池晓卫、李刚、秦振强、王勇、毛为忠
中国石油塔里木油田塔西南勘探开发公司油气生产服务部 新疆 喀什 844804
摘要：过压保护型氧化锌压敏电阻器在电表中占据的空间较大，在电表体积越来越小的背景下，实现压敏电阻器小型化是大势所趋。本研究结合笔者实验结果，提出过压保护型氧化锌压敏电阻器小型化的制造方案，以供参考。
关键词：电能表；过压保护型；氧化锌压敏电阻器；小型化
压敏电阻器也即非线性变阻器，指的是对电压变化能够灵敏发生反应的限压型原件，在规定温度下，若电压超出特定临界值，压敏电阻器的阻值会大幅下降，其中的电流迅速增加，此时电压与电流之间并无线性关系。压敏电阻器体积较小，价格低廉，工作电压范围相对较快，对冲击电流有较强的抗压能力、对过压脉冲能够快速响应，同时其电阻温度系数较低，漏电的电流小，故而属于理想保护元件，在诸多家电、电子产品的过压保护中，均得到了应用。
一、氧化锌压敏电阻器小型化的必要性
氧化锌压敏电阻器是将氧化锌作为主体，加入诸多金属氧化物，通过典型电子陶瓷技术，制作所得半导体陶瓷元件。对于电源柜、三相电能表、单相电能表、大型防雷保护装置、楼宇总电源箱等，因其遭受操作过电压、雷击、异常过电压的风险较高，故而更需通过大通流容量压敏电阻器，发挥过压保护作用。然而，因安装成本、安装空间所限，氧化锌压敏电阻器的体积较大时，难以在这些场景中顺利应用。
电能表用过压以氧化锌压敏电阻器为过压保护器件，其要求较高，要实现电能表小型化，其元器件均需小型化，同样，压敏电阻器也必须实现小型化。通常情况下，单相电表应用25D681或20D681产品，尺寸：28mm×7.5mm、23.mm×7mm；三相电表应用25D821或20D821，尺寸：28mm×8.5mm、28mm×8.5mm。由此可见，压敏电阻器在电能表中占据的空间较大，因此必须实现压敏电阻器的小型化。
三、实验过程
氧化锌压敏电阻器中，氧化锌占比高于90%，另外加入硼酸、氧化铬、氧化锰、三氧化二锑、氧化钴、氧化铋等，对其行球磨及制浆，将之造粒后成型，烧结，制作电极，最后封装，制作为氧化锌压敏电阻器。
因为小型化、大通流容量的压敏电阻器，必须具有致密、均匀而稳定的芯片结构，故而在选取压敏原材料时，所选材料需具有高度稳定性，纯度较高，粒度也需理想，同时可在配方基础上，根据实验需求调整。笔者在常规压料配方基础上，通过正交实验，获取理想配方。
在烧结过程中，将温度调整到1130℃，行3h烧结，此时电压梯度是180V/mm至200V/mm，获取小型化产品25D681S。应用DS-PF-7180VR低温压敏银浆（韩国制造），实施1次印刷，于580℃的温度下，行8min至10min的烧银。以直引线将之焊接，之后包封，制作成型后，在20kA（8/20 us）下实施冲击试验1次，对其性能进行测定。
瓷片边缘采取带尖角设计，以打扁带有“S”弯的引线插片，对其焊接，获取压敏本体，实施包封处理，在20kA（8/20 us）下实施冲击试验1次，对其性能进行测定。之后用阻燃树脂在压敏本体上涂抹，以环氧粉末对其包封。
四、实验结果
1.研究结果
对压敏高压配方正交实验的结果进行分析，保持其他参数不变，选取高温负荷性能、通流能力最高的配方，各组分的含量见表1。
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按照正交试验选取的最优配方，分别根据表1称取相应成分，混合均匀，将去离子水、流动性优良的浆料加入其中，喷雾，造粒。
如MYG25K681S小型化产品，根据小型化目标，瓷片的直径为22.0mm，根据烧结之后收缩率为84%的估算，制作成型的模具，直径26.2mm。压制造粒料，形成生胚，烧结到目标的压敏电压，之后以丝网印刷低温压敏银浆，制作电极，以直线焊包展开测试。经测试，常规电表25K681电流密度是39.48A/mm2，而小型化电表25K681S电流密度是70.88A/mm2，对比可知，和常规电表比，小型化电表因为直径大幅减小，其大电流冲击下的电流密度有明显升高。笔者进一步展开实验，发现将瓷片直径直接减小到22.0mm，以直线对其行焊接处理，产品性能也会出现明显变化。
2.结构优化
在大电流冲击过程中，边缘容易炸裂，这是电能表用过压保护型氧化锌压敏电阻器小型化中需要解决的问题。为解决这一问题，笔者将瓷片边缘设计的有尖角，这样当电流冲击增大时，其导行距离明显增加。在改进之前，当大电流冲击时，侧面爬电的导行距离是6.4mm，在优化结构之后，当大电流冲击时，这一数值变为8.11mm。对比可知，改进之后的侧面爬电导行距离明显大于改进之前的数据，故而这一产品具有更强的通流能力。另外，瓷片边缘设计尖角后，还可将侧闪失效问题解决，这也是本产品通流能力提高的一个重要原因。
另外，用打扁后的“S”引线，大电流冲击性能有明显提升。
3.阻燃树脂实验
将上述设计的MYG25K681S（带尖角）的银片取出40只，插片并焊接，其中20只内涂阻燃树脂（将之称作观察组），另外20只不做操作（将之称作空白组），包封处理，展开20kA（8/20us）的冲击试验，共进行4次。结果发现，空白组平均压敏电压的变化率是-12.7%，漏电流为37.5uA，且在实验之后，环氧包封层均可见鼓包，程度不一；观察组平均压敏电压的变化率是-8.7%，漏电流为24.1uA，且在实验之后，环氧包封层均未见鼓包。从这一结果可以看出，内涂阻燃树脂，能够促使本品耐受冲击的性能进一步提升。
四、结束语
总体看来，在电能表用过压保护型氧化锌压敏电阻器小型化过程中，我们可以在瓷片边缘加入尖角，增加大电流冲击下的导行距离，减少侧闪失效，进而提升产品通流能力；可将引线制作为“S”型，这样引线和银层之间的接触面积升高，银层各部分和引线的距离均明显缩短，在大电流冲击时，电流可从银片均匀通过，进而提升芯片通流能力。另外，在包封之前，可以内涂数值，将银层和空气隔绝开来，减少接触，这样大电流冲击过程中，银层灼烧温度可明显升高，产品对大电流冲击的耐受能力可明显提高。在这一理念下，我们可以投入批量生产，制造小型化的氧化锌压敏电阻器，为电表行业提供充足的保护器。