銀粉的表面形態對ZnO壓敏電阻片通流能力的影響

李代穎，張宏亮，程 耿，陳學通

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

壓敏電阻是一種具有非線性伏安特性的限壓型保護器件，主要用于在電路承受過壓時進行電壓嵌位，吸收多余的電流以保護敏感器件，通流容量是其最為重要的電性能指標之一。隨著現代大規模集成電路集成速度和規模的提高，對電路遭受瞬態浪涌電壓破壞的保護要求相應提高。在確保殘壓低、非線性好的條件下，最大限度的提高ZnO壓敏電阻器的通流容量，對提高大規模集成電路及避雷器的運行可靠性起著重要作用[1,2]。通流容量的高低不僅與瓷料的配方組成有關，銀電極對壓敏電阻片的通流容量也有一定影響。在制備電極的銀漿中作為功能相的銀粉，它的形態、物理化學參數與電極的結構性能有一定關系。在壓敏電阻片素片為同一批次的前提下對制備壓敏電阻片電極的銀漿與壓敏電阻器的電性能之間的關系進行研究時，筆者發現銀漿中使用不同形態及物理化學參數的超細銀粉作為導電相對壓敏電阻片的通流容量等存在較大影響。

1 實驗過程

1.1 原材料

ZnO陶瓷基片：采用某家電子公司提供的陶瓷素片，規格14D。

超細銀粉：采用液相化學還原法制備的4種超細銀粉，銀粉編號分別為A、B、C、D,其物理化學參數見表1。

有機載體：采用自制松油醇體系加適量助劑保證漿料具有滿足加工工藝的良好性能。

玻璃相：B/Si/Bi/Zn 等氧化物系過 400 目篩，軟化點500℃。

1.2 制漿

將銀粉/玻璃相/有機載體以 70:3:27(質量比)混合經手工在研缽中研磨至細度小于15 μm，其中作為功能相的4種不同銀粉形貌現圖1。

表1 銀粉A、B、C、D物理化學參數指標

圖1 4種銀粉的SEM圖(a:銀粉A；b:銀粉B；c:銀粉C；d:銀粉D)

1.3 ZnO壓敏電阻器電極制備

ZnO陶瓷素片被銀 先通過絲網印刷將銀漿涂覆于陶瓷基體的一面上，經150℃烘干固化5 min后再對另一面涂覆﹑烘干固化。將烘干后的基片于隧道燒結爐中燒結，燒結主區間溫度為540℃，兩側溫度均為400℃。然后在銀電極上焊出引線，并對基片進行封裝，制成ZnO壓敏電阻器。

1.4 測試儀器

掃描電鏡JSM-6700F，比表面儀Horiba SA-9600，激光粒度儀BT-9300ST，BS1110壓敏電阻通流測試機，自動拉力測試儀SH-500。

2 結果與分析

2.1 燒結結果對比及分析

4種銀粉制成的銀漿經540℃燒結后形成的銀電極表面所拍SEM圖片如圖2所示。在盡量提高通流量的同時，為了保證氧化鋅電阻片的殘壓低、非線形好，需要較低的燒結溫度。本實驗使用的由某電子元器件廠家提供的ZnO陶瓷素片額定燒結溫度為540℃。從圖2中可以看出，采用A號銀粉及C號銀粉制成的銀漿在燒結后已經形成較致密的膜，而采用B、D號銀粉制成的銀漿在燒結后仍未完全致密化，存在較多的孔。對比圖a和圖c可以發現，c中銀顆粒之間結合的更致密，銀顆粒結晶更完整。這可能是銀粉c比表面積較高，燒結活性大，所以在540℃燒結時就能形成致密的銀膜[5,6]。

2.2 銀電極機械性能結果及分析

各銀電極燒結后機械性能測試數據及結果見表2。由表2可知，A號銀粉及C號銀粉制成的電極燒結后可焊性均良好，達到應用要求。C號銀粉制成的電極燒結后拉力達到26.5 N/4 mm2。因燒結不完整，B、D號銀粉制成的電極燒結后可焊性及拉力均較差，達不到封裝要求。

圖2 4種銀粉制成的銀電極表面SEM圖(a:銀粉A燒結后銀電極表面；b:銀粉B燒結后銀電極表面；c:銀粉C燒結后銀電極表面；d:銀粉D燒結后銀電極表面)

表2 銀電極機械性能

2.3 壓敏電阻通流量結果及分析

銀粉A及C制成的銀電極在經焊接引線、封裝成壓敏電阻后進行的通流測試結果見表3及表4。由表3可知，銀粉A制成的銀電極封裝組成的壓敏電阻在進行通流測試時，在電流僅6300 A左右就炸裂，且全部兩面揭蓋。這可能是因為銀電極在540℃燒結條件下尚未完全致密化，銀電極存在薄弱的地方，導致電流分布不均勻，在通流測試中很容易炸裂，減小了通流容量。由表4可知，銀粉C制成的銀電極封裝組成的壓敏電阻在進行通流測試時，在電流達6300 A以上時仍未受損，已經達到了實際應用要求。這說明在較低溫度燒結條件下，采用較高比表面積銀粉制成銀電極的ZnO壓敏電阻具有良好的通流能力。因此，要提高壓敏電阻片的通流能力,根本上就是要通過改善銀電極微觀結構的均勻性,減小晶界層電性能(壓敏電壓、非線性系數等)的分散性,提高電流分布的均勻程度，增加銀電極的有效面積[1,3]。

表3 銀粉A制成的銀電極封裝成壓敏電阻后通流容量

3 結論

本文以自制超細銀粉制備ZnO壓敏電阻電極用銀漿，在陶瓷素片固定及540℃的燒結條件下，發現銀粉的比表面積大小對銀電極的燒結致密程度有較大的影響。采用高比表面積（8.61 m2/g）的超細銀粉制成的銀漿在540℃條件下燒結后銀膜致密平整，銀電極機械性能良好，在進行通流測試時電流達6300 A以上時電極仍未受損。

表4 銀粉C制成的銀電極封裝成壓敏電阻后通流容量

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