敏感陶瓷表面溅射金属化研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江大学信息科学与电子工程系 作者:王文婷

  以负温度系数( NTC) 热敏陶瓷为例,采用直流磁控溅射技术在陶瓷表面制备了过渡层+ 阻挡层+ 焊接层的复合溅射膜电极,其中Ni-V 薄膜作为过渡层兼阻挡层,Ag 作为焊接层。并对NTC 热敏陶瓷的各项电性能,电极的结合力等进行了测试,采用扫描电镜、能量色散X 射线谱等技术研究了溅射膜电极的作用机理和微观形貌。实验结果表明: Ni 能与NTC 热敏陶瓷产生良好的欧姆接触,并提高了电极层与陶瓷表面的附着力,而且Ni 膜能够有效阻挡Ag 扩散进入陶瓷体内,避免了烧银电极中Ag 向瓷体内扩散的缺点,同时Ni 还能很好地耐受高温无铅焊锡的溶蚀,保证焊接质量。

  负温度系数( NTC) 热敏电阻是指其阻值随温度升高而成指数关系降低的敏感电阻,它具有很大的电阻温度系数,稳定的性能,宽广的使用温区等优点。依据NTC 热敏电阻的阻温特性和伏安特性,广泛应用于电子电路的温度补偿、温度的测量控制和抑制浪涌电流、功率计等方面。除了NTC 陶瓷本身的特性,附着在电阻瓷体表面的电极层对NTC 热敏电阻的性能起着至关重要的影响。

  近年来,NTC电阻的材料配方和生产工艺都得到了巨大的发展,但是,目前国内外对其电极的制备仍沿用着银浆烧渗法的传统工艺。现已发现,采用银浆烧渗法制备敏感陶瓷的电极存在诸多严重的缺陷,比如成本高,附着强度低、易脱落,制备过程污染环境等,更重要的是银迁移将可能影响热敏电阻性能的长期稳定性,难以制造高稳定性的热敏电阻元件。而采用磁控溅射法制备敏感陶瓷的电极,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为不仅能从本质上克服烧银电极的种种缺陷,制备过程绿色环保,成本低廉,而且制得的电极膜具有膜层致密,厚度均匀,附着性强等优点,能够很好地满足电子器件行业中电极应具有良好的导电性能、欧姆接触性能、易焊接性能、附着牢固性、成本低等要求。相比于在PTC 热敏陶瓷上制备溅射膜电极已有相对成熟的研究和应用,溅射膜电极在NTC 热敏电阻电极上的应用还有待研究。本文的目的在于通过在NTC 热敏电阻表面制备溅射膜Ni /V-Ag 电极来研究NTC 敏感陶瓷表面溅射金属化的可行性。

1、实验部分

  为了准确评估真空溅射电极的性能,选取某公司批量生产线上的50 片NTC 热敏陶瓷片( Φ9 mm× 1.2 mm,I max为4 A) 作为实验基片。实验前需将基片先后放入去离子水和丙酮溶液中各超声清洗20 min,以去除基片表面的油垢和杂质。随后将基片烘干。预处理完成后将基片放入浙江大学薄膜与射频实验室自行研制的多靶磁控溅射仪中,依次在瓷片表面溅镀500 nm 的Ni /V 膜和200 nm 的Ag膜,其中Ni /V 靶93% 为Ni,7% 为V。溅射参数如下: 本底真空为3. 0 × 10 -3 Pa,工作气压为0.5 Pa,靶基距为100 mm,Ni /V 靶和Ag 靶的溅射功率分别为450 和370 W。同时取50 片同型号烧银电极的NTC 热敏电阻作为对比样品。

  本实验选用的NTC 热敏电阻的最大工作电流Imax为4 A,通过加严老化来测试溅射膜电极的性能。加严老化试验是指将样品置于150℃恒温箱内通5 A( > 120% Imax) 电流老化1000 h。然后采用Fluke8846a 台式万用表在25℃下测量样品的阻值,观察样品的阻值变化情况和本体温度变化情况。另外,本文通过平均抗拉强度来表示电极与陶瓷间的结合强度。在瓷片表面将引线焊在面积约为3 ~ 4mm2 的锡点上,样品固定在测试台上,用测力计( K-50H,福州,中国) 测量作用在引线上的拉力,附着力是指匀速拉试样至电极与瓷片脱落时所需的拉力,抗拉强度是附着力与脱落点面积的比值。采用扫描电镜( SEM) 和能量色散X 射线谱( EDX) 等技术观察了电极/NTC 陶瓷界面的横截面的微观形貌及界面扩散情况。

3、结论

  本文采用磁控溅射技术在NTC 敏感陶瓷表面制备了Ni /V-Ag 电极,通过对Ni /V-Ag 电极NTC 热敏电阻各项性能的研究,发现Ni /V 膜作为电极的过渡层和阻挡层,不仅能与NTC 热敏陶瓷产生良好的欧姆接触,并与陶瓷表面的附着力良好,而且能够有效阻挡Ag 扩散进入陶瓷体内,同时Ni 还能很好地耐受高温无铅焊锡的溶蚀,这些保证了NTC 热敏电阻在高温连续负载时性能长期的稳定性。本文对真空溅射电极在NTC 热敏电阻金属化上的应用进行了积极的探索,结果表明完全能取代烧银电极,加上溅射工艺制备过程简单环保,成本低廉,适用于大规模的批量化生产中。

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