楊邦朝電子科技大學信息材料工程學院（成都610054）  
楊文中國科學院新疆物理研究所（烏魯木齊830001）  

1前言  
  
　　移動通信技術的發展和數字化趨勢對電子設備提出了小型化、輕量化、薄型化、數字化和多功能化以及生產過程自動化的要求，電子元件的開發和生產必須向小型化、片式化和編帶化發展。隨著表面組裝技術的迅速發展與普及，表面組裝元件（SMC）在電子設備中的占有率穩步提高。1997年，世界發達國家元器件片式化率已達70％以上，全世界平均40％以上。2000年，全世界片式元器件產量約達6000億只，片式化率達70％以上。電子元器件片式化的趨勢也擴展到傳感器領域，片式化熱敏電阻正是順應這一趨勢在90年代得到巨大發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，在溫度測量、控制、補償等方面應用十分廣泛。目前，熱敏電阻在整個溫敏器件領域已經占據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備的迅速普及，進一步帶動了溫度傳感器和熱敏電阻的大量需求，主要表現在：大量使用的二次電池、液晶顯示器（LCD）、溫度補償型晶體振蕩器（Temperature－CompensatedCrystalOscillators,TCXO）等都必須采用熱敏電阻進行溫度補償，以保證器件性能穩定；高密度組裝的電路結構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。它們的共同特點是：無引線、體積小、重量輕、易于進行再流焊、適合高密度組裝技術的要求。目前，片式化熱敏電阻的發展速度已遠遠超過了傳統的分立式熱敏電阻，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，目前生產和銷售數量已經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而成，其阻值隨溫度的升高呈指數型下降，阻值—溫度系數一般在百分之幾，這一卓越的靈敏度使其能夠探測極小的溫度變化。NTC熱敏電阻結構簡單，主要部件為陶瓷敏感體和附屬電極。用戶可以根據不同的用途選擇相應規格和參數的產品。隨著微型化設計和電子設備輕、薄、多功能化的發展趨勢，SMT對片式NTC熱敏電阻的需求急劇擴大。  
  
　　片式NTC熱敏電阻的生產主要依賴于先進的半導體加工技術和精細陶瓷燒結技術，生產工藝高度自動化可以保證規格、性能具有很好的一致性，在提供質量產品的同時，還能以批量生產來降低產品成本。  
  
　　在蜂窩式電話和移動通信系統中大量使用的晶體振蕩器，極大地剌激了溫度補償型片式NTC的生產。0805型（2.0mm×1.25mm）和0603型（1��6mm×0.8mm）NTC熱敏電阻已在移動通訊整機中廣泛應用，0402型（1��0mm×0.5mm）的片式NTC正在大量涌現。這類熱敏電阻都具有嚴格標準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；電極性能良好，可以經受250℃×10秒的再流焊工藝。表1列出了SEMITEC公司片式熱敏電阻產品的主要性能指標。  
  
表1SEMITEC公司部分片式NTC熱敏電阻主要性能參數  
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/mW·℃－1   1.0         0.9         0.9       0.9  
熱響應時間/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片式熱敏電阻基礎上發展起來的一種高可靠敏感器件，具有很高的機械強度，還可以防止因敏感芯片暴露于大氣，物理、化學吸附而造成的器件性能漂移。同時玻璃很高的熱阻對用于過流保護、溫度補償的熱敏電阻的應用也較為有利。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構非常簡單，如圖2所示，它包括一個中間穿孔的柱型玻璃管、一個兩面涂燒了AgPd電極的敏感芯片和兩個金屬電極，將熱敏芯片和金屬電極依次裝入柱型玻璃管內，經高溫燒結密封而成。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B值的材料，通過調節芯片的幾何尺寸，可以得到各種參數的元器件。這種KG型片式熱敏電阻與傳統片式熱敏電阻相比，具有優良的穩定性；采用柱型玻璃封裝后，在進行貼裝工藝時，這種元件在電路板上不易發生滾動而出現位置偏移；良好的機械性能保證其在受外力時或印刷電路板發生形變時不會斷裂；金屬電極可以保證浸潤良好的可靠焊接，同時又不傷及內電極。因此，保證了該產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結構形式。一般熱敏材料的電阻率隨材料熱激活能高低而相應變化，高B值材料對應于高阻值材料，因而高B低阻材料很難開發，國外有關廠商生產的單層片式NTC性能指標見表2所示。從表中可以看出，當阻值低至（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結構則可以實現低阻化。SIEMENS公司新近開發的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，顯示出多項性能優勢，詳見表3所示。此外，MURATA公司以及美國JECAL公司等都相繼開發出高B值低阻值的多層片式NTC熱敏電阻。  
  
表2國外有關廠商生產的單層片式NTC熱敏電阻性能指標 制造廠商  型號  規格  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  TN05�盩N10TC10�盩C20TN20�盩N23  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  
　　在移動通信設備小而輕的總趨勢驅動之下，石英晶體器件也在不斷推出更小更薄的表面組裝產品。TCXO已經90％以上實現片式化，作為移動通信設備的關鍵器件，它是目前片式NTC熱敏電阻應用最廣泛的領域之一。每個TCXO都含有一個溫度補償電路來消除冷、熱對石英晶體諧振性能產生的影響，使石英晶振可以在很寬的溫度范圍內保持晶體共振特性穩定。這也是片式NTC在許多移動通信設備中得到廣泛應用的關鍵所在。到目前為止，TCXO的補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共同開發出用于制造通用TCXO及數字TCXO的新技術，這一技術將采用片式NTC的溫度補償電路集成于單片IC中，已經使TCXO的體積降至0��126cm3，而且具有很高的溫度補償精度，完全適合于便攜式終端設備，這一革新已經引起石英器件工業界的極大關注。  
  
表3日本太陽誘電公司的片式NTC熱敏電阻性能 例行試驗  試驗條件  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  －55℃(30min)/125℃(30min)100次  <0.6  <0.3  
潮熱試驗  85℃，RH95％，1000h60℃,RH95％,1000h  <0.8  <0.1  
潮熱負荷  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的特性與環境溫度密切相關，溫度低于某一特定值，LCD的透射比就會降低，引起圖象模糊；環境溫度過高，又會造成對比度太強,影響LCD的壽命。使用片式NTC熱敏電阻進行溫度補償，可以通過控制LCD的驅動電壓使其保持連續穩定的對比度。  
  
　　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部及外部環境的溫度信息，對電路進行保護,確保快速充電。主要功能如下：將電池溫度維持在一定范圍內，以保證快速充電；阻止因環境變化而引起的錯誤的工作狀態；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用以外，其應用領域很寬，還可廣泛應用于顯示器以及通用型的電子電路，如：在陀螺傳感器、加速度傳感器中進行溫度補償；安裝在軸流電極中，如計算機中的微電機、照相機鏡頭聚焦電機等設備中的控制電機轉速；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(Minidiscplayer)的驅動器中，防止數據誤讀等。所有這方面的應用，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展的同時，片式NTC熱敏電阻正迅速在通用的各種軍用、工業及民用電子儀器設備中開發出新的應用領域。  
  
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高溫燒結的敏感陶瓷制成的。這種材料在溫度上升到材料居里溫度點時，其阻值會以指數形式陡然增加，通常阻值－溫度變化率在20％～40％之間。居里點的位置可以經過調整材料配方及制作工藝來改變。  
  
　　傳統的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、發熱器、彩電和監視器的消磁、袖珍壓縮機電機的啟動延遲等。隨著高密度組裝技術的發展，過熱保護用片式PTC熱敏電阻的應用需求急劇增加。表4列出了MURATA公司的0805型片式熱敏電阻的主要性能參數，其探測溫度在85℃～145℃之間，測溫精度為±5℃。用戶還可以根據被保護器件的要求，選擇相應居里點的片式PTC元件。這類片式PTC屬于體積小、無封裝的四方體結構，具有優異的熱響應特性。作為一種過熱保護器件，與傳統保險管相比，不會因熔斷而經常更換；與雙金屬片熱傳感器相比，屬于非開關接觸型，沒有噪音。  
  
表4MURATA公司的PTH9C32型熱敏電阻主要性能參數 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單層片式PTC熱敏電阻難于降低阻值。多層疊片型結構的片式PTC熱敏電阻不僅可以通過多層并聯實現低阻化，提高升阻比，而且能夠明顯改進熱敏電阻阻值－溫度遲滯特性，此外還可通過不同居里點PTC材料串聯或并聯構成復合片式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，目前尚處于發展初期。  
  
　　片式PTC熱敏電阻能夠在一個基本的過熱探測偏置電路中對器件進行主動性保護。例如可將其貼附于功率晶體管等目標器件，當目標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，導致偏置電壓下降，防止“熱失控”。PTC熱敏電阻在居里點阻值變化幅度很大，因而過熱保護電路的設計比使用齊納二極管（ZenerDiodes）和NTC熱敏電阻要簡單得多。  
  
　　由于采用了貼片式設計，片式PTC可以通過SMT工藝安裝于HIC和DC/DC轉換器等電路中起到過熱保護的作用。在HIC中，功率放大器的輸出晶體管p－n結的溫度如果超過150℃，就會被擊穿。利用PTC熱敏電阻在特定溫度點阻值急劇上升的特性，只要設計一個簡單的電路，就可以起到熱保護作用。在DC/DC轉換器中，組裝密集、高頻高速運行的電路常因不能有效制冷而損壞，場效應管（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發熱，對整個器件起到保護作用。  
  
4片式化熱敏電阻的現狀與發展  
  
　　世界電子元件市場正從傳統的消費類電子產品向信息化電子產品轉移，今后對為移動通信設備、傳呼機、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、多功能化的數字化設備得到迅猛發展，對片式元器件的需求急劇增加。如手提電話、傳呼機等的元器件片式化率已達到100％。數字相機、具有LCD顯示的手持攝像機（Camcorder）、袖珍播放機(Mini－DiscPlayers)、DVD播放機、HDTV、多媒體、多功能游戲機以及個人電腦等電子設備，更為片式電子元器件提供了十分廣闊的應用領域。SMT的普及和發展進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，日本國際貿易工業部（MITI）的統計數字表明：日本NTC熱敏電阻片式化率1995年為33��5％，到1997年就增加到42％，估計現在片式熱敏電阻的產量已經超過了分立式引腳熱敏電阻，特別是在TCXO和LCD等溫度補償應用領域具有絕對的優勢。  
  
　　為適應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償應用的主流產品，片式PTC熱敏電阻也將在過熱保護領域得到更廣泛的應用。多層片式熱敏電阻將進一步成熟，更小、性能更齊全的片式熱敏電阻將不斷涌現。高溫使用的片式熱敏電阻將會在汽車和加熱器等領域找到新的更大市場。未來片式熱敏電阻總的技術發展趨勢是：進一步提高測溫精度，改善互換性和可靠性，降低成本，在產品結構上進行優化設計以適應SMT工藝的要求。  
  
　　與國外片式熱敏電阻的飛速發展形成對照，盡管國內片式元器件工業已有十余年的歷史，但片式熱敏電阻的生產目前基本仍是空白，沒有引起傳感器工業界的足夠關注，對該產品工藝技術的研究也極少見到報道，傳感器工藝技術的落后和SMT發展緩慢是其中的主要原因。目前，國內市場需求的片式熱敏電阻幾乎完全依賴進口，阻值、B值精度在±3％以內的0805型和0603型熱敏電阻的國內市場價，1000只以上為（1��0～2.5）元/只，利潤空間很大。  
  
　　我們認為，國內熱敏電阻的生產已經具有一定的規模和技術開發能力，如果在現有的片式陶瓷電容的工藝基礎上進行改進，完全有可能實現片式熱敏電阻的批量生產。另外，利用現有軸向引線玻封熱敏電阻的生產技術，生產類似SHIBAURA公司的KG型產品，應該是一種投資較小且簡便可行的方案。規模經濟和集約化生產是片式熱敏電阻生產開發首先必須考慮的問題之一，國內片式熱敏電阻投資廠家應該總結片式阻容元件設備引進、生產開發所經歷的教訓，在經濟規模、產品檔次、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走向健康發展之路。
  
5結束語  
  
　　（1）為適應電子整機不斷小型化、輕量化、薄型化和多功能化以及生產過程自動化的需求，片式熱敏電阻的需求急劇增加，應用范圍不斷擴大。片式化熱敏電阻有可能成為熱敏電阻的主流產品。  
  
　　（2）片式熱敏電阻將進一步提高精度，改善互換性和可靠性，降低成本，在產品結構上進行優化設計以適應SMT工藝的要求。  
  
　　（3）國內傳感器工業界應該對熱敏電阻片式化的趨勢給予足夠關注，在現有片式元器件生產工藝基礎上，結合國內熱敏電阻的生產特點，充分發揮自身的技術開發能力，開發出高起點的產品，以滿足迅速發展的國內電子信息產業的需求。