燒結條件對玻璃釉電位器性能參數的影響

一、             前言

玻璃釉電位器在我公司有二十多年的生產歷史，由于其性能穩定、調節精細、可靠性高、在通訊設備、儀器儀表、彩、黑白電視機、軍用電子裝備、電子計算機及外用設備、辦公自動化產品、家用電器等領域得到了廣泛應用，隨著現代化的發展和國內外同行的競爭，已對其技術性能和可靠性水平提出了新的更高的要求。導電基體作為玻璃釉電位器的心臟部分，對其制作過程的工藝的控制，尤其是燒結工藝的控制是非常重要的。

二、             玻璃釉電位器結構簡介

為了說明燒結條件對玻璃釉電位器性能參數的影響，在此先介紹一下玻璃釉電位器的結構，玻璃釉電位器是一種在電路中調節電流或電壓的三端元件，它是由導電基體、接觸電刷、驅動機構及外殼等部件組成。其中導電基體是用金屬及其氧化物、玻璃釉、有機粘合劑的電阻漿料和電極料，在AI203陶瓷基體上經絲網印刷，在專用厚膜燒結爐中高溫燒結成型。漿料及其成型工藝確定了導電基體及電位器的基本性能：阻值、溫度系數、接觸電阻變化和旋轉壽命。在導電基體制造過程中影響玻璃釉電位器性能的因素很多，如印刷環境、電子漿料、印刷機、陶瓷基片瓷質、印刷絲網精度、刮倒的硬度、印刷壓力、燒結條件等。下面我們僅介紹燒結條件。

三、             燒結工藝的要求及燒結過程

厚膜玻璃釉電位器是一種復雜的非均衡系統，其采用的電阻漿料含有非常細致的玻璃質和導電粒子，在燒結條件下不斷變化時將引起了面電阻率和溫度系數的改變，厚膜電位器由于絲網漏印和燒結時引起的金屬遷移最終也將對其電性能產生影響。

推薦的燒結工藝要求如下：

1、  燒結時峰值溫度要求在850℃，峰值時間10min，燒結周期60分鐘；

2、  大批量燒結的工藝參數可根據試料在原曲線基礎上調整，但范圍必須在800—880℃之間；

3、  升降溫度率應控制在60℃/ min內；

4、  隧道爐要注意有效地排除有機揮發材料，保證燃燒后廢氣不能進入燃燒區和冷卻區，避免造成廢棄污染導電基片。

燒結過程中，物理化學反應比較復雜，現以釕系玻璃釉電阻漿料為例，分以下四個階段簡要說明整個燒結過程的變化。

1、  低溫預熱階段。此階段主要是有機粘合劑揮發、分解和燃燒，一般到350℃此過程基本完成。

2、  玻璃熔融階段。當溫度升高到玻璃軟化點后，玻璃料開始軟化，逐漸熔融，一般溫度在550℃左右。

3、  電阻燒成階段。在850℃左右玻璃完全熔融，產生塑性流動，對導電固體顆粒完全濕潤，由于玻璃阻力減少，導電固體顆粒間吸附性和擴散性增強，粘接成網狀結構或鏈狀結構形成導電網絡。

4、  冷卻階段。經過最高溫下保溫一定時間后，即可降溫，在降溫過程中玻璃逐漸冷卻硬化，到550℃左右便完全凝固，將膜固定并牢固地附著在基體上。

概括的講，燒結過程就是在一定氣氛下經過熱處理，在低溫階段去掉有機粘合劑，高溫時玻璃熔融，顆粒相互“粘結”，并伴隨各組分子間的化學反應及晶體長大等過程，最后形成一定的到店后膜牢固地附著在基體上。

四、             試驗驗證

一）、燒結氣氛對電位器性能的影響只是就低阻而言，因未調節好空氣氣氛，在燒結電阻時出現電極表面發烏的現像?，F采用1811杜邦漿料、WIW1036用進口陶瓷基體，按照常規厚膜印刷工藝印刷10連片，每5連片分兩次燒結，燒結時峰值溫度采用850℃、峰值時間10min，第一次開抽風機，第二次關抽風機，試驗結果如下：開抽風機時，基片表面外觀合格，阻值、TCR、CRV測試正常；不開抽風機時，電極表面發黑，可焊性差，TCR、CRV測試合格。

二）、燒結溫度、時間、次數對電位器性能的影響

本實驗主要對燒結溫度、時間、次數做三次實驗，材料使用1821杜邦漿料，WIW1036用進口陶瓷基體。

1、  不同峰值燒結溫度對阻值，TCR、CRV影響

按照常規的厚膜印刷工藝將1821漿料印在WIW1036陶瓷基體上，工印98連片，流平5 min后放入紅外線干燥箱內烘干，再按工藝要求在隧道爐內燒結，峰值溫度分別為700℃、800℃、825℃、835℃、850℃、865℃、875℃、900℃，峰值時間10min，每個峰值溫度測試10片，燒后測量阻值、溫度系數和接觸電阻變化，數據見表一。

表一

2、  測試燒結時間對阻值、TCR、CRV的影響

峰值溫度采用850℃峰值時間分別為6 min、8 min、10 min、12 min、14 min、15 min燒結，每個時間試燒三連片，測試并記錄阻值、TCR、CRV的數據。

表二

3、  燒結次數對阻值、TCR、CRV的影響

采用試驗1中用峰值時間10 min燒結的導電基體，在峰值溫度800℃、825℃、850℃下重復燒結三次，每次記錄的數據分別見表三、表四、表五。

表三

表四

表五

五、             分析結論

在試驗一中，燒結氣氛對低阻的影響主要是因為：低阻漿料中玻璃粘結相含量低，在燒結過程中，玻璃相未全部覆蓋住電阻表面，從而使電阻膜內的功能相多少地裸漏于大氣中，與其中的水分、氧及其它有害氣氛全部接觸，發生物理化學反應而影響了穩定性。

在試驗二中，當峰值溫度在800—850℃間時，阻值與溫度系數呈規律分布，在整個區間TCR與峰值溫度成正比，阻值與峰值溫度在800—850℃間成正比，850—880℃間成反比，在峰值溫度850℃時，阻值、TCR、CRV達到最佳值，而在700℃和900℃時阻值突變，TCR過大，CRV偏大。這是因為：1821電阻漿料的燒成條件在峰值溫度850℃最適宜，在700℃時溫度過低，由于導電網絡形成不良，方阻相當高，膜厚結構不穩定、性能低劣；在900℃時溫度過高玻璃相黏度迅速下降，使更多的導電顆粒在短時間內相互連接成均勻的導電網絡，以至于晶粒大小懸殊，膜層結構極不均勻，影響了膜層性能，從而引起阻止降低、TCR、CRV變大。

阻值在10min附近接近方阻、TCR、CRV達到最佳值，這主要因為：峰值時間的大小是反應充分、膜層結構穩定、晶粒大小均勻的要求。

采用不同溫度進行重燒，隨著燒結次數的增加，阻值上升，TCR下降，但燒結超過一定的限度，重燒對阻值和TCR影響不明顯，CRV變大。這主要是因為多次燒結后導體表面有所改善，經過多次燒結，玻璃幾乎軟化，處于液態時相應變重的導電相下沉，導體表面玻璃相比導電相多，膜電阻率增加，所以阻值上升，TCR下降，另一方面，多次燒結后，氧化物產生的“合金反應”反應完全，即合金量多，所以阻值上升，而與電刷接觸的導體表面導電相減少，故CRV變大。但在生產中不能無限次地燒結，一方面，到一定程度阻值、TCR變化不大，另一方面，多次燒結后CRV變大，玻璃釉電極中玻璃相上浮，電極的可焊性也明顯下降。

六、             結論

通過幾年從事基體制造工序的工藝控制管理，從實踐中摸索規律、經過試驗驗證，現基本總結出“燒結條件對玻璃釉電位器性能影響”的規律，從而確定出實際生產中的適宜燒結條件，共包括以下幾點：

1.        燒結時選用的峰值溫度應優選漿料廠家推薦工藝：峰值溫度850℃，峰值時間10min一次燒成。

2.        在實際生產中為了降低成本，可以在800—880℃之間通過重燒處理基片，來調節阻值和TCR，但一般只允許處理兩次。

3.        低阻燒結時應注意調節好燒結氣氛。