氧化鋅壓敏電阻瓷片變形改善方法

氧化鋅壓敏電阻器是一種多晶半導體材料^[1]，由于其優(yōu)異的非線(xiàn)性I-V 特性、響應時(shí)間快速以及浪涌吸收能力高而被廣泛應用于通信設備、汽車(chē)工業(yè)、軌道交通系統、輸配電、國防軍工等領(lǐng)域^[2]。氧化鋅壓敏電阻器的工作機理是，當電路中出現雷擊浪涌、轉換浪涌或瞬態(tài)過(guò)電壓浪涌時(shí)，壓敏電阻器內阻急劇下降，迅速導通，從而有效保護電路中其他元件不受過(guò)電壓浪涌的影響^[3]。

在制作氧化鋅壓敏電阻瓷片（以下簡(jiǎn)稱(chēng)瓷片）時(shí)，常發(fā)生燒結變形，變形量過(guò)大的瓷片在后續生產(chǎn)中會(huì )產(chǎn)生刷銀缺失，裂片，焊接不良等缺陷，瓷片變形在行業(yè)中還沒(méi)有非常有效的解決方案，極大的困擾著(zhù)各生產(chǎn)企業(yè)。本文所選用的規格在改善前的變形率普遍在15%~35%。本文從瓷片變形影響因素，對應改善措施，改善效果分析方面論述了瓷片變形改善方法的研究過(guò)程，最終得出了符合預期的控制方法。

1 變形影響因素

1.1 成型坯體質(zhì)量

通常陶瓷生坯成分均勻性越好，體積密度越高，燒結收縮就越小，還能降低燒結溫度，縮短燒結致密化時(shí)間，控制或消除燒結過(guò)程中可能產(chǎn)生的開(kāi)裂、變形、晶粒異常長(cháng)大等缺陷^[4]。

1.2 形狀尺寸

陶瓷生坯可能由于本身形狀差異在燒結過(guò)程中引起燒結變形。張六玲在研究干壓棒狀試樣時(shí)發(fā)現長(cháng)徑比大于6 時(shí)，存在較明顯的密度梯度，且燒結試樣發(fā)生翹曲^[5]。

1.3 燒結液相

氧化鋅壓敏電阻器生坯液相的主要來(lái)源是低熔點(diǎn)物質(zhì)熔解。而粉料的混合不均勻可能導致形成局部液相，發(fā)生部分收縮變形。因此有機添加劑與粉料混合充分可使得成型結構件各部位成分均勻且連續，最終燒結階段各部位收縮一致，即可得到較小變形的瓷片。

1.4 重力

German 與Olevsky 系統的研究了陶瓷在重力作用下的燒結行為^[6]。利用燒結連續理論與有限元方法，引入最小化重力引起的收縮各向異性的算法，并在實(shí)際制備陶瓷過(guò)程中應考慮燒結過(guò)程中重力引起的累積形狀變形，即液相燒結下的尺寸變化。在堆疊燒結中若生坯之間有錯位，也會(huì )因重力作用造成懸空部位坍塌變形。

1.5 燒結溫度場(chǎng)

液相的黏度與數量要隨溫度的變化而劇烈變化，因此燒結熱力場(chǎng)及燒結曲線(xiàn)也是影響致密化收縮的關(guān)鍵因素之一。傳統的加熱爐通過(guò)熱輻射、熱傳導對陶瓷樣品進(jìn)行加熱，其爐腔內的溫度差異會(huì )導致陶瓷內存在熱應力進(jìn)而導致陶瓷不規則變形。

1.6 傳導變形

與生坯直接接觸部位，如墊板本身存在凹凸不平，燒結過(guò)程中生坯中低溫相變?yōu)橐合?，整個(gè)生坯會(huì )隨著(zhù)墊板接觸部分發(fā)生形變，尺寸越薄的生坯表現越明顯。因此所有與生坯接觸的物體都要保持相對平整，如壓片、墊板、檔條等。

2 改善對策

2.1 壓片

在排整齊的生坯上壓上平整的已經(jīng)燒結過(guò)的瓷片，目的是利用壓片的重量壓制生坯燒結過(guò)程中發(fā)生拱板或翹曲，壓片本身的變形量用小于0.3 mm 篩選，使用墊板變形量為1.0 ~1.5 mm。

2.2 減少燒結層數

生坯堆疊燒結后發(fā)現不同層瓷片變形量不同，從下往上變形量逐步遞增，這與重力引起的累積形狀變形相一致。減少燒結層數能將變形量控制在較低水平，但是這將會(huì )降低產(chǎn)量。

2.3 雙層墊板

在保證原來(lái)燒結層數的情況下，中間層加墊一塊墊板。墊板本身變形量挑選小于1.0 mm，中間層墊板四周用略高于下層生坯的墊塊支撐防止接觸下層生坯。雙層墊板的目的也是減少累積形狀變形，同時(shí)又不影響產(chǎn)量。

2.4 新匣缽

匣缽底部會(huì )隨著(zhù)燒結次數的增多發(fā)生變形，下凹或者上凸都有可能。墊板放置在變形的匣缽上也會(huì )隨著(zhù)發(fā)生變形。此驗證主要目的是排除匣缽因素，采用新的平整匣缽，配合變形舊墊板做驗證。

2.5 新墊板

新墊板的變形量非常小，基本都在0.2~0.3 mm 范圍?？山档蛡鬟f變形影響因素。

2.6 立排

立排即采用側面為底面接觸墊板排列，目的是消除瓷片水平方向上的變形。

3 驗證結果

3.1 壓片驗證結果

采用40 mm×40 mm×3.0 mm 瓷片作為壓片壓在生坯上燒結，對于變形有大幅度改善，平均變形率降低到8.2%。改善效果機理：氧化鋅壓敏電阻瓷片燒結是屬于液相燒結為主兼有氣相燒結和固相燒結的燒結過(guò)程，瓷片在燒結過(guò)程中低溫相如富Bi2O3 晶界相溶解為液體，外來(lái)壓應力有助于晶體表面或邊沿質(zhì)點(diǎn)在熱振動(dòng)的情況下克服固態(tài)質(zhì)點(diǎn)的吸引力而擴散到液體中呈分散狀態(tài)，所以粉粒受壓處具有最大的溶解度。其動(dòng)力學(xué)過(guò)程就是固體質(zhì)點(diǎn)將不斷在受壓處溶入液相中，在濃度差的推動(dòng)下以擴散的方式傳遞出去，在適當的低壓處凝結，使接觸點(diǎn)處逐漸平滑化。缺點(diǎn)是需要增加壓片的操作，若在排片時(shí)先壓片，燒結時(shí)不方便檢查片子是否錯位。

3.2 減少燒結層數驗證結果

選用同一規格產(chǎn)品，減少燒結層數，與正常工藝（6層排片燒結，墊板厚度為4.0 mm）的結果進(jìn)行對比。

對比發(fā)現在墊板相同的前提下減少排片層數對變形改善有效果，變形率減小2%~6%。此方法的缺點(diǎn)是影響產(chǎn)能。此外還統計了正常工藝不同層數的變形率，發(fā)現1~5 層沒(méi)有變形不良，而第6 層變形率大幅增加。這與重力引起的累積形狀變形相符合，同一疊瓷片變形量從下往上遞增，到達第6 層時(shí)較多瓷片變形量超出了標準值；還有一個(gè)原因是第1~5 層黑片上下均有瓷片或墊板接觸燒結收縮過(guò)程中存在幾乎相同的摩擦阻力因而收縮趨于一致，而第6 層上表面是空氣，上下摩擦阻力不一致因而造成差異性收縮。

3.3 新匣缽、墊板和立排的驗證結果

表1 為新匣缽舊墊板、雙層墊板和立排3 種方式與正常工藝的對比結果：

由表1 可知：

1）在墊板不改變的情況下，單純使用平整的新匣缽不能改善瓷片變形率；

2）雙層墊板對變形改善效果不佳，因雙層墊板操作費事，且上層墊板中間懸空多次燒結后容易凹陷本文不做過(guò)多研究；

3）立排效果不佳，原因是瓷片側面太薄，在燒結過(guò)程中瓷片上下面發(fā)生不同程度收縮，瓷片側面厚度不足以支撐自身重量而發(fā)生傾倒，此時(shí)燒結溫度還很高，瓷片內還存在液相，傾倒后瓷片之間有層錯進(jìn)而產(chǎn)生變形。

3.4 壓片加新墊板組合

壓片使用0.3 mm 標準篩選過(guò)的40 mm×40 mm×3.0 mm 瓷片，新墊板采用變形量小于0.3 mm 進(jìn)行組合驗證。驗證結果變形率在0~3% 之間，可見(jiàn)這種組合方式可以進(jìn)一步降低瓷片變形率。

4 自制6.0 mm新墊板

4.1 自制墊板變形原因分析

觀(guān)察正常工藝4.0 mm 墊板的變形，分析變形原因主要有三方面，一是燒結匣缽在燒結過(guò)程中會(huì )發(fā)生變形、凸起、下凹等，墊板會(huì )隨同匣缽底部變形而發(fā)生傳導變形；二是自制墊板較薄，本身的變形抗力較低；三是發(fā)現變形較大的墊板底部都存在邊緣積累濾粉及匣缽邊緣積累濾粉。

4.2 考慮外購墊板成本高，且使用壽命較短

本文采用廢棄粉料用油壓機自制6.0 mm厚新墊板，比原來(lái)厚度增加2.0 mm 增強墊板本身的變形抗力。6.0 mm 墊板第1 次燒結后很平整最大的變形量小于0.3 mm，墊板的變形量通過(guò)高度規檢測，即同一面上最高點(diǎn)減去最低點(diǎn)的高度差。

4.3 延長(cháng)匣缽壽命方法

1）及時(shí)更換變形超過(guò)1.0 mm 的匣缽；

2）確保每次燒結后都要將墊板取出清理干凈兩面的濾粉；

3）清理干凈匣缽內四周濾粉；

4）確認匣缽底部平整無(wú)異物。

4.4 自制6.0 mm墊板使用效果

自制6.0 mm 墊板按照延長(cháng)墊板壽命方法使用20 次的后統計瓷片變形率，平均變形率降低到5.1%，相比之前的15%~35% 有很大的改善。測量自制6.0 mm 墊板使用20 次后最大變形率為1.0 mm，平均值為0.6 mm。從瓷片變形率來(lái)看根據以上數據制定墊板使用標準最大變形率不能超過(guò)1.0 mm。

5 結束語(yǔ)

采用降低燒結層數、壓片方式和平整墊板對變形均有較好的改善效果，雙層墊板、新匣缽和立排方式對變形改善效果不佳?？紤]降低燒結層數會(huì )減少一半的產(chǎn)能，在實(shí)際生產(chǎn)中不建議推廣。壓片方式必須保證壓片本身的平整度在0.3 mm 以?xún)葘ψ冃螛藴矢纳撇庞辛己玫男Ч?，壓片方式結合平整墊板可以進(jìn)一步提升變形改善效果。新墊板在自身變形量小于1.0 mm 范圍內能保持較好的使用效果，新墊板按照延長(cháng)墊板壽命方法使用可保證20 次以上。

參考文獻：

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[2] 肖勝根,甘國友,嚴繼康.淺談ZnO壓敏電阻器低壓化[J].佛山陶瓷,2006,16(5):41-44.

[3] 馬德海.影響氧化鋅壓敏電阻性能的因素[J].電子元件與材料,1985:4-8.

[4] 黃勇,楊金龍,謝志鵬,等.高性能陶瓷成型工藝進(jìn)展[J].現代技術(shù)陶瓷,1995:4-11.

[5] 張六玲.棒類(lèi)粉末成形件彎曲變形淺析[J].模具技術(shù),1987(4):45-47.

[6] OLEVSKY E A, GERMAN R M. Effect of gravity on dimensional change during sintering I .Shrinkage anisotropy [J]. Acta Materialia, 2000:1153-1166.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）