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楊邦朝電子科技大學(xué)信息材料工程學(xué)院（成都610054）
楊文中國科學(xué)院新疆物理研究所（烏魯木齊830001）
1前言
移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字化趨勢對電子設(shè)備提出了小型化、輕量化、薄型化、數(shù)字化和多功能化以及生產(chǎn)過程自動(dòng)化的要求，電子元件的開發(fā)和生產(chǎn)必須向小型化、片式化和編帶化發(fā)展。隨著表面組裝技術(shù)的迅速發(fā)展與普及，表面組裝元件（SMC）在電子設(shè)備中的占有率穩(wěn)步提高。1997年，世界發(fā)達(dá)國家元器件片式化率已達(dá)70％以上，全世界平均40％以上。2000年，全世界片式元器件產(chǎn)量約達(dá)6000億只，片式化率達(dá)70％以上。電子元器件片式化的趨勢也擴(kuò)展到傳感器領(lǐng)域，片式化熱敏電阻正是順應(yīng)這一趨勢在90年代得到巨大發(fā)展的一種片式化敏感元件。
由于熱敏電阻具有測溫精度高、互換性好、可靠性高等特點(diǎn)，在溫度測量、控制、補(bǔ)償?shù)确矫鎽?yīng)用十分廣泛。目前，熱敏電阻在整個(gè)溫敏器件領(lǐng)域已經(jīng)占據(jù)40％以上的市場份額，隨著智能化儀器儀表對高精度熱敏器件需求的日益擴(kuò)大，以及手持電話、掌上電腦（PersonalDigitalAssistants,PDA）、筆記本電腦和其它便攜式信息及通信設(shè)備的迅速普及，進(jìn)一步帶動(dòng)了溫度傳感器和熱敏電阻的大量需求，主要表現(xiàn)在：大量使用的二次電池、液晶顯示器（LCD）、溫度補(bǔ)償型晶體振蕩器（Temperature－CompensatedCrystalOscillators,TCXO）等都必須采用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以保證器件性能穩(wěn)定；高密度組裝的電路結(jié)構(gòu)對溫度測量和控制的要求也就更加迫切。
90年代以來，世界各國的熱敏電阻器廠家相繼推出了各種規(guī)格和不同性能的片式熱敏電阻器，如：MURATA公司的NTH5G系列和PTH9C系列，SHIBAURA公司的KG系列，SEMITEC公司的103KT系列，BETA公司的WSTL系列，KETEMA公司的KR系列，SIEMENS公司的C620、C621系列等。它們的共同特點(diǎn)是：無引線、體積小、重量輕、易于進(jìn)行再流焊、適合高密度組裝技術(shù)的要求。目前，片式化熱敏電阻的發(fā)展速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的分立式熱敏電阻，1990年以來，日本熱敏電阻片式化的比例以每年大于20％的速度遞增，目前生產(chǎn)和銷售數(shù)量已經(jīng)與分立式熱敏電阻不相上下。
2片式NTC熱敏電阻
NTC熱敏電阻是由Co、Mn、Ni、Cu、Fe、Al等過渡金屬氧化物混合燒結(jié)而成，其阻值隨溫度的升高呈指數(shù)型下降，阻值—溫度系數(shù)一般在百分之幾，這一卓越的靈敏度使其能夠探測極小的溫度變化。NTC熱敏電阻結(jié)構(gòu)簡單，主要部件為陶瓷敏感體和附屬電極。用戶可以根據(jù)不同的用途選擇相應(yīng)規(guī)格和參數(shù)的產(chǎn)品。隨著微型化設(shè)計(jì)和電子設(shè)備輕、薄、多功能化的發(fā)展趨勢，SMT對片式NTC熱敏電阻的需求急劇擴(kuò)大。
片式NTC熱敏電阻的生產(chǎn)主要依賴于先進(jìn)的半導(dǎo)體加工技術(shù)和精細(xì)陶瓷燒結(jié)技術(shù)，生產(chǎn)工藝高度自動(dòng)化可以保證規(guī)格、性能具有很好的一致性，在提供質(zhì)量產(chǎn)品的同時(shí)，還能以批量生產(chǎn)來降低產(chǎn)品成本。
在蜂窩式電話和移動(dòng)通信系統(tǒng)中大量使用的晶體振蕩器，極大地剌激了溫度補(bǔ)償型片式NTC的生產(chǎn)。0805型（2.0mm×1.25mm）和0603型（16mm×0.8mm）NTC熱敏電阻已在移動(dòng)通訊整機(jī)中廣泛應(yīng)用，0402型（10mm×0.5mm）的片式NTC正在大量涌現(xiàn)。這類熱敏電阻都具有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的外形尺寸和高度一致的性能，其阻值、B值偏差一般在±3％以內(nèi)；電極性能良好，可以經(jīng)受250℃×10秒的再流焊工藝。表1列出了SEMITEC公司片式熱敏電阻產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)。
表1SEMITEC公司部分片式NTC熱敏電阻主要性能參數(shù)
型號 103KT2125 103KT1608 503KT1608 104KT1608
阻值/25℃ 10kΩ 10kΩ 10kΩ 10kΩ
B值 3435±1％ 3435±1％ 4055±1％ 4390±1％
耗散常數(shù)/mW·℃－1 1.0 0.9 0.9 0.9
熱響應(yīng)時(shí)間/s 7.5 5.0 5.0 5.0
額定功率/mW 5.0 4.5 4.5 4.5
工作溫度/℃ －40～125 －40～125 －40～125 －40～125
玻璃密封型片式熱敏電阻是在傳統(tǒng)片式熱敏電阻基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高可靠敏感器件，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，還可以防止因敏感芯片暴露于大氣，物理、化學(xué)吸附而造成的器件性能漂移。同時(shí)玻璃很高的熱阻對用于過流保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)臒崦綦娮璧膽?yīng)用也較為有利。SHIBAURA公司的KG2、KG3型就是這種玻封片式NTC的典型代表。
KG型片式熱敏電阻的結(jié)構(gòu)非常簡單，如圖2所示，它包括一個(gè)中間穿孔的柱型玻璃管、一個(gè)兩面涂燒了AgPd電極的敏感芯片和兩個(gè)金屬電極，將熱敏芯片和金屬電極依次裝入柱型玻璃管內(nèi)，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)密封而成。玻璃軟化收縮后，可以使金屬電極與熱敏芯片形成可靠的接觸。這一工藝與傳統(tǒng)的軸向引線型玻封熱敏電阻的制作工藝基本相同。選擇具有適當(dāng)B值的材料，通過調(diào)節(jié)芯片的幾何尺寸，可以得到各種參數(shù)的元器件。這種KG型片式熱敏電阻與傳統(tǒng)片式熱敏電阻相比，具有優(yōu)良的穩(wěn)定性；采用柱型玻璃封裝后，在進(jìn)行貼裝工藝時(shí)，這種元件在電路板上不易發(fā)生滾動(dòng)而出現(xiàn)位置偏移；良好的機(jī)械性能保證其在受外力時(shí)或印刷電路板發(fā)生形變時(shí)不會斷裂；金屬電極可以保證浸潤良好的可靠焊接，同時(shí)又不傷及內(nèi)電極。因此，保證了該產(chǎn)品的高可靠性與高精度。
片式NTC主要有單層片和多層疊片式兩種內(nèi)結(jié)構(gòu)形式。一般熱敏材料的電阻率隨材料熱激活能高低而相應(yīng)變化，高B值材料對應(yīng)于高阻值材料，因而高B低阻材料很難開發(fā)，國外有關(guān)廠商生產(chǎn)的單層片式NTC性能指標(biāo)見表2所示。從表中可以看出，當(dāng)阻值低至（500～220）Ω已無法維持3000以上的高B值。如果采用高B高阻材料以多層并聯(lián)結(jié)構(gòu)則可以實(shí)現(xiàn)低阻化。SIEMENS公司新近開發(fā)的C1621型多層片式NTC，阻值(100～10)Ω，B值保持在3500以上。太陽誘電公司研制的TPB型多層片式NTC與單層片式NTC熱敏電阻相比，顯示出多項(xiàng)性能優(yōu)勢，詳見表3所示。此外，MURATA公司以及美國JECAL公司等都相繼開發(fā)出高B值低阻值的多層片式NTC熱敏電阻。
表2國外有關(guān)廠商生產(chǎn)的單層片式NTC熱敏電阻性能指標(biāo) 制造廠商 型號 規(guī)格 R（高阻段） B值 R（低阻段） B值
SIEMENS C620C621 08051206 680kΩ～220Ω 4300～3100 － －
TDK NTCCS2010NTCCS3216 08051206 150kΩ～470Ω 4150～3250 － －
MURATA NTH5GIMNTH5G2M 06030805 200kΩ～1kΩ100kΩ～680Ω 4250～31504250～3100 470～220Ω 2950～2900
MIT_SUBISHI TN05TN10TC10TC20TN20TN23 040206030805 2MΩ～330Ω 5040～3000 220～30Ω 2900～2150
PHILIPS 2322615 0805 470kΩ～330Ω 4130～3041 220～100Ω 2900～2880
KETEMA KR 08051206 150kΩ～1kΩ 4250～3200 500～250Ω 3000
FENWAL 172173175 060308051206 500kΩ～3kΩ 4144～3420 500～200Ω 2758
在移動(dòng)通信設(shè)備小而輕的總趨勢驅(qū)動(dòng)之下，石英晶體器件也在不斷推出更小更薄的表面組裝產(chǎn)品。TCXO已經(jīng)90％以上實(shí)現(xiàn)片式化，作為移動(dòng)通信設(shè)備的關(guān)鍵器件，它是目前片式NTC熱敏電阻應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一。每個(gè)TCXO都含有一個(gè)溫度補(bǔ)償電路來消除冷、熱對石英晶體諧振性能產(chǎn)生的影響，使石英晶振可以在很寬的溫度范圍內(nèi)保持晶體共振特性穩(wěn)定。這也是片式NTC在許多移動(dòng)通信設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵所在。到目前為止，TCXO的補(bǔ)償電路一般采用片式NTC等分立式元件做成混合器件，近期JVC和PANASONIC共同開發(fā)出用于制造通用TCXO及數(shù)字TCXO的新技術(shù)，這一技術(shù)將采用片式NTC的溫度補(bǔ)償電路集成于單片IC中，已經(jīng)使TCXO的體積降至0126cm3，而且具有很高的溫度補(bǔ)償精度，完全適合于便攜式終端設(shè)備，這一革新已經(jīng)引起石英器件工業(yè)界的極大關(guān)注。
表3日本太陽誘電公司的片式NTC熱敏電阻性能 例行試驗(yàn) 試驗(yàn)條件 阻值變化率/％
單層（0805） 多層（0603）
低溫老化 －55℃,1000h <0.6 0
高溫老化 125℃,1000h <0.6 <0.2
高低溫循環(huán) －55℃(30min)/125℃(30min)100次 <0.6 <0.3
潮熱試驗(yàn) 85℃，RH95％，1000h60℃,RH95％,1000h <0.8 <0.1
潮熱負(fù)荷 85℃,RH95％,10mW,1000h60℃,RH95％,10mW,1000h <0.9 <0.1
可焊接性能 240℃,5s,3次 <0.9 <0.3
耐溶劑性 － <0.2 <0.1
LCD的特性與環(huán)境溫度密切相關(guān)，溫度低于某一特定值，LCD的透射比就會降低，引起圖象模糊；環(huán)境溫度過高，又會造成對比度太強(qiáng),影響LCD的壽命。使用片式NTC熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可以通過控制LCD的驅(qū)動(dòng)電壓使其保持連續(xù)穩(wěn)定的對比度。
目前在鎳鎘、鎳氫及鋰電池中，片式熱敏電阻可以測量電池內(nèi)部及外部環(huán)境的溫度信息，對電路進(jìn)行保護(hù),確�？焖俪潆�。主要功能如下：將電池溫度維持在一定范圍內(nèi)，以保證快速充電；阻止因環(huán)境變化而引起的錯(cuò)誤的工作狀態(tài)；異常工作和外部短路引起的電池過熱將終止；通過精確控制溫度可確保電池充滿電荷。
片式NTC熱敏電阻優(yōu)良的性能除了在上述晶振、混合集成電路（HybridIC,HIC）和晶體管電路中的應(yīng)用以外，其應(yīng)用領(lǐng)域很寬，還可廣泛應(yīng)用于顯示器以及通用型的電子電路，如：在陀螺傳感器、加速度傳感器中進(jìn)行溫度補(bǔ)償；安裝在軸流電極中，如計(jì)算機(jī)中的微電機(jī)、照相機(jī)鏡頭聚焦電機(jī)等設(shè)備中的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；在打印中的控制打印頭的溫度，防止過熱；在軟盤的伺服控制器（Servo－controllers）和袖珍播放機(jī)(Minidiscplayer)的驅(qū)動(dòng)器中，防止數(shù)據(jù)誤讀等。所有這方面的應(yīng)用，片式NTC熱敏電阻都是貼裝于印刷電路板中。在電子電路向高密度組裝方向發(fā)展的同時(shí)，片式NTC熱敏電阻正迅速在通用的各種軍用、工業(yè)及民用電子儀器設(shè)備中開發(fā)出新的應(yīng)用領(lǐng)域。
3片式PTC熱敏電阻
PTC熱敏電阻一般都是由BaTiO3材料添加少量的稀土元素經(jīng)高溫?zé)Y(jié)的敏感陶瓷制成的。這種材料在溫度上升到材料居里溫度點(diǎn)時(shí)，其阻值會以指數(shù)形式陡然增加，通常阻值－溫度變化率在20％～40％之間。居里點(diǎn)的位置可以經(jīng)過調(diào)整材料配方及制作工藝來改變。
傳統(tǒng)的PTC熱敏電阻可以作為溫度傳感器使用，也可以用于過流保護(hù)、發(fā)熱器、彩電和監(jiān)視器的消磁、袖珍壓縮機(jī)電機(jī)的啟動(dòng)延遲等。隨著高密度組裝技術(shù)的發(fā)展，過熱保護(hù)用片式PTC熱敏電阻的應(yīng)用需求急劇增加。表4列出了MURATA公司的0805型片式熱敏電阻的主要性能參數(shù)，其探測溫度在85℃～145℃之間，測溫精度為±5℃。用戶還可以根據(jù)被保護(hù)器件的要求，選擇相應(yīng)居里點(diǎn)的片式PTC元件。這類片式PTC屬于體積小、無封裝的四方體結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的熱響應(yīng)特性。作為一種過熱保護(hù)器件，與傳統(tǒng)保險(xiǎn)管相比，不會因熔斷而經(jīng)常更換；與雙金屬片熱傳感器相比，屬于非開關(guān)接觸型，沒有噪音。
表4MURATA公司的PTH9C32型熱敏電阻主要性能參數(shù) 型號 阻值 探測溫度 最大工作電壓 最大允許電流 工作溫度
PTH9C32AS471Q－T 470Ω±50％ 145±5℃ DC15V 30mA －20℃～＋160℃
PTH9C32AR471Q－T 135±5℃ －20℃～＋150℃
PTH9C32BA471Q－T 125±5℃ －20℃～＋140℃
PTH9C32BB471Q－T 115±5℃ －20℃～＋130℃
PTH9C32BC471Q－T 105±5℃ －20℃～＋120℃
PTH9C32BD471Q－T 95±5℃ －20℃～＋110℃
PTH9C32BE471Q－T 85±5℃ －20℃～＋100℃
BaTiO3材料的固有特性決定了傳統(tǒng)單層片式PTC熱敏電阻難于降低阻值。多層疊片型結(jié)構(gòu)的片式PTC熱敏電阻不僅可以通過多層并聯(lián)實(shí)現(xiàn)低阻化，提高升阻比，而且能夠明顯改進(jìn)熱敏電阻阻值－溫度遲滯特性，此外還可通過不同居里點(diǎn)PTC材料串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成復(fù)合片式PTC熱敏電阻。但多層片式PTC熱敏電阻起步較晚，工藝難度較大，目前尚處于發(fā)展初期。
片式PTC熱敏電阻能夠在一個(gè)基本的過熱探測偏置電路中對器件進(jìn)行主動(dòng)性保護(hù)。例如可將其貼附于功率晶體管等目標(biāo)器件，當(dāng)目標(biāo)器件的溫度超過某一溫度后，PTC熱敏電阻的阻值就會急劇上升，導(dǎo)致偏置電壓下降，防止“熱失控”。PTC熱敏電阻在居里點(diǎn)阻值變化幅度很大，因而過熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì)比使用齊納二極管（ZenerDiodes）和NTC熱敏電阻要簡單得多。
由于采用了貼片式設(shè)計(jì)，片式PTC可以通過SMT工藝安裝于HIC和DC/DC轉(zhuǎn)換器等電路中起到過熱保護(hù)的作用。在HIC中，功率放大器的輸出晶體管p－n結(jié)的溫度如果超過150℃，就會被擊穿。利用PTC熱敏電阻在特定溫度點(diǎn)阻值急劇上升的特性，只要設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的電路，就可以起到熱保護(hù)作用。在DC/DC轉(zhuǎn)換器中，組裝密集、高頻高速運(yùn)行的電路常因不能有效制冷而損壞，場效應(yīng)管（FET）的熱擊穿也是筆記本電腦面對的問題之一。使用PTC熱敏電阻可以有效地阻止FET發(fā)熱，對整個(gè)器件起到保護(hù)作用。
4片式化熱敏電阻的現(xiàn)狀與發(fā)展
世界電子元件市場正從傳統(tǒng)的消費(fèi)類電子產(chǎn)品向信息化電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)移，今后對為移動(dòng)通信設(shè)備、傳呼機(jī)、筆記本電腦、PDA等配套的片式元器件的需求量將會大幅度上升。近年來，具有高頻、高速、多功能化的數(shù)字化設(shè)備得到迅猛發(fā)展，對片式元器件的需求急劇增加。如手提電話、傳呼機(jī)等的元器件片式化率已達(dá)到100％。數(shù)字相機(jī)、具有LCD顯示的手持?jǐn)z像機(jī)（Camcorder）、袖珍播放機(jī)(Mini－DiscPlayers)、DVD播放機(jī)、HDTV、多媒體、多功能游戲機(jī)以及個(gè)人電腦等電子設(shè)備，更為片式電子元器件提供了十分廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。SMT的普及和發(fā)展進(jìn)一步刺激了電子元件的片式化，繼阻容器件廣泛片式化后，其它使用率相對較低的元器件如熱敏電阻的片式化率也在大幅度提高，日本國際貿(mào)易工業(yè)部（MITI）的統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明：日本NTC熱敏電阻片式化率1995年為335％，到1997年就增加到42％，估計(jì)現(xiàn)在片式熱敏電阻的產(chǎn)量已經(jīng)超過了分立式引腳熱敏電阻，特別是在TCXO和LCD等溫度補(bǔ)償應(yīng)用領(lǐng)域具有絕對的優(yōu)勢。
為適應(yīng)高密度組裝電路的要求，0402型NTC熱敏電阻將很快成為溫度補(bǔ)償應(yīng)用的主流產(chǎn)品，片式PTC熱敏電阻也將在過熱保護(hù)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。多層片式熱敏電阻將進(jìn)一步成熟，更小、性能更齊全的片式熱敏電阻將不斷涌現(xiàn)。高溫使用的片式熱敏電阻將會在汽車和加熱器等領(lǐng)域找到新的更大市場。未來片式熱敏電阻總的技術(shù)發(fā)展趨勢是：進(jìn)一步提高測溫精度，改善互換性和可靠性，降低成本，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以適應(yīng)SMT工藝的要求。
與國外片式熱敏電阻的飛速發(fā)展形成對照，盡管國內(nèi)片式元器件工業(yè)已有十余年的歷史，但片式熱敏電阻的生產(chǎn)目前基本仍是空白，沒有引起傳感器工業(yè)界的足夠關(guān)注，對該產(chǎn)品工藝技術(shù)的研究也極少見到報(bào)道，傳感器工藝技術(shù)的落后和SMT發(fā)展緩慢是其中的主要原因。目前，國內(nèi)市場需求的片式熱敏電阻幾乎完全依賴進(jìn)口，阻值、B值精度在±3％以內(nèi)的0805型和0603型熱敏電阻的國內(nèi)市場價(jià)，1000只以上為（10～2.5）元/只，利潤空間很大。
我們認(rèn)為，國內(nèi)熱敏電阻的生產(chǎn)已經(jīng)具有一定的規(guī)模和技術(shù)開發(fā)能力，如果在現(xiàn)有的片式陶瓷電容的工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，完全有可能實(shí)現(xiàn)片式熱敏電阻的批量生產(chǎn)。另外，利用現(xiàn)有軸向引線玻封熱敏電阻的生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)類似SHIBAURA公司的KG型產(chǎn)品，應(yīng)該是一種投資較小且簡便可行的方案。規(guī)模經(jīng)濟(jì)和集約化生產(chǎn)是片式熱敏電阻生產(chǎn)開發(fā)首先必須考慮的問題之一，國內(nèi)片式熱敏電阻投資廠家應(yīng)該總結(jié)片式阻容元件設(shè)備引進(jìn)、生產(chǎn)開發(fā)所經(jīng)歷的教訓(xùn)，在經(jīng)濟(jì)規(guī)模、產(chǎn)品檔次、管理水平和市場競爭等方面全方位提高，才能保證片式熱敏電阻傳感器的生產(chǎn)走向健康發(fā)展之路。
5結(jié)束語
�。�1）為適應(yīng)電子整機(jī)不斷小型化、輕量化、薄型化和多功能化以及生產(chǎn)過程自動(dòng)化的需求，片式熱敏電阻的需求急劇增加，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。片式化熱敏電阻有可能成為熱敏電阻的主流產(chǎn)品。
（2）片式熱敏電阻將進(jìn)一步提高精度，改善互換性和可靠性，降低成本，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以適應(yīng)SMT工藝的要求。
�。�3）國內(nèi)傳感器工業(yè)界應(yīng)該對熱敏電阻片式化的趨勢給予足夠關(guān)注，在現(xiàn)有片式元器件生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)熱敏電阻的生產(chǎn)特點(diǎn)，充分發(fā)揮自身的技術(shù)開發(fā)能力，開發(fā)出高起點(diǎn)的產(chǎn)品，以滿足迅速發(fā)展的國內(nèi)電子信息產(chǎn)業(yè)的需求。
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