一种铝电极的压敏电阻及其制备方法与流程

1.本发明属于压敏电阻技术领域，具体涉及一种铝电极的压敏电阻及其制备方法。


背景技术：

2.压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。压敏电阻的响应时间为ns级，比气体放电管快，比tvs管稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。压敏电阻的结电容一般在几百到几千pf的数量级范围，很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中，应用在交流电路的保护中时，因为其结电容较大会增加漏电流，在设计防护电路时需要充分考虑。
3.当加在压敏电阻上的电压低于它的阈值时，流过它的电流极小，它相当于一个阻值无穷大的电阻。也就是说，当加在它上面的电压低于其阈值时，它相当于一个断开状态的开关。当加在压敏电阻上的电压超过它的阈值时，流过它的电流激增，它相当于阻值无穷小的电阻。也就是说，当加在它上面的电压高于其阈值时，它相当于一个闭合状态的开关。
4.压敏电阻采用典型的半导体陶瓷工艺制作。其核心材料为氧化锌，而氧化锌的微观结构中又包括氧化锌晶粒和晶粒周围的晶界层。氧化锌晶粒的电阻率很低，而晶界层的电阻率却很高，晶粒与晶界层的接触面之间形成一个相当于齐纳二极管的势垒，构成一个压敏单元。每个单元的击穿电压大约为3.5v。压敏电阻器内许许多多的这种单元进行串联和并联，便构成了压敏电阻器的基体。串联的单元越多，其击穿电压就越高；基片的横截面积越大，相当于并联的导电路径越多，其允许通过的电流(通流容量)也越大。压敏电阻器在工作时，每个压敏电阻单元都能承担浪涌能量，也就是说整个电阻体都能承担能量，而不是半导体稳压二极管(齐纳二极管)这种只是结区承受电功率，故压敏电阻器比半导体稳压二极管能承受大得多的通过电流。高性能压敏电阻电极需要耐受较高密度电流冲击，电极材料和加工工艺是制造压敏电阻关键技术。
5.而在氧化锌核心结构外，还具有用于导电的电极结构，现有的电极结构均采用具有较好导电性能的金属材料，例如银、铜，但上述材料成本较高，在实际生产中该金属材料的成本占比较高，则要降低成本，就需要对该部分材料进行替换，在保持性能不变的情况下尽可能降低成本。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种铝电极的压敏电阻及其制备方法，由于现有压敏电阻中采用铝材料作为电极的不多，且这种结构本身成本远低于其他贵金属电极，则本发明通过溅射工艺设置恰当的导电层和抗氧化防护层厚度值能够保证其性能可以达到使用条件以及批量化生产。
7.本发明所采用的技术方案为：
8.第一方面，本发明提供一种铝电极的压敏电阻，包括陶瓷层、导电层以及外部电连接结构，导电层分别设置在陶瓷层的两侧端面，并通过同侧对应的外部电连接结构与外部电路连接，导电层包括至少一层铝电极层，所述铝电极层厚度范围为5-20um。
9.结合第一方面，本发明提供第一方面的第一种实施方式，所述铝电极层厚度范围为7-18um。
10.结合第一方面，本发明提供第一方面的第二种实施方式，在铝电极层表面涂覆一层采用镍铜合金或镍的抗氧化的防护层，所述防护层厚度在0.1um-1.0um。
11.结合第一方面，本发明提供第一方面的第三种实施方式，所述导电层还包括至少一层底层过渡层，底层过渡层的厚度不超过0.3um。
12.结合第一方面，本发明提供第一方面的第四种实施方式，所述外部外部点连接结构为电极引脚，所述电极引脚一端伸入压敏电阻中并与铝电极层贴合。
13.结合第一方面，本发明提供第一方面的第五种实施方式，还包括用于包覆整个压敏电阻的绝缘层。
14.第二方面，本发明还提供一种铝电极的压敏电阻制备方法，用于制备上述任一项的压敏电阻，通过溅射工艺形成导电层。
15.结合第二方面，本发明提供第二方面的第一种实施方式，其中，在真空环境或惰性气体环境下，通过若干次实施溅镀步骤以使所述压敏电阻的导电层厚度至对应值；
16.在相邻两次导电层溅镀步骤之间进行冷却处理至80-90℃。
17.结合第二方面的第一种实施方式，本发明提供第二方面的第二种实施方式，其中，在溅镀工艺中所采用的溅镀设备具有若干复合镀膜室，并在相邻复合镀膜室之间设有冷却室，冷却室与复合镀膜室之间为密封连接。
18.结合第二方面的第二种实施方式，本发明提供第二方面的第三种实施方式，该溅镀设备包括预抽室、预溅射室、第一复合镀膜室、第一冷却室、第二复合镀膜室、后过渡室以及第二冷却室。
19.本发明的有益效果为：
20.(1)本发明通过采用铝材料制成的电极层，相较于现有技术中采用的其他贵金属，具有较低的物料成本和制造成本，同时由于确定了有效的厚度范围，才能够实现将原本的贵金属材料替换为铝电极材料，在能够保证其与现有电极材料相同的导电性能，尤其针对铜电极材料或银电极材料；
21.(2)本发明通过溅射镀膜工艺和设备，从而形成一定厚度的铝电极层，并在铝电极表面镀一层抗氧化的合金，(比如镍铜)防止铝材表面常温下被氧化，相较于其他工艺，在提高产品性能的同时，还适用于批量化生产，从而降低制造成本；同时相较于普通的印刷工艺，又能够满足在一定厚度的铝电极材料条件下达到相当的导电性能。
附图说明
22.图1是本发明中压敏电阻的正视图；
23.图2是本发明中压敏电阻将外部绝缘层剖切后的内部平面示意图；
24.图3是本发明中压敏电阻将外部绝缘层剖切后的内部轴测示意图。
25.图中：1-绝缘层，2-电极引脚，3-陶瓷层，4-铝电极层，5-底层过渡层，6-防护层。
20um内，并包括两个端点值。
41.与现有技术相比，铝电极的导电率低于现有常见的银电极和铜电极，则通过限定其厚度和制作工艺，使其能够达到最佳的导电性能和耐冲击性能。
42.通过溅射产线温度控制可以提高导电层厚度增强其导电能力，以弥补其导电率低特点，达到相同的效果，同时铝原子溅射过程中获得能量的能力较银铜材料强，沉积率较高同时，温升较低特点，溅射效率较银铜高。
43.本实施例中采用真空溅射镀膜工艺，对压敏电阻进行制作，其中采用了真空溅射镀膜设备，该设备包括至少两个复度膜室，相邻两个所述复合镀膜室之间设置有第一冷却室，用于将相邻两个复合镀膜室之问的压敏工件温度降低至温度阈值以下；其中，所述第一冷却室与相邻两个所述复合镀膜室密封连接。其中，所述温度阈值取值为80℃-90℃。
44.具体的，复合镀膜室与第一冷却室之间具有供被镀物(本实施例为压敏电阻，在设备中流转生产的压敏电阻半成品也称压敏工件)连续通过通道。其中，第一冷却室可以采用现有多种冷却技术中的一种，本发明根据溅射工艺的特性，将第一冷却室优选配置为：采用分子流冷却技术(惰性气体冷却技术，优选为氮气)将压敏工件降至温度阈值以下。并且所述第一冷却室连接有真空发生装置，在压敏工件温度降低至温度阈值以下后，通过所述真空发生装罝将环境真空度降低到与复合镀膜室真空度相同，或略低于复合镀膜室的真空度，在真空度满足要求后，再将压敏工件从第一冷却室相应的通道移送至下一个复合镀膜室，即可实现连续溅镀。进一步的，在本实施例中，所述复合镀膜室用子溅镀所述压敏电阻的导电层；且所有所述复合镀膜室的温度均低于安全温度阈值，所述安全温度阈值为：280℃～350℃。所述复合镀膜室可以采单面溅射室或双面溅射室：采用单面溅射时，另一面进行冷板冷却。并且，在所述复合镀膜室中设罝有能够增加沉积速度的闭环磁场，增设阳极偏转电场以此缩短溅射时间、提高加工效率。
45.考虑到增加溅射室会增加设备的成本，优选将复合镀膜室配置为两个，所述真空溅射镀膜设备包括依次连接的，预抽室、预溅射室、第一复合镀膜室、第一冷却室、第二复合镀膜室、后镀膜室以及第二冷却室，其中第二冷却室采用分子流冷却。
46.而具体的制作方法如下：首先在真空环境中密封溅镀该压敏电阻的电极层，即上述内容中提到的两层结构设计。先在溅射过渡室内进行底层过渡层5的溅镀，再在第一和第二溅射室内进行铝电极层4的溅镀，并在期间通过冷却室进行冷却。需要说明的是，在进行底层过渡层5的溅射后，不需要进行冷却，只需要控制时间保证进入第一复合镀膜室的温度即可。
47.具体的，在真空环境或惰性气体环境下，通过若干次实施溅镀步骤，以使所述压敏电阻的铝电极层4的厚度达到5-20um，而底层过渡层5的厚度一般不大于0.5um，且仅需要单次溅镀即可形成。当然打底过渡层可以直接选用铝材溅射。由于是在相邻溅镀过程中加入了冷却处理工艺，则在被镀件温度降至上述温度阈值后，才会降低真空度进行下次溅镀步骤。
48.具体的，为了进一步验证该压敏电阻的导电层性能以及采用不同制作工艺条件所产生的区别，本实施例对其进行试验测试。
49.表1，采用丝网印刷银浆方式获得正常生产的压敏电阻产品(以14k621产品8/20us性能达到7ka/cm2为例)
[0050][0051][0052]
表2，采用铜材作为导电层，获得5组不同工艺试样：
[0053][0054]
表3：铝材可直接作为打底层以及导电层，获得5组不同厚度导电层的试样：
[0055][0056]
抽取氧化锌压敏电阻14k621瓷片进行对比实验，该产品芯片直径为13.5mm，溅射瓷片导电层直径11.2mm。试验产品通过焊接包封后进行测试初始电性能和耐受8/20us电流冲击能力检测。8/20us电流冲击首先按照7ka/cm2进行检验，冲击合格产品再新取一组进行8ka/cm2冲击电流测试。要求产品初始漏电流不超过20ua，电流冲击后压敏电压变化率不超过10％，外观无可见损伤。对表1～表3中的工艺1～工艺11所制造的压敏电阻产品进行试验对比试验数据，见下表4-表14：
[0057]
表4：
[0058][0059]
表5：
[0060][0061]
印刷银层厚度达到13um，无法满足8ka/cm2试验。
[0062]
表6：
[0063][0064][0065]
溅射铜层达到5um，无法满足8/20波冲击电流7ka/cm2性能。
[0066]
表7：
[0067][0068]
铜层达到6um，可以满足8/20波冲击电流7ka/cm2性能。然后重新取该工艺产品进行8ka/cm2试验，结果如表8：
[0069]
表8：
[0070][0071]
铜层达到6um，无法完全满足8/20波冲击电流8ka/cm2性能。
[0072]
工艺4产品，在制程室内温度过高，产品出来后表面氧化，焊接不良，未进行性能冲击试验。
[0073]
表9：导电层为6um的铜材试样品已经满足8/20波冲击电流7ka/cm2性能，导电层为7um的铜材试样品直接进行8ka/cm2性能检验。
[0074][0075]
铜层达到7um，可以满足8/20波冲击电流8ka/cm2性能。
[0076]
工艺6产品溅射膜层厚，过程温度较高，产品出来后表面有部分氧化现象，性能满足8ka/cm2要求，但溅射时间长，不利于批量生产需要。
[0077]
表10：
[0078][0079]
铝层达到4.9um，无法满足8/20波冲击电流7ka/cm2性能。
[0080]
表11：
[0081][0082][0083]
铝层达到7.0um，部分产品能满足8/20波冲击电流7ka/cm2性能、大部分不能满足8/20波冲击电流7ka/cm2性能。
[0084]
表12：
[0085][0086]
铝层达到9.3um，满足8/20波冲击电流7ka/cm2性能，然后重新取该工艺产品进行8ka/cm2试验，结果如表13：
[0087]
表13：
[0088][0089]
铝层达到9.3um，部分产品能满足8/20波冲击电流8ka/cm2性能、大部分不能满足8/20波冲击电流8ka/cm2性能。
[0090]
工艺10产品，在制程室内温度过高，产品出来后表面氧化，压敏漏电流超标，不合格。未进行冲击试验。
[0091]
表14：导电层为15.1um的铝材试样品直接进行8ka/cm2性能检验。
[0092][0093]
铝层达到15.0um，满足8/20波冲击电流8ka/cm2性能。
[0094]
综上试验可以得出，13um银印刷层、6um的铜溅射层、9um的铝溅射层在大电流冲击的性能一致，都能满足7ka/cm2的性能要求，铜层和铝层都采用溅射工艺进行生产，由于铝、铜材料的导电率不同，铝材导电率约为铜材的65％，只有通过增加铝材溅射厚度，才能达到与铜材相同的性能。而在生产成本上，以14k621瓷片为例，芯片直径13.5mm，印刷直径11.2mm，银浆耗用量19g/千只，目前银浆单价3500元/kg，千只印刷银浆成本约为66.5元/千只。
[0095]
溅射模板直径11.2mm，铜材密度8.9g/cm3，溅射厚度6um，铜材理论耗用10.52g/千只，而实际溅射过程中，靶材利用率只能达到70％左右，所以实际铜材耗用为15.02g/千只，目前铜价格62000元/吨，62元/kg，加工成铜靶按材料价格的一倍为124元/kg，成本为1.86元/千只。
[0096]
铝材密度2.7g/cm3，溅射厚度9um，铝材理论耗用4.79g/千只，实际耗用6.84g/千只，目前铝价格18800元/吨，加工为铝靶37.6元/kg，成本为0.26元/千只。
[0097]
由上得出，达到同性能的前提下，千只下印刷银层的成本约为溅射铜层的35.8倍，是溅射铝材的255.8倍，且溅射铜材的成本为溅射铝材的7.1倍。溅射铝材作为氧化锌压敏电阻电极的材料，能极大的节约生产成本且大电流耐受能力满足要求，能实现批量生产。
[0098]
而铝电极层4在超过20um之后，不仅喷涂成本较高，且也超过了正常焊接压敏电阻的这种要求，一般达到20um的电极层厚度的压敏电阻均作为阀片电极材料并采用压接的方式。
[0099]
实施例还参照上述工艺号7-11参数设置，不开启镍铜防护层6溅射，溅射出来产品均无法焊接使用。说明带引脚插件压敏电阻用铝材料作为导电层时，电极表面必须要采取可焊接抗氧化的保护层。则只有在7-20um，尤其是7-16um的铝电极层4厚度下，采用了这种保护层结构，既能够保证具有较好的导电性能，同时成本相比较更低，又能够满足压敏电阻的耐雷电流冲击性能，还能满足焊接要求。
[0100]
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。