片式热敏电阻详细解说

片式热敏电阻详细解说
    1  前言

    移动通信技术的发展和数字化趋势对电子设备提出了小型化、轻量化、薄型化、 数字化和多功能化以及生产过程自动化的要求，电子元件的开发和生产必须向小型化、片式化和编带化发展。 随着表面组装技术的迅速发展与普及，表面组装元件（SMC）在电子设备中的占有率稳步提高。1997年，世界发达国家元器件片式化率已达70％以上，全世界平均40％以上。2000年，全世界片式元器件产量约达6000亿只，片式化率达70％以上。 电子元器件片式化的趋势也扩展到传感器领域，片式化热敏电阻正是顺应这一趋势在90年代得到巨大发展的一种片式化敏感元件。

    由于热敏电阻具有测温精度高、互换性好、可靠性高等特点， 在温度测量、控制、补偿等方面应用十分广泛。目前， 热敏电阻在整个温敏器件领域已经占据40％以上的市场份额，随着智能化仪器仪表对高精度热敏器件需求的日益扩大，以及手持电话、掌上电脑（PersonalDigitalAssistants,PDA）、笔记本电脑和其它便携式信息及通信设备的迅速普及，进一步带动了温度传感器和热敏电阻的大量需求，主要表现在：大量使用的二次电池、液晶显示器（LCD）、温度补偿型晶体振荡器 （Temperature－CompensatedCrystalOscillators,TCXO） 等都必须采用热敏电阻进行温度补偿，以保证器件性能稳定；高密度组装的电路结构对温度测量和控制的要求也就更加迫切。

    90年代以来，世界各国的热敏电阻器厂家相继推出了各种规格和不同性能的片式热敏电阻器， 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。它们的共同特点是：无引线、体积小、重量轻、易于进行再流焊、适合高密度组装技术的要求。目前，片式化热敏电阻的发展速度已远远超过了传统的分立式热敏电阻， 1990年以来，日本热敏电阻片式化的比例以每年大于20％的速度递增，目前生产和销售数量已经与分立式热敏电阻不相上下。

    2  片式NTC热敏电阻

    NTC热敏电阻是由Co、Mn、Ni、Cu、Fe、Al等过渡金属氧化物混合烧结而成，其阻值随温度的升高呈指数型下降，阻值—温度系数一般在百分之几，这一卓越的灵敏度使其能够探测极小的温度变化。NTC热敏电阻结构简单，主要部件为陶瓷敏感体和附属电极。用户可以根据不同的用途选择相应规格和参数的产品。 随着微型化设计和电子设备多功能化、轻 、薄的发展趋势，SMT对片式NTC热敏电阻的需求急剧扩大。

    片式NTC热敏电阻的生产主要依赖于先进的半导体加工技术和精细陶瓷烧结技术，生产工艺高度自动化可以保证规格、性能具有很好的一致性，在提供质量产品的同时，还能以批量生产来降低产品成本。

    在蜂窝式电话和移动通信系统中大量使用的晶体振荡器，极大地剌激了温度补偿型片式NTC的生产。 NTC热敏电阻0805型2.0mm×1.25mm和0603型16mm×0.8mm已在移动通讯整机中广泛应用， 0402型（1?0mm×0.5mm）的片式NTC正在大量涌现。这类热敏电阻都具有严格标准的外形尺寸和高度一致的性能， 其阻值、B值偏差一般在±3％以内；电极性能良好，可以经受250℃×10秒的再流焊工艺。表1列出了SEMITEC公司片式热敏电阻产品的主要性能指标。

                              表1SEMITEC公司部分片式NTC热敏电阻主要性能参数

型号	103KT2125	103KT1608	503KT1608	104KT1608
阻值/25℃	10kΩ	10kΩ	10kΩ	10kΩ
B值	3435±1％	3435±1％	4055±1％	4390±1％
耗散常数/mW·℃－1	1.0	0.9	0.9	0.9
热响应时间/s	7.5	5.0	5.0	5.0
额定功率/mW	5.0	4.5	4.5	4.5
工作温度/℃	－40～125	－40～125	－40～125	－40～125

　　玻璃密封型片式热敏电阻是在传统片式热敏电阻基础上发展起来的一种高可靠敏感器件， 具有很高的机械强度，还可以防止因敏感芯片暴露于大气，物理、化学吸附而造成的器件性能漂移。 同时玻璃很高的热阻对用于过流保护、温度补偿的热敏电阻的应用也较为有利。SHIBAURA公司的KG2、KG3型就是这种玻封片式NTC的典型代表。

KG型热敏电阻结构

    KG型片式热敏电阻的结构非常简单， 它包括一个中间穿孔的柱型玻璃管、一个两面涂烧了AgPd电极的敏感芯片和两个金属电极，将热敏芯片和金属电极依次装入柱型玻璃管内， 经高温烧结密封而成。玻璃软化收缩后，可以使金属电极与热敏芯片形成可靠的接触。这一工艺与传统的轴向引线型玻封热敏电阻的制作工艺基本相同。选择具有适当B值的材料，通过调节芯片的几何尺寸， 可以得到各种参数的元器件。这种KG型片式热敏电阻与传统片式热敏电阻相比，具有优良的稳定性；采用柱型玻璃封装后， 在进行贴装工艺时，这种元件在电路板上不易发生滚动而出现位置偏移；良好的机械性能保证其在受外力时或印刷电路板发生形变时不会断裂； 金属电极可以保证浸润良好的可靠焊接，同时又不伤及内电极。因此，保证了该产品的高可靠性与高精度。

    片式NTC主要有单层片和多层叠片式两种内结构形式。一般热敏材料的电阻率随材料热激活能高低而相应变化，高B值材料对应于高阻值材料，因而高B低阻材料很难开发， 国外有关厂商生产的单层片式NTC性能指标见表2所示。从表中可以看出，当阻值低至（500～220）Ω已无法维持3000以上的高B值。 如果采用高B高阻材料以多层并联结构则可以实现低阻化。SIEMENS公司新近开发的C1621型多层片式NTC，阻值(100～10)Ω，B值保持在3500以上。太阳诱电公司研制的TPB型多层片式NTC与单层片式NTC热敏电阻相比，显示出多项性能优势，详见表3所示。 此外，MURATA公司以及美国JECAL公司等都相继开发出高B值低阻值的多层片式NTC热敏电阻。

                          表2国外有关厂商生产的单层片式NTC热敏电阻性能指标

制造厂商	型号	规格	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
MITSUBISHI	TN05?TN10TC10?TC20TN20?TN23	040206030805	2MΩ～330Ω	5040～3000	220～30Ω	2900～2150
PHILIPS	2322?615	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

    在移动通信设备小而轻的总趋势驱动之下，石英晶体器件也在不断推出更小更薄的表面组装产品。 TCXO已经90％以上实现片式化，作为移动通信设备的关键器件，它是目前片式NTC热敏电阻应用最广泛的领域之一。每个TCXO都含有一个温度补偿电路来消除冷、热对石英晶体谐振性能产生的影响， 使石英晶振可以在很宽的温度范围内保持晶体共振特性稳定。这也是片式NTC在许多移动通信设备中得到广泛应用的关键所在。到目前为止，TCXO的补偿电路一般采用片式NTC等分立式元件做成混合器件，近期JVC和PANASONIC共同开发出用于制造通用TCXO及数字TCXO的新技术，这一技术将采用片式NTC的温度补偿电路集成于单片IC中，已经使TCXO的体积降至0.126cm3，而且具有很高的温度补偿精度，完全适合于便携式终端设备，这一革新已经引起石英器件工业界的极大关注。

                              表3日本太阳诱电公司的片式NTC热敏电阻性能

例行试验	试验条件	阻值变化率/％
		单层（0805）	多层（0603）
低温老化	－55℃,1000h	<0.6	0
高温老化	125℃,1000h	<0.6	<0.2
高低温循环	－55℃(30min)/125℃(30min)100次	<0.6	<0.3
潮热试验	85℃，RH95％，1000h60℃,RH95％,1000h	<0.8	<0.1
潮热负荷	85℃,RH95％,10mW,1000h60℃,RH95％,10mW,1000h	<0.9	<0.1
可焊接性能	240℃,5s,3次	<0.9	<0.3
耐溶剂性	－	<0.2	<0.1

　　LCD的特性与环境温度密切相关，温度低于某一特定值，LCD的透射比就会降低，引起图象模糊； 环境温度过高，又会造成对比度太强 ，影响LCD的寿命。使用片式NTC热敏电阻进行温度补偿，可以通过控制LCD的驱动电压使其保持连续稳定的对比度。

    目前在镍镉、镍氢及锂电池中，片式热敏电阻可以测量电池内部及外部环境的温度信息，对电路进行保护,确保快速充电。主要功能：将电池温度维持在一定范围内，以保证快速充电； 阻止因环境变化而引起的错误的工作状态；异常工作和外部短路引起的电池过热将终止；通过精确控制温度可确保电池充满电荷。

    片式NTC热敏电阻优良的性能除了在上述晶振、混合集成电路（HybridIC,HIC）和晶体管电路中的应用以外，其应用领域很宽，还可广泛应用于显示器以及通用型的电子电路， 如：在陀螺传感器、加速度传感器中进行温度补偿；安装在轴流电极中， 如计算机中的微电机、照相机镜头聚焦电机等设备中的控制电机转速；在打印中的控制打印头的温度，防止过热； 在软盘的伺服控制器（Servo－controllers）和袖珍播放机(Minidiscplayer)的驱动器中，防止数据误读等。所有这方面的应用，片式NTC热敏电阻都是贴装于印刷电路板中。在电子电路向高密度组装方向发展的同时，片式NTC热敏电阻正迅速在通用的各种军用、工业及民用电子仪器设备中开发出新的应用领域。

    3  片式PTC热敏电阻

    PTC热敏电阻一般都是由BaTiO3材料添加少量的稀土元素经高温烧结的敏感陶瓷制成的。这种材料在温度上升到材料居里温度点时，其阻值会以指数形式陡然增加，通常阻值－温度变化率在20％～40％之间。 居里点的位置可以经过调整材料配方及制作工艺来改变。

    传统的PTC热敏电阻可以作为温度传感器使用，也可以用于过流保护、发热器、彩电和监视器的消磁、袖珍压缩机电机的启动延迟等。随着高密度组装技术的发展，过热保护片式PTC热敏电阻的应用需求急剧增加。表4列出了MURATA公司的0805型片式热敏电阻的主要性能参数， 其探测温度在85℃～145℃之间，测温精度为±5℃。用户还可以根据被保护器件的要求，选择相应居里点的片式PTC元件。 这类片式PTC属于体积小、无封装的四方体结构，具有优异的热响应特性。作为一种过热保护器件，与传统保险管相比， 不会因熔断而经常更换；与双金属片热传感器相比，属于非开关接触型，没有噪音。

                            表4MURATA公司的PTH9C32型热敏电阻主要性能参数

型号	阻值	探测温度	最大工作电压	最大允许电流	工作温度
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材料的固有特性决定了传统单层片式PTC热敏电阻难于降低阻值。 多层叠片型结构的片式PTC热敏电阻不仅可以通过多层并联实现低阻化，提高升阻比， 而且能够明显改进热敏电阻阻值－温度迟滞特性，此外还可通过不同居里点PTC材料串联或并联构成复合片式PTC热敏电阻。但多层片式PTC热敏电阻起步较晚，工艺难度较大，目前尚处于发展初期。

    片式PTC热敏电阻能够在一个基本的过热探测偏置电路中对器件进行主动性保护。例如可将其贴附于功率晶体管等目标器件，当目标器件的温度超过某一温度后， PTC热敏电阻的阻值就会急剧上升， 导致偏置电压下降，防止“热失控”。PTC热敏电阻在居里点阻值变化幅度很大，因而过热保护电路的设计比使用齐纳二极管（ZenerDiodes）和NTC热敏电阻要简单得多。

    由于采用了贴片式设计，片式PTC可以通过SMT工艺安装于HIC和DC/DC转换器等电路中起到过热保护的作用。在HIC中，功率放大器的输出晶体管p－n结的温度如果超过150℃，就会被击穿。 利用PTC热敏电阻在特定温度点阻值急剧上升的特性，只要设计一个简单的电路，就可以起到热保护作用。在DC/DC转换器中，组装密集、高频高速运行的电路常因不能有效制冷而损坏， 场效应管（FET）的热击穿也是笔记本电脑面对的问题之一。使用PTC热敏电阻可以有效地阻止FET发热，对整个器件起到保护作用。

    4  片式化热敏电阻的现状与发展

    世界电子元件市场正从传统的消费类电子产品向信息化电子产品转移， 今后对为移动通信设备、传呼机、笔记本电脑、PDA等配套的片式元器件的需求量将会大幅度上升。近年来，具有高频、高速、多功能化的数字化设备得到迅猛发展，对片式元器件的需求急剧增加。 如手提电话、传呼机等的元器件片式化率已达到100％。数字相机、具有LCD显示的手持摄像机（Camcorder）、袖珍播放机(Mini－DiscPlayers)、DVD播放机、HDTV、多媒体、多功能游戏机以及个人电脑等电子设备，更为片式电子元器件提供了十分广阔的应用领域。SMT的普及和发展进一步刺激了电子元件的片式化，继阻容器件广泛片式化后， 其它使用率相对较低的元器件如热敏电阻的片式化率也在大幅度提高，日本国际贸易工业部（MITI）的统计数字表明：日本NTC热敏电阻片式化率1995年为33.5％，到1997年就增加到42％，估计现在片式热敏电阻的产量已经超过了分立式引脚热敏电阻，特别是在TCXO和LCD等温度补偿应用领域具有绝对的优势。

   为适应高密度组装电路的要求，0402型NTC热敏电阻将很快成为温度补偿应用的主流产品，片式PTC热敏电阻也将在过热保护领域得到更广泛的应用。 多层片式热敏电阻将进一步成熟，更小、性能更齐全的片式热敏电阻将不断涌现。高温使用的片式热敏电阻将会在汽车和加热器等领域找到新的更大市场。 未来片式热敏电阻总的技术发展趋势是：进一步提高测温精度，改善互换性和可靠性，降低成本，在产品结构上进行优化设计以适应SMT工艺的要求。

    与国外片式热敏电阻的飞速发展形成对照， 尽管国内片式元器件工业已有十余年的历史，但片式热敏电阻的生产目前基本仍是空白，没有引起传感器工业界的足够关注， 对该产品工艺技术的研究也极少见到报道，传感器工艺技术的落后和SMT发展缓慢是其中的主要原因。 目前，国内市场需求的片式热敏电阻几乎完全依赖进口，阻值、B值精度在±3％以内的0805型和0603型热敏电阻的国内市场价，1000只以上为（1.0～2.5）元/只，利润空间很大。

    我们认为，国内热敏电阻的生产已经具有一定的规模和技术开发能力， 如果在现有的片式陶瓷电容的工艺基础上进行改进，完全有可能实现片式热敏电阻的批量生产。 另外，利用现有轴向引线玻封热敏电阻的生产技术，生产类似SHIBAURA公司的KG型产品， 应该是一种投资较小且简便可行的方案。规模经济和集约化生产是片式热敏电阻生产开发首先必须考虑的问题之一， 国内片式热敏电阻投资厂家应该总结片式阻容元件设备引进、生产开发所经历的教训，在经济规模、产品档次、管理水平和市场竞争等方面全方位提高， 才能保证片式热敏电阻传感器的生产走向健康发展之路。

    5  结束语

    （1）为适应电子整机不断小型化、轻量化、薄型化和多功能化以及生产过程自动化的需求，片式热敏电阻的需求急剧增加，应用范围不断扩大。片式化热敏电阻有可能成为热敏电阻的主流产品。

    （2）片式热敏电阻将进一步提高精度，改善互换性和可靠性，降低成本， 在产品结构上进行优化设计以适应SMT工艺的要求。

    （3）国内传感器工业界应该对热敏电阻片式化的趋势给予足够关注，在现有片式元器件生产工艺基础上，结合国内热敏电阻的生产特点， 充分发挥自身的技术开发能力，开发出高起点的产品，以满足迅速发展的国内电子信息产业的需求。