工藝溫度對導電聚合物與金屬導體間接觸電阻的影響研究

文/徐楚楠，劉洪平，強晨晨，湯華軍，程浩然

（蕪湖佳宏新材料股份有限公司，安徽蕪湖 241000）

在自控溫伴熱帶等導電聚合物與金屬導體復合制品應用領域，由于金屬導體電極與導電聚合物熱膨脹系數存在差異，界面間會產生接觸電阻，造成復合體系的電阻值大于聚合物半導體電阻值與金屬導體電阻值之和，形成高聚物基半導體材料與金屬導體復合應用的情況。而導電聚合物與金屬導體間接觸電阻的存在會嚴重影響該類結構產品電阻、功率及產品壽命。如果接觸電阻過高，在通電使用過程中經進一步吸濕或化學反應，就會發生氣體小分子，引起界面火花，破壞高分子組成，進而引起發熱體電阻的變化，嚴重影響使用壽命。因此，如何減少直至消除接觸電阻成為值得研究和改善的課題。本文針對工藝溫度與高聚物導電材料的體積電阻率對接觸電阻的影響，開展相關研究，通過實驗對比總結出二者對接觸電阻的影響規律，并總結出有效減少接觸電阻的工藝方法。

1.實驗部分

1.1 原料及實驗設備

原料：（1）一種聚合物半導體材料：美國陶氏DFDA-7540NT線型低密度聚乙烯70phr；卡博特電炭黑XC-72；ZnO,山東興亞新材料股份有限公司；（2）金屬導體：鍍鎳銅絲。

實驗設備：密煉機，型號KCK-160，上海佰弘機械有限公司；平板硫化機，型號EK0.5，上海弈楷儀器有限公司；ST2258C型多功能數字式四探針測試儀，蘇州晶格電子有限公司；功率測試臺；單螺桿擠出機；導絲預熱器；混煉機；等等。

1.2 工藝流程及工藝條件

1.2.1 工藝流程

（1）導電聚合物材料及樣片制備：配料-混煉-造粒-取樣壓片。

（2）導電聚合物與金屬導體復合成品伴熱帶樣品制備：導電聚合物粒料擠出—金屬導體預熱—復合試樣制備。

1.2.2 工藝條件

（1）配料：各種物料所占的比例是質量分數。

（2）混煉：采用熔融混煉工藝；設置密煉室溫度160℃，將LLDPE投入密煉室中，捏煉3min,使樹脂完全熔融；后投入炭黑及氧化鋅，混合捏煉5min后排料；應嚴格控制密煉機的溫度，以防止因物料的分解而影響性能。各對比配方組制樣配料，塑煉時間、助劑添加順序相同。

（3）造粒：設置單螺桿擠出造粒設備；各溫區溫度分別為130℃、140℃、150℃、160℃、170℃，溫度波動±2℃；設置單螺桿轉速180±5r/min，用旋風切粒工藝進行切粒。

（4）制片：硫化機上下平板溫度165℃，壓力3MPa，壓片厚度2mm。

（5）復合樣品擠出：擠出工藝條件，擠出排料溫度150℃；導體預熱溫度，室溫—50℃—70℃—90℃—110℃—130℃—150℃—170℃—190℃—210℃—230℃變量。

2.性能測試標準

2.1 線性低密度聚乙烯基半導體材料體積電阻率測定

以《材料體積電阻率和表面電阻率試驗方法》（GB/T1410—2006）中規定的測試方法為準，工作人員測量樣片電阻率數據。

2.2 芯帶電極間電阻的測定

在恒溫條件下，工作人員利用歐姆表測量1米芯帶兩電極間的電阻，并記錄數據。

2.3 接觸電阻R0的測定

接觸電阻無法通過直接測量的方式來進行測定時，工作人員應采用如下方式進行測定：在恒溫恒濕條件下，對芯帶實驗件兩側涂覆導電銀膠，確保導電銀膠均勻有效附著于導電聚合物芯帶件兩側邊，確保兩側導電銀膠無貫穿連接；分別用歐姆表連接兩金屬導線測定一米芯帶件的米電阻R1進行記錄，然后用歐姆表連接兩側導電銀膠測量米電阻R2進行記錄，那么接觸電阻R0=R1-R2；同時計算比值ρ=R1/R2。

為驗證導電銀膠涂覆的有效性，工作人員還對芯帶件接200V以上電壓U，記錄啟動電流I，接觸電阻r2=U/I；同時計算R2與r2的比值ρ0，即ρ0=R2/r2，當ρ0≤1.1時，認為銀膠涂覆有效，及所測數據有效；而當ρ0＞1.1時，需重新制樣測試。方法原理說明：如果ρ0值較大，超過1.1，可以認為銀膠圖層與導電聚合物間存在一定的接觸電阻，影響數據對比。

2.4 冷熱循環壽命測試

李景慶等人介紹了一種聚合物PTC材料的老化失效規律，重點從聚合物基PTC材料角度研究了該類材料的使用壽命。尚文宇等人介紹了高分子復合型PTC材料穩定性的相關研究成果，從材料配方角度研究了PTC聚合物材料的熱穩定性。本文重點研究金屬導體與聚合物基導電PTC復合產品的失效模式，且所選用配方體系經過長期使用驗證具有優良的耐老化特性，故按照CSA C22.2 NO.130-03標準規定的實驗方法進行產品壽命評估，通過1500次冷熱循環后功率的保持率來評估產品壽命特性。

3.實驗方案

3.1 導電聚合物材料實驗配方

導電聚合物材料實驗采用了5組配方，如表1所示。

表1 實驗基本配方（以重量分數計算，單位：g）

3.2對比組樣本

工作人員采用上述5組材料，使用單螺桿擠出機擠出圖示結構樣件（見圖1），控制半導體材料擠出料溫170±2℃，雙導絲溫度：23℃—50℃—60℃—90℃—110℃—130℃—150℃—170℃—190℃—210℃—230℃變量。

4.結果與討論

4.1 不同炭黑含量下半導體材料體積電阻率的測試結果

不同炭黑含量下半導體材料體積電阻率的測試結果如表2所示。

從表2結果來看，隨著炭黑含量的提高，半導體材料的體積電阻率逐漸變小。分析認為，隨著炭黑含量的提高，聚合物基體中形成更多的導電通路，導電性提高，電阻率下降。說明在本實驗的炭黑含量范圍內，隨著炭黑含量的提高，導電聚合物材料的體積電阻率值減小。本文重點研究導體溫度對接觸電阻的影響，筆者認為該5組不同電阻率基材可以滿足研究需要，暫不做更多擴展與增加。

表2 不同炭黑含量下導電聚合物材料體積電阻率測試結果

4.2 導體預熱溫度對芯帶實驗件米電阻的影響

筆者選用3#配方作為研究對象，進行后續研究，研究結果如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著金屬導體預熱溫度的提高，芯帶實驗樣兩金屬導體間接觸電阻，即導電聚合物材料電阻與接觸電阻的加和，呈現先下降后趨于平穩的變化規律，且在導電聚合物材料擠出排料溫度150℃之前，呈現明顯下降趨勢，在150℃以后呈現平穩不變的趨勢；而芯帶實驗樣兩條導電涂層間所測電阻值，即導電聚合物材料電阻，呈現平穩略有下降的的趨勢，且在導體溫度高于170℃以后，兩電阻值結果非常接近。

4.3 導體預熱溫度對芯帶實驗件導電聚合物材料與金屬導體材料間接觸電阻的影響

從圖3可以看出，隨著金屬導體預熱溫度的提高，實驗樣接觸電阻呈現先減小后趨于平穩的變化規律，且在導電聚合物材料擠出排料溫度150℃之前，接觸電阻呈現明顯減小趨勢，在150℃以后呈現趨于平穩并無限接近于0的趨勢。相應的ρ值在150℃之前呈現逐漸減小的趨勢，在高于150℃以后，呈現曲線接近于1的趨勢。以上所有變化規律表明，在金屬導體預熱溫度不低于導電聚合物材料擠出料溫時，二者之間的接觸電阻趨近于0。不同炭黑含量的3種導電聚合物材料呈現出相近的變化規律。分析認為，當金屬導體溫度低于導電聚合物材料擠出料溫，二者接觸時，導電聚合物溫度高于金屬導體溫度，熱量由聚合物向金屬導體傳遞，導致導電聚合物溫度下降，材料體積收縮，從而造成導電聚合物材料與金屬導體間出現微小間隙，使二者出現接觸電阻，且金屬導體溫度越低，二者之間溫差越大，二者接觸后熱傳遞越快，導電聚合物材料溫度降越多，體積收縮越大，從而導致形成的間隙越大，必然造成接觸電阻變大。而當金屬導體溫度高于導電聚合物材料擠出料溫，二者接觸時，熱量由金屬導體向導電聚合物傳遞，使處于熔融狀態的導電聚合物黏度降低、流動性變大，從而更好地貼附于金屬導體表面，使二者間間隙趨于0，表現出接觸電阻亦趨于0。

4.4 1500次冷熱循環測試后功率保持率

筆者依據CSA C22.2NO.130-03標準實驗1500次冷熱循環測試，通過檢測伴熱帶樣品經過1500次冷熱循環老化實驗后的功率保持率來衡量產品使用壽命。從表3數據可以看出，隨著導體溫度的升高，在110℃之前，功率保持率緩慢升高；在130℃以上，功率保持率迅速升高，并在170℃以上維持在98%以上。該趨勢與金屬導體溫度對接觸電阻的相關性規律保持一致。該數據表明，導體溫度升高，金屬導體與導電聚合物間形成緊密結合，接觸電阻降低，從而更有利于產品在冷熱循環過程中的功率保持。

表3 功率保持率（以重量分數計算）

5.結語

導電聚合物與金屬導體復合構件，其接觸界面存在接觸電阻，而加工工藝溫度的設計可以有效減小接觸電阻。在導電聚合物加工溫度較固定的前提下，隨著金屬導體溫度的提升，其界面接觸電阻減小，且金屬導體溫度在聚合混合物中熔點最高的樹脂基體熔點以上，且在擠出熔體溫度以下時，導體溫度對接觸電阻的減小作用更大；當金屬導體溫度在導電聚合物材料加工物料溫度以上時，其界面接觸電阻穩定并接近于零值。