霍建华
西安无线电二厂,陕西 西安 71001
1 前言
氧化锌压敏电阻器自发明以来,由于其优良的非线性及耐浪涌能力而被广泛用于电力电子线路的过电压保护之中。其制造工艺与一般电子陶瓷相仿。ZnO压敏电阻器的主要参数有压敏电压、漏电流、非线性系数、8/20波通流容量等。这些电性能的一致性决定着产品的成本及质量水平,是大生产的关键。氧化锌压敏电阻器的一般制造工艺流程如图1。
可以看出,ZnO压敏电阻器的电性能主要由瓷片制备工艺决定,装配工艺起次要作用。ZnO瓷片制备工艺包括以下四个因素：a.配方;b.料浆制备工艺;c.成型工艺;d.烧成工艺。对于已大生产化的压敏电阻器来说,配方是固定不变的;料浆制备工艺也可调整至最佳以保持配方组份的均匀性及喷雾造粒的顺利进行,其工艺是固定不变的;成型工艺为次要作用也可固定不变。这样,烧成工艺对电性能的影响具有决定性作用。
图1 氧化锌压敏电阻器的一般制造工艺流程
国内外已有不少关于烧成制度的研究论文,但大都局限于烧成升降温速度、烧成温度及保温时间的研究。这对压敏电阻的电性能的提高很有帮助,但对整体产品的一致性的提高帮助不大,即产品的一致性不能得到显著改善。因此,提高产品的一致性的关键不在于烧成曲线。为此,有必要对普通烧成工艺进行分析。
在普通烧成工艺中,匣钵垫料的制作如下：70%熟ZnO+30%造粒料,经充分混合均匀后,铺在匣钵内压实,在炉中高温烧结,然后用来烧成产品。这种方法烧成出的产品一致性较差,部分产品U1mA偏高且分散性大、漏电流大、8/20波耐冲击性能不合格。经过仔细研究发现：①匣钵边与中心产品性能有较大差别,边缘产品几乎全坏,与匣钵中心瓷片电性能相比U1mA大、漏电流大,而匣钵中心产品却几乎全好,即坯片在烧成中所处位置对其电性能影响很大。②匣钵中心产品仍有较大的分散性,不能达到理想水平。我们分析认为匣钵材料为多孔的Al2O3材料,因而靠近匣钵内壁产品相对于匣钵中心产品遗失较多的低熔点物于匣钵壁内,造成产品性能劣化,而匣钵中心产品分散性偏大应与以上具有相同的原因,即坯片在烧成中低熔点物的损失仍然太多造成的。
由以上可见,在烧成工艺中,能否尽可能减少坯片中低熔点物质的损失是关键,显然烧成气氛与匣钵内低熔点物质的含量有关。在此烧成气氛是指在高温烧结过程中低熔点物质挥发而在闭口的匣钵内形成的饱和蒸汽。
2 实验方法
2.1 生坯样品的选取
选取同一批大生产瓷料,成型12.5、厚度1.2mm、密度3.3g/cm3,排胶后作为以后烧成用坯片样品。
2.2 烧成温度曲线
采用一般普通烧结温度曲线,烧成温度1200℃,保温时间4h,在以后的实验中这一条件不变。
2.3 烧成气氛实验
烧成气氛由匣钵垫料和坯片两部分低熔点物质的挥发物共同组成。因为烧成时每匣钵所装坯片量是固定的,所以坯片对烧成气氛的贡献也是固定不变的。这样要改善烧成气氛,就需要对匣钵垫料中低熔点物的含量进行调整,以使烧成气氛更加理想,使得烧成出的产品的一致性得到提高,并且缩小因坯片位置不同而造成的电性能分散性。因此,对匣钵垫料作如下研究：
以下制作六种匣钵,其制作方法如下：将Bi2O3、Sb2O3、B2O3等添加剂按瓷料配方配制,经过湿法球磨,烘干,过孔径为71μm筛备用,设为A。然后按以下比例将A与熟ZnO配制：
M=N-/N0
其中,N0为瓷料配方中添加剂所占重量百分比,N-为匣钵垫料中添加剂所占的重量百分比,由下式决定：
N1=A/(熟ZnO+A)
经过充分混匀后铺在匣钵内,压实后在上述烧成曲线下烧结。各种的配制比例如下：
匣钵编号
1#
2#
3#
4#
5#
6#
M
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
1.2
6#匣钵的配制比例与3#匣钵相同,只是6#匣钵的内壁上涂敷有添加剂A。
2.4 试样制备
用以上制备好的生坯样品在6种匣钵内、同一烧成曲线下烧成,得到10、约1mm厚的瓷片,抽样方法完全相同。对6#匣钵,从匣钵边缘依次向中心抽瓷片,得到若干组瓷片。然后被银电极、焊接、包封,完成试样的制备。
3 测试结果及分析
对以上1#～5#试样测量静态和动态性能。静态电性能用压敏三参数测试仪完成,分别测试试样各100只静态U1mA、I\-L求其平均值及方差,如图2、图3所示。动态性能用8/20波1250A冲击两次,测试U1mA冲击前后最大变化率的平均值及其方差,如图4所示。1#及6#匣钵内瓷片性能分布如图5所示。
图2表示压敏电压U1mA及其方差δU与M的关系。可以看出,在M值较低的范围内,压敏电压随着M值的增加而减小,在M值为1.8～1.6之间U1mA变化不大,M值超过1.6则U1mA有所增大,U1mA的方差δU随着M的增大而减小,当M＞0.8时变化不大,说明M值增大,U1mA一致性变好。
图2 压敏电压及其方差与M的关系
图3 漏流及其方差与M的关系
图4 ΔU1mA/U1mA及其方差与M的关系
由图3可见,漏电流IL及其方差δI与M的关系为：随着M值的增大,漏电流IL减小,IL的方差δI减小;M＞1.2后,漏电流及其方差δI变化不大。
图5 瓷片所处位置与压敏电压U的关系n为从匣钵壁起瓷片所处排数
图4表明8/20波冲击后U1mA最大变化率及其随着M值的变化情况,可以看出：ΔU1mA/U1mA及其方差δΔ随着M值增大而减小,在M＞0.8后变化不大。
图5表明瓷片所处位置与压敏电压的关系：1#匣钵烧成产品分散性较大,匣钵边缘瓷片电性能比中心瓷片要劣化得多,而6#匣钵边缘瓷片与中心瓷片电性能差别较小,一致性很好,并且6#匣钵中瓷片平均压敏电压要小于1#匣钵中瓷片平均压敏电压。瓷片其它电性能与其所处位置的关系与以上大体相同。
4 分析与讨论
用扫描电镜对1#匣钵边缘样品及6#匣钵边缘样品进行观察可以看出：1#样表面明显挥发成多孔状,而6#样表面则相对较为完整,对断面进行观察可见1#样内部有较多的气孔,而6#样的气孔则较少,说明6#样比1#样在烧成中的挥发少,晶界较为完整,因而电性能良好。
烧成气氛对压敏电阻器电性能的影响可以解释如下：由于在压敏电阻器配方中存在着较多的低熔点物质如Bi2O3、Sb2O3、B2O3等,在高温烧结过程中会由固态转化为液态,并挥发出部分气态,在匣钵内产生一定浓度的气氛,该气氛浓度与低熔点物的含量形成一个平衡,任何一方在量上的变化都会破坏这个平衡,并且最终达到一个新的平衡。因此,在烧成过程中有如下平衡方程：
如果匣钵垫料中低熔点物质含量低,则以上反应向左进行,即坯片中低熔点物质不断挥发出来形成一定浓度的烧成气氛,匣钵垫料不断从气氛中夺取低熔点物质,最终结果是造成坯片内低熔点物质的大量散失,而低熔点物质对降低电位梯度、改善静态电性能、提高冲击能力是非常重要的。所以,匣钵垫料中的低熔点物质比例越小,其中的低熔点物质损失越严重,产品的电性能越差。反之,加大匣钵垫料中的低熔点物的比例,在高温烧结过程中,匣钵垫料与坯片的气氛浓度保持一致,可以有效地减小坯片中有用的低熔点物质的挥发,从而提高产品的电性能。但是,低熔点物质也不能太多,否则上述反应式向右进行,则坯片配方改变,同样对产品的电性能不利。
5 结论
烧成气氛对压敏电阻器电性能的影响很大,改变烧成气氛可以显著改善烧成产品的整体水平及一致性,通过适当增加匣钵垫料中的低熔点物含量及在匣钵内壁涂敷易挥发添加剂可以显著改善烧成气氛,从而达到提高电性能水平,降低产品分散性的目的。
就本文所涉及的压敏电阻器配方体系来说,匣钵垫料的制作应采取如下方法：
①匣钵垫料中添加剂所占比例应为坯片瓷料配方中添加剂所占比例的0.8～1.2倍。
②匣钵内壁应用添加剂涂敷处理,以保证匣钵边产品与中心产品的一致性
|
网友评论：（只显示最新10条。评论内容只代表网友观点，与本站立场无关！）
