华星电子带你了解压敏电阻在中国的重要技术进步

来源：陕西华星电子集团 | 发布时间：2017/12/2 9:30:36

        陕西华星电子认为，压敏电阻器是抑制浪涌过电压和分流浪涌电流的重要元件，它是保护各种电气和电子设备安全可靠运行的基础性元件，应用面广，使用量大。
        中国是全球压敏电阻器的生产大国，大量的生产实践滋养，加上中国人的勤奋，培育出了多项为国际同行认可的技术成果，极大地提升了中国在国际技术标准机构中的话语权，推动了全球浪涌过电压保护的技术进步和产业提高。这里叙述其中的五个项目。
        一、对压敏电阻器物理本质认识的深化-非线性电阻值的电流敏感性
        中文名称“压敏电阻器”的含义是“电阻值随电压而变，对电压敏感的电阻器”，对应的英文学名是“Voltage Dependent Resistor(VDR)”。国际标准IEC 61643-331对压敏电阻器的定义是这样的：“在一定温度下，其电导值随电压的增大而迅速增大的元件”。自从1968年日本松下公司把氧化锌压敏电阻推向市场以来，“VDR”这一物理概念已经深刻在全球工程师的脑海里。现在，我们提出，应把关于压敏电阻的物理概念修正为“压敏电阻器的电阻值（RV）是流过它的电流(IV)及其变化速度(dIV/dt)的函数, 用数学式可写为：RV=f (IV,dIV/dt)
        这就是说，将压敏电阻器的电阻值理解成“电流”敏感性电阻更正确。考虑到长期形成的习惯，我们不主张将名称改为“流敏电阻器”，只是提醒人们要以“电流敏感性（CDR）”的观点来思考有关技术问题。IEC-SC37B同意了我们对标准中关于压敏电阻器定义的处理意见：
        压敏电阻器是在一定温度下，其稳态电导值随电压迅速增大的元件。
        注：在一定温度下，压敏电阻器的动态电导值可以与电压成反方向变化（负增量电阻）。在脉冲过程中，在电压峰点与电流峰点之间的时间段内就可以看到这个现象，此外在8/20脉冲电流的前沿时间段内，当流过压敏电阻的电流密度很小时，也会出现这种现象。”
 
        从实验观测得到的图1和图2，就是对上面两种情况的直接说明。

        用电阻值的电流敏感性，可以合理地说明氧化性非线性电阻器的“峰值移位”现象和负增量电阻现象。
        40年前，美国GE公司就发表了压敏电阻器的8/20脉冲电流峰点，滞后于电压峰点的波形图，后人称之谓“压敏电阻的峰值移位”。本文图1表示了工频时的峰值移位现象，但是，至今还没有一个文献来说明它。有人试图以“电感效应”来解释，但这显然是说不通的，因为要在工频电路里产生这样大的相位移，电感量是mH级的，压敏电阻哪来这样大的电感？然而，从电阻值的电流敏感性出发，可以作如下合理的说明（略）。
        二、电阻方程和伏安特性方程组
        2.1、从VDR到CDR
      “压敏电阻器的电阻值是电流敏感性的”，这个新认识的一个重要成果，是在它指导下，建立了能在电流、电压变化几个数量级的范围内，表达电阻特性和伏安特性的数学方程，从而将压敏电阻器的工程计算，从定性估算提升到定量分析的阶段。

        有关压敏电阻器的工程分析计算，经常要在电流变动几个数量级的范围内进行，而压敏电阻器是一种陶瓷化合物半导体，支配其电阻值的物理机制相当复杂，设想用一个理论方程来说明电阻值的变化规律是不可能的，人们只能求助于实验数据的拟合方程。然而，在“VDR”的理论指导下，我们化了6年的时间没有找到合适的拟合方程，不过在此过程中，逐步意识到应当转向“CDR”理论，这一转向很快取得了成果。这一成果，“氧化锌非线性电阻的特性方程”首次发表在2012年第5期《电子元件与材料》期刊上，并在2013年韩国首尔举行的第八届亚太国际雷电大会上作了口头介绍。
为了便于说明VDR和CDR两种技术思想所导致的不同结果，表1给出了一个实例(略)。
        2.2、压敏电阻特性方程组（略）
        2.3 、确定方程式三个参数的方法步骤（略）
        三、测定脉冲寿命特性的技术依据和程序方法（略）
        安装在重要地点，重要设备，和人员难以到达部位的压敏电阻器，都要求达到规定的寿命，例如10年或20年等。
        压敏电阻器的工作寿命是从两个方面进行评价的：脉冲电流寿命和电压温度（U-T）寿命。前者以压敏电阻器能承受的“脉冲电流次数”来衡量，脉冲电流以峰值和等效方波宽度来表达；后者以在规定的最大连续工作电压，和规定的最严酷环境条件（温度、湿度等）下，失效前平均寿命时间（MTTF）”来表达。
        同一群产品中，每个个体在同样的应力下，其寿命长短往往有数倍的差异，那么，取其中哪个寿命数据来表征该群产品的寿命呢？(略)
        这里要特别强调的一点是，在对一群产品进行寿命评定时，通常是指该群产品已经通过了正确的可靠性筛选工序，已经剔除了那些隐含有异常制造缺陷，有可能在投入使用后早期失效的产品。
 
        3.2、脉冲寿命特性的weibull分布（略）
        同一批中每只产品的寿命次数差别很大。例如,从一批14D201中抽样15只，以IP=3400A, τ=20μs的电流冲击，间隔时间3min,得到的结果是最少40次，最多250次，相差6倍多。
        这样，我们至少面临两个问题：第一，用哪个次数来表征样本所代表产品的脉冲寿命？第二，能不能说，最小试验次数40次就是所代表产品的最小寿命？要回答这两个问题，必须知道样本试验寿命次数的统计分布函数。中国工程师在压敏电阻发明42年后，首先报道了ZnO压敏电阻的冲击电流寿命分布是 Weibull分布【“电子元件与材料”， 29，（10）：36-38（2010）】。
       下面用一个实例来说明什么是Weibull分布(略)。
        3.3、确定脉冲寿命特性的程序和方法

        四、测定电压温度应力下MTTF的技术依据和程序方法(略)
        压敏电阻器在“等待工作状态”下的工作寿命，以在规定的最大连续工作电压，和规定的最严酷环境条件（温度、湿度等）下，失效前平均寿命时间（MTTF）”来表达。要注意：
        MTTF有两种表示法，一种是：压敏电阻器工作或试验的“元件-小时”总数，除以该群产品在规定条件下，在某个测量间隔期中的总失效数，也就是说，每一个失效所对应的元件小时数。另一种表示法是规定元件小时数（通常为106元件-小时数）内的失效个数，两者互为倒数关系。这里采用后者。
        怎样通过试验来确定一群被评定产品的MTTF？回答这个问题需要说明以下三点：（略）。

        2009年，F.Greuter 在国际大电网会议技术报告TB.2.2中指出：“绝大多数当今开发的（压敏电阻）材料，其功耗是随时间下降的，而且，高试验温度下的下降量更多。这种稳定性好的材料所表现的特性，刚好与阿仑尼乌斯规律相反。”

        2015年由CIE-压敏电阻学部组织的7个企业，46个样本的试验，其中绝大多数样本在U-T应力下的老化特性，与上面F.Greuter 的报道相同。(略)
        既然现代压敏电阻器在U-T应力下的老化特性不符合阿仑尼乌斯速度方程，就不能进行阿仑尼乌斯的温度加速试验。这就提出了一个问题：“通过一个怎样的试验来确定它的MTTF?”，这是一个需要进一步研究的课题。考虑到失效率等级试验（GJB-2649,1996.  MIL-STD-690D）已用于很多电子元件，IEC-SC-37B中国专家组提出了下面5.2，5.3的方法，被IEC-SC37B工作会议（2016-9，日本神户）确认。
        五、TOV 耐受能力（略）
 
        结束语
        本文所述的5项技术成果，已经得到国际同行的认可，将进入压敏电阻新版（第2版）国际技术标准。这些技术成果，尽管提出时间不长，但已经解决了多项以往难以解决的技术课题。这些技术成果，将压敏电阻特性的表述和分析，从粗略定性阶段提高到准确定量阶段，在此基础上，一些生产企业开始建立自己的产品特性数据库，对外提供给使用方，对内服务于产品质量和性能的控制和提高，以及新产品的设计开发。这些技术成果，同样可以推广到电力避雷器阀片和压敏电阻型SPD.

        压敏电阻是一种量大面广的基础件，它的提高势必推动各种电器和电子信息技术产品，在复杂电磁环境下的工作可靠性。
        时间将证明，随着越来越多的工程技术人员熟悉和应用这些技术成果，它们对经济效益的贡献，将日趋明显。