精品資料（2021-2022年收藏的）淺談陶瓷PTC加熱器耐壓擊穿炸片及其預(yù)防措施

1、淺談陶瓷PTC加熱器耐壓擊穿的原理及其預(yù)防措施摘要:介紹了陶瓷PTC加熱器引起耐壓擊穿的原因、分析了陶瓷PTC加熱器引起耐壓擊穿后帶來(lái)的危害，最后給出幾點(diǎn)預(yù)防的措施。關(guān)鍵詞：陶瓷PTC加熱器；耐壓擊穿。1 引言PTC是一種半導(dǎo)體熱敏陶瓷，是正溫度系數(shù)熱敏陶瓷的簡(jiǎn)稱，屬用途極廣的新型材料，應(yīng)用PTC陶瓷電阻溫度的非線性,可開(kāi)發(fā)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如陶瓷PTC波紋狀加熱器在空調(diào)器上的使用也越來(lái)越廣泛，它的一大突出特點(diǎn)在于安全性能上，即遇風(fēng)機(jī)故障停轉(zhuǎn)時(shí)，PTC加熱器因得不到充分散熱，其功率會(huì)自動(dòng)急劇下降，此時(shí)加熱器的表面溫度維持在居里溫度左右（一般在250上下），從而不致產(chǎn)生如電熱管類加熱器的表面“發(fā)紅

2、”現(xiàn)象。2 PTC效應(yīng)對(duì)于BaTiO3半導(dǎo)瓷的PTC效應(yīng)，有多種理論模型予以解釋，較為成熟并為多數(shù)研究者承認(rèn)的有海望Heywang提出的表面勢(shì)壘模型和丹尼爾斯Daniels等人提出的鋇缺位模型。  1963年G.Goodman指出，單晶BaTiO3單半導(dǎo)體摻雜后，不顯示PTC效應(yīng)，而多晶BaTiO3陶瓷摻雜后，則有PTC效應(yīng)，此后國(guó)際上常把PTC歸入晶界現(xiàn)象。海望模型把產(chǎn)生PTC效應(yīng)的原因歸結(jié)為在多晶BaTiO3半導(dǎo)體材料的晶粒邊界，存在一個(gè)由受主表面態(tài)引起的勢(shì)壘層，材料的電阻率是由晶粒體電阻和晶粒表面態(tài)勢(shì)壘兩部分組成，隨著溫度的上升，材料的電阻率將出現(xiàn)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。陶

3、瓷PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇為基，摻雜其它的多晶陶瓷材料制造的，具有較低的電阻及半導(dǎo)特性。通過(guò)有目的的摻雜一種化學(xué)價(jià)較高的材料作為晶體的點(diǎn)陣元來(lái)達(dá)到的：在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價(jià)的離子所替代，因而得到了一定數(shù)量產(chǎn)生導(dǎo)電性的自由電子。對(duì)于PTC熱敏電阻效應(yīng)，也就是電阻值階躍增高的原因，在于材料組織是由許多小的微晶構(gòu)成的，在晶粒的界面上，即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢(shì)壘，阻礙電子越界進(jìn)入到相鄰區(qū)域中去，因此而產(chǎn)生高的電阻，這種效應(yīng)在溫度低時(shí)被抵消：在晶界上高的介電常數(shù)和自發(fā)的極化強(qiáng)度在低溫時(shí)阻礙了勢(shì)壘的形成并使電子可以自由地流動(dòng)。而這種效應(yīng)在高溫時(shí)，介電常數(shù)和極化強(qiáng)度大幅度地降低，

4、導(dǎo)致勢(shì)壘及電阻大幅度地增高 ，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的PTC效應(yīng)。       3 陶瓷PTC的阻溫特性（R-T特性）電阻-溫度特性通常簡(jiǎn)稱阻溫特性，指在規(guī)定的電壓下，PTC熱敏電阻零功率電阻與電阻體溫度之間的相互關(guān)系。因通電后PTC熱敏電阻表面溫度及阻值迅速發(fā)生急劇變化，一般難以測(cè)出通電狀態(tài)下的阻溫特性曲線，阻溫特性曲線通常是通過(guò)把不通電的陶瓷PTC元件放入烘箱，通過(guò)調(diào)溫穩(wěn)定在各溫度下測(cè)出對(duì)應(yīng)電阻值，最后描出阻溫特性曲線。R c開(kāi)關(guān)電阻 ；R p最大工作電阻；R max最大電阻；R mim最小電阻T c居里溫度；T p最大工作溫度；T

5、 max最大溫度；T min最小溫度表征阻溫特性好壞的重要參數(shù)是溫度系數(shù)，反映的是阻溫特性曲線的陡峭程度。溫度系數(shù)PTC熱敏電阻對(duì)溫度變化的反應(yīng)就越靈敏，即PTC效應(yīng)越顯著，其相應(yīng)的PTC熱敏電阻的性能也就越好，使用壽命就越長(zhǎng)。PTC熱敏電阻的溫度系數(shù)定義為溫度變化導(dǎo)致的電阻的相對(duì)變化。 = (lgR2-lgR1)/(T2-T1)，一般情況下，T1取Tc+15、T2取Tc+25來(lái)計(jì)算溫度系數(shù)。4 陶瓷PTC的伏安特性（V-I特性）電壓-電流特性簡(jiǎn)稱伏安特性， 它展示了PTC熱敏電阻在加電氣負(fù)載達(dá)到熱平衡的情況下，電壓與電流的相互依賴關(guān)系。當(dāng)PTC熱敏電阻接通電源后，電流隨電壓的升高而迅速增大，

6、當(dāng)達(dá)到居里溫度時(shí)，電流達(dá)到最大，這時(shí)PTC熱敏電阻進(jìn)入PTC區(qū)域，PTC熱敏電阻的伏安特性大致可分為三個(gè)區(qū)域：在0-Vk之間的區(qū)域稱為線性區(qū)，此間的電壓和電流的關(guān)系基本符合歐姆定律，不產(chǎn)生明顯的非線性變化， 也稱不動(dòng)作區(qū)。在Vk-Vmax之間的區(qū)域稱為躍變區(qū)，此時(shí)由于PTC熱敏電阻的自熱升溫，電阻值產(chǎn)生躍變，電流隨著電壓的上升而下降，所以此區(qū)也稱動(dòng)作區(qū)。此區(qū)域電流和電壓的剩積保持一定，顯示出恒定功率特性，因恒定功率特性區(qū)域的電壓范圍廣，即使電壓變化，PTC熱敏電阻仍保持一定的溫度。在VD以上的區(qū)域稱為擊穿區(qū)，此時(shí)電流隨著電壓的上升而上升，PTC熱敏電阻的阻值呈指數(shù)型下降，于是電壓越高，電流越大

7、，PTC熱敏電阻的溫度越高，阻值反而越低，很快就導(dǎo)致PTC熱敏電阻的熱擊穿。5 PTCR電加熱器耐壓擊穿的機(jī)理、原因分析 PTCR電加熱器擊穿的原因主要分為：晶界擊穿和熱擊穿。5.1 晶界擊穿：由于部分晶粒異常長(zhǎng)大，或晶粒分布不均勻造成部分晶界所承受的電壓過(guò)大，而導(dǎo)致的擊穿稱為晶界擊穿。1963年G.Goodman指出，單晶BaTiO3單半導(dǎo)體摻雜后，不顯示PTC效應(yīng)，而多晶BaTiO3陶瓷摻雜后，則有PTC效應(yīng)，此后國(guó)際上常把PTC歸入晶界現(xiàn)象。PTC元件中，晶粒屬于半導(dǎo)體，晶界屬于絕緣層，即勢(shì)壘，外加電場(chǎng)主要施加于晶界層。晶粒尺寸越小，單位厚度上的晶界數(shù)量就越多，分配在每個(gè)晶界上的有效電壓

8、越小，從而壓阻效應(yīng)減小，耐壓提高。若晶粒尺寸越不均勻，就有可能使陶瓷中存在一些較大晶粒或異常晶粒，他們形成了電阻率較低的通道，使耐壓降低。在實(shí)際生產(chǎn)中適當(dāng)加入某種添加劑和改善燒結(jié)工藝的升溫條件，可有效杜絕異常晶粒的產(chǎn)生。實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)600V的極間耐壓測(cè)試能把存在異常晶粒的PTC陶瓷片檢驗(yàn)出來(lái)。 PTC BaTiO3陶瓷正常顯微結(jié)構(gòu) PTC BaTiO3陶瓷異常晶粒顯微結(jié)構(gòu)5.2 熱擊穿：PTC元件的工作點(diǎn)越過(guò)阻溫特性最高點(diǎn)，進(jìn)入NTC階段，導(dǎo)致溫度急劇上升而引起的擊穿成為熱擊穿。影響熱擊穿的因素主要電壓效應(yīng)、工作溫度、環(huán)境氣氛和極間耐壓測(cè)試方法有關(guān)。5.2 .1電壓效應(yīng)：PTCR的阻溫特性

9、曲線如圖中的曲線A所示，即隨著溫度的升高，電阻值呈階躍式增大，居里點(diǎn)為250的PTCR在320左右（稱為拐點(diǎn)溫度）達(dá)到最大值，約為幾百千歐以上。到達(dá)拐點(diǎn)后如果溫度再上升，則元件R-T特性呈現(xiàn)出NTC的特性，即溫度升高，電阻下降。下圖曲線A是PTCR在零功率的條件下測(cè)得的，即測(cè)試電流小于2mA（該電流不會(huì)引起PTC的升溫），是一種靜態(tài)的R-T特性。實(shí)際上，當(dāng)PTC加載電壓后，電阻隨溫度變化的幅度（升阻比）會(huì)明顯降低，阻溫特性曲線會(huì)趨于平緩，如圖中的曲線B。即所謂電壓效應(yīng)。當(dāng)電壓越高時(shí)，PTC的電壓效應(yīng)越明顯。所以在500V耐壓檢測(cè)過(guò)程對(duì)于性能較差的PTC陶瓷片容易造成擊穿，測(cè)試電壓越高，擊穿幾率

10、就越大。根據(jù)目前PTC的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一般出廠檢驗(yàn)的耐壓測(cè)試都是500V電壓進(jìn)行。lgR 5.2.2工作溫度PTCR施加一定的電壓后，自身產(chǎn)生的熱量與外界的熱交換達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，這種平衡狀態(tài)的溫度稱為工作溫度。影響工作溫度的因數(shù)與施加的電壓和散熱條件有關(guān)。以居里點(diǎn)為250的陶瓷PTC在一定的通風(fēng)條件下測(cè)試為例，通220V電壓時(shí)，陶瓷PTC工作溫度為258，隨電壓的升高，其工作溫度也隨之升高，當(dāng)通500V電壓時(shí)，陶瓷PTC工作溫度為281，已接近320左右的拐點(diǎn)溫度，陶瓷PTC容易出現(xiàn)擊穿。電壓220V253V330V500V工作溫度258260268281不通風(fēng)條件下陶瓷PTC加熱器的散熱條件變

11、惡劣，此時(shí)較高的耐壓測(cè)試更容易接近拐點(diǎn)引起擊穿故障率的比例增大，所以如額定電壓220V、居里點(diǎn)250的陶瓷PTC加熱器在不通風(fēng)的條件下500V耐壓測(cè)試，所以額定電壓220V、居里點(diǎn)250的PTC陶瓷片選型，常溫R25電阻通常選用范圍lgR 散熱條件包括鋁管、鋁條的尺寸大小，波紋片間距的大小，PTC電加熱器在調(diào)空器內(nèi)部的安裝位置、所處風(fēng)道是否合理等因數(shù)。鋁管、鋁條尺寸越大散熱條件越好、波紋片間距的適當(dāng)減小以增加波紋片面積其散熱條件有所提高，PTC電加熱器在調(diào)空器內(nèi)部的安裝角度越有利于氣流經(jīng)過(guò)波紋片其散熱條件就越好，空調(diào)器的風(fēng)道設(shè)計(jì)越有利于氣流的循還對(duì)PTC的的散熱條件就越好。另外功率的選型也是影

12、響散熱條件的關(guān)鍵因數(shù)，為提高加熱器的發(fā)熱功率，使用PTC元件數(shù)量增多，導(dǎo)致每片元件不能充分發(fā)揮其發(fā)熱功率，內(nèi)部工作溫度提高。主要原因是因?yàn)镻TC電加熱器設(shè)計(jì)之處的尺寸大小確定后，其散熱面積也就確定，隨著PTC元件數(shù)量的增多，單位PTC元件的平均散熱面積就減小，導(dǎo)致PTC陶瓷片的熱密度增大。如580mm長(zhǎng)的PTCR電加器，使用32*12*2.4mm陶瓷片，14片功率可達(dá)到900W，20片功率卻只能達(dá)到1000W，數(shù)據(jù)顯示14片單片功率是64W，20片的單片功率50W，說(shuō)明單位散熱面積隨著陶瓷片的增多而散熱面積減小，熱密度過(guò)高，工作環(huán)境變惡劣，容易引起擊穿的幾率提高。5.2.3環(huán)境氣氛PTC的性質(zhì)

13、關(guān)鍵是來(lái)源于燒結(jié)的降溫階段，這是因?yàn)樵赑TC的燒結(jié)冷卻過(guò)程中，晶界在氧氣氛中吸收了充足的氧原子，提高了晶界的勢(shì)壘層高度，因而產(chǎn)生了優(yōu)良的PTC特性。在使用過(guò)程中，如果PTC所處的環(huán)境中因散熱條件不良導(dǎo)致氧分壓過(guò)低或周?chē)a(chǎn)生了還原性氣體（如氫氣等），晶界上高濃度的氧原子會(huì)逐步向低濃度的外界擴(kuò)散、溢出，使PTC的晶界電阻變小，升阻比下降，PTC特性就會(huì)嚴(yán)重惡化，最終導(dǎo)致耐電壓性能變差，使PTC擊穿。如加熱器誒由于硅膠、聚酰亞胺膜、電極片上的油污等物質(zhì)受熱揮發(fā)，降低環(huán)境的氧分壓濃度，使PTC特性不斷惡化，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后造成擊穿。PTC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由晶粒和晶界組成的。PTC的電阻也即由晶粒和晶界電阻組

14、成的。常溫下PTC的電阻由晶粒決定，電阻很小，晶界是導(dǎo)通的。當(dāng)溫度超過(guò)居里溫度后，晶界電阻劇增，最高可達(dá)幾百千歐，甚至是兆歐級(jí)。這是因?yàn)樵赑TC的燒結(jié)冷卻過(guò)程中，晶界在氧氣氛中吸收了充足的氧原子，提高了晶界的勢(shì)壘層高度，因而產(chǎn)生了優(yōu)良的PTC特性。 在使用過(guò)程中，如果PTC所處的環(huán)境中氧分壓低，晶界上高濃度的氧原子會(huì)逐步向低濃度的外界擴(kuò)散、溢出，使PTC的晶界電阻變小，升阻比下降，PTC特性就會(huì)嚴(yán)重惡化，最終導(dǎo)致耐電壓性能變差，使PTC擊穿。如以下實(shí)驗(yàn)，分別使用樣品1-4進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，R1為測(cè)試前的冷態(tài)電阻，R2為同等的通電條件下測(cè)試后的冷態(tài)電阻，經(jīng)對(duì)比電阻變化率發(fā)現(xiàn)，隨著散熱條件的惡劣程度增

15、加，實(shí)驗(yàn)后的電阻越小，電阻變化率越明顯。樣品條件電阻R1電阻R2電阻變化率R2/R11裸露空氣中的PTC片289290100.35%2PTC片電極涂硅膠粘上電極片38336996.34%3PTC片電極涂硅膠粘上電極片、同時(shí)包上亞胺薄膜40634584.98%4PTC片電極涂硅膠粘上電極片、包亞胺薄膜、同時(shí)裝鋁管36030183.61%Dewitt曾采用加電壓后測(cè)量冷態(tài)電阻（室溫電阻）的變化，以了解材料的耐壓特性或施加電場(chǎng)后元件的損傷情況。其方法是：在PTC陶瓷元件上加電壓，通5s，停電45s，測(cè)定R25.可重復(fù)多次，如25次。5.2.4極間耐壓測(cè)試方法當(dāng)施加電壓后，電流使PTC陶瓷元件發(fā)熱，陶

16、瓷片的內(nèi)核迅速達(dá)到高溫，從PTCR阻溫特性可知高溫也即高阻，此時(shí)電壓多施加于內(nèi)核，熱量自內(nèi)層傳向表層，而外表層仍處于較低溫度，即表面下層存在的溫度梯度，表面層經(jīng)受最大的應(yīng)力，容易引起分層開(kāi)裂，最終造成耐壓擊穿。6 結(jié)論 6.1 陶瓷PTC片的質(zhì)量?jī)?yōu)劣是決定耐壓擊穿的關(guān)鍵因數(shù)，應(yīng)該選擇可靠的供應(yīng)商，同時(shí)對(duì)陶瓷PTC片進(jìn)行嚴(yán)格的來(lái)貨篩選，選擇高耐壓性能、高溫度系數(shù)的PTC陶瓷片。 PTCR元件的質(zhì)量?jī)?yōu)劣關(guān)鍵在于生產(chǎn)燒結(jié)的升溫和降溫工藝的控制，在燒結(jié)的升溫階段是形成顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，升溫速率的快慢或保溫時(shí)間的長(zhǎng)短，將影響晶核的生成、晶界遷移及物料的擴(kuò)散，因此對(duì)晶粒異常生長(zhǎng)、晶粒均勻化、晶粒及晶界的完整

17、均有關(guān)，最終影響元件的耐壓強(qiáng)度。而燒結(jié)的降溫階段是形成PTC陶瓷性質(zhì)的關(guān)鍵，慢降溫時(shí)氧擴(kuò)散進(jìn)入晶界，或Mn在晶界的偏析均形成勢(shì)壘，使系數(shù)增大，形成優(yōu)良的PTC效應(yīng)。 所以選擇優(yōu)質(zhì)的PTC陶瓷片是保證PTCR電加熱器耐壓合格率的前提因素。選擇高耐壓性能、高溫度系數(shù)的PTC陶瓷片。 6.2 PTCR電加熱器的設(shè)計(jì)上要充分考慮PTC的散熱條件，使PTCR電加熱功率在正常工作或耐壓測(cè)試過(guò)程的工作溫度離擊穿區(qū)的拐點(diǎn)溫度有足夠的余量。 首先PTCR電加熱器在功率選型設(shè)計(jì)要考慮單片的散熱面積，合理設(shè)計(jì)PTCR片的熱密度，提高發(fā)熱功率除增加PTCR陶瓷片數(shù)之外，還可以通過(guò)合理選擇鋁管、鋁條的尺寸大小、波紋片間距，達(dá)到提高功率的目的。 同時(shí)在空調(diào)器