專利名稱：一種多層結(jié)構(gòu)V₂O₃限流元件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種V2O3限流元件的制備方法，特別涉及一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的制備方法。
背景技術(shù)：
長期以來，摻雜BaTiO3陶瓷一直是人們所熟悉的典型PTC材料，施主摻雜BaTiO3陶瓷在居里點(diǎn)附近電阻增加IO3-IO7倍，顯示出顯著的PTC特性。BaTiO3PTC熱敏陶瓷元件在電子設(shè)備、家用電器等方面獲得了極為廣泛的應(yīng)用，但由于其PTC待性來源于陶瓷晶界效應(yīng)，不可避免地受電壓和頻率的影響，同時(shí)在摻雜BaTiO3陶瓷中難以獲得很低的常溫電阻率(〈3 Q _)和較大的通流能力(> 3A )，因而材料在大電流條件下的應(yīng)用受 到限制。讓設(shè)計(jì)人員無法做出更多更好的選擇，阻礙了電子工業(yè)的進(jìn)步。因此，急需提供高電壓和大電流的一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供高電壓和大電流的一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的制備方法。本發(fā)明的一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的制備方法基本構(gòu)思是摻雜V2O3陶瓷是一種新型PTC材料，同BaTiO3陶瓷相比，其PTC效應(yīng)來源于體內(nèi)溫度誘發(fā)的M-I相變，這種體效應(yīng)不受電壓和頻率的影響，而且該材料具有低的常溫電阻率(KT2-IO-4Q cm)和大的通流能力，與BaTiO3等PTC材料比較，它們具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)1、臨界溫度(CTR )范圍窄小，開關(guān)性能特好；2、室溫電阻率為10_2-10_4Q cm,比BaTiO3低2_3個(gè)數(shù)量級，特別適用于大電流強(qiáng)度場合應(yīng)用；3、材料電壓/頻率沒有相關(guān)性，應(yīng)用范圍廣；4、材料熱敏性由體效應(yīng)引起，而BaTiO3系PTC材料由邊晶界引起，V2O3系PTC材材料的特殊性質(zhì)可使元件微型化。因此，可利用材料相變時(shí)電阻率、磁化率的突變而廣泛應(yīng)用于無接觸點(diǎn)熱電開關(guān)，熱動(dòng)繼電器，溫度探測器，智能加熱器，大電流限流元件等。但是V2O3陶瓷與BaTiO3陶瓷熱敏機(jī)理不同，V2O3材料屬于體效應(yīng)材料，M-I相變等熱過程中各晶粒產(chǎn)生非均勻性形變，而陶瓷材料本身又缺乏足夠的塑性形變機(jī)制補(bǔ)償這種非均勻形變.相變時(shí)晶胞體積變化達(dá)1-1.3 %。因此使用和制備過程中產(chǎn)生的應(yīng)力十分巨大，微米晶粒級陶瓷材料容易產(chǎn)生微裂縫，造成電性能穩(wěn)定性差，使用壽命短的致命缺陷，細(xì)化陶瓷晶粒、增加晶界減少應(yīng)力、提高材料韌性是解決問題的有效途徑。本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是克服PTC陶瓷限流元件存在不易低阻化，易分層；V2O3限流元件存在易碎裂，壽命短。本發(fā)明技術(shù)解決方案為
I、采用多層疊片結(jié)構(gòu)來減緩和阻尼應(yīng)力。所謂多層疊片就是指它具有分離的多層限流單元。限流單元之間為具有很好導(dǎo)熱絕緣作用的陶瓷材料層隔開。根據(jù)限流元件的不動(dòng)作電流大小來決定限流單元的設(shè)計(jì)層數(shù)。對于大電流產(chǎn)品(如I>1A)，限流單元的層數(shù)可設(shè)計(jì)為三層或四層結(jié)構(gòu)。這樣相當(dāng)于多個(gè)陶瓷限流元件的并聯(lián)。同時(shí)又分散和阻尼了大電流沖擊下對V2O3功能層產(chǎn)生的巨大熱應(yīng)力。克服了純V2O3導(dǎo)電陶瓷易分層、易碎裂等缺點(diǎn)，大大提聞了兀件使用壽命。2、采用共燒技術(shù)提高產(chǎn)品可靠性。一般多層疊片結(jié)構(gòu)元件都會(huì)遇到一個(gè)要解決低溫共燒的問題；多層疊片結(jié)構(gòu)元件一般用銀作內(nèi)電極或限流熔斷而體，銀漿熔點(diǎn)九百攝氏度多一點(diǎn)，若要實(shí)現(xiàn)共燒，那么瓷體的燒結(jié)溫度一定要小于900攝氏度，而氧化鋁的燒結(jié)溫度在1300攝氏度以上，若要與它匹配，熔體就會(huì)用更高溫的材料，如銀鈀，這樣做一方面成本高了，本發(fā)明由于無需內(nèi)電極，陶瓷層(介質(zhì)陶瓷或稱為介質(zhì)膜)與V2O3功能層(導(dǎo)電陶瓷或稱為功能膜)，也就是介質(zhì)陶瓷與V2O3導(dǎo)電陶瓷的燒結(jié)溫度很接近，通過適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝就能實(shí)現(xiàn)共燒，使各層單元能“熔為一體”從而保證了元件整體致密和內(nèi)部的密封，從而確保了產(chǎn)品的動(dòng)作性能和使用可靠性。3、采用精密流延、切割工藝技術(shù)，提高產(chǎn)品一致性。由于精密流延、切割工藝，使V2O3陶瓷各層限流單元幾何尺寸完全一致，這就保證產(chǎn)品的動(dòng)作時(shí)間具有很好的一致性。限流單元夾在較厚的陶瓷層中間，在保證低內(nèi)阻、高耐沖擊能力的優(yōu)勢情況下，提高了產(chǎn)品一 致性。本發(fā)明的一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的制備方法工藝流程是
配料按配方、工藝要求，配制具有一定物理、電氣性能的材料，以供流延制膜用。干法流延使?jié){料流延成具有一定尺寸、膜厚均勻致密和一定強(qiáng)度的陶瓷膜片。疊壓按產(chǎn)品工藝的設(shè)計(jì)要求，將若干張膜片疊壓成所需厚度的上、下底面保護(hù)層
O通過流延膜層形成具有一定圖形及結(jié)構(gòu)的限流單元層，并形成具有上、下層的疊印坯塊。該工序是產(chǎn)品制作的靈魂，在該工序可以設(shè)計(jì)成任意的圖形、任意的層數(shù)以及任意的連接，可以通過并聯(lián)增加不動(dòng)作電流值。該工序要重點(diǎn)管控的因素有膜厚、干燥速度、漿料的粘度、以及印刷機(jī)的諸多參數(shù)。干燥使坯塊在烘箱內(nèi)經(jīng)規(guī)定時(shí)間和溫度的烘干處理，以排去坯塊內(nèi)功能層可能存在的揮發(fā)性氣體，防止巴塊分層。該工序是較常規(guī)的工藝手段，一般沒有什么問題，但要注意的在使胚塊和單面膠片分離時(shí)不易過快，否則可能引起胚塊的變形，從而給后面的切割帶來麻煩。層壓過程是先將胚塊裝入塑料袋抽真空后再裝入等靜壓機(jī)進(jìn)行層壓。使坯塊中各疊層膜片彼此緊密接觸，形成致密的坯塊，以提高燒結(jié)后瓷體的致密性。再將層壓好的坯塊按照切割線切割成一只只符合要求的芯坯。排膠將芯片均勻地裝入承載板，將承載板連同芯片放入排膠爐，低溫下把有機(jī)物(溶劑、粘合劑、增塑劑)從芯片生坯中排除。燒結(jié)將排膠過的芯坯放入燒結(jié)爐，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)成瓷，使之成為一個(gè)瓷體內(nèi)結(jié)構(gòu)緊密的片式芯片。然后倒角磨去燒成后芯片上鋒利的棱角，充分顯露端面上的內(nèi)電極，以保證內(nèi)外電極的結(jié)合。封端燒銀將芯片兩端頭涂銀，經(jīng)過燒銀，形成銀電極。電鍍在芯片的銀電極上，利用電鍍沉積法分別鍍上鎳金屬層和錫層。利用本發(fā)明的方法能制備出各種規(guī)格的超小型，大電流的限流元件。可以滿足下述技術(shù)指標(biāo)1、尺寸=0402/0603 ;2、常溫電阻0. 2-100 Q ;3、使用壽命>1000次。
具體說來，本發(fā)明的一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的制備方法，其特征是按照以下步驟制備a、介質(zhì)陶瓷粉末、V2O3導(dǎo)電陶瓷粉末分別與粘合劑混合而配制成介質(zhì)陶瓷漿料及導(dǎo)電陶瓷漿料；b、在巴塊模板上用介質(zhì)陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成介質(zhì)陶瓷膜，并用加熱方式使其干燥固化形成陶瓷層；c、在已固化的陶瓷層上用導(dǎo)電陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成導(dǎo)電陶瓷膜；d、用加熱方式使涂布或流延的導(dǎo)電陶瓷膜固化形成V2O3功能層；e、在已固化的V2O3功能層上用介質(zhì)陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成介質(zhì)陶瓷膜；f、用加熱方式使涂布或流延的介質(zhì)陶瓷膜固化形成陶瓷層；g、繼續(xù)執(zhí)行c至f步驟直至形成所需要的陶瓷層或V2O3功能層數(shù)，經(jīng)切割后而制成多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的生坯；h、將上述多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的生坯排膠、燒結(jié)，而制成多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的芯片，再經(jīng)端涂、電鍛工序制成成品。 在本發(fā)明制備方法的步驟g中陶瓷層和V2O3功能層交替疊片，最外層為陶瓷層(介質(zhì)陶瓷或稱為介質(zhì)膜)，V2O3功能層(導(dǎo)電陶瓷或稱為功能膜)疊夾在陶瓷層中，V2O3功能層至少一層。也就是說V2O3功能層可以是一層或一層以上的多層，只要陶瓷層和V2O3功能層交替疊片，最外層為陶瓷層即可。也即在陶瓷芯片總厚度不增加的前提下，改變V2O3功能層和陶瓷層厚度，達(dá)到所需要的交替疊片疊層數(shù)，進(jìn)而改變參數(shù)，以滿足技術(shù)指標(biāo)。本發(fā)明制備方法中，V2O3導(dǎo)電陶瓷電阻率很小，多層結(jié)構(gòu)中無需另外制備內(nèi)電極。與前述現(xiàn)有同類產(chǎn)品相比，本發(fā)明的一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的制備方法解決了己有PTC陶瓷限流元件存在不易低阻化，易分層；V203限流元件存在易碎裂，壽命短等問題。利用本制造方法能制備出各種規(guī)格的超小型，大電流的限流元件。本發(fā)明的內(nèi)容結(jié)合以下實(shí)施例作更進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅限于實(shí)施例中所涉及的內(nèi)容。


圖I是實(shí)施例I中多層疊片工藝原理示意圖。圖2是實(shí)施例I中共燒后一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的疊層體剖面圖。圖3是實(shí)施例2中一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是實(shí)施例3中一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是實(shí)施例4中一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是實(shí)施例5中一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是實(shí)施例6中一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是比較例的結(jié)構(gòu)示意圖?！矆D中符號(hào)說明〕V203功能層I;介質(zhì)陶瓷層2;端電極3。
具體實(shí)施方式
在實(shí)施例中V2O3導(dǎo)電陶瓷電阻率很小，多層結(jié)構(gòu)中無需另外制備內(nèi)電極。采用精密流延、切割工藝，其切割尺寸為0603或0402標(biāo)準(zhǔn)尺寸，陶瓷芯片總厚度尺寸為0. 5-0. 55毫米。根據(jù)陶瓷芯片尺寸推算出電阻公式約為R=PX (L/HXW)=2p/H，H為V2O3功能層膜片總厚度。具體制備方式為I、原料預(yù)燒:^ V2O3，Cr2O3, Fe2O3 按(V0.996Cr0._) O3 + 3wtl% Fe2O3 比例混合球磨后，在H2中于1455°C保溫2小時(shí)預(yù)燒合成，再將預(yù)燒料球磨36小時(shí)，得到最終的V2O3瓷粉；V2O3瓷粉電阻率約2 X 10_3 Q .cm。同樣在1450°C保溫2小時(shí)預(yù)燒Al2O3原料得到介質(zhì)陶瓷瓷粉。2、漿料制備按每IOOg瓷體粉料，加入加入22g乙醇和55g三氯乙烯作為有機(jī)溶齊U，并加入4g的磷酸三丁脂作為分散劑，進(jìn)行混合球磨3-5小時(shí)后，再次加入IOg的聚乙烯醇縮丁醛樹脂和54g的乙醇作為粘合劑，并加入9g的鄰苯二甲酸二丁脂作為增塑劑進(jìn)行混合球磨3-5小時(shí)，然后靜置5-8小時(shí)去除氣泡及物理團(tuán)聚，最后進(jìn)行過篩處理獲得流延漿料。3、流延成型利用鋼帶流延機(jī)進(jìn)行流延操作,保持流延速度在600-800mm /mim,控制流延生坯寬度為180mm、厚度為30-50 iim以及長度為180mm，可獲得所需的兩種陶瓷膜片(俗稱巴片)。 4、疊片將兩種巴片放在載板上根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的功能層圖案，膜片采取兩個(gè)方向上交替疊放，陶瓷涂層和V2O3功能層交替疊夾過程參見附圖I，疊層數(shù)為3。將與載板連為一體的印疊體(簡稱巴塊)放置在溫等靜壓機(jī)中作均質(zhì)處理，以備切割成型之用。5、切割將巴塊放在片式元件切割機(jī)的切臺(tái)上，按設(shè)計(jì)生坯尺寸設(shè)定切割參數(shù)，最后獲得多層結(jié)構(gòu)的生坯體。6、共燒將所獲得多層結(jié)構(gòu)的生坯體放在氣氛燒中燒結(jié)。在燒結(jié)過程中升溫和最高燒結(jié)溫度保溫段，氣氛控制在還原或中性氣氛下；設(shè)定合理的燒結(jié)曲線，燒結(jié)出合格阻值范圍的瓷坯。7、端電極制備采用三層端電極電鍍技術(shù)制備電極，該電極具有良好的焊接能力.至止完成完成本發(fā)明的V2O3限流元件芯片制作。實(shí)施例I :如圖I 2所示，本實(shí)施例中一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的制備方法，其特征是按照以下步驟制備a、介質(zhì)陶瓷粉末、V2O3導(dǎo)電陶瓷粉末分別與粘合劑混合而配制成介質(zhì)陶瓷漿料及導(dǎo)電陶瓷漿料；b、在巴塊模板上用介質(zhì)陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成介質(zhì)陶瓷膜，并用加熱方式使其干燥固化形成陶瓷層；c、在已固化的陶瓷層上用導(dǎo)電陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成導(dǎo)電陶瓷膜；d、用加熱方式使涂布或流延的導(dǎo)電陶瓷膜固化形成V2O3功能層；e、在已固化的V2O3功能層上用介質(zhì)陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成介質(zhì)陶瓷膜；f、用加熱方式使涂布或流延的介質(zhì)陶瓷膜固化形成陶瓷層；g、繼續(xù)執(zhí)行c至f步驟直至形成所需要的陶瓷層或V2O3功能層數(shù)，經(jīng)切割后而制成多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的生坯；h、將上述多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的生坯排膠、燒結(jié)，而制成多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的芯片，再經(jīng)端涂、電鍍工序制成成品。在本實(shí)施例的步驟g中陶瓷層和V2O3功能層交替疊片，最外層為陶瓷層，V2O3功能層疊夾在2層陶瓷層中，V2O3功能層為I層。本實(shí)施例中陶瓷層厚度為0. 05毫米，V2O3功能層厚度為0. 4毫米。也就是在2層陶瓷層中夾I層V2O3功能層時(shí)，陶瓷芯片總厚度為0. 5毫米。其測量結(jié)果見表I。其結(jié)構(gòu)見圖2。實(shí)施例2 :本實(shí)施例與實(shí)施例I相似，所不同的是陶瓷層厚度為0. I毫米，V2O3功能層厚度為0.3毫米。陶瓷層和V2O3功能層交替疊夾，疊層數(shù)為3。也就是在2層陶瓷層中夾I層V2O3功能層時(shí)，陶瓷芯片總厚度為0.5毫米。其測量結(jié)果見表I。其結(jié)構(gòu)見圖3。實(shí)施例3 :本實(shí)施例與實(shí)施例I相似，所不同的是陶瓷層厚度為0. 08毫米，V2O3功能層厚度為0.15毫米。陶瓷層和V2O3功能層交替疊夾，疊層數(shù)為5。也就是在陶瓷層3層、V2O3功能層2層時(shí)，陶瓷芯片總厚度為0.54毫米。其測量結(jié)果見表I。其結(jié)構(gòu)見圖4。實(shí)施例4 :本實(shí)施例與實(shí)施例I相似，所不同的是陶瓷層厚度為0. 05毫米，V2O3功能層厚度為0.1毫米。陶瓷層和V2O3功能層交替疊夾，疊層數(shù)為7。也就是在陶瓷層4層、V2O3功能層3層時(shí)，陶瓷芯片總厚度為0.5毫米。其測量結(jié)果見表I。其結(jié)構(gòu)見圖5。實(shí)施例5 :本實(shí)施例與實(shí)施例I相似，所不同的是陶瓷層厚度為0. 2毫米，V2O3功能層厚度為0.1毫米。陶瓷層和V2O3功能層交替疊夾，疊層數(shù)為3。也就是在陶瓷層2層、V2O3功能層I層時(shí)，陶瓷芯片總厚度為0.5毫米。其測量結(jié)果見表I。其結(jié)構(gòu)見圖6。實(shí)施例6 :本實(shí)施例與實(shí)施例I相似，所不同的是陶瓷層厚度為0. 25毫米，V2O3功能層厚度為0.01毫米。陶瓷層和V2O3功能層交替疊夾，疊層數(shù)為3。也就是在陶瓷層2層、V2O3功能層I層時(shí)，陶瓷芯片總厚度為0.51毫米。其測量結(jié)果見表I。其結(jié)構(gòu)見圖7。比較例為常規(guī)工藝制作的PTC元件，其工藝制作如下
I、原料預(yù)燒將 V2O3，Cr2O3, Fe2O3 按(V0.996Cr0.004) O3 + 3wtl% Fe2O3 比例混合球磨后，在H2中于1455°C保溫2小時(shí)預(yù)燒合成，再將預(yù)燒料球磨36小時(shí)，再將預(yù)燒料球磨36小時(shí)，V2O3瓷粉電阻率約2 X IO^3Q .cm。2、造料制備按每IOOg瓷體粉料，加入加入17ml的15%濃度的聚乙烯醇(PVA)配制V2O3陶瓷漿料。通過攪拌消泡后噴入造粒塔中造粒，最終得到流動(dòng)性理想的瓷體粉料。3、成型將造粒后的粉體放入模具中在油壓機(jī)上成型獲得所需尺寸的生坯。4、燒結(jié)將生坯放在匣缽中放在燒結(jié)爐中燒結(jié)。設(shè)定合理的燒結(jié)曲線，燒結(jié)出合格阻值范圍的瓷坯。5、端電極制備采用三層端電極電鍍技術(shù)制備電極，該電極具有良好的焊接能力.至止完成完成本發(fā)明的V2O3限流元件芯片制作。其測量結(jié)果見表I。其結(jié)構(gòu)見圖8。表I
權(quán)利要求
1.一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的制備方法，其特征是按照以下步驟制備 a、介質(zhì)陶瓷粉末、V2O3導(dǎo)電陶瓷粉末分別與粘合劑混合而配制成介質(zhì)陶瓷漿料及導(dǎo)電陶瓷楽■料； b、在巴塊模板上用介質(zhì)陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成介質(zhì)陶瓷膜，并用加熱方式使其干燥固化形成陶瓷層； C、在已固化的陶瓷層上用導(dǎo)電陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成導(dǎo)電陶瓷膜； d、用加熱方式使涂布或流延的導(dǎo)電陶瓷膜固化形成V2O3功能層； e、在已固化的V2O3功能層上用介質(zhì)陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成介質(zhì)陶瓷膜； f、用加熱方式使涂布或流延的介質(zhì)陶瓷膜固化形成陶瓷層； g、繼續(xù)執(zhí)行c至f步驟直至形成所需要的陶瓷層或V2O3功能層數(shù)，經(jīng)切割后而制成多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的生坯； h、將上述多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的生坯排膠、燒結(jié)，而制成多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的芯片，再經(jīng)端涂、電鍍工序制成成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的制備方法，其特征是步驟g中陶瓷層和V2O3功能層為交替疊片，最外層為陶瓷層，V2O3功能層疊夾在陶瓷層中，V2O3功能層至少一層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的制備方法。該制備方法是按照以下步驟制備a、配制介質(zhì)陶瓷漿料及導(dǎo)電陶瓷漿料；b、在巴塊模板上形成介質(zhì)陶瓷膜，并用加熱方式使其干燥固化形成陶瓷層；c、在已固化的陶瓷層上形成導(dǎo)電陶瓷膜；d、用加熱方式形成V2O3功能層；e、在已固化的V2O3功能層上形成介質(zhì)陶瓷膜；f、使介質(zhì)陶瓷膜固化形成陶瓷層；g、繼續(xù)執(zhí)行c至f步驟直至形成所需要的陶瓷層或V2O3功能層數(shù)，經(jīng)切割后而制成多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的生坯；h、將多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的生坯排膠、燒結(jié)，制成多層結(jié)構(gòu)V2O3限流元件的芯片，再經(jīng)端涂、電鍍工序制成成品。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102682940SQ20121016355
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者劉青, 楊敬義 申請人:成都順康新科孵化有限公司