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发布时间： 2016/6/22 13:00:13 | 416 次阅读
1引言
现代集成电路规模和速度的提高，对电子元件要求越来越严格。如小型化、高性能化、薄型化、轻型化、电容的大容量化、电阻的抗高浪涌能力等。随着表面封装技术的迅速发展与普及，表面封装元件（SMC）在电子设备中的占有率稳步提高。1997年，世界发达国家的元器件片式化率已达70％以上，全世界的平均片式化率达40％以上。2000年，全世界片式元器件的产量约达6000亿只，片式化率达70％以上。
2多层片式压敏电阻器的应用
多层片式压敏电阻器是由多个分立压敏电阻器并联构成的，具有体积小，通流容量大，表面安装性好和易实现低压化等优点。作为一种小型化、高性能抑制浪涌元件，迄今被广泛应用于IC保护、CMOS、MOSFET器件保护以及汽车电子线路保护等各个领域，如图1～图4所示。在西德，这类多层片式压敏电阻器的市场占有率已达到15％，在美国，已占市场销售的40％～50％。预计今年多层片式压敏电阻器市场的增长率为20％～30％，需求主要来自于电源设备，包括DC电源设备、不间断电源，以及新的消费类电子产品，如数字声频／频率设备，视频游戏，数字相机等。
在多层片式压敏电阻器中，0402规格的产品。另外，有的公司已经推出电压抑制器阵列，如AVX公司推出的Multiguard系列4联多层陶瓷瞬态电压抑制器组件（即压敏电阻器组件）已经被市场接纳，可节省50％的板上空间，75％的生产装配成本。AVX公司还推出Transfeed多层陶瓷瞬态电压抑制器。该产品综合了Transguard系列压敏电阻器和Feedthru系列电容器／滤波器的功能。该组件具有导通时间（或称响应时间）更短（200ps～250ps）、并行系数更小的性能优势。
Littelfuse制造的MLN浪涌阵列1206规格组件，内装4只多层压敏电阻器。该产品的ESD达到IEC671000-4-2第4级水平。主要特性包括：感抗小于1nH，相邻信道串扰典型值为50dB（频率为1MHz时），电容值可由用户指定。这种MLN贴片式组件可用于板级ESD保护，应用领域包括掌上型产品、计算机产品、工业及医疗仪器等。
EPCOS公司推出了T4N-A230XFV集成浪涌抑制器，内含两只压敏电阻器和一种短路装置。该产品用于电信中心局和用户线一侧的通信设备保护。
3多层片式压敏电阻器的研制
3.1生片材料
3.1.1ZnO系
ZnO系是比较理想的一种多层片式元件材料，多层片式陶瓷配方常规用ZnO-Bi2O3-Sb2O3系统配方，其中添加物Sb2O3、Co2O3各为1mol％；Bi2O3、Cr2O3MnO分别为0.5mol％。一般用Pd30-Ag70作内电极。
因内电极材料中的钯易与铋反应，以低熔点玻璃（硼硅酸铅锌玻璃是由B2O3、PbO、ZnO、SiO2按适当比例混合，经800℃烧结2h后淬火而得到）代替普通ZnO压敏电阻器中的Bi2O3，可具有较低的烧结温度，一般为1000℃～1250℃。
另外，在ZnOV2O5的基础上，加入适量的Mn、Co、Ni、Nb等金属的氧化物和Na玻璃，用传统的陶瓷工艺或微波烧结工艺，利用AgPd合金为元件的内电极在较低温度（900℃）下可制得性能良好的片式元件。该元件的性能受工艺条件影响较大，在优化工艺参数情况下，可得到α为30，击穿场强为250V/mm，漏电流IL为50μA/cm2的产品。
3.1.2钛酸锶系
SrTiO3系材料颗粒晶界击穿电压为0.8V，非线性系数α较低，且其烧结温度高（>1350℃），故要使其作为多层片式压敏电阻器材料，必须降低其烧结温度。Ueno，Iwao等人以SrTiO3为主要材料（95mol％以上），再掺加适量Nb2O5、Ta2O5、SiO2、MnO2、Sb2O3、Bi2O3、Co2O3、CuO等，内电极材料用Ni加Li2CO3或Na2CO3，在1000℃～1100℃保温1h～2h，后经研磨去边，再在两端涂上与内电极材料一样的内层外电极，在1250℃下还原，保温时间为2h～5h，之后再施加一层Ag外层外电极，在大气中于850℃下烧成。
3.1.3钛酸钡系
Arashi，Tomohiro等人以（Ba1－x－yCaxSry）m(Ti1－zZrz)O3为主要材料（0.1≤x≤0.4，0.1≤y≤0.4，0.1≤z≤0.3，0.9≤m≤1.2）；以SiO2或Al2O3为次要材料，掺量不超过（wt）5％，以Si或Al代替Cr，使得抗浪涌性能得到改善；掺入包括改善非线性系数的物质，如Mn掺量（wt）0.05％～1％；掺加还包括了改善介电常数温度系数、介电损耗和提高非线性系数的物质，如MgO、Fe2O3、CoO、NiO、CuO、ZnO、SnO2、Sb2O3、Bi2O3等，还至少掺加Nb2O5、Ta2O5、Y2O3、WO3、La2O3、CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3、Lu2O3等中的一种，其掺量不超过（wt）5％。以Ni或Ni合金为内电极，在1300℃烧结，保温时间为1h～3h，氧分压为1×10－8atm～1×10－12atm。
3.1.4SiC系
Nakamura，Kazutaka等人以SiC为主要材料，掺加了SiO2、Bi2O3、PbO、B2O3、ZnO等，掺量为0.1mol％～20mol％。以Pt、Au、Ag、Pd、、AgPd、Ni和Cu为内电极。在700℃～1100℃下烧结，晶粒尺寸在1.0μm～10μm。该系列的多层片式压敏电阻器的电容量小（1MHz下为10pF～30pF）,α为10～30，且抗浪涌能力好。可用在高频电路中。
3.2内电极材料
3.2.1Pd对含Bi的ZnO多层片式压敏电阻器性能的影响
为了降低烧成温度，提高压敏性能，在主成分ZnO中往往需添加少量的Bi2O3，而组成中的Bi与电极材料中的Pd易起反应，因此Pd的含量要适当地加以控制。上野靖司等研究发现，当使用Ag-Pd电极材料时，Ag与Pd的比例符合Ag：Pd=（1－x）：x（0.05≤x≤0.5）则可抑制内电极Pd与烧结体中的Bi的反应，还可抑制Ag的扩散。将Pd含量进一步减少(0.05≤x≤0.15)，则效果更好，不仅使内电极的电阻率减小，并使耐浪涌量和静电耐量得到进一步改善。
3.2.2贱金属材料的应用
Ni电极的化学稳定性比Ag和AgPd电极好，机械强度高，电极的浸润性和耐热性也较好。存在的问题是如何解决Ni电极比陶瓷层收缩速度快（易造成陶瓷介质层再分层的现象）和如何减轻或避免Ni电极氧化。日本松下电子元件公司利用Ni作为内电极，在1250℃以下烧成钛酸锶多层片式压敏电阻器。该多层片式电阻器的主要组成以钛酸锶为主，将A位/B位的比率取作富A位（Sr），在其组成内，另添加Mn-SiO2-TiO2系的低熔点助熔剂。先在大气中将粘结剂排出，再置于还原气氛下，使材料半导化与Ni电极的金属化同时进行；随后，再在大气中烧成，使材料再氧化与外电极的烧渗同时进行。
3.2.3内电极材料的改进
在内电极材料中，添加0.5％～10％（wt）玻璃材料，利用其易扩散到ZnO晶界处的特点，以改善电极与烧结体的粘合强度和烧结体的烧结性，使压敏电压分散性和耐浪涌量的变化率得到改善，可分别减少25％和70％。
另外，在Pt内电极材料中，加入0.01％～10％（wt）稀土氧化物（如La2O3，Sm2O3，Ce2O3等），利用其提供充分的氧，扩散到ZnO的晶界处，使非线性系数由原来不到20提高到30以上。
3.2.4内电极形状和结构的改进
在改进电极形状方面，采用梳状内电极，减少多层片式体在烧成过程中因生片内有机物向外逸散引起内电极层从生片上剥离和生片间的分层现象，使压敏电压和电容量的分散性分别减少80％和60％。
在高温烧成过程中，表、底层的成分容易挥发而引起组成的改变，将导致表面漏电流的增加和耐浪涌能力的下降。将表、底层内的电极印刷长度比里层电极的印刷长度缩短一半。可使改进结构的样品的耐浪涌能力和漏电流特性得到明显改善。
Nakamura、Kazutaka等人调整Tx/T（1.5～3.0）和Ty/T（≥1）的数值，可以得到高的耐浪涌能力。T为指陶瓷层的厚度，Tx为内电极与陶瓷边缘的距离，Ty为外层电极与烧结体表面之间的距离。
Hadano,Kenjiro等人为了改善内电极与外电极的接触，使它们之间的接触电阻下降，降低限制电压，增大峰值电流和能量耐量，把除了表、底两层内电极外的内电极都分为两层，中间用小于1/4有效陶瓷层厚度的无效层隔开。
3.3多层结构
采用两种不同生片厚度，在厚的生片上印刷内电极材料，然后将印有电极的厚生片和未印电极的薄生片依次叠合起来。利用该改进制法，压敏电压和电容量的分散性均分别降低到过去的1/8～1/10左右，且耐浪涌量和限制电压比特性都得到改善。
在两内电极间，再插入1片或1片以上印有非接触（不延伸到端头）内电极的生片，使得位于内电极与非接触内电极之间的晶粒控制在2个以内，这可使非线性系数提高到40，压敏电压变化率减小10倍以上。
多层片式压敏电阻器存在“枕形”现象。在未印有电极的边缘部分，印刷上与生片同一材料的介质浆料，使整个生片厚度保持一致。这对减少压敏电压的变化，提高多层片式电阻器的使用可靠性有明显的效果。
另外，在叠合的生片之间增插一层多孔陶瓷生片，可起到减少其漏电流的效果；在多层片式压敏电阻器的表底两面印刷上电极，以扩大其电极的有效面积，使耐浪涌能力得到提高。
在形状上，还有圆筒状多层片式结构，其外形与圆筒状生片电阻器（MELF片式电阻器）相类似，具有不同编带、安装方便、成本低等优点。
Ahn,ByeungJoon等人把一种低介电常数的陶瓷层作为支撑层，在其上印刷包封层，内电极层（0.1mm～1mm厚）和压敏电阻层，而制得低电容量的压敏电阻器（电容量<10pF），用以满足信号高速传输（传输速度超过1MHz）的要求。
3.4表面处理
日本近腾昭仁等人采用将烧成后的多层片式压敏电阻体置于包含CuO，Li2O，Ag2O，K2O等氧化物的Al2O3和MgO的混合材料内，在500℃～900℃下热处理10min～60min，利用元素Cu、Li、Ag或K等扩散到多层片式体内部，使部分的ZnO结晶变成绝缘体，比电阻明显增大，加上外面形成的均匀高阻绝缘层，可提高多层片式压敏电阻体的防潮性和耐浪涌能力，使压敏电压的变化率减少。
另外，还有用Fe2O3、Ni、Cu在外层罩一层保护层。Ueno等人利用Ni或Ni化合物，加上Si、Ti、Al、Mg、Zr的化合物，在加上3g/100ml～6g/100ml的铅玻璃，给烧结体罩一层1μm～3μm的保护层，然后在其上罩一层玻璃层。该玻璃层的组成以Si、Ti、Al的有机盐为主要材料,加入改性剂Na、Li、K、Bi、B、Pb；为了提高其机械强度和韧性，加入0.5％～2.0％（wt）的针状晶体Al2O3、Ti2O3、ZnO、SiC、Si3N4、SiO2或碳纤维、玻璃纤维（长度≤5.0μm,直径≤1.0μm）；为了提高与保护层的粘结强度，还加入了0.2％～2.0％（wt）的Bi2O3、Sb2O3。玻璃层的热处理是埋在Si、Ti、Al、Mg、Zr的氧化物中进行加热。经过处理后的样品具有很好的耐湿、耐化学腐蚀能力、很好的机械强度及良好的绝缘性能。
4结束语
为了适应各类小型化电子产品全面抑制浪涌的需要，片式多层压敏电阻器的应用领域将进一步扩大。因此需要进一步改进与提高现有产品性能（包括低压性能、通流特性、稳定性与可靠性等），进一步开发高性能的新材料，对现有材料、电极、结构和工艺进一步提高与改进。
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