PTC生产工艺.docx

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PTC生产工艺

PTC热敏电阻生产线工艺流程

一.PTC正温度系数热敏材料的分类、原理及主要应用

PTC是PositiveTemperatureCoefficient的缩写，意思是正的温度系数，泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件，是热敏电阻的一种，正温度系数热敏电阻其电阻值随着PTC热敏电阻。

通常我们提到的PTC是指正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻。

PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度（居里温度）时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。

PTC的工作原理：

　PTC热敏电阻（正温度系数热敏电阻）是一种具温度敏感性的半导体电阻,一旦超过一定的温度（居里温度）时,它的电阻值随着温度的升高几乎是呈阶跃式的增高.PTC热敏电阻本体温度的变化可以由流过PTC热敏电阻的电流来获得,也可以由外界输入热量或者这二者的叠加来获得.陶瓷材料通常用作高电阻的优良绝缘体,而陶瓷PTC热敏电阻是以钛酸钡为基,掺杂其它的多晶陶瓷材料制造的,具有较低的电阻及半导特性.通过有目的的掺杂一种化学价较高的材料作为晶体的点阵元来达到的:

在晶格中钡离子或钛酸盐离子的一部分被较高价的离子所替代,因而得到了一定数量产生导电性的自由电子.　PTC热敏电阻（正温度系数热敏电阻）是一种具温度敏感性的半导体电阻,一旦超过一定的温度（居里温度）时,它的电阻值随着温度的升高几乎是呈阶跃式的增高.PTC热敏电阻本体温度的变化可以由流过PTC热敏电阻的电流来获得,也可以由外界输入热量或者这二者的叠加来获得.陶瓷材料通常用作高电阻的优良绝缘体,而陶瓷PTC热敏电阻是以钛酸钡为基,掺杂其它的多晶陶瓷材料制造的,具有较低的电阻及半导特性.通过有目的的掺杂一种化学价较高的材料作为晶体的点阵元来达到的:

在晶格中钡离子或钛酸盐离子的一部分被较高价的离子所替代,因而得到了一定数量产生导电性的自由电子.PTC（PositiveTemperatureCoeff1Cient）是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作恒定温度传感器．该材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体，其中掺入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物进行原子价控制而使之半导化，常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导（体）瓷；同时还添加增大其正电阻温度系数的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸铂等及其固溶体半导化，从而得到正特性的PTC热敏电阻材料．其温度系数及居里点温度随组分及烧结条件（尤其是冷却温度）不同而变化．

PTC特点：

1.灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；

2.工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高温度可达到2000℃），低温器件适用于温度-273℃～55℃；

3.体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；

4.使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；

5.易加工成复杂的形状，可大批量生产；

6.稳定性好、过载能力强．

PTC研究现状和应用：

BaTiO3施主掺杂正温度系数电阻陶瓷材料是一种铁电体半导体材料，是近年来发展迅速的新型电子材料之一。

由于PTCR陶瓷具有温敏、直控、节能、无明火和安全等优点，已经广泛应用于电子通讯、航空航天、汽车工业、家用电器等各个领域。

然而，它在低压领域的使用却近于空白，多为Polyswitch所垄断。

低阻PTCR陶瓷包括有机PTCR材料、（V/Cr）2O3和BaTiO3基陶瓷材料三大类，后者的电阻率虽然不及前两种低，但是其成批生产性、稳定性、成本以及应用方面均有很大的优势，因而目前普及和实用的仍然以BaTiO3基陶瓷材料为主流。

当前，BaTiO3基PTC材料的研究正向低阻化、片式化、层叠化、高可靠方向发展。

其材料研究势必在尽可能降低室温电阻率的同时，保证材料的耐电压和升阻比尽可能高，从而满足实用化要求。

二.PTC热敏电阻原料及配方选择

关于正温度系数（PTC）热敏电阻器应用很广泛，实践表明，正温度系数（PTC）热敏电阻瓷料得组成敏感性和工艺敏感是很突出的。

原料、配方和工艺条件的微小变化都会给产品的性能带来严重的影响，批量生产中的经常出现的产品性能指标的分散性大、再现性差的问题，也往往都是与这类瓷料的组成敏感性和工艺敏感性有关。

1.原料和配方的选择依据

钛酸钡基半导体陶瓷是制备正温度系数热敏电阻的基本材料。

在生PTC时除了碳酸钡和二氧化钛这两种原料外，还经常采用添加多种添加物来改善PTC的性能。

处于钛酸钡中Ti4+位置的施主离子有Nb5+、W6+、Ta5+等，处于Ba2+位置的有La2+、Ce4+、Y3+等稀土离子以及Bi3+、Sb3+等。

一般来说，以化学共沉积法引入的促使钛酸钡基瓷料实现半导化的施主加入无的数量只有氧化物混合物法引入量的20～25%。

通常施主加入物的加入量被限制在一个很狭窄的范围之内，即钛酸钡基陶瓷半导化对施主掺杂量是极为敏感的。

Sn4+、Sr2+和Pb2+是主要的钛酸钡基陶瓷的移峰加入物，Sn4+和Sr2+是正温度系数的热敏电阻的起跳温度移向低温，是低温用正温度系数热敏电阻的常用移峰加入物，Pb2+使起跳温度移向高温，是高温用正温度系数热敏电阻常用加入物。

铁、锰、铬、铜、钾、钠、镁等在钛酸钡半导化陶瓷中均为受主杂质，对半导化有毒害作用，原料和瓷料中的这类杂质含量必须限定在一定的范围内。

2.配方选择

本工艺选择配料如下：

【（Ba1-xSrx）Ti1.01O3+0.11%（mol）Nb2O5】+0.04%（mol）MnO2+0.06%（mol）Sb2O3+0.5%（mol）SiO2+0.167%（mol）Al2O3+0.1%（mol）Li2CO3;

以上配方是使电阻率起跳温度（即居里点Tc）移向低温的配方。

上述配方由于加入了二氧化硅和三氧化二铝，且配方中TiO2过量，一般采用工业纯的合宜原料在空气中烧成即可制备出半导体性能良好的正温度系数热敏电阻陶瓷。

故上述配方均适用于工业生产。

另外Mg2+对TiO2和碳酸钡的半导化具有强烈的抑制作用，但有的工业生产中在TiO2中有时会人为的引入Mg2+，以提高其抗还原性能，所以在工业生产中钛酸钡基半导体陶瓷中Mg2+的量要严格控制，其含量一般在0.05%（mol）以内。

由于在现代应用中研制性能优良的高温PTC热敏电阻材料具有重要意义，因为其直接影响到PTC的应用范围。

故本次工艺设计选择第③组配方来作为设计研究对象。

主要原料及其纯度：

纯度99.2%优质粉状BaCO3、纯度99.6%TiO2粉和纯度99.5%SrO粉

其他原料（假设纯度均为100%）：

Nb2O5、MnO2、Sb2O3、SiO2、Al2O3、Li2CO3、纯净水和胶黏剂。

三.烧成条件的选择及影响

在配料及配方确定之后，像烧成和添加物等工艺条件的影响就成为决定材料结构和性能的主要因素。

对于组成敏感性和工艺敏感性相当强的正温度系数热敏电阻陶瓷来说，其影响尤为重要。

1.正确处理加入物的加入顺序

根据天津大学发表的论文关于PTC热敏电阻的研制，提到了加入物的引入顺序会给烧成结果带来明显影响。

2.温度与铅蒸发量的关系：

随着温度的提高，Pb的蒸发损失将会逐步增大，对烧成后的材料组成影响很大。

故可采取密封烧成容器及放入铅蒸发源（PbO粉）改善因铅蒸发带来的损失。

3.原料粒度的影响

烧结时应保证料得粒度及各组分的均匀分布，其对烧成后的材料的结构和相界面影响很大。

4.烧成温度及淬火温度选择

瓷料合成温度可控制在1000～1200℃的范围，一般选择在1050～1150℃的温度下保温两个小时。

烧成中对高温PTC性能影响的另一重要参数是冷却速率。

为了获得良好的半导体瓷，必须采取急冷（即淬火）措施。

另外由于高温可有助于形成氧缺位，根据缺陷化学原理，其有利于提高电导率，而淬火即为保存其高温相。

有关资料表明：

立即淬火的冷却速率大于每分钟120℃，试片的电阻率较自然冷却试片的电阻率低10～15倍。

四.制造基本流程

1.原料研磨

由于粉体的粒度及各组分的混合均匀性均直接影响功能陶瓷烧成温度、质量和性能，本设计中PTC热敏电阻的粉体的制备采取传统的固相法。

该方法具有生产设备比较简单产品的质量较容易控制、投资较小和经济效益好等优点。

通过振动磨或者搅拌磨对原料进行研磨、细化，粉体粒径达技术要求，从而有利于烧结和固相反应的进行。

2.原料预烧结

原料按比例称量后混合在1100℃左右温度下预烧2h。

消除原料在高温下会分解和晶型转变及晶相形成较为有用，同时消除体积变化的差异，改善原料的工艺性能，可减少陶瓷制品最终烧结时的收缩率。

3.造粒及成型

通常希望得到超细的原料颗粒，但粉料越细，比表面积越大，流动性越差，成本也会增大。

常采用造粒工艺解决上述问题。

成型一般选用干压成型。

5.烧结

本工艺的烧结温度设定为1300℃，达到设定温度后保温2小时，冷却时采取随炉冷却方式。

6.被银

本设计采用烧渗法，也叫被银法，形成PTC热敏电阻元件的金属电极，供以后的测试和使用。

7.产品检测贴标签

8.包装入库

综上，其大致过程如下：

称量——球磨——预烧结——造粒——成型——烧结——上电极——阻值分选——钎焊——封装装配——打标志——耐压检测

——阻值检测——最终检测——包装——入库

附件1.工艺流程图

配料

原料预烧结

研磨

附件2.计算书

1计算所有电阻片的总质量

1.假定PTC热敏电阻片的密度约为4.0g/cm3则：

一片PTC热敏电阻片的质量：

m电阻片=4.0*1200*103g=4.8g

2.由于研磨，制粉和烧结时会有材料的损失，所以另加约2%的损耗，则损失前质量：

m损耗前=4.8+4.8*2%=5.04g

则100万个电阻片的总质量为M=5.04*106g

3.由于考虑到电阻片在制作过程中的库存电阻片，每天在基础上多生产1%的电阻片，则所有的电阻片的总质量为：

M=5.04*106g+5.04*106g*1%=5.0904*106g

取配方中的x=0.35,的配方为[（Ba0.65Sr0.35）Ti1.01O3+0.11%Nb2O5]

+0.04%MnO2+0.06%Sb2O3+0.5%SiO2+0.167%Al2O3+0.1%Li2CO3

该式的摩尔质量为217.3370g/mol故有如下：

各原料的摩尔质量为：

BaCO3：

    197.34g/moi

SrO：

   103.62g/mol

TiO2      79.88g/mol

Nb2O5     365.82g/mol