（材料学专业论文）电子陶瓷化学镀铜工艺与性能的研究.pdf

合合肥工业大学硕 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 、擀降嗡懒觚懒 委觅么幻釉枷碰犬妒 力幻釉桫脚泌 出廖 枘 、 歹 圳了 导师：f 芗天屿 今池地六驴 仑杷沙衣步 翩炒彬矿 韶瞧 别碰 綮缓 杜瞧 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金自巴三些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：多表必签字日期：为7 年。阳f 留日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥旦巴王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 佥起王些盘 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名 兰脚 导师签名 签字日期：7 年矿归治 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 彦元屿 签字日期：矽f 年r 到日 电话： 邮编： 电子陶瓷化学镀铜工艺与性能的研究 摘要 本文研究了陶瓷表面化学镀铜前处理工艺及化学镀铜工艺，讨论了各工艺 参数及稀土c e 介入镀液对沉铜速率的影响，同时研究了前处理工艺对陶瓷基 片微观形貌的影响以及温度、施镀时间、添加剂及稀土c e 介入镀液对镀铜层 表面微观形貌和组织结构的影响，并通过阴极极化和循环伏安分析了部分工艺 参数与稀土c e 对沉积速率的影响机理，通过塔菲尔和交流阻抗分析了稀土c e 对表面镀铜层腐蚀性能的影响，最后分析了最佳工艺条件下电容样品的电性能。 通过调整前处理工艺，选择适当的化学镀铜工艺参数，添加适量的稀土c e ，综 合考察电性能、腐蚀性能、沉积速率、表面微观形貌和组织结构，获得了综合 性能优异的陶瓷表面化学镀铜层。 结果表明：陶瓷基体前处理后，表面生成具备还原能力的催化中心；铜离 子浓度及甲醛浓度增大、温度升高、降低络合比，镀铜速率提高，但是处理不 适当时，镀液稳定性会降低，甚至引起镀液分解；a ，a 联吡啶和k 4 f e ( c n ) 6 对 活化能及动力学参数都有影响，它们的加入提高了活化能，降低了沉铜速度， 提高了镀液的稳定性；适量添加稀土能起到电化学的催化作用，使得阴极反应 容易进行，有利于c u 的沉积，但是当添加量偏大时，又对反应起到抑制的作 用，沉铜速率变慢。稀土c e 介入镀液细化了晶粒，填补了镀层空隙，使得镀 层均匀致密，降低了镀层在腐蚀介质中的腐蚀电流密度，提高了耐蚀性能。陶 瓷表面化学镀铜制备的陶瓷电容器，成本与介电损耗低于工艺成熟的银电极浆 料制备的陶瓷电容器，但电容量远小于后者，若能够解决电容方面的技术，陶 瓷表面化学镀铜将会有更广阔的应用前景。 关键词：陶瓷；化学镀铜；稀土；沉积速率；电容；腐蚀性能；电性能 s u b s t r a t em i c r o m o r p h o l o g yw a ss t u d i e d t e m p e r a t u r e ，p l a t i n gt i m e ，a d d i t i v e sa n dr a r ee a r t h c ew h i c hw a si n v o l v e di nt h eb a t hw e r es t u d i e df o rt h e i ri n f l u e n c eo ft h es u r f a c em o r p h o l o g y a n do r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r eo fc o p p e rc o a t i n g t h r o u g ht h ea n a l y s i so fc a t h o d i cp o l a r i z a t i o n a n dc y c l i cv o l t a m m e t r ya n a l y z e dt h em e c h a n i s mo ft h ed e p o s i t i o nr a t eo fp a r to ft h ep r o c e s s p a r a m e t e r sa n dr a r ee a r t hc e t h r o u g ht a f e la n di m p e n d a n c ea n a l y z e dt h e i n f l u e n c eo fs u r f a c e o fc o p p e rc o a t i n gc o r r o s i o nf o rr a r ee a r t hc ew h i c hw a si n v o l v e di nt h eb a t h t h r o u g h m a t l a ba n a l y z e dt h es a m p l ec a p a c i t o re l e c t r i c a lp r o p e r t i e si no p t i m u mc o n d i t i o n s b y a d j u s t i n gt h ep r e t r e a t m e n tp r o c e s s ，s e l e c t i n ga p p r o p r i a t ep a r a m e t e r so ft h ee l e c t r o l e s sc o p p e r p l a t i n g ，a d d i n ga p p r o p r i a t ea m o u n to fr a r ee a r t hc e ，c o m p r e h e n s i v es u r v e yo ft h ee l e c t r i c a l p r o p e r t i e s ，c o r r o s i o n ，p l a t i n gr a t e ，s u r f a c em o r p h o l o g ya n do r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r e a c q u i r e d e x c e l l e n tc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ec o p p e rc o a t i n g r e s u l t s ：a f t e rp r e t r e a t m e n to fc e r a m i cs u b s t r a t e ，t h e r ew a sp r o d u c e dc a t a l y t i cc e n t e ro f r e d u c i n ga b i l i t y w i t hi n c r e a s i n go fc o p p e rc o n c e n t r a t i o na n df o r m a l d e h y d ec o n c e n t r a t i o n e l e v a t i n gt e m p e r a t u r e ，r e d u c i n gc o m p l e xr a t i o ，t h ec o p p e rp l a t i n gr a t ei n c r e a s e d i fd e e l i n g i n a p p r o p r a t e ，i tw o u l dr e d u c et h es t a b i l i t yo ft h eb a t h ，e v e nl e dt oe l e c t r o l y t ed e c o m p o s i t i o n t h ea , a d i p y r i d ya n dk 4 f e ( c n ) 6a f f e c t e db o t ht h ea c t i v a t i o ne n e r g ya n dp o w e rp a r a m e t e 。8 a f t e ra d d i n gt h e m 。t h ea c t i v a t i o ne n e r g yw a si n c r e a s e da n dt h ec o p p e rr a t ew a sr e d u c e d ，b u t t h es t a b i l i t yo ft h eb a t hw a si n c r e a s e d a p p r o p r i a t ea d d i t i o no fr a r ee a r t hc o u l dp l a yac a t a l y t i c r 0 1 eo ft h ee l e c t r o c h e m i c a l ，m a d et h ec a t h o d er e a c t i o ne a s i l ya n dw a sc o n d u c i v et o t h e d e p o s i t i o no fc o p p e r i ft h ea d d i t i o nw a st o om o r e ，i tp l a y e d t h ei n h i b i t o r ye f f e c t0 nt h e r e a c t i o na n dt h ec o p p e rr a t ew a sd e c l i n e r a r ee a r t hc ew h i c hw a si n v o l v e di nt h eb a t hr e f i n e d g r a i ni n t e r v e n t i o na n df i l l e dt h eg a po fc o a t i n g i tm a d et h ec o a t i n gt ob eu n i f o r ma n dc o m p a c t i ta l s or e d u c e dt h ec o r r o s i o ni nt h ec o r r o s i o nc u r r e n td e n s i t yo ft h em e d i u ma n di m p r o v e d c o r r o s i o nr e s i s t a n c e p r e p a r a t i o no fc e r a m i cs u r f a c e e l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n gc e r a m i c c a p a c i t o r s d i e l e c t r i cl o s sw a sl o w e r t h a nc o s ta n dp r o c e s sm a t u r i t yo fs i l v e re l e c t r o d ep a s t e p r e p a r e db yc e r a m i cc a p a c i t o r s h o w e v e r ，c a p a c i t yw a sf a rl e s st h a nt h el a t t e r i fy o uc o u l d s 0 1 v et h et e c h n i c a lc a p a c i t a n c e ，e l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n gc e r a m i cc a p a c i t o r sw o u l db et h eu s e o fab r o a d e ro u t l o o k k e y w o r d s ：c e r a m i c ；e l e c t r o l e s sc o p p e r c o r r o s i o n ；e l e c t r i c a lp r o p e r t y p l a t i n g ；r a r ee a r t h ；p l a t i n gr a t e ；c a p a c i t a n c e ； 致谢 本论文是在导师宣天鹏教授的悉心指导下完成的。导师深厚的理论基础、 敏锐的科学洞察力、严谨的作风、认真的工作态度、诲人不倦的育人精神都给 我很大的触动，不仅让我在学术研究上有了很大的进步，更让我在生活上积累 了一笔宝贵的财富，教会了我们做事情和做人的道理，让我受益匪浅。宣老师 最常给我们讲的就是，做学问和做人一样，只有勤勤恳恳，认认真真，踏踏实 实，才能做得真真切切，问心无愧。在今后的生活和工作中，我会以宣老师为 榜样，努力上进，认真严谨的去做好每一件事。值此文完成之际，我谨向宣老 师致以崇高的敬意和最真挚的感谢! 祝愿宣老师身体健康，天天快乐! 感谢合肥工业大学材料科学与工程学院各位老师给予我的帮助，尤其要感 谢翁洁老师，像一位母亲一样给了我很多机会，教会了我很多道理。 感谢已经毕业的师兄闵文锦、师姐张丽丽、于瑶，在读的师弟张万利、汪 亮及周赞，在平时的学习和实验当中的帮助。感谢同门孙衍乐、许少楠同学在 学习和生活中给予我的帮助。 一 感谢我的父亲张秋江，母亲周本香，女友张志梅，哥哥张峰，嫂子刘婷以 及其他家人在生活上给我的无私帮助和关怀，是他们给了我克服困难的动力， 在学习上和工作中给予我无尽的鼓励，愿他们永远健康快乐。 感谢合肥工业大学为我的成长提供良好的平台，让我在学校度过了七年美 好的时光，愿母校明天更加美好! 最后感谢各位老师对我的论文进行评审，希望提出宝贵意见。 作者：张敏 2 0 11 年0 4 月0 9 日 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 陶瓷材料l 1 3 电子陶瓷2 1 3 1 电子陶瓷简介2 1 3 2 电阻器3 1 3 3 电容器6 1 3 4 贴片式电子元器件8 1 4 化学镀铜前处理方法及机理9 1 4 1 粗化方法及机理9 1 4 2 敏化方法及机理1 0 1 4 3 活化方法及机理1 1 1 5 化学镀铜应用及其机理一1 1 1 5 1 化学镀铜的应用1 l 1 5 2 化学镀铜的机理1 2 1 6 化学镀铜镀液组成及控制因素1 4 1 6 1 主盐：1 4 1 6 2 还原剂1 4 1 6 3 络合剂1 4 1 6 4 稳定剂1 4 1 6 5p h 值1 5 1 6 6 温度1 5 1 7 陶瓷基体对化学镀铜的影响1 5 1 8 本课题研究的目的与意义1 6 第二章实验材料及方法1 7 2 1 电子陶瓷化学镀铜前处理工艺1 7 2 1 1 除油1 7 2 1 2 化学粗化1 7 2 1 3 敏化1 8 2 1 4 活化1 8 2 1 5 还原1 8 2 2 化学镀铜溶液的配制1 8 2 3 实验仪器及方法1 8 2 3 1 化学镀铜镀液基础配方1 8 2 3 2 化学镀铜装置1 9 2 3 3 实验材料1 9 2 3 4 实验仪器与设备1 9 2 3 5 质量测评1 9 第三章电子陶瓷表面化学镀铜工艺与电化学研究2 0 3 1 陶瓷化学镀铜工艺2 0 3 1 1 化学镀铜2 0 3 1 2 正交试验2 0 3 1 3 工艺参数对沉积速度的影响2 2 3 2 陶瓷化学镀铜的电化学分析2 6 3 2 1 陶瓷化学镀铜工艺参数的阴极极化曲线2 7 3 2 2 陶瓷化学镀铜工艺参数的循环伏安曲线2 9 3 3 总结：3 2 第四章电子陶瓷表面镀铜层的微观形貌及化学组成3 3 4 1 前处理工艺对陶瓷基片的形貌影响3 3 4 2 镀铜层的表面微观形貌3 4 4 2 1 温度及施镀时间的影响3 4 4 2 2 添加剂的影响3 4 4 2 3 稀土的影响3 6 4 3 镀铜层化学组成3 8 4 4 总结3 9 第五章电子陶瓷表面化学镀铜层的性能4 0 5 1 化学镀铜陶瓷电容器的腐蚀性能分析4 0 5 1 1 化学镀铜层的塔菲尔曲线分析4 0 5 1 2 化学镀铜层的电化学阻抗分析，4 l 5 1 3 稀土对陶瓷化学镀铜层耐蚀性的影响机理4 4 5 2 化学镀铜陶瓷电容器电性能的分析4 4 5 2 1 介质损耗4 4 5 2 2 介质击穿4 5 5 2 3 电容量4 7 5 3 总结4 7 第六章结论4 8 参考文献5 0 攻读硕士学位期间发表论文清单一5 5 插图清单 图3 1c u s 0 4 5 h 2 0 浓度对沉积速度的影响2 2 图3 2h c h o 浓度对沉积速度的影响”2 2 图3 3 络合比对沉积速度的影响2 4 图3 4 温度对沉积速度的影响2 4 图3 5 添加剂对沉积速度的影响2 5 图3 6 稀土对沉积速度的影响2 5 图3 7c u s 0 4 5 h 2 0 浓度对阴极极化曲线的影响2 7 图3 8 络合比对阴极极化的影响2 7 图3 9 添加剂对阴极极化的影响2 9 图3 1 0 稀土硫酸铈添加量对阴极极化曲线的影响“2 9 图3 1 1 未加h c h o 的循环伏安曲线3 0 图3 1 2 加入h c h o 循环伏安曲线3 0 图3 1 3a ，a 联吡啶对伏安曲线影响3 1 图3 1 4k 4 f e ( c n ) 6 对伏安曲线影响3 1 图3 1 5 稀土添加量对循环伏安曲线的影响3 1 图4 1 不同前处理工艺对应的陶瓷基片形貌“3 3 图4 2 未加添加剂表面形貌3 5 图4 3 添加适量添加剂表面形貌3 5 图4 4 稀土对化学镀铜层表面形貌的影响3 7 图4 5 化学镀铜层的能谱分析3 8 图5 1 化学镀铜层在h c l 溶液中的t a f e l 曲线”4 0 图5 2 化学镀铜层在n a c l 溶液中的t a f e l 曲线4 0 图5 3 化学镀铜层在h c l 溶液中的n y q u i s tp l o t 4 2 图5 4 化学镀铜层在n a c l 溶液中的n y q u i s tp l o t 4 2 图5 5 没有浓差极化电化学等效电路4 3 图5 6 化学镀铜层在h c l 溶液中的相角频率图一4 3 图5 7 化学镀铜层在n a c l 溶液中的相角频率图4 3 图5 8 通流试样能谱分析4 6 表格清单 表2 1 陶瓷基片化学粗化工艺配方1 7 表3 1 化学沉积铜正交试验因素水平2 0 表3 2 化学沉积铜工艺l 1 6 ( 4 5 ) 正交试验表2 1 表4 1e d s 元素数据表3 8 表5 1 不同稀土含量的。值和尺d 值4 2 表5 2h c i 体系最大相角处各参数值4 3 表5 3 电性能数据4 5 表5 4e d s 元素数据表4 6 表5 5 各种工艺对应y 5 u 电容器性能4 7 1 1 引言 电子陶瓷零部件是一种必不可少的电子元件，其种类繁多、用量巨大，目 前多数电子陶瓷如：瓷介电容器的电极都是用烧渗法，即在陶瓷表面刷上一层 电子浆料，如a g 浆、a g p d 浆等，再高温烧结成电极。贵金属a g 具有导电性 好、氧化速度慢，而银的氧化物也可以导电，但是使用银作为电容器电极及电 阻的端接材料时，银的迁移现象是一个严重的缺点，会导致电阻与银导体的接 头处出现“起泡 ，甚至断线现象，造成元件失效。由于银的迁移和引线间隔的 限制，给电子产品小型化带来很多困难。后来制备了a g p d 导体浆料在a g 中 加入一定量的p d ，有效地抑制a g 的迁移。a g p d 浆料中，a g + 的扩散速度很小， 为a g 的几分之一，甚至还低一个数量级。传统的内电极材料一般选用 p d 3 0 a 9 7 0 合金，烧结温度在1 1 0 0 左右。p d 3 0 a 9 7 0 材料化学性能稳定并能 在空气中烧成，其烧结温度对介质陶瓷的烧结要求并不苛刻，但由于价格相对 昂贵，目前仅用在军事或其它尖端领域。也有学者在镀银铜粉浆料方面进行研 究，取得了一定的进展，但是在高温烧结时会因氧化导致电性能下降。近年来 国内外学者对陶瓷电容器表面化学镀的研究很多，文献资料也很丰富，但是对 电子陶瓷表面化学镀铜、作为电极层的研究甚少，而本课题则将化学镀技术应 用于瓷介电容器的电极金属化，在陶瓷表面镀铜，在满足陶瓷电容器的性能的 同时，又节约贵金属，降低成本，保护环境【l 。3 】。 1 2 陶瓷材料【4 】 陶瓷制品在我国有着长远的历史，其传统概念是：由粘土或主要含粘土( 有 长石、石英灯) 的混合物，在成形、干燥、烧结的工艺下制成成的。陶瓷广泛 应用于工业部门，不仅仅用长石、粘土、石英等矿物作陶瓷原料，一些更复杂 的工业原料也得到更多应用。因此，现在陶瓷可以定义为：用粘土或者以外的 其他原料，依陶瓷的制造工艺方法制成的制品叫做陶瓷，如金属陶瓷、块滑石 瓷、电容器陶瓷等。广泛应用于无线电、原子能、火箭、半导体等工业。”应该 指出，后一种陶瓷与传统陶瓷比较，其化学组成、显微结构都有极大差异，其 性能可满足工业中各种特殊的需要。后一种陶瓷也常称为技术陶瓷、工业陶瓷、 工程陶瓷或特种陶瓷等。 此后对陶瓷又有如下定义：“我国的陶瓷一词和c e r a m i c s 一样具有狭义( 陶 瓷、瓷器) 和广义的无机非金属材料的两重含义，因此，广义的陶瓷工业和窑 业、硅酸盐工业以及c e r a m i c 工业一样，是陶瓷、玻璃、耐火材料、搪瓷、磨 料、水泥等无机非金属材料工业的泛称。”c e r a m i c s 来自希腊字k e r a m o s ，意为 用火烧成的制品，多指粘土烧成的陶器。后经长期演变，含义进一步延伸，凡 属粘土烧成的制品都属于c e r a m i c s ，如陶瓷、砖瓦、耐火材料等。上述产品都 含有硅酸盐，因此都属于硅酸盐制品。进一步发展的结果，原料或产品中虽然 不含硅酸盐组分，然而同样用陶瓷工艺方法( c e r a m i cp r o c e s s ) 制陶工艺生产 的制品也称c e r a m i c s 。目前这类材料在不断发展，新型材料不断出现，如石灰 制品、炭素材料、氧化物磨料等几乎包括了所有的无机非金属材料和制品。它 和金属材料、有机高分子材料并列为当代三大固体材料。 1 3 电子陶瓷 1 3 1 电子陶瓷简介p 在电子工业中能够利用电、磁性质的陶瓷，称为电子陶瓷。它是通过对表 面、晶界和尺寸结构的精密控制而最终获得具有新功能的陶瓷。按照传统意义 主要分两大类：结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷，指用于制造电子元件、器件、 部件和电路中基体、外壳、固定件和绝缘零件等的陶瓷材料，又称装置瓷。它 又可分为电真空瓷、电阻基体瓷和绝缘零件瓷等。功能陶瓷，是用于制造电容 器、电阻器、电感器、换能器、滤波器、振荡器、传感器等，在电路中起一种 或多种功能的陶瓷材料。它分为电容器瓷、铁电瓷、压电瓷、半导体瓷、导电 陶瓷、超导陶瓷以及磁性瓷等。按功能和用途可以分为：绝缘装置瓷、电容器 瓷、铁电陶瓷、半导体陶瓷和离子陶瓷。按特性可分为高频和超高频绝缘陶瓷、 高频高介陶瓷、铁电和反铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、光电陶瓷、电阻 陶瓷等。按应用范围可分为固定用陶瓷、电真空陶瓷、电容器陶瓷和电阻陶瓷。 按微观结构可分多晶、单晶、多晶与玻璃相、单晶与玻璃相。 电子陶瓷在化学成分、微观结构和机电性能上，均与一般的电力用陶瓷有 着本质的区别。这些区别是电子工业对电子陶瓷所提出的一系列特殊技术要求 而形成的，其中最重要的是须具有高的机械强度、耐高温高湿、抗辐射、介电 常数在很宽的范围内变化、介质损耗角正切值小、电容量温度系数可以调整( 或 电容量变化率可调整) 、抗电强度和绝缘电阻值高，以及抗老化性能优异等。 电子陶瓷工业是电子工业、航天、航空和核工业的基础之一，在高技术领 域也异常活跃。我国已有电子陶瓷厂、研究所和设计院百余个。电子陶瓷工业 在我国已经形成了独立完整的工业生产体系。电子陶瓷在电子工业中的重要地 位还源于它在整机中的关键性作用。例如，一块集成电路的稳定性和使用寿命， 在很大程度上取决于它的基片或管壳的性能；一个自动化控制系统的调节范围、 精度和灵敏度等主要指标，都取决于传感器的性能，而制造传感器的主要材料 是功能陶瓷：一台大型计算机的运算速度主要取决于磁性瓷记忆元件。上世纪 9 0 年代中期已经形成大量产品的电子陶瓷有：高频绝缘零件瓷；电阻基体和电 感基体瓷；电真空瓷；电容器瓷；铁电陶瓷；半导体陶瓷；导电陶瓷；压电陶 瓷；磁性瓷。 2 1 3 2 电阻器 1 3 2 1 电阻器种类6 】 电阻器作为一种通用电子元件，是一个限流元件，即将电阻接在电路中以 限制通过的电流大小，迄今已有一百多年的历史了。早在1 9 世纪电阻器己用于 电力技术，而应用于电子技术方面则是从2 0 世纪2 0 年代。随着电子技术的迅 速发展，电阻器的生产作为电子工业的一个基本组成部分仍在不断前进。电阻 器的生产经历了一段由小到大，从低级到高级的发展过程。 1 9 2 5 年德国西门子一哈尔斯克公司发明热分解碳膜电阻器，打破了碳质实 芯电阻器垄断市场的局面。晶体管问世后，对电阻器的小型化、阻值稳定性等 指标要求更严，促进了各类新型电阻器的发展。6 0 年代以来，采用滚筒磁控溅 射、激光阻值微调等新工艺，部分产品向平面化、集成化、微型化及片状化方 面发展。 电阻器按材料分为：绕线电阻器、碳合成电阻器、碳膜电阻器、金属膜电 阻器和金属氧化膜电阻器。按用途分为：通用、精密、高频、高压、高阻、大 功率和电阻网络等。此外还有特殊电阻器：保险电阻( 又称熔断电阻器) 和敏 感电阻器，如热敏、湿敏、光敏、压敏、力敏、磁敏和气敏等。 电阻器和敏感元件，其电压与电流的关系是非线性的。电阻器是电子电路 中应用数量最多的元件，通常按功率和阻值形成不同系列，供电路设计者选用。 电阻器在电路中主要用来调节和稳定电流与电压，可作为分流器和分压器，也 可作电路匹配负载。根据电路要求还可用于放大电路的正反馈或负反馈、电压一 电流转换、输入过载时的电压或电流保护元件，又可组成r c 电路作为振荡、滤 波、旁路、微分、积分和时间常数元件等。 电阻器未来发展方向主要是：小型化、高可靠性；分立的小型电阻器仍有 广泛的用处，但将进一步缩小体积，提高性能，降低价格；在消费类电子产品 中，碳膜电阻器仍占优势，而精密的电阻器则将以金属膜电阻器为主，大部分 小功率绕线电阻器将被取代；为适应电路集成化、平面化的发展，对片状电阻 器的需要将明显增加，通用型将倾向于发展厚膜电阻器，而精密型则仍将倾向 于薄膜类中的金属膜和金属箔电阻器；发展组合的电阻网络。 1 3 2 2 压敏电阻器【7 8 1 ( 1 ) 压敏电阻器 压敏电阻器是一种无极性过电压保护元件，无论是交流还是直流电路，只 需将压敏电阻器与被保护电器设备或元器件并联即可达到保护设备的目的。 压敏电阻是中国大陆的名词，意思是“在一定电流电压范围内电阻值随电 压而变”，或者是说“电阻值对电压敏感”的阻器。相应的英文名词叫“v o l t a g e d e p e n d e n tr e s i s t o r 简写为“v d r ”。在中国台湾，压敏电阻器是按其用途来命 。_。_-_-_。_-。i_。_。_-。_。1_-。 名的，称为“突波吸收器”，用于吸收电路中的浪涌电压( 电路在遭雷击和在接 通、断开电感负载或大型负载时常常会产生很高的操作过电压，这种瞬时过电 压称为浪涌电压，是一种瞬变干扰) 。故有时也称为“电冲击( 浪涌) 抑制器 ( 吸收器) 。 根据压敏电阻器的导电机理，其对过电压的响应速度很快，一般响应时间 小于2 5 n s 。因此只要选择和使用得当，压敏电阻器对线路中出现的瞬态过电压 有优良的抑制作用，从而达到保护电路中其它元件免遭过电压破坏的目的。 ( 2 ) 电阻分类 根据使用目的的不同，可将压敏电阻区分为两大类：保护用压敏电阻和电 路功能用压敏电阻。 保护用压敏电阻：区分电源保护用，还是信号线，数据线保护用压敏电 阻器，它们要满足不同的技术标准；根据世家在压敏电阻上的连续工作电压 的不同，可将跨电源线用压敏电阻器可区分为交流用或直流用两种类型，压敏 电阻在这两种电压应力下的老化特性表现不同；根据压敏电阻承受的异常过 电压特性的不同，可将压敏电阻区分为浪涌抑制型，高功率型和高能型。浪涌 抑制型，是指用于抑制雷电过电压和操作过电压等瞬态过电压的压敏电阻器， 这种瞬态过电压的出现时随机的，非周期的，电流电压的峰值可能很大。绝大 多数压敏电阻器都属于这一类。高功率型，是指用于吸收周期出现的连续脉冲 群的压敏电阻器，例如并接在开关电源变换器上的压敏电阻，这里冲击电压周 期出现，且周期可知，能力值一般可以计算出来，电压的峰值并不大，但出现 频率高，其平均功率相当大。高能型，指用于吸收发电机励磁线圈，起重电磁 铁线圈等大型电感线圈中的磁能的压敏电压器，对这类应用，主要技术指标是 能量吸收能力。压敏电阻器的保护功能，绝大多数应用场合下，是可以多次反 复作用的，但有时也将它做成电流保险丝那样的“一次性 保护器件，如并接 在某些电流互感器负载上的带短路接点压敏电阻。 电路功能用压敏电阻：直流高压小电流稳压元件，其稳定电压可高达数 千伏以上，这是硅稳压管无法达到的；电压波动检测元件；均压元件； 荧光启动元件。具有通流容量大，限制电压低，响应速度快，无续流，对称的 伏安特性，电压温度系数低。 根据材料划分为：z n o 氧化锌压敏电阻器和s r t i 0 3 压敏电阻器。 z n o 氧化锌压敏电阻器，是由z n o 与金属氧化物添加剂经过充分混合、研 磨、成型后，经高温烧结而形成的一种多晶氧化物半导体陶瓷元件。具有非常 大的非线性系数和耐浪涌能力而被广泛用于各种电子电路及设备器件的过电压 保护和瞬态浪涌吸收，特别是高电压场合，包括避雷器等。 s r t i 0 3 压敏电阻器具有大的介电常数( k = 2 2 5 2 5 0 ) 和良好的非线性特性，低 的压敏电压和较宽的电压范围，兼有电容一压敏双重功能。在无异常过电压时， 4 它起电容器的作用，可滤除高频干扰，当有瞬态过电压出现时，它作为压敏电 阻而吸收过电压。因此在低电压领域，尤其在微电机灭弧消噪方面的应用很广， 如环形压敏电阻。 ( 3 ) 压敏电阻的伏安特性和电性能参数 压敏电压u n ：从压敏电阻的典型伏安特性曲线可以明显地看出：压敏电 阻在其v i 特性曲线的预击穿区内有一个拐点，这个拐点对应着一个特定的拐 点电压和一个特定的拐点电流；当外加电压高于这个拐点电压，压敏电阻就进 入“导通 状态( 电阻值变小) ；当外加电压低于这个拐点电压，压敏电阻就进 入了“截止 状态( 电阻值变大) 。压敏电阻的最重要的特性就是电阻值随外加 电压敏感变化，v i 特性曲线中的拐点电压最能反应压敏电阻的这一重要特性， 因此可以将拐点电压理解为压敏电阻的压敏电压u n ( 导通和截止两种状态之间 的临界电压) 。 由于压敏电阻是一种内部不完全均匀的陶瓷元件，即使是同一规格的压敏 电阻，每只元件的拐点电流都不尽相同。为了标准化的需要，国际电工委员会 ( i e c ) 人为规定了两个测量压敏电阻拐点的直流参考电流i o o 1 m a 和l m a ( 0 1 m a 用于瓷片直径5 r a m 及其以下的压敏电阻器，l m a 用于瓷片直径7 r a m 及其以上的压敏电阻器) 。目前欧美国家已有仅规定l m a 为唯一的直流参考电 流的发展趋势，而日本、中国大陆和中国台湾仍然普遍保持使用两种直流参考 电流的方法。由于拐点电流已被人为地规定了下来，因此压敏电压u n 一般用 更直观的符号u o 1 m a 或u l m a 表示。另外，陶瓷体的厚度增加一倍，其u n 将随 之增加一倍。 漏电流i l ( 1 e a k a g ec u r r e n t ) ：在没有过电压的情况下，压敏电阻处于“截 止 状态，因此不参与电路的正常工作。用户要求压敏电阻要安静地“休息”， 所有参数都不能在规定年限内发生明显的变化，更不能出现发热、起火现象。 但即使在不导通的情况下，压敏电阻两端仍然有一定的工作电压存在，同时压 敏电阻在不导通的情况下也不是绝缘体，因此压敏电阻会在正常工作电压的驱 动下产生一定量的泄露电流( 简称漏电流) 。 i e c 对漏电流i l 较为普遍的定义是：环境温度2 5 c 时，在压敏电阻上施加 其所属规格的最大连续直流工作电压u d c 0 8 3 u n ( 部分厂家按8 0 的u n 测试) 时，流过压敏电阻的直流电流。国际要求小于2 0ua 。厚度越薄，漏流越大。 面积越大，漏流越大。 压敏电阻出厂时的初始漏电流与压敏电阻的寿命特性及安全性都有较为密 切的关系，一般而言，在材料配方和烧结工艺固定的情况下，漏电流适中的压 敏电阻具有较好的安全性和较长的寿命；漏电流过大通常会造成压敏电阻发热， 发热又会引起压敏电压的下降和漏电流的进一步上升，如此循环往复，最终压 敏电阻就会因温度过高而起火燃烧，造成很坏的影响。漏电流过小也不一定是 5 好现象，有时压敏电阻虽然初始漏电流很小，但使用很短一段时间后漏电流迅 速增大到不安全的程度；当然，漏电流随加压时间的变化规律与配方和工艺密 切相关，在大多数情况下，通过控制漏电流的最大值就可以取得较好效果。 非线性指数a ( n o n l i n e a rc o e f f i c i e n t ) ：是表征一个元件的电阻值是否随电 压或电流变化和变化是否敏感的标志，越大越敏感。 通流量( 最大峰值电流m a x i m u mp e a kc u r r e n t ) i m ：压敏电阻能够承受的波 形为8 2 0 弘s 的最大浪涌电流峰值，称为通流量i m 。即压敏电阻受冲击后的压 敏电压u n 与冲击前相比不大于1 0 ，且同时不能发生目视可见的机械损伤。 通常有两个通流量指标，一个是冲击一次的指标，另一个是冲击两次( 间隔5 分钟) 的指标。 通流量与电极面积成正比，电极面积增大一倍，其通流量将增大一倍。根 据截面积，通用压敏电阻器的瓷片直径有5 r a m 、7 m m 、1 0 r a m 、1 4 m m 和2 0 m m 五种。 最大能量e m ( m a x i m u mp e r m i s s i b l ee n e r g y ) ：是指压敏电阻能够承受的规 定波形的浪涌电流或脉冲电流的最大能量。能够承受的含义是，冲击后的压敏 电压u n 与冲击前相比不大于1 0 ，且同时不能发生目视可见的机械损伤。陶 瓷体的体积增大一倍，其能量吸收能力将近增大一倍。 电压梯度g ：在标准测试条件下测量压敏电压u n ，测量瓷片厚度t ，电 压梯度g = u n t ，表征单位厚度时压敏电压高低。 电容量c ：压敏电阻在导通前的电阻值很大，可视为电介质材料，两个 电极之间存在着p f 级的电容。在工频下，如此之小的电容对被保护电路的正 常工作几乎没有任何影响，但在高频或数字线路中，如不考虑压敏电阻的电容 量，有时会造成信号失真或产生谐振。因此应向用户提供压敏电阻的电容量参 考数据( 一般以最大值或典型值的方式) ，以便用户设计电路时参考。 1 3 3 电容器 1 3 3 1 电容器种类例 电容器与电阻器不同，电阻器在交流或直流电路中都可以通过电流，并对 电流起阻碍作用，将电能转化为热能。电容器两端加直流电，在连接的瞬间有 电流通过，之后电路相当于断开状态，只有在加交流电或者其他电流随时间变 化的电路中，电容器才可以发挥对电流的调节作用。它在电路中以静电场形式 储存电能的电子元件。 电容器的基本结构是两个互相平行对立的( 片状、箔状或者薄膜) 导体中 间夹着一层电介质。衡量电容器能够容纳多少电荷本领的物理量称为电容量。 电容量定义是，当一个不受外界影响的孤立的导体带有电荷时，其所带电荷q 与其具有的电位( 电压) u 之比，称为导体的电容量c ，单位f ( 法拉) ，即当 6 导体带有1 c 库伦电荷，具有的电压为1 v 时，电容器的电容量为1 f ( 法拉) 。 i f = i x l 0 6 1 tf = 1 x 1 0 1 2 p f 对于平行板电容器，当上下电极间的有效相对面积为s ( c m 2 ) ，电介质的 介电常数为，o 是真空中的介电常数。电介质的厚度为d ( c m ) 时，其电容 量可以用下式表示： c = o s 4 兀d 0 0 8 8 5 e s d 从上式可以看出，增大介电常数、增大两相对电极的面积或者减小电介 质材料的厚度，使得电容器在同样的体积条件下获得大的电容