專利名稱：一種多層結構V₂O₃限流元件的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種V2O3限流元件的制備方法，特別涉及一種多層結構V2O3限流元件的制備方法。
背景技術：
長期以來，摻雜BaTiO3陶瓷一直是人們所熟悉的典型PTC材料，施主摻雜BaTiO3陶瓷在居里點附近電阻增加IO3-IO7倍，顯示出顯著的PTC特性。BaTiO3PTC熱敏陶瓷元件在電子設備、家用電器等方面獲得了極為廣泛的應用，但由于其PTC待性來源于陶瓷晶界效應，不可避免地受電壓和頻率的影響，同時在摻雜BaTiO3陶瓷中難以獲得很低的常溫電阻率(〈3 Q _)和較大的通流能力(> 3A )，因而材料在大電流條件下的應用受 到限制。讓設計人員無法做出更多更好的選擇，阻礙了電子工業(yè)的進步。因此，急需提供高電壓和大電流的一種多層結構V2O3限流元件的制備方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供高電壓和大電流的一種多層結構V2O3限流元件的制備方法。本發(fā)明的一種多層結構V2O3限流元件的制備方法基本構思是摻雜V2O3陶瓷是一種新型PTC材料，同BaTiO3陶瓷相比，其PTC效應來源于體內溫度誘發(fā)的M-I相變，這種體效應不受電壓和頻率的影響，而且該材料具有低的常溫電阻率(KT2-IO-4Q cm)和大的通流能力，與BaTiO3等PTC材料比較，它們具有如下幾個優(yōu)點1、臨界溫度(CTR )范圍窄小，開關性能特好；2、室溫電阻率為10_2-10_4Q cm,比BaTiO3低2_3個數(shù)量級，特別適用于大電流強度場合應用；3、材料電壓/頻率沒有相關性，應用范圍廣；4、材料熱敏性由體效應引起，而BaTiO3系PTC材料由邊晶界引起，V2O3系PTC材材料的特殊性質可使元件微型化。因此，可利用材料相變時電阻率、磁化率的突變而廣泛應用于無接觸點熱電開關，熱動繼電器，溫度探測器，智能加熱器，大電流限流元件等。但是V2O3陶瓷與BaTiO3陶瓷熱敏機理不同，V2O3材料屬于體效應材料，M-I相變等熱過程中各晶粒產生非均勻性形變，而陶瓷材料本身又缺乏足夠的塑性形變機制補償這種非均勻形變.相變時晶胞體積變化達1-1.3 %。因此使用和制備過程中產生的應力十分巨大，微米晶粒級陶瓷材料容易產生微裂縫，造成電性能穩(wěn)定性差，使用壽命短的致命缺陷，細化陶瓷晶粒、增加晶界減少應力、提高材料韌性是解決問題的有效途徑。本發(fā)明需要解決的技術問題是克服PTC陶瓷限流元件存在不易低阻化，易分層；V2O3限流元件存在易碎裂，壽命短。本發(fā)明技術解決方案為
I、采用多層疊片結構來減緩和阻尼應力。所謂多層疊片就是指它具有分離的多層限流單元。限流單元之間為具有很好導熱絕緣作用的陶瓷材料層隔開。根據(jù)限流元件的不動作電流大小來決定限流單元的設計層數(shù)。對于大電流產品(如I>1A)，限流單元的層數(shù)可設計為三層或四層結構。這樣相當于多個陶瓷限流元件的并聯(lián)。同時又分散和阻尼了大電流沖擊下對V2O3功能層產生的巨大熱應力?？朔思僔2O3導電陶瓷易分層、易碎裂等缺點，大大提聞了兀件使用壽命。2、采用共燒技術提高產品可靠性。一般多層疊片結構元件都會遇到一個要解決低溫共燒的問題；多層疊片結構元件一般用銀作內電極或限流熔斷而體，銀漿熔點九百攝氏度多一點，若要實現(xiàn)共燒，那么瓷體的燒結溫度一定要小于900攝氏度，而氧化鋁的燒結溫度在1300攝氏度以上，若要與它匹配，熔體就會用更高溫的材料，如銀鈀，這樣做一方面成本高了，本發(fā)明由于無需內電極，陶瓷層(介質陶瓷或稱為介質膜)與V2O3功能層(導電陶瓷或稱為功能膜)，也就是介質陶瓷與V2O3導電陶瓷的燒結溫度很接近，通過適當?shù)臒Y工藝就能實現(xiàn)共燒，使各層單元能“熔為一體”從而保證了元件整體致密和內部的密封，從而確保了產品的動作性能和使用可靠性。3、采用精密流延、切割工藝技術，提高產品一致性。由于精密流延、切割工藝，使V2O3陶瓷各層限流單元幾何尺寸完全一致，這就保證產品的動作時間具有很好的一致性。限流單元夾在較厚的陶瓷層中間，在保證低內阻、高耐沖擊能力的優(yōu)勢情況下，提高了產品一 致性。本發(fā)明的一種多層結構V2O3限流元件的制備方法工藝流程是
配料按配方、工藝要求，配制具有一定物理、電氣性能的材料，以供流延制膜用。干法流延使?jié){料流延成具有一定尺寸、膜厚均勻致密和一定強度的陶瓷膜片。疊壓按產品工藝的設計要求，將若干張膜片疊壓成所需厚度的上、下底面保護層
O通過流延膜層形成具有一定圖形及結構的限流單元層，并形成具有上、下層的疊印坯塊。該工序是產品制作的靈魂，在該工序可以設計成任意的圖形、任意的層數(shù)以及任意的連接，可以通過并聯(lián)增加不動作電流值。該工序要重點管控的因素有膜厚、干燥速度、漿料的粘度、以及印刷機的諸多參數(shù)。干燥使坯塊在烘箱內經規(guī)定時間和溫度的烘干處理，以排去坯塊內功能層可能存在的揮發(fā)性氣體，防止巴塊分層。該工序是較常規(guī)的工藝手段，一般沒有什么問題，但要注意的在使胚塊和單面膠片分離時不易過快，否則可能引起胚塊的變形，從而給后面的切割帶來麻煩。層壓過程是先將胚塊裝入塑料袋抽真空后再裝入等靜壓機進行層壓。使坯塊中各疊層膜片彼此緊密接觸，形成致密的坯塊，以提高燒結后瓷體的致密性。再將層壓好的坯塊按照切割線切割成一只只符合要求的芯坯。排膠將芯片均勻地裝入承載板，將承載板連同芯片放入排膠爐，低溫下把有機物(溶劑、粘合劑、增塑劑)從芯片生坯中排除。燒結將排膠過的芯坯放入燒結爐，經高溫燒結成瓷，使之成為一個瓷體內結構緊密的片式芯片。然后倒角磨去燒成后芯片上鋒利的棱角，充分顯露端面上的內電極，以保證內外電極的結合。封端燒銀將芯片兩端頭涂銀，經過燒銀，形成銀電極。電鍍在芯片的銀電極上，利用電鍍沉積法分別鍍上鎳金屬層和錫層。利用本發(fā)明的方法能制備出各種規(guī)格的超小型，大電流的限流元件。可以滿足下述技術指標1、尺寸=0402/0603 ;2、常溫電阻0. 2-100 Q ;3、使用壽命>1000次。
具體說來，本發(fā)明的一種多層結構V2O3限流元件的制備方法，其特征是按照以下步驟制備a、介質陶瓷粉末、V2O3導電陶瓷粉末分別與粘合劑混合而配制成介質陶瓷漿料及導電陶瓷漿料；b、在巴塊模板上用介質陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成介質陶瓷膜，并用加熱方式使其干燥固化形成陶瓷層；c、在已固化的陶瓷層上用導電陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成導電陶瓷膜；d、用加熱方式使涂布或流延的導電陶瓷膜固化形成V2O3功能層；e、在已固化的V2O3功能層上用介質陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成介質陶瓷膜；f、用加熱方式使涂布或流延的介質陶瓷膜固化形成陶瓷層；g、繼續(xù)執(zhí)行c至f步驟直至形成所需要的陶瓷層或V2O3功能層數(shù)，經切割后而制成多層結構V2O3限流元件的生坯；h、將上述多層結構V2O3限流元件的生坯排膠、燒結，而制成多層結構V2O3限流元件的芯片，再經端涂、電鍛工序制成成品。 在本發(fā)明制備方法的步驟g中陶瓷層和V2O3功能層交替疊片，最外層為陶瓷層(介質陶瓷或稱為介質膜)，V2O3功能層(導電陶瓷或稱為功能膜)疊夾在陶瓷層中，V2O3功能層至少一層。也就是說V2O3功能層可以是一層或一層以上的多層，只要陶瓷層和V2O3功能層交替疊片，最外層為陶瓷層即可。也即在陶瓷芯片總厚度不增加的前提下，改變V2O3功能層和陶瓷層厚度，達到所需要的交替疊片疊層數(shù)，進而改變參數(shù)，以滿足技術指標。本發(fā)明制備方法中，V2O3導電陶瓷電阻率很小，多層結構中無需另外制備內電極。與前述現(xiàn)有同類產品相比，本發(fā)明的一種多層結構V2O3限流元件的制備方法解決了己有PTC陶瓷限流元件存在不易低阻化，易分層；V203限流元件存在易碎裂，壽命短等問題。利用本制造方法能制備出各種規(guī)格的超小型，大電流的限流元件。本發(fā)明的內容結合以下實施例作更進一步的說明，但本發(fā)明的內容不僅限于實施例中所涉及的內容。


圖I是實施例I中多層疊片工藝原理示意圖。圖2是實施例I中共燒后一種多層結構V2O3限流元件的疊層體剖面圖。圖3是實施例2中一種多層結構V2O3限流元件結構示意圖。圖4是實施例3中一種多層結構V2O3限流元件結構示意圖。圖5是實施例4中一種多層結構V2O3限流元件結構示意圖。圖6是實施例5中一種多層結構V2O3限流元件結構示意圖。圖7是實施例6中一種多層結構V2O3限流元件結構示意圖。圖8是比較例的結構示意圖?！矆D中符號說明〕V203功能層I;介質陶瓷層2;端電極3。
具體實施方式
在實施例中V2O3導電陶瓷電阻率很小，多層結構中無需另外制備內電極。采用精密流延、切割工藝，其切割尺寸為0603或0402標準尺寸，陶瓷芯片總厚度尺寸為0. 5-0. 55毫米。根據(jù)陶瓷芯片尺寸推算出電阻公式約為R=PX (L/HXW)=2p/H，H為V2O3功能層膜片總厚度。具體制備方式為I、原料預燒:^ V2O3，Cr2O3, Fe2O3 按(V0.996Cr0._) O3 + 3wtl% Fe2O3 比例混合球磨后，在H2中于1455°C保溫2小時預燒合成，再將預燒料球磨36小時，得到最終的V2O3瓷粉；V2O3瓷粉電阻率約2 X 10_3 Q .cm。同樣在1450°C保溫2小時預燒Al2O3原料得到介質陶瓷瓷粉。2、漿料制備按每IOOg瓷體粉料，加入加入22g乙醇和55g三氯乙烯作為有機溶齊U，并加入4g的磷酸三丁脂作為分散劑，進行混合球磨3-5小時后，再次加入IOg的聚乙烯醇縮丁醛樹脂和54g的乙醇作為粘合劑，并加入9g的鄰苯二甲酸二丁脂作為增塑劑進行混合球磨3-5小時，然后靜置5-8小時去除氣泡及物理團聚，最后進行過篩處理獲得流延漿料。3、流延成型利用鋼帶流延機進行流延操作,保持流延速度在600-800mm /mim,控制流延生坯寬度為180mm、厚度為30-50 iim以及長度為180mm，可獲得所需的兩種陶瓷膜片(俗稱巴片)。 4、疊片將兩種巴片放在載板上根據(jù)預先設計的功能層圖案，膜片采取兩個方向上交替疊放，陶瓷涂層和V2O3功能層交替疊夾過程參見附圖I，疊層數(shù)為3。將與載板連為一體的印疊體(簡稱巴塊)放置在溫等靜壓機中作均質處理，以備切割成型之用。5、切割將巴塊放在片式元件切割機的切臺上，按設計生坯尺寸設定切割參數(shù)，最后獲得多層結構的生坯體。6、共燒將所獲得多層結構的生坯體放在氣氛燒中燒結。在燒結過程中升溫和最高燒結溫度保溫段，氣氛控制在還原或中性氣氛下；設定合理的燒結曲線，燒結出合格阻值范圍的瓷坯。7、端電極制備采用三層端電極電鍍技術制備電極，該電極具有良好的焊接能力.至止完成完成本發(fā)明的V2O3限流元件芯片制作。實施例I :如圖I 2所示，本實施例中一種多層結構V2O3限流元件的制備方法，其特征是按照以下步驟制備a、介質陶瓷粉末、V2O3導電陶瓷粉末分別與粘合劑混合而配制成介質陶瓷漿料及導電陶瓷漿料；b、在巴塊模板上用介質陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成介質陶瓷膜，并用加熱方式使其干燥固化形成陶瓷層；c、在已固化的陶瓷層上用導電陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成導電陶瓷膜；d、用加熱方式使涂布或流延的導電陶瓷膜固化形成V2O3功能層；e、在已固化的V2O3功能層上用介質陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成介質陶瓷膜；f、用加熱方式使涂布或流延的介質陶瓷膜固化形成陶瓷層；g、繼續(xù)執(zhí)行c至f步驟直至形成所需要的陶瓷層或V2O3功能層數(shù)，經切割后而制成多層結構V2O3限流元件的生坯；h、將上述多層結構V2O3限流元件的生坯排膠、燒結，而制成多層結構V2O3限流元件的芯片，再經端涂、電鍍工序制成成品。在本實施例的步驟g中陶瓷層和V2O3功能層交替疊片，最外層為陶瓷層，V2O3功能層疊夾在2層陶瓷層中，V2O3功能層為I層。本實施例中陶瓷層厚度為0. 05毫米，V2O3功能層厚度為0. 4毫米。也就是在2層陶瓷層中夾I層V2O3功能層時，陶瓷芯片總厚度為0. 5毫米。其測量結果見表I。其結構見圖2。實施例2 :本實施例與實施例I相似，所不同的是陶瓷層厚度為0. I毫米，V2O3功能層厚度為0.3毫米。陶瓷層和V2O3功能層交替疊夾，疊層數(shù)為3。也就是在2層陶瓷層中夾I層V2O3功能層時，陶瓷芯片總厚度為0.5毫米。其測量結果見表I。其結構見圖3。實施例3 :本實施例與實施例I相似，所不同的是陶瓷層厚度為0. 08毫米，V2O3功能層厚度為0.15毫米。陶瓷層和V2O3功能層交替疊夾，疊層數(shù)為5。也就是在陶瓷層3層、V2O3功能層2層時，陶瓷芯片總厚度為0.54毫米。其測量結果見表I。其結構見圖4。實施例4 :本實施例與實施例I相似，所不同的是陶瓷層厚度為0. 05毫米，V2O3功能層厚度為0.1毫米。陶瓷層和V2O3功能層交替疊夾，疊層數(shù)為7。也就是在陶瓷層4層、V2O3功能層3層時，陶瓷芯片總厚度為0.5毫米。其測量結果見表I。其結構見圖5。實施例5 :本實施例與實施例I相似，所不同的是陶瓷層厚度為0. 2毫米，V2O3功能層厚度為0.1毫米。陶瓷層和V2O3功能層交替疊夾，疊層數(shù)為3。也就是在陶瓷層2層、V2O3功能層I層時，陶瓷芯片總厚度為0.5毫米。其測量結果見表I。其結構見圖6。實施例6 :本實施例與實施例I相似，所不同的是陶瓷層厚度為0. 25毫米，V2O3功能層厚度為0.01毫米。陶瓷層和V2O3功能層交替疊夾，疊層數(shù)為3。也就是在陶瓷層2層、V2O3功能層I層時，陶瓷芯片總厚度為0.51毫米。其測量結果見表I。其結構見圖7。比較例為常規(guī)工藝制作的PTC元件，其工藝制作如下
I、原料預燒將 V2O3，Cr2O3, Fe2O3 按(V0.996Cr0.004) O3 + 3wtl% Fe2O3 比例混合球磨后，在H2中于1455°C保溫2小時預燒合成，再將預燒料球磨36小時，再將預燒料球磨36小時，V2O3瓷粉電阻率約2 X IO^3Q .cm。2、造料制備按每IOOg瓷體粉料，加入加入17ml的15%濃度的聚乙烯醇(PVA)配制V2O3陶瓷漿料。通過攪拌消泡后噴入造粒塔中造粒，最終得到流動性理想的瓷體粉料。3、成型將造粒后的粉體放入模具中在油壓機上成型獲得所需尺寸的生坯。4、燒結將生坯放在匣缽中放在燒結爐中燒結。設定合理的燒結曲線，燒結出合格阻值范圍的瓷坯。5、端電極制備采用三層端電極電鍍技術制備電極，該電極具有良好的焊接能力.至止完成完成本發(fā)明的V2O3限流元件芯片制作。其測量結果見表I。其結構見圖8。表I
權利要求
1.一種多層結構V2O3限流元件的制備方法，其特征是按照以下步驟制備 a、介質陶瓷粉末、V2O3導電陶瓷粉末分別與粘合劑混合而配制成介質陶瓷漿料及導電陶瓷楽■料； b、在巴塊模板上用介質陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成介質陶瓷膜，并用加熱方式使其干燥固化形成陶瓷層； C、在已固化的陶瓷層上用導電陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成導電陶瓷膜； d、用加熱方式使涂布或流延的導電陶瓷膜固化形成V2O3功能層； e、在已固化的V2O3功能層上用介質陶瓷漿料通過涂布或流延方式形成介質陶瓷膜； f、用加熱方式使涂布或流延的介質陶瓷膜固化形成陶瓷層； g、繼續(xù)執(zhí)行c至f步驟直至形成所需要的陶瓷層或V2O3功能層數(shù)，經切割后而制成多層結構V2O3限流元件的生坯； h、將上述多層結構V2O3限流元件的生坯排膠、燒結，而制成多層結構V2O3限流元件的芯片，再經端涂、電鍍工序制成成品。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種多層結構V2O3限流元件的制備方法，其特征是步驟g中陶瓷層和V2O3功能層為交替疊片，最外層為陶瓷層，V2O3功能層疊夾在陶瓷層中，V2O3功能層至少一層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多層結構V2O3限流元件的制備方法。該制備方法是按照以下步驟制備a、配制介質陶瓷漿料及導電陶瓷漿料；b、在巴塊模板上形成介質陶瓷膜，并用加熱方式使其干燥固化形成陶瓷層；c、在已固化的陶瓷層上形成導電陶瓷膜；d、用加熱方式形成V2O3功能層；e、在已固化的V2O3功能層上形成介質陶瓷膜；f、使介質陶瓷膜固化形成陶瓷層；g、繼續(xù)執(zhí)行c至f步驟直至形成所需要的陶瓷層或V2O3功能層數(shù)，經切割后而制成多層結構V2O3限流元件的生坯；h、將多層結構V2O3限流元件的生坯排膠、燒結，制成多層結構V2O3限流元件的芯片，再經端涂、電鍍工序制成成品。
文檔編號C04B35/622GK102682940SQ20121016355
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權日2012年5月24日
發(fā)明者劉青, 楊敬義 申請人:成都順康新科孵化有限公司