高温PTC陶瓷发热体的寿命和可靠性

朱小荣2006/11-17
东莞市天成热敏电阻有限公司

居里温度高于120℃的PTC材料，称为高温PTC材料。一般来说，高温度PTC作为恒温发热和高功率发热元件的较为常见，由于高温PTC材料与低温材料相比，其组成和工艺均有较大的差别，而且前者要长期地在高温（居里温度附近）工作，因此存在着寿命和可靠性不如后者的问题。本文将对这些问题进行探讨，以便能为使用者提供一些有用的参考。

1．    高温PTC材料的特点。

PTC材料是以BaTiO₃为基的半导体陶瓷材料。这种材料的电阻率在某一区域内随温度上升而急剧上升，电阻率突变上升的温度称为居里温度。BaTiO₃居里温度为120℃。当用一部分Pb²⁺来置换Ba²⁺后，成为Ba_（1-X）Pb_X TiO₃材料，其居里温度随着Pb²⁺含量的增加而上升。目前已经实用化的PTC发热材料的最高温度为300℃。

从海旺模型得知，BaTiO₃半导体陶瓷的PTC效应来源于材料介电常数的异常变化。Pb²⁺来置换Ba²⁺后，介电常数的异常变化减少，故PTC效应不如不含Pb的材料大。所谓PTC效应即材料电阻--温度曲线中最大电阻与最小电阻之比。含Pb高温PTC材料的PTC效应随居里温度TC的变化如图1所示。此外，随着含Pb量的提高，控制烧成时PbO气体的挥发是不容易的。烧成时PbO气体的挥发，使PTC材料的结构成分偏离，无法烧成结构均匀一致的陶瓷体。这些原因都会使高温PTC材料不如低温PTC材料寿命长、可靠性高。

2．PTC材料的老化。

        PTC材料的老化指的是材料的常温电阻率随时间增加而增加的现象。可用ρ=ρ_O+Alogt来表示，式中ρ表示材料的常温电阻率，ρ_O为初始电阻率，t为时间，A称为老化系数。材料处于不同的环境温度时，老化系数也不同，见图2。当环境温度与居里温度接近时，老化系数最大，也就是说，PTC材料老化得最快。

PTC材料在居里温度以上时，晶体结构为立方顺电相，没有铁电性，材料为高电阻。当温度低于居里温度时，晶体结构变为四方铁电相，具有铁电性。材料的铁电性抵消了部分晶界受主态，故材料在居里温度以下为低电阻。但是，如果材料的铁电性下降，不能有效地抵消晶界主态，则电阻率会上升。PTC材料在经过一段时间后，由于材料内部应力的释放，空间电荷的重新分配等原因，铁电性会下降，电阻则上升。在居里温度附近，上述过程进行得比较快，故老化系数增加。如果材料在居里温度以上及以下反复变动，晶体结构也会在立方相和四方相之间反复变化，上述作用会加剧，材料的老化作用加剧。

要减少PTC材料的老化，均匀一致的材料内部结构，小的内应力是必需的。这需要从各个工序入手，特别是烧成工序。原材料应具有较高的活性，合成反应要充分。另外，烧成时既要防止PbO的挥发，又要使材料具有较多好的PTC效应。烧结后期的降温过程太快对材料的老化性能的提高不利，是因为降温太快会使材料内部存在较多的内应力，应力的释放则影响材料的常温电阻。此外，内应力的存在也会使材料的可靠性下降。

3. 击穿电压。

    在PTC元件的两端加上电压，当电压值较低时，随着电压值的增加，电流值也增加，如图3中A段。随后,再增加电压值电流反而下降,如B段,这一阶段就是PTC元件的定功率阶段。电压上升到V_B后,电流复而随电压上升,这时,元件很容易被烧毁,电压V_B称为击穿电压。为了使PTC元件具有较高的可靠性，击穿电压V_B必须是使用电压的两倍以上。V_B值与环境散热条件有关，散热越快，V_B值越高。

    要想使PTC元件具有较高的击穿电压，除了要提高PTC效应外，还要使陶瓷体内部具有微晶结构。居里温度越高的PTC材料，PTC效应越小，故击穿电压也越低。但是，当PTC效应相同时，居里温度越高，则击穿电压越高。此外，如果材料内部存在着杂质点，由于电场在杂质点周围局部集中，会使元件在较低的电压下击穿。有时，由于工艺控制不当，元件边缘的PTC效应小于中部或电阻值小于中部，边缘部分的V_B较低，会使边缘部分预先击穿。 

4. 电流的影响。

给PTC元件加上电压后，元件内部有电流通过，由于种种原因，元件内部的各部分发热量不均匀，而致使各部分热膨胀不一致，元件在这种膨胀应力发热量不均匀，而致使各部分热膨胀不一致，元件在这种膨胀应力的作用下而开裂。材料内部晶粒电阻与晶界电阻不相等，再加结构的不均匀，或者内部分层及裂纹等都可能导致开裂。另外，由PbO在烧成过程中的挥发，或其他因素而引起材料内部电阻不均匀，也可能导致开裂。

元件表面所镀覆的电极，电阻要足够小，否则，也会因为电流的热效应而烧毁电极甚至使整个元件烧毁。此外，电极的边缘往往容易引起热损毁，需要在制造过程中加以注意。 

5. PTC效应的下降。

    PTC元件在真空、还原性气氛使用时，PTC效应会明显下降，击穿电压V_B下降，致使可靠性降低。下降后的样品，可在大气中高温加热，可使其PTC效应得到恢复。PTC效应下降的原因是PTC材料内部晶界中的氧被解吸释放出来，晶界缺氧时，PTC效应下降。当在大气中重新加热时，晶界重新吸附氧，PTC效应得以恢复。

    要使PTC元件长期可靠性工作，必须避免在缺氧的环境及还原气氛中使用，如氮气、二氧化碳气体、氨气、水蒸气、有机物气体等。

对于结构松、晶粒粗的PTC材料，气体的扩散过程容易进行，PTC效应在异常气氛中下降得快。因此，要求材料结构致密，晶粒较细。元件的边缘部分是接触异常气氛的前沿，是元件击穿的弱点。 

6. 功率的下降。

    当PTC在高功率的场合（如液体加热，空气加热等）使用时，如控制不当，则会引起功率下降。

     PTC电阻的增加是功率下降的原因之一。首先应选用电阻变化比较小的PTC发热元件是防止功率下降的首要条件。选用电阻比较小的PTC，在使用中引起的电阻少量增加，则功率下降不明显。相反，选用比较大的电阻时，PTC电阻的少量增加也会导致功率明显下降。

    防止导热结构在使用中变松，是防止PTC发热件功率下降的又一重要条件。结构变送，会使功率下降。结构材料应选择耐高温的，结构应不容易在高温下或冷热冲击下变松。

本文发表与1990年全国PTC技术讨论会。作者：朱小荣。