维普资讯 http://www.cqvip.com 助 材 许 ２００７年增刊（３８）卷 叠层片式ＺｎＯ压敏电阻的微观结构研究木 范积伟，王璐璐 （中原工学院材料与化学工程学院，河南郑州４５０００７） 摘要：通过光学显微镜、扫描电镜观察及能谱分析等 方法，分析研究了叠层片式压敏电阻器（ＭＬＶ，ｍｕｆｉｌａｙｅｒ ２实验 ｖａｒｉｓｔｏｒ）的微观结构．实验结果表明，在半成品叠层片 式压敏电阻器的微观结构中ＺｎＯ晶粒较小且不均匀， 结构较疏松，强度差．而成品由于进行了低温液相烧结， ２．１实验样品 本实验所用样品为从国内某公司的成品和半成品 叠层片式ＺｎＯ压敏电阻器。其结构示意图及样品尺寸 如图１和表１所示。 其微观结构则为较规则的ＺｎＯ晶粒，晶粒变大尺寸较 为均匀，致密度明显提高．由于在陶瓷叠片上内电极浆 料分布不均匀或电极印刷的原因，经过烧结后个别地方 可能出现内电极层的缺损，以至观察到的内电极是断续 的。同时观察到空洞可影响到内电极扣外电极的连接， 以及电极变形等现象。这些缺陷结构的形成与叠层片式 压敏电阻器的制作工艺有关． 关键词： 叠层片式压敏电阻；ＭＬＶ；ＺｎＯ压敏电阻； 银／钯 微观结构；微观缺陷 中图分类号：ＴＭ２８３ 文献标识码：Ａ 文章编号： １００１．９７３１（２００７）增刊．０５６４—０３ 图１样品结构示意图 Ｆｉｇ １ ｔｈｅ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 表１样品尺寸 产 半成品 成品 单位：ｎｌＬｌｎ Ｃ １．２ １．１ １ 引 言 ＺｎＯ压敏电阻器以它优良的非线性和高浪涌承受 能力而得到广泛的应用，其中尤以过压保护和稳压方面 的应用最为突出。因此被广泛地用于电力系统、电气设 备及电子仪器中作为保护元件［１－５１。 随着电子信息技术的不断发展，电子设备和系统产 品逐渐向小型化、集成化、数字化、智能化、高可靠等 型号 ２２２０ １２Ｏ６ Ｌ ５．７ ３．２ Ｗ ５．Ｏ １．６ 无 Ｏ．５ ２．２样品抛光与腐蚀 将成品、半成品样品进行镶样、抛光等金相制备后， 用浓度为４％的稀硝酸溶液（Ｉ／ＮＯ３）腐蚀样品。 ２．３微观结构观察与分析 用ＸＴＧ．０５金相显微镜及带能谱分析仪（ＥＤＡＸ）的 方向发展，使得电子元件向片式化、叠层化、小型化、 平面化、多功能化方向发展。国内的重点发展方向为表 面贴装元件中的叠层式（也称多层式）。近年来开发的叠层 片式压敏电阻由于具有体积小、响应速度快、限制电压 低、能量耐受能力和通流能力更高、压敏电压易调等特 ＪｓＭ．６３６０ＬＶ扫描电镜观察叠层片式装压敏电阻的横截 面，并进行能谱分析，从而分析表面贴装叠层压敏电阻 的微观结构。 ３结果与讨论 ３．１ 样 品 图２（ａ）和（ｂ）分别为半成品及成品低放大倍数剖面 图。可以看出半成品叠层压敏电阻具有比较低的强度， 点，已经成为现代信息技术的必备元件Ｉ 引。虽然叠层片 式压敏电阻研究已进入生产应用，但关于叠层片式压敏 电阻的研究，特别是微观结构缺陷方面的研究还很少见 报道。加之各生产厂家工艺都严格保密，使叠层片式压 敏电阻的进一步研究发展缓慢，有许多方面还需要深入 细致地研究。特别是叠层片式压敏电阻器的许多特性与 容易造成开裂。故当半成品在进入下步工序之前的传送 过程当中需要适当注意以避免造成损坏。 它的微观结构有很大的关系，所以通过研究叠层片式压 敏电阻的微观结构，找到与生产工艺的关系，对进一步 改进生产工艺提高产品的质量和性能，有着实际意义。 ・收到稿件日期：２００７．０７．０２ 通讯作者：范积伟 作者简介：范积伟（１９５ｌ一），男，福建长汀人，博士，教授，英国皇家特许工程师，主要研究领域为功能材料，特别是功能陶瓷 材料的性能、制备、加工及检测方法。 维普资讯 http://www.cqvip.com 范积伟等：叠层片式ＺｎＯ压敏电阻的微观结构研究 图２叠层氧化锌压敏电阻样品 Ｆｉｇ ２ Ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｃｈｉｐ ＺｎＯ ｖａｒｉｓｔｏｒｓ ３．２半成品叠层压敏电阻的压制表面 图３所示为半成品叠层片式压敏电阻以ＺｎＯ颗粒 为主的压制表面。将压制面抛光腐蚀后，可得到小颗粒 整齐排列的结构（图４（ａ））。图４（ｂ）所示为这种小颗粒 结构的局部放大图像，由颗粒度分布大的ＺｎＯ晶粒及 尖晶石小颗粒所组成。 图３ 半成品的压制表面 Ｆｉｇ ３ Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｓｅｍｉ－ｆｉｎｉｓｈｅｄ ｓａｍｐｌｅ 一 图４抛光腐蚀后的半成品样品 ｉＦｇ ４ Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｅｍｉ・ｆｉｎｉｓｈｅｄ ｓａｍｐｌｅｓ ａｆｔｅｒ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｅｔｃｈｉｎｇ ３．３成品叠层压敏电阻的烧结表面 图５为成品样品的烧结表面的高倍显微图像。 图５成品的烧结表面 ｉＦｇ ５Ｔｈｅ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅｏｆｆｉｎｉｓｈｅｄｖａｒｉｓｔｏｒ ｓａｍｐｌｅ 可以看出，在烧结之后成品表面由大小均匀，约为 １ ｌａ ｍ的颗粒所组成。能谱分析证实其为ＺｎＯ晶粒。烧 结面并不十分致密，可观察到大小不等的气孔。 将成品样品抛光腐蚀后其微观结构如图６（ａ），局部 放大图像见图６（ｂ）。由于腐蚀在晶界上已无法观察到富 Ｂｉ相，但图中可以清楚地观察到ＺｎＯ晶粒和尖晶石相。 能谱分析ＺｎＯ晶粒含有Ｃｏ和Ｚｒ等添加物元素，微观结 构均匀，平均晶粒尺寸比烧结表面上的晶粒大许多，约 为４￣５ｐｒｎ左右。 图６抛光腐蚀后的成品样品 ｉＦｇ ６ Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｅｍｉ－ｆｉｎｉｓｈｅｄ ｓａｍｐｌｅｓ ａｆｔｅｒ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｅｔｃｈｉｎｇ ３．４ 叠层片式压敏电阻的内电极 正常情况下，叠层片式压敏电阻器的内电极是连续 分布的呈规则排列（图７（ａ）），然而在样品的个别区域 可以观察到内电极间断的现象（图７（ｂ））。这可能是由 于陶瓷膜层上印刷的内电极浆料分布不均匀或生产工 艺不当所致。经过烧结后收缩，该处出现了内电极层的 缺损，所以从侧面观察到内电极的断续。图７（ｃ）所示为 另一种典型的内电极缺陷。由于气孔的出现，内电极与 外电极不能正常连接，造成相连接处的气孔缺陷，另外 图７（ｄ）观察到的内电极变形可能是由于样品压制时应 力不均匀所致。这些缺陷势必会影响叠层片式压敏电阻 的电性能，值得引起注意。 图７叠层压敏电阻的内电极 Ｆｉｇ ７ Ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｏｆ ｍｕｌｆｉｌａｙｅｒ ｃｈｉｐ ｖａｒｉｓｔｏｒ ４结论 （１）半成品叠层片式ＺｎＯ压敏电阻器的微观结构 由ＺｎＯ颗粒及尖晶石小颗粒所组成。结构较疏松，存 在较多空洞，易造成开裂。成品叠层片式ＺｎＯ压敏电 阻器由于进行了低温液相烧结，其烧结表面由均匀的 维普资讯 http://www.cqvip.com 助 能 财 斟 ２００７年增刊（３８）卷 ＺｎＯ小晶粒所组成。内部微观结构则为较大的ＺｎＯ晶 粒及尖晶石小颗粒（富Ｂｉ晶间相被腐蚀掉），结构紧密， 少有空洞，致密度明显提高。 Ｇｕｐｔａ Ｔ Ｋ．［Ｊ】．Ｊ Ａｍ Ｃｅｒａｍ Ｓｏｃ，１９９０，７３：１８１７－１８４０． Ｆａｎ Ｊ，Ｆｒｅｅｒ Ｒ．［Ｊ】．Ｊ Ｍａｔｅｒ Ｓｃｉ，１９９７，３２：４１５－４１９． Ｆａｎ Ｊ，Ｆｒｅｅｒ Ｒ．［Ｊ】．Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，１９９５，７７：４７９５－４８００． Ｆａｎ Ｊ，Ｆｒｅｒ Ｒ．［Ｊ】．Ｊ Ｍａｔｅｒ Ｓｃｉ，１９９３，２８；１３９１－１３９５． （２）观察到的断断续续的内电极可能是由于陶瓷 层上印刷的内电极浆料分布不均匀或生产工艺不当所 致。 邢晓东，谢道华，胡 明．【Ｊ】．电子元件与材料，２００４，２： ２１．２４． 、 吴通涛，钟朝位，张树人．【Ｊ】．电子元件与材料，２００３，４： （３）观察到的内电极变形及电极连接处的气孔缺 陷可能是由于压制陶瓷和电极叠层时应力不均匀所致。 ２５．２７． 康雪雅，张 明，韩 英．【Ｊ】．哈尔滨理工大学学报。 ２００２．６：８９－９１． 这些缺陷势必会影响其电性能。 参考文献： 【１】 Ｃｌａｒｋｅ Ｄ Ｒ．［Ｊ】．Ｊ Ａｍ Ｃｅｒａｍ Ｓｏｃ，１９９９，８２：４８５－５０２． 王兰义，吕呈祥，景志刚．［Ｊ】．传感器与微系统，２００６，２５ （５）：１－４． Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｃｈｉｐ Ｚｎ０ ｖａｒｉｓｔｏｒｓ ＦＡＮ Ｊｉ．ｗｅｉ，Ⅵ ＮＧ Ｌｕ．１ｕ １Ｊ １Ｊ １Ｊ １Ｊ １Ｊ １； （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｍｕｌｉｔｌａｙｅｒ ｃｈｉｐ ｖａｒｉｓｔｏｒｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ｍＯＭ），ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）ａｎｄ ｈｅ ｔＥＤＡＸ ｎａｌａｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｈｅ ｔｓｅｍｉ—ｉｆｎｉｓｈｅｄ ｍｕｌｉｔｌａｙｅｒ ｃｈｉｐ ｖａｒｉｓｔｏｒｓ ｈａｖｅ ｈｅ ｍｔｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｖａｒｉｅｄ ＺｎＯ ｇｒａｉｎｓ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｓｐｉｎｅｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｌｏｏｓｅ， ｅａｓｙ ｔｏ ｃｒａｃｋ．Ｔｈｅ ｆｉｎｉｓｈｅｄ ｓａｍｐｌｅｓ，ａｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，ｈａｖｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｈｅ ｌｔａｒｇｅｒ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｕｎｉｆｏｒｍ ｇｒａｉｎｓ，ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｈａｓ ａｌｓｏ ｂｅｅｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ａｓ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｉｎｋ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｃｅｒａｍｉｃ ｃｏａｔｉｎｇ ｉｓ ｕｎｅｖｅｎ ｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｓ ｎｏｔ ｐｒｏｐｅｒｌｙ，ａｆｔｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｓｈｒｉｎｋｉｎｇ，ｓｏｍｅ ｓｍａｌｌ ｒｅｇｉｏｎｓ ｍａｙ ｌｏｓｓ ｔｈｅ ｅｌｃｔｅｒｏｄｅ ｍｅｔｌ（Ａｇ），ｓｏ ｔａｈｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｉｎｎｅｒ ｅｌｃｔｅｒｏｄｅｓ ａｒｅ ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ａｔ ｈｅｓｔｅ ｒｅｇｉｏｎｓ．Ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｈａｔｔ ｉｎ ｓｏｍｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｒｅｇｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ａｎｄ ｏｕｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ａｒｅ ｎｏｔ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒｅｓ． Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃａｎ ａｌｓｏ ｂｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ．Ｔｈｅｓｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｗｉｌｌ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆｔｈｅ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｃｈｉｐ ｖａｒｉｓｔｏｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｃｈｉｐ ｖａｒｉｓｔｏｒｓｓ ＭＬＶ；ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ ｖａｒｉｓｔｏｒ；ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓ ｄｅｆｅｃｔｓ