银钯厚膜电阻的导电原理简述

银钯厚膜电阻的导电原理简述

董婧文  ,吴存江

天津科榆电子科技有限公司    天津市    300450

摘要：厚膜贴片电阻器，是将高可靠性的钌系玻璃釉材料通过丝网工艺印刷于氧化铝基板上，再经过高温烧结等热处理加工，形成其最主要的工程层膜-电阻层。加之采用银钯合金油墨制成的电极层膜组成导电通路，而实现电阻器基本功能的。

除了电阻膜与电极膜，还需要很多道辅助工序和辅助膜的作用才能制造出完整的厚膜贴片电阻。因其工艺限制，所成膜厚通常在10um以上，固与膜厚更低的薄膜电阻相对应，称之为厚膜电阻器。它具有体积小，精度高，稳定性好的特点，由于其为片状元件，所以高频性能好。在科技发达的今天，贴片电阻器被大量使用我们常见的消费型电子产品的集成电路中，例如一部智能手机就需要超过400颗，用量及其可观。[1]

关键词：导电原理；银钯厚膜电阻

前言：电子浆料是制造厚膜贴片电阻，形成其中各种功能层膜的基础材料。电子浆料由各种固体粉末、粘合剂、添加剂等固体成分，经过多次研磨，分散等处理后，在有机溶剂的融合下，充分混合，再经过多次搅拌及三辊轧碾碎分散后形成的混合均匀膏状物。如图1中所示的电子浆料，就是制造电极层膜的银浆电子浆料。

1.概述

电子浆料是制造厚膜电路的基础材料，按照厚膜电阻制造工序，可将其分为导体浆料（通过丝网印刷形成导电电极）、电阻体浆料（通过丝网印刷形成阻抗体）、及介质浆料。

现行业中应用最多的电极浆料大多以价格低廉的银作为主要原料，加以有机溶剂，无机粘合相等构成。介质浆料则大多以玻璃相或有机物为主要原料，加以染色剂，粘结相等混合而成。厚膜电阻的导电原理中，阻抗体的导电原理最为复杂也最为重要，阻抗体是厚膜电阻的核心组成，因此，阻抗浆料也是厚膜电阻用浆料中的重点。电阻浆料的组成复杂，其中包含功能相、有机溶剂、无机粘合相等。

绝大多数厚膜电阻的导体作用都是通过电子浆料印刷及热处理后，由贵金属及贵金属合金组成通路完成的，最常见的贵金属有金、钯、铂和银，有这些金属的二元或三元合金结合使用。常见的电阻浆料有 Ag-Pd 系和氧化钉系列，根据需要做成的电阻阻抗值不同，选取的系列及含量不同。

2.厚膜电阻的干燥及烧成过程

2.1干燥过程

电阻浆料通过丝网印刷，会在基盘上形成既定的形状，在彻底干燥前，既定形状会因流动而不断发生变化，在低温（100~120℃之间）热处理过程中，随着表面溶剂的挥发，粘度增加，最终导致流动停止。阻抗体内部的溶剂汽化后形成大大小小的气泡，气泡上升时会造成内部阻抗的再次流动，低温环境下，树脂将流动填补空隙，同时带动其内部的金属颗粒和玻璃粘结相颗粒运动。厚膜电阻制造所用的干燥炉，一般分为链条箱体式及单箱式，链条箱体式干燥炉更为普遍，适合大量的工业生产，并可通过几个加热箱体及链条速度，组合调整出相应的温度-时间曲线，以保证厚膜电阻的功能特性。

2.2烧成过程

从室温到 350℃温度区间，这个阶段主要是玻璃相有机粘接相的分解、燃烧。大约从330℃开始，Pd开始氧化形成PdO，随温度升高，其数量不断增加。在 500~600℃之间，Pd氧化迅速加快，晶粒也快速长大。到750℃左右 Pd氧化速度减慢。在 100~400℃之间不断氧化，并生成氧化银，400℃以后数量开始减少。500℃左右，Ag 与Pd 的氧化物开始形成 Ag~Pd 的连续固溶体合金，两者完全互溶。到1080℃，Ag-Pd 合金的数量大大超过 PdO 的数量。600℃以后部分 PdO 被还原为 Pd，随温度升高，其还原速率增大，在 750℃左右 PdO的还原与氧化基本达到平衡。此过程可有 X射线相分析结果验证，机械混合的Ag、Pd 粉经850℃烧结后，Pd 的衍射峰消失，就说明发生了固相反应，形成了 Ag-Pd 合金或PdO。电阻浆料中的玻璃相在 550℃左右开始软化，一般在 750℃左右呈熔融状。冷却过程中，玻璃拉紧、粘结导电粒子，促进膜结构的形成。在表面张力的左右下，导电颗粒进行重排，形成导电的链结构。

一般来说，尽量避免骤然的升温和骤然的冷却比较好，如果烧成条件不合适的话，就会发生烧成裂纹，膨胀，卷缩，气泡，玻璃相结合体浮起，变色，Ag 膜消失等的外观不良现象。尤其是阻抗体发生漂移变化，阻抗体的偏差过大等问题的话，将会造成厚膜电阻的致命性不良现象，即阻抗值特性不良。且Ag、glass、阻抗体容易和 S、Na、Cl、P 等元素发生反应，会使特性劣化变大，所以需要特别引起注意。

3.厚膜电阻的微观结构

由上述阐述可知，厚膜电阻的导电微结构是由许多微小串联或并联的导电链所组成的结构复杂的三维导电网络，而导电链本身由许多导电粒子所组成。导电粒子件既不是纯粹的颗粒接触状态，也不是都被较厚的玻璃粘结相所间隔开，更不是完全凝聚而成的连续导电膜。且随着阻抗值高低的差异，导电链的分布及含量比例不同。微观导电模式，请参考图4。图4 为低阻抗，阻抗浆料烧成后的断面 FIB 分析图片，可以从断面清楚地看到Glass 玻璃粘结相、Ag/Pd 合金相及二氧化钌相。因此可见，在满足烧成工艺的条件下，若适当提高烧成温度，伴随着导电相结晶粒子的生长，导电通路的面积增大，电阻层的阻值会降低，但是这有过烧的危险，反而会降低厚膜电路膜层的质量。

4.主要结论及工艺应用

1）厚膜电阻的阻抗体经过丝网印刷后，干燥及烧成热处理过程中有复杂的氧化还原反应，研究烧成曲线（时间-温度曲线），并明确曲线上对应温度位置时所发生的氧化还原反应，可以指导实际工艺流程的改善及品质的保证。

2）导电相结晶粒子的生长，导电通路的面积增大，电阻层的阻值会降低，但是这有过烧的危险，反而会降低厚膜电路膜层的质量。

参考文献：

[1]董婧文、厚膜贴片电阻制造工艺[2021]