層的製作流程,但仍保有電極與陶瓷元件的結合性與金屬導線間的可焊性。
1‧‧‧陶瓷基體
2‧‧‧引腳
3‧‧‧電極層
4‧‧‧絕緣層
11‧‧‧第一噴塗槍
12‧‧‧第二噴塗槍
31‧‧‧第一金屬材料
32‧‧‧第二金屬材料
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是本發明的電極濃度梯度噴塗示意圖。
圖4A~圖4C是本發明以兩支噴塗槍製作電極層(噴塗層)的步驟示意圖。
圖5是本發明第一金屬材料、第二金屬材料兩種材料出料量的變化曲線圖。
現在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相對表面的兩電極層3、與兩電極層3分別連接的兩引腳2,以及一包覆陶瓷基體1、電極層3與部分引腳2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、陶瓷預處理等已知步驟,故不再贅述;當陶瓷基體1已經預處理之後,即進行本發明主要的電極層3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。
請參考圖3,本發明的電極層3為兩種金屬材料所形成的噴塗層;且兩種金屬材料的濃度呈不同方向的梯度分佈,該電極層3的製作流程如下:將已預處理過的一陶瓷基體1置入連續式電弧或火焰噴塗機的工件架中,該噴塗機為隧道連續式,可直接噴塗該陶瓷基體1的雙面,並具有多工工位的噴頭,每個噴頭可噴射一種所需材料或合金,兩支噴頭可為一組。
如圖4A所示,噴塗開始時,第一噴塗槍11噴射第一金屬材料31,該第一金屬材料31主要使用與陶瓷基體1結合強度佳的金屬,如鎳、鋁等 金屬或其合金,以形成電極層的前段;該第一金屬材料31的濃度隨時間呈遞減分佈,濃度由100%至0%,圖中以空心圓圈示意第一金屬材料31。
如圖4B所示,在第一噴塗槍11噴塗經過大約0.5~1S(秒)後,即噴塗作業達到中間段時,第二噴塗槍12加入作業,第二噴塗槍12負責噴塗焊接性較好的第二金屬材料32,如錫、鋅、銅或其合金等金屬,第一、第二金屬材料31、32混合以形成電極層3的中段;第二金屬材料32的濃度隨時間呈遞增分佈,濃度由0%至100%。
所以在噴塗的中間段,該第一金屬材料31和第二金屬材料32形成有明顯的交界面,該交界面係指兩種金屬材料31、32交雜混合的區域;而不是現有技術中會出現的分界面。
如圖4C所示,噴塗進入末段時,先停止該第一噴塗槍11的作業,僅維持第二噴塗槍12的噴塗作業,使用焊性佳之第二金屬材料32,如錫、鋅、銅等金屬持續噴塗以利後續引線的焊接作業,以形成電極層3的後段。該電極層3的總噴塗厚度為20~100μm。
在前述製作過程中,工件架通過隧道連續噴塗室,按照各工位的參數設置。第一、第二噴頭11、12由程式控制其送絲電壓在0-20V之間以控制噴塗出料量及噴塗時間來形成兩種金屬材料31、32的濃度梯度分佈;噴塗電壓為20-35V,噴塗電流為100-200A,噴塗氣壓為0.5Mpa;總噴塗時間為4-10秒。
完成電極層3噴塗製作後,進行引腳2焊接,焊錫採用錫銅合金。再包封絕緣樹脂層,高溫固化後,測試電氣特性,該絕緣樹脂層即圖1A、1B中所示的絕緣層4。
在前述說明中所謂的“濃度”係指每單位時間內的出料量,例如濃度100%是指在每單位時間內該噴塗機輸出最大量的金屬材料,隨著濃度漸漸 降低,代表該噴塗機減少金屬材料每單位時間的出料量,0%表示噴塗機完全停止輸出。如圖5所示,A線代表第一噴塗槍11輸出的第一金屬材料31的出料量變化曲線,隨時間呈現線性遞減狀態,經第一時間T1後加入第二噴塗槍12作業;B線代表第二噴塗槍12輸出的第二金屬材料32的出料量變化曲線,隨時間呈現線性遞增狀態,當第一噴塗槍11停止噴塗後再經過一第二時間T2才停止該第二噴塗槍12的作業。
此外,在圖3與圖4C在該電極層3上方及下方所繪的三角形,係分別代表第一金屬材料31、第二金屬材料32在電極層3中的濃度變化梯度。例如上方所畫的三角形是從陶瓷基體1的表面向外漸漸縮窄,表示第一金屬材料31的噴塗量是逐漸減少;反之,下方所畫的三角形是從陶瓷基體1的表面向外漸漸變寬,表示第二金屬材料33的噴塗量是逐漸增加。
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。

Claims (10)

  1. 一種電極電子元件,包含:一陶瓷基體,具有相對的兩表面;兩電極層,分別形成於該陶瓷基體的相對兩表面;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,各電極層為兩種或兩種以上賤金屬材料或合金所形成,該電極層中的金屬材料濃度呈線性變化的梯度分佈。
  2. 如請求項1所述的電極電子元件,各該電極層由鋅、銅、錫、鎳、鋁中的兩種或兩種以上的金屬元素材料或合金組成,各該電極層的厚度為20~100μm。
  3. 如請求項2所述的電極電子元件,各該電極層自陶瓷基體的表面向外包括前段、中段以及後段;該前段以第一金屬材料或合金形成;後段以第二金屬材料或合金形成;中段包含該第一金屬材料或合金以及該第二金屬材料或合金。
  4. 如請求項3所述的電極電子元件,該電極層前段的金屬材料濃度自陶瓷基體的表面向外呈線性遞減分佈;該電極層後段的金屬材料濃度自陶瓷基體的表面向外呈線性遞增分佈。
  5. 如請求項3所述的電極電子元件,該電極層的前段是以鎳、鋁或其合金形成;該電極層的後段是以鋅、銅、錫或其合金形成。
  6. 一種製備如請求項1所述電極電子元件的方法,包括:準備一預處理過一陶瓷基體,該陶瓷基體具有相對的兩表面;於該陶瓷基體之每一表面進行電極層噴塗作業,包含: 先以第一金屬材料噴塗於該陶瓷基體的表面,經過一第一時間後,加入第二金屬材料噴塗於該陶瓷基體的表面;先停止該第一金屬材料的噴塗,當第一金屬材料停止噴塗後再經過一第二時間才停止該第二金屬材料的噴塗,以利用該第一金屬材料、第二金屬材料形成一電極層於該陶瓷基體的表面,其中該第一金屬材料第二金屬材料之濃度呈現線性變化的梯度分佈;分別連接兩引腳至該陶瓷基體相對兩表面之電極層;以一絕緣層包覆該陶瓷基體、該電極層及部分的該引腳。
  7. 如請求項6所述電極電子元件的製備方法,先噴塗的該第一金屬材料的濃度自陶瓷基體的表面向外呈線性遞減分佈;後噴塗的第二金屬材料濃度自陶瓷基體的表面向外呈線性遞增分佈;該第一、第二金屬材料同時混合存在的區域形成為一交界面。
  8. 如請求項6所述電極電子元件的製備方法,該第一金屬材料是選自於鎳、鋁或其合金;該第二金屬材料是選自於鋅、銅、錫或其合金;該電極層的厚度為20~100μm。
  9. 如請求項6所述電極電子元件的製備方法,該第一金屬材料及第二金屬材料分別由一第一噴塗槍及一第二噴塗槍輸出,該第一噴塗槍及第二噴塗槍所需的噴塗電壓為20-35V,噴塗電流為100-200A,噴塗氣壓為0.5Mpa,總噴塗時間為4-10秒。
  10. 如請求項6所述電極電子元件的製備方法,該第一時間為0.5~1秒。
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