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氧化锌压敏电阻的制造
平 帅
第一部分 氧化锌压敏电阻的电性能参数
1 氧化锌压敏电阻(Zinc Oxide Varistor,ZOV)的特点
品质优良、价格低廉的ZOV，必须在以下5个方面无可挑剔：①使用环境；②外形尺寸；③电性能参数；④可靠性；⑤安全性。需从使用者的角度来分析：产品的使用温度；附近有没有热源；风力多大；空间灰尘的个数；有没有酸、碱、盐、油脂等污染，及污染的处理；电网波动情况；潮湿度；产品使用的气候区域；产品的体积；安装的结构，包括接线引出方式、引出端强度、可焊性等等。不由厂家向用户提供使用手册，最后还要考虑到使用寿命、热稳定性、热积累、阻燃性、防爆性等问题。所以，一个优秀的产品设计人员必须在产品制作之前，就对上述情况了解得很清楚，并且能通过对人、机、料、法、环的选择和控制，制定出合适的工艺路线，依据标准用试验来证明它的性能可靠性。最后，还必须保证产品是廉价的。
2 ZOV的制作
在讨论ZOV的制作之前，首先应该学习一下ZOV的导电机理，因为导电机理和微观形成机理是进行讨论和研究的基础。对此，作者推荐两篇论文，一篇是谭宜成博士的《ZnO压敏瓷主晶界高非线性形成机理》(1987年博士论文)。该文详细叙述了ZnO压敏瓷的研制过程，用热离子发射、热助场发射、场发射理论，解释了正反偏肖特基势垒的电压—电流特性，用FromRel—Poolt发射、遂道效应、热激发跃迁、空间电荷限制电流理论，解释了薄绝缘层中的电压—电流特性，提出了他的主晶界次晶模型。他对主晶界、次晶界的形成理论、形成过程及其对电性能的影响作了很详细的研究，尤其是对致密化过程的研究很有实用价值。另一篇是《Zine Oxide Varistor》(IEEE.Electrieal Insulatcon Magazine D.C VOL1.91.P50)，该文叙述了从1968年Matsouka发明ZnO压敏电阻以来至1987年Suzuoki提出空间电荷引起的电流理论，这20年间压敏陶瓷导电机理的发展。详细叙述了8个模型：①在富铋晶界层内建立的“空间电荷限制电流”模型；②莱文逊（Levinson）、菲利普（Philip）提出的“晶界面处通过薄层的遂道效应”模型；③Emtage和Einzinger提出的有ZnO相和富Bi晶间相异质结的“界面态肖特基势垒遂道效应”模型；④Maham提出的“通过具有空穴形成的肖特基势垒遂道效应”模型，此模型提出了晶界处少数载流子（空穴）的重要性；⑤Einzinger提出的“通过ZnO同质结构的遂道效应”模型，此模型指出了冷却时在晶界形成缺陷的热平衡的重要性；⑥Pike提出的“空穴引起的穿透”模型，此模型指出了“由于空穴积聚使晶界处势垒降低造成了压敏陶瓷的高非线性，空穴是由于耗尽区的加速电子产生的，势垒的大小取决于体陷井和界面态”⑦莱文逊（Levinson）、菲利普（Philip）提出的“有异质结的旁路效应”模型，此模型阐明了富铋晶界层在小电流区的重要作用，并假设了通过异质结和富铋晶界层的平行电流通路，此模型提出于1986年，至今仍在行业中沿用；⑧Suzuoki提出的由ZnO相和富Bi2O3薄膜组成的“异质结外引起的空间电荷电流”模型。
详细阅读这两篇论文对制造ZOV和分析工艺中出现的问题很有帮助。按照作者对ZnO压敏瓷的认识，空穴引起的穿透模型可以用来解释压敏陶瓷的高非线性、高α值、界面态效应、体陷井效应、空穴的产生机制和动态特性。旁路模型可以用来解释压敏陶瓷在小电流区域的电气特性、晶界老化特性。不过从个人的观点来讲，我更赞成谭宜成、宋晓兰博士的主晶界次晶界理论，更赞成用ZOV压敏陶瓷的热特性来分析问题，这样更便于在处理问题时对问题直观的理解。
在讨论过ZOV压敏陶瓷的导电机理之后，应该谈谈ZOV的几个最为重要的电性能参数。对于每一个研究ZOV的技术人员来说，所有电性能参数的意义早已了如指掌，不必祥述。在这里仅仅是想总结一下评价一支ZOV品质好坏的标准和其中所依据的原理。
(1)电压比（α值）
u=K i[α]本公式推导过程如下：
静态电阻：R静=u/i
动态电阻：R动=du/di
则：α= R动/R静=du/di//u/i=du/u//di/i
du/u=α di/i
积分得： ∫[0，T]du/u=∫[0，T]di/i
展开得：ln u =α ln K i
则：u=K i[α]
从公式的推导过程可以看到，所谓非线性指数α值代表瞬间电阻偏离静态电阻直线的距离，它考核ZOV的响应特性，通常高压系产品的α值在60～80之间（1.039～1.029），好一些的产品可做到（1.026）；中压系产品的α值在35～58之间；低压系产品的α值能做到45就很不错了。对非线性指数α值不应该一味求高，应该更注重漏电流的稳定性。
(2)漏电流（IL）
通常需要同时测试80%V1mA和75%V1mA电压下的漏电流，要求这两个漏电流值的比80IL：75IL≤2；最好是80IL：75IL≤1.5。接着可以用10mA直流电流加电60秒的方法对漏电流的稳定性进行考核。我们知道，在直流偏压下反偏的一边不断积累电荷，一级电离填隙Zni′离子和二级电离Zni″离子浓度不断增加，当电阻片温度升高时，这些离子因受热而释放出来，形成热刺激电流TSC。在测量时Vl0mA电压会逐渐升高，如果它在60秒内变化了+10%，那么此产品的漏电流会变化十几倍并且不可恢复，则可认为它的热稳定性不好。另外，考核后的产品冷却后，可以反向测量其80%V1mA下的漏电流，这时通常IL值会上漂，如果它上漂+10%以上，也可认为它的热稳定性不好。热刺激电流TSC是用于研究连续电压下介质老化最常用的一种方法，为了保证产品能够满足使用要求，考核漏电流稳定性十分重要，它可以剔除经受不住连续加电的产品和那种类似吸潮现象的产品。
(3)限制电压比（Vp/V1）
这是一个重要的参数，一种产品工作区特性的好坏尽体现于此。业内做得最好的产品可将这个比值做到1.2，通常在大规模生产时将它控制在≤1.4就很好了。当然，松下样本的水平是1.6，行业也公认其为1.6，但我作者认为这个要求给的太宽。一般情况下，除了要测量8/20μs波形下的限压比外，还应该测量2ms方波电流下的限压比，这个值通常要比Vp/V1低一些。许多人认为这样做毫无意义，但是他们忘记了在电网波动中最常出现的不是8/20μs或10/40μs的雷电波，而是持续时间数分钟甚至数小时电压不高加载方波脉冲的工频电压波，这时产品的保护特性怎样？它会不会因这种持续的加载方波脉冲的工频电压波的冲击而导致高电压负荷下的温度老化，从而在经受工频电压波后使残压不断上升？所以必须对此认真考核，可通过2ms方波冲击20次或50次来观察。
(4)通流容量
1998年作者曾经用松下样本考核过当时国内几乎所有ZOV生产厂家的产品，但是很可惜，当时国内没有一家的产品能够通过考核，试品使用国内企业自己的产品样本都不见得能全部达到要求。松下98样本的一次通流是国内平均水平的1.8倍，两通流(?)是国内平均水平的2倍，时隔六年，目前国内产品的制造水平大为提高，早已超过当年98松下样本的要求。关于通流变化率，通常要求产品的ΔV1mA≤±3％；ΔV/0.1mA≤±4％，作者很注重ΔV0.1mA的变化率，因为如果产品在通流后电压比变得很大，漏电流很大，在使用中是很危险的。作者不止一次见到ΔV0.1mA不变化的情况，曾经有国内一些企业的ΔV0.1mA变化率做到0.5%（10K471产品）。作者并不赞赏通流变化率为正值的做法，原因在于它的热特性通常都不好，这是一组矛盾(在后面的论述中将提到)。
(5)能量耐量
通常，国内产品经不住松下样本高出我们1.2～1.6倍的考核，并且我们是使用2ms方波进行考核，而别人使用10/1000μs的尖波，我们的冲击电流仅是别人的70%。对于能量耐量，或者应经受2次松下样本考核，或者就必须在下间断(?)的10次国内样本冲击后ΔV0.1mA的变化率≤±5％。这个要求并不严格，从使用者的角度讲，更希望它经受10/500μs电流波。国内产品很难做到2ms ×10次80A/cm2的通流水平。主要原因是国内的被银(?)焊接工艺太差了，使许多对配方的努力都因此付之东流。
(6)解剖分析
这是作者常使用的一种考核方法。第一组：用丙酮浸泡24小时的方法来考核绝缘性能和耐湿性能，要求浸泡后自然干燥，V1mA压敏电压、80%V1mA下的漏电流IL无变化；第二组：用85OC±5OC热水浸1小时，考核耐湿和高温特性，要求漏电流无漂移现象，通常的产品都有测不稳压敏电压和漏电流变大并微漂的现象，这是我们不愿看到的，这也是使用者的要求；第三组：用15%能流容易的8/20μs波和2ms波能量耐量，分别对产品进行10次小脉冲冲击，这种冲击是单向的，既要求它无变化还要求它无极性，通常会有一些变化，但只要在1%以内都认为合格，这也是使用者的要求。
(7)电容量
电容量C的表达式为：C=d/H·εοε/L·S=K· S/V1mA，实际上这仅仅是如何降低电容量C的一个公式。用电桥测量C值和Q值，品质因数Q=1/（2πfCR）.tgδ=1/Q，通常会要求20k以下产品C值为样本值的60%，20k以上产品为样本值的70%，这是作者依据使用中介质损耗得出的经验。
对于电性能参数，这一部分就叙述这些，至于相关的种种试验，包括寿命终点判断，可依据相关标准的条文。值得一提的是：工艺是研究为什么要做、怎么做、做什么的科学。每一道工序在制品品质鉴定试验中都有体现，保证工艺就是保证某一批次的产品全部通过试验。
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发表于 2004-9-13 11:00:00
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