银粉的表面形态对ZnO压敏电阻片通流能力的影响

李代颖，张宏亮，程 耿，陈学通

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

0 引言

压敏电阻是一种具有非线性伏安特性的限压型保护器件，主要用于在电路承受过压时进行电压嵌位，吸收多余的电流以保护敏感器件，通流容量是其最为重要的电性能指标之一。随着现代大规模集成电路集成速度和规模的提高，对电路遭受瞬态浪涌电压破坏的保护要求相应提高。在确保残压低、非线性好的条件下，最大限度的提高ZnO压敏电阻器的通流容量，对提高大规模集成电路及避雷器的运行可靠性起着重要作用[1,2]。通流容量的高低不仅与瓷料的配方组成有关，银电极对压敏电阻片的通流容量也有一定影响。在制备电极的银浆中作为功能相的银粉，它的形态、物理化学参数与电极的结构性能有一定关系。在压敏电阻片素片为同一批次的前提下对制备压敏电阻片电极的银浆与压敏电阻器的电性能之间的关系进行研究时，笔者发现银浆中使用不同形态及物理化学参数的超细银粉作为导电相对压敏电阻片的通流容量等存在较大影响。

1 实验过程

1.1 原材料

ZnO陶瓷基片：采用某家电子公司提供的陶瓷素片，规格14D。

超细银粉：采用液相化学还原法制备的4种超细银粉，银粉编号分别为A、B、C、D,其物理化学参数见表1。

有机载体：采用自制松油醇体系加适量助剂保证浆料具有满足加工工艺的良好性能。

玻璃相：B/Si/Bi/Zn 等氧化物系过 400 目筛，软化点500℃。

1.2 制浆

将银粉/玻璃相/有机载体以 70:3:27(质量比)混合经手工在研钵中研磨至细度小于15 μm，其中作为功能相的4种不同银粉形貌现图1。

表1 银粉A、B、C、D物理化学参数指标

图1 4种银粉的SEM图(a:银粉A；b:银粉B；c:银粉C；d:银粉D)

1.3 ZnO压敏电阻器电极制备

ZnO陶瓷素片被银 先通过丝网印刷将银浆涂覆于陶瓷基体的一面上，经150℃烘干固化5 min后再对另一面涂覆﹑烘干固化。将烘干后的基片于隧道烧结炉中烧结，烧结主区间温度为540℃，两侧温度均为400℃。然后在银电极上焊出引线，并对基片进行封装，制成ZnO压敏电阻器。

1.4 测试仪器

扫描电镜JSM-6700F，比表面仪Horiba SA-9600，激光粒度仪BT-9300ST，BS1110压敏电阻通流测试机，自动拉力测试仪SH-500。

2 结果与分析

2.1 烧结结果对比及分析

4种银粉制成的银浆经540℃烧结后形成的银电极表面所拍SEM图片如图2所示。在尽量提高通流量的同时，为了保证氧化锌电阻片的残压低、非线形好，需要较低的烧结温度。本实验使用的由某电子元器件厂家提供的ZnO陶瓷素片额定烧结温度为540℃。从图2中可以看出，采用A号银粉及C号银粉制成的银浆在烧结后已经形成较致密的膜，而采用B、D号银粉制成的银浆在烧结后仍未完全致密化，存在较多的孔。对比图a和图c可以发现，c中银颗粒之间结合的更致密，银颗粒结晶更完整。这可能是银粉c比表面积较高，烧结活性大，所以在540℃烧结时就能形成致密的银膜[5,6]。

2.2 银电极机械性能结果及分析

各银电极烧结后机械性能测试数据及结果见表2。由表2可知，A号银粉及C号银粉制成的电极烧结后可焊性均良好，达到应用要求。C号银粉制成的电极烧结后拉力达到26.5 N/4 mm2。因烧结不完整，B、D号银粉制成的电极烧结后可焊性及拉力均较差，达不到封装要求。

图2 4种银粉制成的银电极表面SEM图(a:银粉A烧结后银电极表面；b:银粉B烧结后银电极表面；c:银粉C烧结后银电极表面；d:银粉D烧结后银电极表面)

表2 银电极机械性能

2.3 压敏电阻通流量结果及分析

银粉A及C制成的银电极在经焊接引线、封装成压敏电阻后进行的通流测试结果见表3及表4。由表3可知，银粉A制成的银电极封装组成的压敏电阻在进行通流测试时，在电流仅6300 A左右就炸裂，且全部两面揭盖。这可能是因为银电极在540℃烧结条件下尚未完全致密化，银电极存在薄弱的地方，导致电流分布不均匀，在通流测试中很容易炸裂，减小了通流容量。由表4可知，银粉C制成的银电极封装组成的压敏电阻在进行通流测试时，在电流达6300 A以上时仍未受损，已经达到了实际应用要求。这说明在较低温度烧结条件下，采用较高比表面积银粉制成银电极的ZnO压敏电阻具有良好的通流能力。因此，要提高压敏电阻片的通流能力,根本上就是要通过改善银电极微观结构的均匀性,减小晶界层电性能(压敏电压、非线性系数等)的分散性,提高电流分布的均匀程度，增加银电极的有效面积[1,3]。

表3 银粉A制成的银电极封装成压敏电阻后通流容量

3 结论

本文以自制超细银粉制备ZnO压敏电阻电极用银浆，在陶瓷素片固定及540℃的烧结条件下，发现银粉的比表面积大小对银电极的烧结致密程度有较大的影响。采用高比表面积（8.61 m2/g）的超细银粉制成的银浆在540℃条件下烧结后银膜致密平整，银电极机械性能良好，在进行通流测试时电流达6300 A以上时电极仍未受损。

表4 银粉C制成的银电极封装成压敏电阻后通流容量

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