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)異的非線性I-V 特性、響應時間快速以及浪涌吸收能力高而被廣泛應用于通信設備、汽車工業(yè)、軌道交通系統(tǒng)、輸配電、國防軍工等領域^[2]。氧化鋅壓敏電阻器的工作機理是，當電路中出現(xiàn)雷擊浪涌、轉(zhuǎn)換浪涌或瞬態(tài)過電壓浪涌時，壓敏電阻器內(nèi)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電壓浪涌的影響^[3]。

在制作氧化鋅壓敏電阻瓷片（以下簡稱瓷片）時，常發(fā)生燒結(jié)變形，變形量過大的瓷片在后續(xù)生產(chǎn)中會產(chǎn)生刷銀缺失，裂片，焊接不良等缺陷，瓷片變形在行業(yè)中還沒有非常有效的解決方案，極大的困擾著各生產(chǎn)企業(yè)。本文所選用的規(guī)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(jié)收縮就越小，還能降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)致密化時間，控制或消除燒結(jié)過程中可能產(chǎn)生的開裂、變形、晶粒異常長大等缺陷^[4]。

1.2 形狀尺寸

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

1.3 燒結(jié)液相

氧化鋅壓敏電阻器生坯液相的主要來源是低熔點物質(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(jié)構(gòu)件各部位成分均勻且連續(xù)，最終燒結(jié)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(tǒng)的研究了陶瓷在重力作用下的燒結(jié)行為^[6]。利用燒結(jié)連續(xù)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，并在實際制備陶瓷過程中應考慮燒結(jié)過程中重力引起的累積形狀變形，即液相燒結(jié)下的尺寸變化。在堆疊燒結(jié)中若生坯之間有錯位，也會因重力作用造成懸空部位坍塌變形。

1.5 燒結(jié)溫度場

液相的黏度與數(shù)量要隨溫度的變化而劇烈變化，因此燒結(jié)熱力場及燒結(jié)曲線也是影響致密化收縮的關鍵因素之一。傳統(tǒng)的加熱爐通過熱輻射、熱傳導對陶瓷樣品進行加熱，其爐腔內(nèi)的溫度差異會導致陶瓷內(nèi)存在熱應力進而導致陶瓷不規(guī)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(jié)過程中生坯中低溫相變?yōu)橐合?，整個生坯會隨著墊板接觸部分發(fā)生形變，尺寸越薄的生坯表現(xiàn)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(jié)過的瓷片，目的是利用壓片的重量壓制生坯燒結(jié)過程中發(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(jié)層數(shù)

生坯堆疊燒結(jié)后發(fā)現(xiàn)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(jié)層數(shù)能將變形量控制在較低水平，但是這將會降低產(chǎn)量。

2.3 雙層墊板

在保證原來燒結(jié)層數(shù)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，同時又不影響產(chǎn)量。

2.4 新匣缽

匣缽底部會隨著燒結(jié)次數(shù)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隨著發(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(cè)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(jié)果

3.1 壓片驗證結(jié)果

采用40 mm×40 mm×3.0 mm 瓷片作為壓片壓在生坯上燒結(jié)，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(jié)是屬于液相燒結(jié)為主兼有氣相燒結(jié)和固相燒結(jié)的燒結(jié)過程，瓷片在燒結(jié)過程中低溫相如富Bi2O3 晶界相溶解為液體，外來壓應力有助于晶體表面或邊沿質(zhì)點在熱振動的情況下克服固態(tài)質(zhì)點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。其動力學過程就是固體質(zhì)點將不斷在受壓處溶入液相中，在濃度差的推動下以擴散的方式傳遞出去，在適當?shù)牡蛪禾幠Y(jié)，使接觸點處逐漸平滑化。缺點是需要增加壓片的操作，若在排片時先壓片，燒結(jié)時不方便檢查片子是否錯位。

3.2 減少燒結(jié)層數(shù)驗證結(jié)果

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

對比發(fā)現(xiàn)在墊板相同的前提下減少排片層數(shù)對變形改善有效果，變形率減小2%~6%。此方法的缺點是影響產(chǎn)能。此外還統(tǒng)計了正常工藝不同層數(shù)的變形率，發(fā)現(xiàn)1~5 層沒有變形不良，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 層時較多瓷片變形量超出了標準值；還有一個原因是第1~5 層黑片上下均有瓷片或墊板接觸燒結(jié)收縮過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(jié)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(jié)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(jié)后容易凹陷本文不做過多研究；

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

3.4 壓片加新墊板組合

壓片使用0.3 mm 標準篩選過的40 mm×40 mm×3.0 mm 瓷片，新墊板采用變形量小于0.3 mm 進行組合驗證。驗證結(jié)果變形率在0~3% 之間，可見這種組合方式可以進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(jié)匣缽在燒結(jié)過程中會發(fā)生變形、凸起、下凹等，墊板會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(xiàn)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(jié)后很平整最大的變形量小于0.3 mm，墊板的變形量通過高度規(guī)檢測，即同一面上最高點減去最低點的高度差。

4.3 延長匣缽壽命方法

1）及時更換變形超過1.0 mm 的匣缽；

2）確保每次燒結(jié)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(nèi)四周濾粉；

4）確認匣缽底部平整無異物。

4.4 自制6.0 mm墊板使用效果

自制6.0 mm 墊板按照延長墊板壽命方法使用20 次的后統(tǒng)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。從瓷片變形率來看根據(jù)以上數(shù)據(jù)制定墊板使用標準最大變形率不能超過1.0 mm。

5 結(jié)束語

采用降低燒結(jié)層數(shù)、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。考慮降低燒結(jié)層數(shù)會減少一半的產(chǎn)能，在實際生產(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 以內(nèi)對變形標準改善才有良好的效果，壓片方式結(jié)合平整墊板可以進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(nèi)能保持較好的使用效果，新墊板按照延長墊板壽命方法使用可保證20 次以上。

參考文獻：

[1] 陳立軍.ZnO壓敏電阻器制備新技術研究[D].西安:西安電子科技大學,2001.

[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展[J].現(xiàn)代技術陶瓷,1995:4-11.

[5] 張六玲.棒類粉末成形件彎曲變形淺析[J].模具技術,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.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）