片式ZnO压敏电阻通流可靠性设计研讨
压敏电阻是一类具有非线性伏安特性的敏感电阻器件，其电阻值在特定电压范围内会随着施加电压的变化而非线性变化[1]。故压敏电阻在实际应用中通常被并联接入电路中，并通过自身电阻值的急剧改变来限制后端电路的电压或电流。具体来说，当电路正常运行时，其阻值非常大为兆欧级，对电路而言相当于开路状态，因此不影响后端电路正常工作；而当电路出现过电压并超过一定阈值时，其阻值会瞬间急剧降低到欧姆级以便泄放瞬时过电流，并将过电压钳制在安全水平范围内。在众多压敏电阻材料体系中，ZnO压敏电阻因其制造方便、成本低廉、响应时间短、非线性系数高与通流能力强等优势，被广泛应用于各种过电压保护，如浪涌和静电放电防护领域[2]。随着电路系统微型化和集成化的发展趋势，电子元器件的市场需求也逐渐转向小型化和高可靠性，而基于叠层制造工艺的片式ZnO压敏电阻也应运而生。与传统的单层圆片压敏电阻相比，片式ZnO压敏电阻具有体积小、响应速度快、温度稳定性好、电性选择范围大和适合表面贴装等特点[3]。
由于压敏电阻主要通过泄放或吸收浪涌电流（能量）来保护后端电路，因此压敏电阻产品的通流容量是衡量其性能优劣的重要参数。片式ZnO压敏电阻的通流容量主要由材料配方、制造工艺与产品设计决定。而为追求制造高通流容量的产品，通过材料配方提升该性能的理论路径主要包括：①施主掺杂以降低晶粒电阻率；②增大晶粒尺寸以提升晶粒吸散热能力；③减少晶粒、晶界缺陷，提升其形貌与密度均匀性；④提高晶粒晶界均匀性和稳定性以提升瓷体耐冲击能力[4]。制造工艺主要通过调整各种工艺参数期望使产品性能接近材料配方的理论极限，其中影响产品通流性能的关键工艺流程主要包括配料、排胶、烧结、烧端、热处理及表面处理等[5]。而当材料配方与制造工艺参数确定时，还需通过产品设计来制造不同通流容量的压敏电阻产品。
对于压敏电阻产品尺寸、工作电压参数规格相同的ZnO压敏电阻，在材料、工艺过程、单个电极有效交叠面积等条件都一定的情况下，陶瓷内部设计叠加的内电极数量越多，片式压敏电阻的通流容量越高。因此，在有限的尺寸内，尽可能的叠加更多的内电极及有效交叠面积成为提升通流量的一个关键设计方法。但每个电压、尺寸规格都存在电极数量堆叠极限，往往产品设计偏向极限，片式ZnO压敏电阻产品存在的各类工艺及性能可靠性失效风险隐患也越大，尤其是在通流可靠性测试等产品动态性能测试过程尤为突出。终上所述，如何在设计阶段有效识别极限设计规格产品存在的性能及可靠性风险，并通过优化设计，在最大化保证性能的同时，避免此类风险隐患，对压敏电阻产品设计人员来说具有重要意义。
暂无评论