貼片壓敏電阻的基本知識

即擊穿電壓或閾值電壓。指在規定電流下的電壓值，大多數情況下用1mA直流電流通入壓敏電阻器時(shí)測得的電壓值，其產(chǎn)品的壓敏電壓范圍可以從10－9000V不等?？筛鶕唧w需要正確選用。一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC，式中，Vp為電路額定電壓的峰值。VAC為額定交流電壓的有效值。ZnO壓敏電阻的電壓值選擇是至關(guān)重要的，它關(guān)系到保護效果與使用壽命。如一臺用電器的額定電源電壓為220V，則壓敏電阻電壓值V1mA=1.5Vp=1.5××220V=476V，V1mA=2.2VAC=2.2×220V=484V，因此壓敏電阻的擊穿電壓可選在470－480V之間。

2、所謂通流容量

即最大脈沖電流的峰值是環(huán)境溫度為25℃情況下，對于規定的沖擊電流波形和規定的沖擊電流次數而言，壓敏電壓的變化不超過(guò)± 10％時(shí)的最大脈沖電流值。為了延長(cháng)器件的使用壽命，ZnO壓敏電阻所吸收的浪涌電流幅值應小于手冊中給出的產(chǎn)品最大通流量。然而從保護效果出發(fā)，要求所選用的通流量大一些好。在許多情況下，實(shí)際發(fā)生的通流量是很難精確計算的，則選用2－20KA的產(chǎn)品。如手頭產(chǎn)品的通流量不能滿(mǎn)足使用要求時(shí)，可將幾只單個(gè)的壓敏電阻并聯(lián)使用，并聯(lián)后的壓敏電不變，其通流量為各單只壓敏電阻數值之和。要求并聯(lián)的壓敏電阻伏安特性盡量相同，否則易引起分流不均勻而損壞壓敏電阻。

1 氧化鋅壓敏電阻的發(fā)展
1967年7月，日本松下電器公司無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗室的松岡道雄在研究金屬電極—氧化鋅陶瓷界面時(shí)，無(wú)意中發(fā)現氧化鋅（ZnO）加氧化鉍（Bi2O3）復合陶瓷具有非線(xiàn)性的伏安特性。進(jìn)一步實(shí)驗又發(fā)現，如果在以上二元系陶瓷中再加微量的三氧化二銻（Sb2O3）、三氧化二鈷（Co2O3）、二氧化錳（MnO2）、三氧化二鉻(Cr2O3)等多種氧化物，這種復合陶瓷的非線(xiàn)性系數可以達到50左右，伏安特性類(lèi)似兩只反并聯(lián)的齊納二極管，通流能力不亞于碳化硅（SiC）材料，臨界擊穿電壓可以通過(guò)改變元件尺寸方便地加以調節，而且這種性能優(yōu)異的壓敏元件通過(guò)簡(jiǎn)單的陶瓷工藝就能制造出來(lái)，其性能價(jià)格比極高。
1.1 理論研究
1972年美國通用電氣公司（GE）購買(mǎi)了日本松下電器公司有關(guān)氧化鋅壓敏材料的大部分專(zhuān)利和技術(shù)決竅。自從美國掌握了氧化鋅壓敏陶瓷的制造技術(shù)以后，大規模地進(jìn)行了這種陶瓷材料的基礎研究工作。自80年代起，對氧化鋅壓敏陶瓷材料的研究逐漸走進(jìn)了企業(yè)。迄今為止，主要的理論研究工作都是在美國完成的。主要的研究課題有：
(1) 以解釋宏觀(guān)電性為目的的導電模型的微觀(guān)結構的研究（70～80年代）；
(2) 以材料與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)為目的的配方機理和燒結工藝的研究（70～80年代）；
(3) 氧化鋅壓敏陶瓷材料非線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )拓撲模型的研究（80～90年代）；
(4) 氧化鋅壓敏陶瓷復合粉體的制備研究（80～90年代）；
(5) 納米材料在氧化鋅壓敏陶瓷中的應用研究（90年代）。
1.2 研制開(kāi)發(fā)
70年代末到80年代，基礎理論研究取得了重大進(jìn)展。據不完全統計，截止到1998年，公開(kāi)發(fā)表的論文和專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)等累計達700多篇，其中有關(guān)基礎研究的約占一半。在基礎研究的推動(dòng)下，80～90年代，壓敏陶瓷的材料開(kāi)發(fā)速度大大加快，目前已取得的成果有：
(1) 氧化鋅壓敏陶瓷的電壓梯度已從最初的150V/mm擴散到（20～250）V/mm幾十個(gè)系列，從集成電路到高壓、超高壓輸電系統都可以使用；
(2) 開(kāi)發(fā)出大尺寸元件，直徑達120mm,2ms方波，沖擊電流達到1200A，能量容量平均可達300J/cm3左右；
(3) 汽車(chē)用（85～120）℃工作溫度下的高能元件；
　　(4) 視在介電常數小于500的高頻元件；
　　(5) 壓敏—電容雙功能電磁兼容（EMC）元件；
　　(6) 毫秒級三角波、能量密度750J/cm3以上的低壓高能元件；
　　(7) 老化特性好、電容量大、陡波響應快的無(wú)鉍（Bi）系氧化鋅壓敏元件；
　　(8) 化學(xué)共沉淀法和熱噴霧分解法壓敏電阻復合粉體制備技術(shù)；
　　(9) 壓敏電阻的微波燒結技術(shù)；
　　(10) 無(wú)勢壘氧化鋅大功率線(xiàn)性電阻。


2 壓敏電阻器的應用原理
壓敏電阻器是一種具有瞬態(tài)電壓抑制功能的元件，可以用來(lái)代替瞬態(tài)抑制二極管、齊納二極管和電容器的組合。壓敏電阻器可以對IC及其它設備的電路進(jìn)行保護，防止因靜電放電、浪涌及其它瞬態(tài)電流（如雷擊等）而造成對它們的損壞。使用時(shí)只需將壓敏電阻器并接于被保護的IC或設備電路上，當電壓瞬間高于某一數值時(shí)，壓敏電阻器阻值迅速下降，導通大電流，從而保護IC或電器設備；當電壓低于壓敏電阻器工作電壓值時(shí)，壓敏電阻器阻值極高，近乎開(kāi)路，因而不會(huì )影響器件或電器設備的正常工作。
壓敏電阻器的應用廣泛，從手持式電子產(chǎn)品到工業(yè)設備，其規格與尺寸多種多樣。隨著(zhù)手持式電子產(chǎn)品的廣泛使用，尤其是手機、手提電腦、PDA、數字相機、醫療儀器等，其電路系統的速度要求更高，并且要求工作電壓更低，這就對壓敏電阻器提出了體積更小、性能更高的要求。因此，表面組裝的壓敏電阻器元件也就開(kāi)始大量涌現，而其銷(xiāo)售年增長(cháng)率要高于有引線(xiàn)的壓敏電阻器一倍多。
預計2002年壓敏電阻器的市場(chǎng)增長(cháng)率為13％，其中，多層片式壓敏電阻器市場(chǎng)增長(cháng)率為20％～30％，徑向引線(xiàn)產(chǎn)品增長(cháng)率為5％～10％。需求主要來(lái)自于電源設備，包括DC電源設備、不間斷電源，以及新的消費類(lèi)電子產(chǎn)品，如數字音頻/視頻設備、視頻游戲，數字相機等。片式壓敏電阻器已占美國市場(chǎng)銷(xiāo)售總額的40％～45％。（0402）尺寸的片式壓敏電阻器最受歡迎。0201尺寸的產(chǎn)品尚未上市。AVX公司的0402片式壓敏電阻器有5.6V、9V、14V和18V等幾種電壓范圍的產(chǎn)品，它們的額定功率為50mJ,典型電容值范圍從90pF(18V的產(chǎn)品)～360pF(5.6V的產(chǎn)品)。MaidaDevelopment公司也生產(chǎn)片式系列的壓敏電阻器，但目前只推出了非標準尺寸的產(chǎn)品，1210、1206、0805、0603和0402的產(chǎn)品正在試產(chǎn)。
Littelfuse公司在2000年底前推出0201的產(chǎn)品。AVX和Littelfuse公司已推出電壓抑制器陣列，如AVX推出的Multiguard系列四聯(lián)多層陶瓷瞬態(tài)電壓抑制器陣列（即壓敏電阻器陣列）已經(jīng)被市場(chǎng)接納?？晒澥?0％的板上空間，75％的生產(chǎn)裝配成本。Multiguad系列采用1206型規格。其中有一種雙聯(lián)元件采用0805規格，工作電壓有5.6V、9V、14V和18V等幾種，額定功率為0.1J。AVX公司推出Transfeed多層陶瓷瞬態(tài)電壓抑制器。該產(chǎn)品綜合了公司Transguard系列壓敏電阻器和Feedthru系列電容器/濾波器的功能。采用0805規格。該組件具有性能優(yōu)勢，更快的導通時(shí)間（或稱(chēng)響應時(shí)間，在200ps～250ps之間）和更小的并行系數。
Littelfuse制造的MLN浪涌陣列組件1206規格，內裝4只多層壓敏電阻器。該產(chǎn)品的ESD達到IEC671000－4－2第四級水平。其主要特性包括：感抗(1nH)，相鄰通道串擾典型值50dB（頻率1MHz時(shí)），在額定電壓工作狀態(tài)下，漏電流為5A,工作電壓高達18V，電容值可由用戶(hù)指定。這種MLN貼片組件可用于板級ESD保護，應用領(lǐng)域包括手持式產(chǎn)品、電腦產(chǎn)品、工業(yè)及醫療儀器等。
EPCOS公司推出了T4N－A230XFV集成浪涌抑制器，內含兩只壓敏電阻器和一種短路裝置。該產(chǎn)品用于電信中心局和用戶(hù)線(xiàn)一側的通信設備保護。

3 壓敏電阻的選用
選用壓敏電阻器前，應先了解以下相關(guān)技術(shù)參數：標稱(chēng)電壓（即壓敏電壓）是指在規定的溫度和直流電流下，壓敏電阻器兩端的電壓值。漏電流是指在25℃條件下，當施加最大連續直流電壓時(shí)，壓敏電阻器中流過(guò)的電流值。等級電壓是指壓敏電阻中通過(guò)8／20等級電流脈沖時(shí)在其兩端呈現的電壓峰值。通流量是表示施加規定的脈沖電流（8／20μs）波形時(shí)的峰值電流。浪涌環(huán)境參數包括最大浪涌電流Ipm（或最大浪涌電壓Vpm和浪涌源阻抗Zo）、浪涌脈沖寬度Tt、相鄰兩次浪涌的最小時(shí)間間隔Tm以及在壓敏電阻器的預定工作壽命期內，浪涌脈沖的總次數N等。
3.1 標稱(chēng)電壓選取
一般地說(shuō)，壓敏電阻器常常與被保護器件或裝置并聯(lián)使用，在正常情況下，壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應低于標稱(chēng)電壓，即使在電源波動(dòng)情況最壞時(shí)，也不應高于額定值中選擇的最大連續工作電壓，該最大連續工作電壓值所對應的標稱(chēng)電壓值即為選用值。對于過(guò)壓保護方面的應用，壓敏電壓值應大于實(shí)際電路的電壓值，一般應使用下式進(jìn)行選擇：
VmA＝av／bc
式中：a為電路電壓波動(dòng)系數，一般取1.2；v為電路直流工作電壓（交流時(shí)為有效值）；b為壓敏電壓誤差，一般取0.85；c為元件的老化系數，一般取0.9；
這樣計算得到的VmA實(shí)際數值是直流工作電壓的1．5倍，在交流狀態(tài)下還要考慮峰值，因此計算結果應擴大1．414倍。另外，選用時(shí)還必須注意：
(1) 必須保證在電壓波動(dòng)最大時(shí)，連續工作電壓也不會(huì )超過(guò)最大允許值，否則將縮短壓敏電阻的使用壽命；
(2) 在電源線(xiàn)與大地間使用壓敏電阻時(shí)，有時(shí)由于接地不良而使線(xiàn)與地之間電壓上升，所以通常采用比線(xiàn)與線(xiàn)間使用場(chǎng)合更高標稱(chēng)電壓的壓敏電阻器。
3.2 通流量的選取
通常產(chǎn)品給出的通流量是按產(chǎn)品標準給定的波形、沖擊次數和間隙時(shí)間進(jìn)行脈沖試驗時(shí)產(chǎn)品所能承受的最大電流值。而產(chǎn)品所能承受的沖擊數是波形、幅值和間隙時(shí)間的函數，當電流波形幅值降低50％時(shí)沖擊次數可增加一倍，所以在實(shí)際應用中，壓敏電阻所吸收的浪涌電流應小于產(chǎn)品的最大通流量。
3.3 應 用
圖1所示是采用壓敏電壓器進(jìn)行電路浪涌和瞬變防護時(shí)的電路連接圖。對于壓敏電阻的應用連接，大致可分為四種類(lèi)型：
第一種類(lèi)型是電源線(xiàn)之間或電源線(xiàn)和大地之間的連接，如圖1（a）所示。作為壓敏電阻器，最具有代表性的使用場(chǎng)合是在電源線(xiàn)及長(cháng)距離傳輸的信號線(xiàn)遇到雷擊而使導線(xiàn)存在浪涌脈沖等情況下對電子產(chǎn)品起保護作用。一般在線(xiàn)間接入壓敏電阻器可對線(xiàn)間的感應脈沖有效，而在線(xiàn)與地間接入壓敏電阻則對傳輸線(xiàn)和大地間的感應脈沖有效。若進(jìn)一步將線(xiàn)間連接與線(xiàn)地連接兩種形式組合起來(lái)，則可對浪涌脈沖有更好的吸收作用。
第二種類(lèi)型為負荷中的連接，見(jiàn)圖1（b）。它主要用于對感性負載突然開(kāi)閉引起的感應脈沖進(jìn)行吸收，以防止元件受到破壞。一般來(lái)說(shuō)，只要并聯(lián)在感性負載上就可以了，但根據電流種類(lèi)和能量大小的不同，可以考慮與R－C串聯(lián)吸收電路合用。
第三種類(lèi)型是接點(diǎn)間的連接，見(jiàn)圖1（c）。這種連接主要是為了防止感應電荷開(kāi)關(guān)接點(diǎn)被電弧燒壞的情況發(fā)生，一般與接點(diǎn)并聯(lián)接入壓敏電阻器即可。
　　第四種類(lèi)型主要用于半導體器件的保護連接，見(jiàn)圖1（d）。這種連接方式主要用于可控硅、大功率三極管等半導體器件，一般采用與保護器件并聯(lián)的方式，以限制電壓低于被保護器件的耐壓等級，這對半導體器件是一種有效的保護。

4 氧化鋅壓敏電阻存在的問(wèn)題
　　現有壓敏電阻在配方和性能上分為相互不能替代的兩大類(lèi)：
4.1 高壓型壓敏電阻
高壓型壓敏電阻，其優(yōu)點(diǎn)是電壓梯度高（100～250V/mm）、大電流特性好（V10kA/V1mA≤1.4）但僅對窄脈寬(2≤ms)的過(guò)壓和浪涌有理想的防護能力，能量密度較小，（50～300）J/cm3。
4.2 高能型壓敏電阻
高能型壓敏電阻，其優(yōu)點(diǎn)是能量密度較大（300J/cm3～750J/cm3），承受長(cháng)脈寬浪涌能力強，但電壓梯度較低（20V/mm～500V/mm），大電流特性差（V10kA/V1mA>2.0）。
　　這兩種配方的性能差別造成了許多應用上的“死區”，例如：在10kV電壓等級的輸配電系統中已經(jīng)廣泛采用了真空開(kāi)關(guān)，由于它動(dòng)作速度快、拉弧小，會(huì )在操作瞬間造成極高過(guò)壓和浪涌能量，如果選用高壓型壓敏電阻加以保護（如氧化鋅避雷器），雖然它電壓梯度高、成本較低，但能量容量小，容易損壞；如果選用高能型壓敏電阻，雖然它能量容量大，壽命較長(cháng)，但電壓梯度低，成本太高，是前者的5～13倍。
　　在中小功率變頻電源中，過(guò)壓保護的對象是功率半導體器件，它對壓敏電阻的大電流特性和能量容量的要求都很?chē)栏?，而且要同時(shí)做到元件的小型化。高能型壓敏電阻在能量容量上可以滿(mǎn)足要求，但大電流性能不夠理想，小直徑元件的殘壓比較高，往往達不到限壓要求；高壓型壓敏電阻的大電流特性較好，易于小型化，但能量容量不夠，達不到吸能要求。目前中小功率變頻電源在國內外發(fā)展非常迅速，國內銷(xiāo)售量已近100億元/年，但壓敏電阻在這一領(lǐng)域的應用幾乎還是空白。
　　解決上述問(wèn)題的有效方法是提高高壓型壓敏電阻的能量密度，或提高高能型壓敏電阻的電壓梯度和非線(xiàn)性系數（降低殘壓比），即開(kāi)發(fā)高壓高能型壓敏電阻。


5 應用納米材料改性壓敏電阻
氧化鋅壓敏陶瓷屬體型壓敏材料，電壓、電流特性對稱(chēng)，壓敏電壓和通流能力可以控制，具有很高的非線(xiàn)性系數，成為當今壓敏材料中的一個(gè)重要分支。為了解決高壓型壓敏電阻與高能型壓敏電阻應用上的“死區”，提出添加納米材料進(jìn)行壓敏電阻改性實(shí)驗研究，制得高壓高能型壓敏電阻，將能大幅度提高電壓梯度、非線(xiàn)性系數和能量密度。
到目前為止，在亞微米級前驅粉體基礎上進(jìn)行的各種傳統改性研究（粉體制備方法的改進(jìn)、配方和燒結工藝調整等），均無(wú)法解決高壓高能問(wèn)題，實(shí)現高壓高能壓敏電阻是公認的難題。壓敏行業(yè)的專(zhuān)家普遍認為：發(fā)展多學(xué)科交*研究，利用新技術(shù)、新材料對壓敏電阻進(jìn)行改性是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。在各種新技術(shù)、新材料的應用方面，納米材料已得到廣泛重視，也正在形成一種新的發(fā)展趨勢。目前國內外有相當一批學(xué)者正在著(zhù)手這方面的研究，初步研究結果已經(jīng)顯示出采用納米材料是實(shí)現高壓高能的有效途徑。
　　在國外由前南斯拉夫塞爾維亞科學(xué)院Milosevic1994年使用高能球磨法，制成平均粒徑100nm以下的復合ZnO壓敏電阻粉末，經(jīng)高溫燒結而成的壓敏電阻，非線(xiàn)性系數達到45，燒成密度達到理論密度的99％，而且漏電流比較小。
　　

由此可見(jiàn)，納米材料可以大幅度提高電壓梯度、非線(xiàn)性系數（即降低殘壓比，改善大電流特性）和能量密度，對實(shí)現壓敏電阻和高壓高能具有重要意義。
　　但是，當前文獻報道所涉及的研究方法僅限于全部使用納米材料，這種方法工藝復雜、成本高，不便于生產(chǎn)應用。而在采用納米添加法領(lǐng)域內（使用少量或微量的納米粉與亞微米粉相結合的方法），對壓敏電阻進(jìn)行改性研究，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于：
　　納米添加法具有選擇性，可根據不同的應用需要，有目的地進(jìn)行單組份納米添加實(shí)驗，尋求改性效果最佳的納米材料和添加比例，因而原料成本不會(huì )大幅度增加。
　　制備方法簡(jiǎn)單，基本上改變壓敏電阻的現有生產(chǎn)方法，研究成果便于直接應用到生產(chǎn)實(shí)際中去。

6 結 論
綜上所述，壓敏電阻器應用趨向為：有引線(xiàn)的壓敏電阻器近兩年來(lái)仍有一定幅度的增長(cháng)，目前為總需求的55％～60％；由于手持式電子產(chǎn)品的廣泛使用，片式無(wú)引線(xiàn)壓敏電阻器市場(chǎng)增長(cháng)率將不斷提高，將逐步超過(guò)有引線(xiàn)的壓敏電阻器產(chǎn)量，成為今后的主流產(chǎn)品。在研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面，采用納米添加改性壓敏電阻，研究開(kāi)發(fā)一種全新概念的氧化鋅壓敏電阻，實(shí)現壓敏電阻的高壓高能化，將具有很好的市場(chǎng)前景和實(shí)際應用價(jià)值。