文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
PTC陶瓷的细晶化及其与Ni电极共烧技术研究
姓名:陈勇
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:龚树萍
2010-05-26
华中科技大学博士学位论文
摘要
为适应电子元器件的小型化、片式化、高性能的发展需要,PTCR 也必须朝着小型、
多层片式化的方向发展。PTC 半导瓷是利用晶界效应的功能陶瓷,要获取高性能的多
层片式 PTC 瓷,必须使多层片式 PTCR 单层瓷体在垂直电极方向上包含一定数量的晶
界,而多层片式 PTCR 单层瓷体的厚度只有 10-40µm,这就要求晶粒尺寸随之相应的
减小,至少使单层 PTC 瓷体具有一定数量的晶界,因而晶粒尺寸应该在 -2µm。
本文以制取高性能片式 PTC 陶瓷为目标,对水热法和固相法的 BaTiO3 基细晶 PTC 瓷
的制备、高性能 Ni 内电极浆料的制备及与瓷体匹配问题、细晶 PTC 陶瓷流延工艺优
化、界面效应与气氛对片式 PTC 陶瓷性能影响、再氧化处理与片式 PTC 陶瓷性能的
关系等展开研究工作。
本文以水热法粉体和固相法粉体为原料,通过适当提高施受主掺杂比、提高预烧
温度、降低烧结温度、添加不同玻璃相等方法来减小陶瓷的晶粒尺寸和改善 PTC 电学
性能。采用市售水热法粉体作为原料制备了平均晶粒尺寸为 2-5µm、室温电阻率在
100Ω·cm 左右、升阻比大于 104 的半导化良好圆片型 PTC,实验表明水热法粉体存在
钡钛比失衡、杂质多等缺点使进一步减小晶粒尺寸存在极限;而采用传统固相法粉体
作为原料,通过调整 Y/Mn、经 1220℃预烧和 1300℃烧结等方法得到平均晶粒尺寸
2µm、室温电阻率为 205Ω·cm、升阻比大于 104 的圆片型 PTC。
多层片式 PTCR 用 Ni 内电极制作过程中,为获取性能良好的 Ni 内电极浆料, Ni
粉为采用的液相还原法制备的亚微米级粉体,有机溶剂选用松油醇和邻苯二甲酸二丁
酯,有机粘合剂选用松香,Ni 电极浆料中 BaTiO3 粉的添加量为 10wt%,促使电极与
陶瓷线胀系数趋于一致,很好的解决了分层现象的发生,Ni 电极中还加入了 15wt%
Cr 粉,提高了电极的抗氧化温度、同时在后续再氧化处理过程中起到很好保护 Ni 电
极的作用。
而采用固相法粉料的有机流延法,通过适当增加施受主掺杂比、提高预烧温度,
降低烧结温度等方法来实现了陶瓷晶粒尺寸的细小化和 PTC 性能的优越化;适当提高
I
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流延浆料固含量后实验表明 PTC 具有更好的升阻比、更小的晶粒尺寸、更低的室温电
阻率,通过 A 位引入 Ca 和 Sr 结合高能球磨的方法,空气中烧结制备出了晶粒尺寸为
µm、室温电阻率为 150Ω·cm、密度为 、升阻比达 数量级的的 PTC
陶瓷。
本文最后研究了片式 PTC 陶瓷的还原烧结机制、再氧化机制与叠层体性能之间关
系、Ni-BaTiO3 界面效应与多层片式 PTCR 性能关系。片式 PTC 陶瓷在 N2/H2 混合气氛
内于 1240-1320℃烧结 小时,其中氧分压 P =−10−812 10− MPa,在 1050-1280℃
O2
以 400℃/h 升温速率,高温降到 850℃选定的降温速率为 300℃/h,温度降到 850℃时,
停止通气直到室温。800℃其再氧化 1h,片式 PTC 陶瓷晶粒尺寸小于 1µm、升阻比为
个数量级、室温电阻率为 ·cm。界面效应实验表明适度的金属-陶瓷互扩散
对形成性能优异的多层片式 PTCR 很有好处,但是过重的互扩散会恶化多层片式
PTCR 的性能。瓷体与 Ni 电极的共烧中的扩散等效应为多层片式 PTCR 的研制奠定了
一定的实验基础。
关键词:多层片式 PTCR 细晶固相法 Ni 电极有机流延界面效应
II
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Abstract
In order to meet the miniaturization of ponents, chip-based,
high-performance development needs, PTCR must also be moving in a small,
multi-chip-oriented direction. To obtain high-performance multi-layer chip PTCR as much
as possible, We must make multi-layer chi