玻璃釉电阻器烧结工艺研究

玻璃釉电阻器烧结工艺研究

方政

揭阳市美得福电子有限公司广东揭阳522000

摘要：曲面制膜所得的圆柱形金属玻璃釉膜电阻器因烧成曲线不同性能差别较大，对不同方阻的电阻浆料制成的电阻器采用适当的烧成曲线，可获得初值集中，过载性能好，电阻温度系数低的厚膜玻璃釉电阻器。

关键词：玻璃釉电阻器，烧成曲线，电阻浆料。

一、概述

金属玻璃釉电阻器采用无机材料玻璃釉作粘结剂，将电阻浆料印制（或涂覆）俞基体表面，经高温烧结而成。因膜层较厚，其优点是稳定性高，耐热耐潮性好，具有大功率小型化特点。而且寿命长，电阻温度系数和噪声也较小。由于浆料阻值范围宽（1欧/方至10兆欧/方），这样即使在膜层较厚的情况下，仍可制成高压电阻，满足特殊用途且性能可靠。又由于浆料配比的灵活性，还可制成非标准特殊要求电阻器，有其它种类电阻器无法比拟的特点。

本文的介绍的是采用钌系浆料，在2.5*8mm的圆柱形氧化铝瓷体上制膜，烧结而成的金属玻璃釉电阻器，阻值范围从几十欧姆至几十兆欧，过载性能明显优于相同功率阻值的金属膜电阻器和有机实心电阻器，电阻温度系数在400PPm/0℃以内，优于相同阻值的实心电阻器，端头处采用加帽工艺，无需印制电极，避免了厚膜端处因电极材料发生银离子过移所造成的阻值漂移，电阻器的更趋稳定。

二．实验过程：

电阻器瓷体选用2.5*8mm的氧化铝升功率瓷体（满足SJ标准要求）。将制好膜并自然晾干后的电阻体置于烘箱中120℃烘干10至15分钟，连干支撑架一起放入马弗炉中，500℃一下微开炉门，保证通风良好，500℃后关闭炉门，采用不同的升温速率，峰值温度，保温时间、降温速率等来确定最佳烧成曲线。

曲面制膜工艺不同于平面印刷制膜工艺，二者之间在烧结过程中，膜层表面的流平，特别是玻璃料熔融后，玻璃料对固体颗粒的润湿和塑性流动，固体颗粒之间的吸附，颗粒互相粘结形成“链状”结构导电带等方面有明显区别，上述反应都是在烧结过程中发生的，因此寻找合适的烧结曲线，满足电阻器性能要求较显没非常重要。图1为不同的烧制曲线，并对不同曲线所对应的电阻器性能进行了讨论。

二、分析与讨论

1、烧结曲线对电阻器初值分布的影响

由于制膜工艺的不同，曲面工艺形成的膜层一般比平面印刷所得到的膜层要薄，阻值比实验浆料方阻时的阻值要高，烧结曲线奕亦相应有所变化。自然晾干后在显微镜下观察，膜层一改性差，这是因为浆料黏度要比平面制膜时所用浆料粘度大，二次流动性差。防止粘度小二次流动引起局部过厚或局部过薄。用过烧结，瓷体表面膜层微小流动，可以办证烧结后的膜层基本上没有明显缺陷。在保证制膜工艺一改的前提下，给不同的烧结曲线，发现对初值分布有很大影响。

电阻器的初值分布关系到阻值调整（刻槽）工艺。阻值分散，则槽纹长短不一，性能受到影响，成品率下降。我们希望电阻值初值分布以某一阻值为中心，呈正态分布。中心值额阻值经数据整理分析后一般认为为R=KNR.

式中R0为浆料方阻值，K为曲面膜层修正系数，由于膜层较薄等原因，K的值一般在4-8之间，N为电阻图形长宽比，本实验瓷体尺寸一定，加帽前N=1，加帽后N=0.65.

不同方阻浆料烧结特性如图2所示，图3为不同烧结曲线下阻值分布图（以1KΩ/□浆料为例）。

在450℃一下属于低温干燥和预热阶段，在此过程中，电阻膜层所发生的的反应主要是有机粘合剂的挥发、分解、燃烧过程。有机粘合剂在分解出，增稠剂为乙基纤维素等黏度进一步变小，浆料有助于膜层进一步流平。在这阶段，保持通风良好，燃烧充分，对初值及其分布有轻微影响。但峰值温度和保温时间对电阻器初值有很大影响。温度上升至500℃以上，玻璃机开始软化，熔融无产生微观柳丁充分润湿导电颗粒，起到良好的粘结作用。由半导体氧化物导电相同接触导电相的互相串并联链接，形成导电链。烧结温度过低，颗粒未完成浸润，膜层结构不稳定，导电网络形成不良，方阻高，电阻器性能不好。烧结温度过高（或保温时间太长），玻璃黏度下降，使用玻璃及对分散在其中的导电颗粒肥肉浸润改善，更多的导电颗粒互相连接组成导电网络，同高温下RuO2晶粒出现二次晶粒生长，大晶粒吞并小晶粒，使接触导电相进一出减少，引起方阻下降。另一方面，由于重金属下沉，玻璃相上浮，膜层表面玻璃及增加，发亮，使电阻器在加帽时接触电阻增大，出现非欧姆接触，同时这一阻值增大的幅度有时超过了前面一相阻值下降的幅度，二者共同的结果，有时从表面上会掩盖烧结温度过高所造成的结果。电阻器性能恶化时分析原因时会造成误导。一个较为简单的方法是电阻器在加帽后，用欧姆表表臂在膜层表面滑动，测量阻值及其阻值变化的平滑性。从实验结果可以看出，同一系列不同方阻的浆料，烧结曲线略有不同，100欧姆/方以下的浆料峰值温度比1K欧/方以上的浆料峰值温度要低5-10℃，80%的阻值在合适烧结曲线下可控制在中心阻值正负一倍的范围之内。

2、烧结曲线对电阻器过载性能的影响。

电阻器的过载性能是指在电阻器两端施加2.5倍的额度电压或2倍的元件极限电压（二者取较低者）一定时间后（5s或10s），反应阻值变化的性能参数（变化值不过1%），因此它是以4倍或6.25倍的元件额定功率较严酷的条件来反映电阻器的稳定性和承受载荷的能力。玻璃釉电阻器由于材料及结构的特点，元件极限电压为500V（对本实验尺寸而言）比相同规格的实心电阻器和金属膜电阻器的极限电压（35V）等，可见其耐压和过载的能力四比较突出的。

3、对电阻温度系数（TCR）的影响

基体材料、浆料组分，晶粒尺寸对TCR有决定性影响外，烧结曲线对其作用也很重要。

表2为不同烧结曲线下玻璃釉电阻的TCR.

RuO2是一种具有金属石结构的导电晶体，是一种半导体金属氧化物，室温下电阻率为5*10-5Ω,cm,TCR为正。同时Ru为多价过度金属，在高温下RuO2会发生歧化反应，生成金属钌和RuO4，氧分压充足金属钌又重新氧化。烧结条件对上述反应的发生起着很重要的作用。浆料中添加有多重温度系数调节剂，如CuO作为正TCR调节剂，Mn2O3，V2O5,CdO/Nb2O5,NiO等作为负TCR调节剂，它们在导电链中均匀分布，起着稳定TCR的作用，烧成条件以不改变上述物质的化学结构、并形成良好导电链为前提。虽然难以确定相与相之间的具体结构及所发生的反应，但从表2中可以看出，采用如图1所示的三，四，五等烧结曲线，可以制作TCR，小于400PPm/℃的玻璃釉电阻器，其指标优于SJ2867-88的部分标准，当然影响TCR的原因是多方面的，如基体的导热系数，热膨胀系数，RuO2及玻璃晶粒度及其分布，有机载体的性能及增调剂的组分，电阻图形等等。瓷料板道，国外已经有TCR小于10PPm/℃的厚膜电阻器，随着我们工作的不断完善，制作TCR小于50PPm/℃，厚膜电阻器是完全有希望的。

四结论

1、采用三或五烧结曲线，可以获得初值集中、结构稳定、TCR小于400PPm/℃的圆柱形金属玻璃釉电阻器。

2、不同方阻的浆料烧成曲线略有不同，一般方阻每降低一个数量级，峰值温度应降低5-10℃。

3、烧结过程中350℃以下升温速度以慢，通风为宜。元件烧成后应在低于200℃以下方可出炉，避免由于温差为大产生热应力使膜层结构受到影响从而对电阻器性能产生影响。

圆柱形金属玻璃釉电阻器体积小，阻值范围宽，弥补了高阻段薄膜电阻器无法实现，实心电阻器噪声大的缺点。在制作工艺上，除制膜烧结工艺外，其余工艺和薄膜电阻器完全一样。对电阻器生产厂家而言，积资少，见效快，提高了供给配套能力，是应该优先发展的重点项目。玻璃釉电阻器将以自身独效的优点赢得广阔的市场，产生良好的经济效益。

参考资料

1、莫以豪等《半导体及薄膜物理》，国防工业出版社，1981

2、胡忠胥，孙成永等薄厚膜混合集成电路，国防工业出版社1982

3、IEEFransactionsoncomponents,Hybrids,andManufacturingTechnology,VOCCHMT-8,NO.3,Sempetember1985