限压型SPD中MOV芯片的制造与应用

限压型SPD中MOV芯片的制造与应用
                 费自豪  王志宏  贵州飞舸电子有限公司(550002)
                 陈泽同  刘细华 科通通信技术(深圳）有限公司

第一作者：费自豪，男，1964年生，1990年北京科技大学硕士毕业，副研究员，从事压敏电阻瓷料、工艺研究及产品推广应用等方面的工作。

摘要：对比了SPD用MOV芯片与通用压敏电阻的性能要求差别，解析了芯片热容量对SPD热脱离安安全保护的意义；分析了两种热处理烧银工艺对MOV芯片性能的影响，考虑到几何形状与内应力因素，提出34×34mm芯片不宜采用快速烧银工艺；仔细分析了ZnO压敏伏安特性曲线，提出大面积MOV芯片0.1mA～1mA范围的α不宜过高；结合工艺实践，讨论了泄漏电流及其分散性及多片芯片并联问题。

The Manufacture and Parameter Choose of MOV Pieces Used in Voltage Limiting Type SPD

Fei Zi Hao¹  Wang Zhi Hong¹

Chen Ze Tong²  Liu Xi Hua²

1. Guizhou Flyboat Electronic co., Ltd

2.  Comtech Communication Technology(Shen Zhen) Co.,Ltd.

Abstract: The difference of required properties between MOV pieces used in voltage limiting type SPD and general varister ware compared. The MOV pieces properties influenced by two type heat treatment process ware analyzed. Consider geometric form and internal stress differences, the point is that the reduction of silver electrode by quick heat and cool process does not fit for 34×34mm MOV pieces. The V-A curve of ZnO varister was studied, the point is that the non-linear coefficient(α) value of MOV pieces with big area between 0.1mA～1mA should not be too higher. The MOV pieces leak current and its dispersion was discussed combined with practical experience.

Key Word: Voltage limiting type SPD  MOV pieces  Non-linear coefficient  Leak Current  Internal stress.

       1. 导言

       随着建筑防雷要求的日益提高，电涌保护器（SPD）在建筑上的应用越来越广泛，已逐渐成为低压电器的一个重要组成部份，限压型SPD大规模进入家庭已是指日可待，大部分限压型SPD都是使用34×34mm的ZnO压敏电阻(MOV)芯片。目前有的MOV和SPD制造企业不完全明了大尺寸MOV芯片与通用型压敏电阻的区别，简单将通用型压敏电阻的制造工艺及三参数测量分选方法用于SPD用MOV芯片的筛选，严重影响了SPD的产品质量，也给SPD用户埋下了隐患。所以笔者深感有必要将此问题的一些认识，结合实际工作情况，在此作一些介绍。

       2 .MOV与通用型压敏电阻性能要求的主要区别

       限压型SPD使用的MOV芯片几何尺寸大、通流容量要求高，残压比要求小。例如34×34mm芯片要求8/20μs标称通流In 20kA、Imax 40kA/2次；而Φ20通用型压敏电阻最大通流容量为10kA/1次；前者瞬间电流密度为34.6A/mm² ，后者为31.8A/mm²，二者相差10%；前者需经受二次不损坏，而后者仅需一次；前者制作成SPD后还需经受热平衡考验(指MOV芯片分別流过2mA-5A的工频交流电流)，所以前者焦尔热容量要求比后者要大很多。由于几何尺寸大，形状异，电气性能要求高，SPD用MOV芯片在制造工艺及电气参数特性上有其特殊性。这二种产品性能要求的侧重异同见下表： 

       在此重点介绍一下SPD用MOV芯片要重视热容量的理由：SPD的热脱离原理是利用MOV芯片失效后在工频负荷的作用下，其泄漏电流不断增大导致芯片发热将热脱离机构的低熔点合金焊接点熔化脱离切断电路以达到保护目的，MOV芯片自身还存在热熔击穿的问题，一旦MOV芯片被热熔击穿，就成了一个阻值很低的导体，造成系统短路，有时会起弧使模块内的物质迅速气化、压力骤增造成爆炸、喷火燃烧，损毁设备、建筑。故热脱离机构必须在MOV芯片被热熔击穿前实现脱离，热容量大的MOV芯片在被热熔击穿前可坚持更长的时间以保证热脱离机构的低熔点合金焊接点熔化，此即要重视MOV芯片热容量的理由。对同种材料来说，一般只能通过增加物质量来提高热容量，在径向尺寸固定的情况下，则只有增大轴向尺寸即芯片厚度来增大其热容量；但是芯片厚度增加同时带来了残压升高的问题，故对芯片的性能要求应当综合平衡，不可过分强调其一。

       3. 芯片几何形状、尺寸大小与工艺热过程的关系

       由于有以上明显区别，SPD用MOV芯片的制造工艺也与通用型压敏电阻有着区别。MOV芯片制造工艺有如下几道关键工艺：按配方配料、混料→喷雾造粒→压制成型→排胶、烧结→热处理烧银电极。芯片的性能优劣与其生产制造工艺密不可分，目前在最后一道烧银工艺之前，各制造厂的工艺差别较小，各有所长。最后一道工艺目前有两种做法：一种是参考目前高压避雷器阀片的退火工艺，采用慢速升降温将烧银与退火工艺合并成一道工艺完成以充分消除或降低芯片的内应力，整个过程约25h左右完成，这样出来的芯片通常泄漏电流较大，34×34mm芯片约为5～15μA；α系数较低，约18～35。另一种是直接采用小压敏电阻的快速烧银生产工艺，约数十分钟完成，有的在此之前做退火热处理，有的不做。这样出来的34×34mm芯片通常泄漏电流≤2μA；α系数≥40。由于目前大部分SPD芯片的生产厂均以生产小压敏电阻为主，该工艺被广泛使用。

       在前面的工艺得到保证的前提下，最后一道热处理烧银过程将极大地影响芯片的性能，对大尺寸的方形芯片尤其如此。简单分析如下：对于Φ20以下的小圆片而言，由于是圆形、且尺寸小，由热过程引起的热胀冷缩较均匀且幅度小，芯片的内应力大部集中在圆心附近，故可以使用快速烧银工艺。而对34×34mm芯片而言，由于各向不等径且尺寸较大，热过程引起的热胀冷缩幅度大、且不均匀，快速升降温将在芯片内部引起很大的内应力，加上在烧成过程中热形变应力。由材料学可知，过大的内应力将影响材料内部的相变、抑制载流子运动从而提高晶粒、晶界的电阻。对MOV芯片来说，其外在表现是U_1mA电压升高、泄漏电流I_L减小，α系数增大，似乎小电流性能得到了改善。但这只是一种非稳态的假象，伴随内应力的释放，电性能会较快劣化；并且由于内阻的升高，会降低8/20μS通流能力，寿命曲线有明显的性能陡变（U_1mA值在承受一定次数的冲击后出现急剧的下跌），小电流特性明显变差(I_L上升，α系数下降很快)；在进行2mS方波能量测试时较容易击穿，在进行8/20极限冲击时容易发生炸裂现象（电涌能量与内应力同时对陶瓷结构产生破坏）。若在内应力释放过程中伴有工频外电场的作用，其影响机理更为复杂，但结果是芯片性能加速劣化。故不可将通用型压敏电阻片的快速烧银工艺照搬到大方形MOV芯片的生产上。

       在工艺实践中发现，若将经过充分退火热处理的芯片（U_1mA=600～620V、I_L=8μA±、α=23±）回炉模拟600℃的快速烧银，其性能将发生明显改变：V_1mA≥660V、I_L≤2、α≥40，但是8/20μS极限通流能力和2mS方波能量耐受能力明显下降，故先进行热处理再快速烧银的工艺没有实际意义。此方面应当借鉴高压避雷器芯片的退火工艺及控制指标，从提高银浆质量入手，将烧银与热处理合并成一道工序，以消除或降低芯片内应力。

       4.  小电流参数筛选应注意的几个问题

       典型的ZnO压敏电阻的电压电流特性曲线以下图为例进行说明，在620V附近，曲线出现了明显的拐折，通常定义1cm²芯片流过1mA电流时的电压U_1mA/cm²为拐点电压^[1]，也称崩溃电压或击穿电压。当施加在芯片上的电压低于拐点电压时，电压与电流接近线性关系，此时的非线性系数α较小；而一旦作用在芯片上的电压超过拐点电压，电压的微小增量将导致电流急剧增大，电压与电流表现出强的非线性关系，此时才有较高的非线性系数α。要强调的是对小尺寸通用型压敏电阻而言，压敏电压U_1mA可以近似为拐点电压U_1mA/cm²；而如果忽略厚度均匀性的影响，34×34mm芯片的U_10mA才是其拐点电压U_1mA/cm²，U_1mA仅相当于U_{0.1mA/ cm}²，非线性系数α=1/lg(U_1mA/U_0.1mA)实际上表征的是U_0.01mA/cm²到U_0.1mA/cm²范围内的非线性特性，由前述可知，此时仍在拐点电压以下，其α值不应当大；如果通过热处理强行将此α值抬高，可以理解为上半部曲线往左发生了漂移，势必影响其大电流的通流能力。根据实际经验我们推荐α值应控制在20～35之间。或者直接规定几点电流下的限制电压，以便更正确的描述整条曲线。

泄漏电流I_L通常定义为75%U_1mA下的导通电流，它表征了低电场区芯片的导电性能，反映的是晶界载流子激活能垒的高低。其值越小，则表示需要较大的能量来激活晶界载流子。如果I_L值过小，需要的激活能量太大，在做8/20μS极限通流和2mS方波能量测试时容易发生炸裂。一个易混淆的问题就是泄漏电流的分散性，如果I_L在0.3～1.3范围内，认为其分散性小；而如果I_L在3～13范围内，则认为其分散性大。我们在实践中发现，经过热处理后泄漏电流的增大基本是成比例的，换言之此二者的分散性是基本相当的。对于34×34mm芯片，我们推荐按照75%U_1mA下漏流为4～13μA左右进行控制，既能满足国内一般标准的使用要求，又能保证芯片有较好的综合性能。

       随阀片的几何尺寸增大（多片并联），U_1mA/U_0.1mA的α降低，I_L增大，但由于非线性特性，二者的变化与面积不成正比关系。

       压敏电阻片的并联使用是一个争议比较大的问题。从电气性能上来看，不同的压敏电阻尽管存在一定差别，通过适当参数挑选是可以并联使用的，但是，实现并联的手段至关重要，若手段不当，再精细的参数挑选均无意义。在此主要应当考虑高频脉冲情况下电流的集肤效应对均流的影响（与参数挑选几乎无关），还应当考虑热脱离保护机构的安全备份问题。建议通过外电路并联，并联的每一片均设独立的失效保护机构。不赞同将多片芯片直接焊在一起并联的方式，因多片焊接在一起，由于防雷芯片是热的良导体，很有可能出现其中一片已失效，而所产生的热量大部被其它焊接在一起的芯片吸收，热脱离机构未能将低熔点焊接点熔化，造成芯片被工频击穿，如前所述将留下严重的事故隐患。

       5. 结束语

       从使用环境来看，SPD通常安装于配电变压器（装有高压避雷器）到被保护设备（装有小压敏电阻）之间，该区段的电气环境非常复杂、恶劣；从芯片的几何尺寸来看，常用的34×34mm芯片面积甚至超过了配电型高压避雷器上常用的Φ32芯片，但是由于使用于低压系统，芯片厚度与普通小压敏电阻相当；从使用标准要求来看^[2][3]，SPD芯片的性能要求也是综合了二者高的部分，故SPD芯片的制造工艺也应是综合二者。应当按照使用标准要求、参考国际大公司的先进产品样本、结合高压避雷器芯片及小压敏电阻的指标要求建立SPD专用MOV芯片产品性能要求的行业或国家标准。在进行MOV芯片选型时，应当对其制造工艺及装备有适当了解，对电气性能参数做出正确要求，避免隐患的发生；芯片制造商也有义务对用户正确解释，以共同促进防雷事业的健康发展。

       参考文献
       1. 吴维韩. 金属氧化物非线性电阻特性和应用 清华大学出版社 1998.11.
       2. GB 18802．1-2002—2002/IEC 61643-1：1998，低压配电系统的电涌保护器（SPD）第1部分：性能要求和试验方法。
       3. YD/T1235．1-2002：通信局（站）低压配电系统用电涌保护器技术要求。