压敏电阻器与气体放电管配合使用的主要特性探析


片式电阻器亦称表面贴装电阻器,它与其它片式元器件(SMCSMD)一样,是适用于表面贴装技术(SMT)的新一代无引线或短引线微型电子元件。其引出端的焊接面在同一平面上。 

片式压敏电阻(VARISTOR)是压敏电阻器的一种,它是用氧化锌非线性电阻元件作为核心而制成的电冲击保护器件。氧化锌非线性电阻元件是以氧化锌(ZnO)为主体材料,添加多种其他微量元素,用陶瓷工艺制成的化合物半导体元件。它的基本特性是电流一电压关系的非线性。当加在它两端的电压低于某个阀电压,即“压敏电压”时,它的电阻值极大,为兆欧级;而当加在它两端的电压超过压敏电压后,电阻值随电压的增高急速下降,可小到欧姆级、毫欧姆级。压敏电阻器与普通电阻器不同,普通电阻器遵守欧姆定律,而片式压敏电阻器的电压与电流则呈特殊的非线性关系。当片式压敏电阻器两端所加电压低于标称额定电压值时,其电阻值接近无穷大,内部几乎无电流流过。当片式压敏电阻器两端电压略高于标称额定电压时,它将被迅速击穿导通,并由高阻状态变为低阻状态,工作电流也急剧增大。当其两端电压低于标称额定电压时,片式压敏电阻器又能恢复为高阻状态。当压敏电阻器两端电压超过其最大限制电压时,压敏电阻器将完全击穿损坏,无法再自行恢复。一般而言,片式压敏电阻器的制作工艺流程如下:叠层,切割,排胶,烧结,倒角,涂敷,端电极,电镀。 

片式压敏电阻器广泛地应用在家用电器及其它电子产品中,起过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等作用。 

片式压敏电阻器的主要参数有:标称电压、电压比、最大控制电压、残压比、通流容量、漏电流、电压温度系数、电流温度系数、电压非线性系数、绝缘电阻、静态电容等。 

(1) 压敏电压(VARISTOR VOLTAGE)  

MYG05K规定通过的电流为0.1mAMYG07KMYG10KMYG14KMYG20K标称电压是指通过1mA直流电流时,压敏电阻器两端的电压值。 

所谓压敏电压,即击穿电压或阈值电压。指在规定电流下的电压值,大多数情况下用1mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值,其产品的压敏电压范围可以从10-9000V不等。可根据具体需要正确选用。一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC,式中,Vp为电路额定电压的峰值。VAC为额定交流电压的有效值。ZnO压敏电阻的电压值选择是至关重要的,它关系到保护效果与使用寿命。如一台用电器的额定电源电压为220V,则压敏电阻电压值V1mA=1.5Vp=1.5×1.414×220V=476VV1mA=2.2VAC=2.2×220V=484V,因此压敏电阻的击穿电压可选在470-480V之间。  

(2) 最大允许电压(最大限制电压MAXIMUM ALLOWABLE VOLTAGE) 

此电压分交流和直流两种情况,如为交流,则指的是该压敏电阻所允许加的交流电压的有效值,以ACrms表示,所以在该交流电压有效值作用下应该选用具有该最大允许电压的压敏电阻,实际上V1mAACrms间彼此是相互关联的,知道了前者也就知道了后者,不过ACrms对使用者更直接,使用者可根据电路工作电压,可以直接按ACrms来选取合适的压敏电阻。在交流回路中,应当有:min(U1mA) (2.2~2.5)Uac,式中Uac为回路中的交流工作电压的有效值。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时,有适当的安全裕度。对直流而言在直流回路中,应当有:min(U1mA) (1.6~2)Udc,式中Udc为回路中的直流额定工作电压。在信号回路中时,应当有:min(U1mA)(1.2~1.5)Umax,式中Umax为信号回路的峰值电压。压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定。一般而言,压敏电阻的通流容量要大于等于防雷电路设计的通流容量。 

(3) 通流容量( Imax(8/20us)) 

通流容量也称通流量,是指在规定的条件(以规定的时间间隔和次数,施加标准的冲击电流)下,允许通过压敏电阻器上的最大脉冲(峰值)电流值。一般过压是一个或一系列的脉冲波。实验压敏电阻所用的冲击波有两种,一种是为8/20μs波,即通常所说的波头为8μs波尾时间为20μs的脉冲波,另外一种为2ms的方波。 

所谓通流容量,即最大脉冲电流的峰值是环境温度为25℃情况下,对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言,压敏电压的变化不超过±10%时的最大脉冲电流值。为了延长器件的使用寿命,ZnO压敏电阻所吸收的浪涌电流幅值应小于手册中给出的产品最大通流量。然而从保护效果出发,要求所选用的通流量大一些好。在许多情况下,实际发生的通流量是很难精确计算的,则选用2-20kA的产品。如手头产品的通流量不能满足使用要求时,可将几只单个的压敏电阻并联使用,并联后的压敏电压不变,其通流量为各单只压敏电阻数值之和。要求并联的压敏电阻伏安特性尽量相同,否则易引起分流不均匀而损坏压敏电阻。  

(4) 最大限制电压(CLAMPING VOLTAGE (MAX.))  

最大限制电压是指压敏电阻器两端所能承受的最高电压值,它表示在规定的冲击电流Ip通过压敏电阻器两端所产生的电压此电压又称为残压,所以选用的压敏电阻的残压一定要小于被保护物的耐压水平Vo,否则便达不到可靠的保护目的,通常冲击电流Ip值较大,例如2.5A或者10A,因而压敏电阻对应的最大限制电压Vc相当大,例如MYG7K471Vc=775Ip=10A时)。 

(5) 最大能量(能量耐量)  

压敏电阻所吸收的能量通常按下式计算W=kIVT(J) 

其中I——流过压敏电阻的峰值; 

V——在电流I流过压敏电阻时压敏电阻两端的电压; 

T——电流持续时间; 

k——电流I的波形系数。 

对: 

2ms的方波  k=1, 

8/20μs波  k=1.4, 

10/1000μs  k=1.4。 

压敏电阻对2ms方波,吸收能量可达330J每平方厘米;对8/20μs波,电流密度可达2000A每立方厘米,这表明他的通流能力及能量耐量都是很大的。 

一般来说压敏电阻的片径越大,它的能量耐量越大,耐冲击电流也越大,选用压敏电阻时还应当考虑经常遇到能量较小、但出现频率次数较高的过电压,如几十秒、一两分钟出现一次或多次的过电压,这时就应该考虑压敏电阻所能吸收的平均功率。 

(6) 电压比:电压比是指压敏电阻器的电流为1mA时产生的电压值与压敏电阻器的电流为0.1mA时产生的电压值之比。 

(7) 额定功率 

在规定的环境温度下所能消耗的最大功率。 

(8) 最大峰值电流( SURGE CURRENT (8/20μs) ) 

一次以8/20μs标准波形的电流作一次冲击的最大电流值,此时压敏电压变化率仍在±10%以内。2次以8/20μs标准波形的电流作两次冲击的最大电流值,两次冲击时间间隔为5分钟,此时压敏电压变化率仍在±10%以内。 

(9) 残压比 

流过压敏电阻器的电流为某一值时,在它两端所产生的电压称为这一电流值的残压。残压比则为残压与标称电压之比。 

(10)漏电流 

漏电流又称等待电流,是指压敏电阻器在规定的温度和最大直流电压下,流过压敏电阻器的电流。

(11) 电压温度系数 

电压温度系数是指在规定的温度范围(温度为20~70℃)内,压敏电阻器标称电压的变化率,即在通过压敏电阻器的电流保持恒定时,温度改变1℃时压敏电阻两端的相对变化。 

(12) 电流温度系数 

电流温度系数是指在压敏电阻器的两端电压保持恒定时,温度改变1℃时,流过压敏电阻器电流的相对变化。  

(13) 电压非线性系数 

电压非线性系数是指压敏电阻器在给定的外加电压作用下,其静态电阻值与动态电阻值之比。 

(14) 绝缘电阻 

绝缘电阻是指压敏电阻器的引出线(引脚)与电阻体绝缘表面之间的电阻值。 

(15) 静态电容 

静态电容是指压敏电阻器本身固有的电容容量。 

压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量,但不能承受毫安级以上的持续电流,在用作过压保护时必须考虑到这一点。压敏电阻的选用,一般选择标称压敏电压V1mA和通流容量两个参数。 

2  片式压敏电阻的应用行业 

压敏电阻主要是用来保护那些易受静电和高压等破坏环境的一种电阻,在一些集成化较高,应用功能复杂的环境中应用较多,其中片式压敏电阻体积小,适应于高度集成化的电子环境。据了解,手持式电子产品的广泛应用,使得手机、手提电脑、PDA、数码相机和医疗仪器等产品对电路系统的速度和工作电压提出更为严格的要求。片式压敏电阻虽因其响应速度快、无极性、成本低以及和SMT工艺兼容等优点而被推到了市场前沿。 

在手机中的应用中,由于增加了多种新功能,如彩屏、可拍照、MMS,手机中的IC集成度也越来越高,与此同时,半导体器件和IC的工作电压越来越低,当芯片变得越来越薄时,遭受过电压和静电放电(ESD)危害的几率大大增加了。由于过电压和静电放电对集成电路和半导体器件会造成损坏,因而需要大量的过电压保护元件来对昂贵的半导体器件提供保护。 

片式压敏电阻行情看好,但同时却面临了一个尴尬,片式压敏电阻由于价格坚挺,一般而言,同种类型的片式压敏电阻要比DIP型的价格高出3-5倍。以致扩大市场份额的过程中和贴片LED同显步履蹒跚。元件市场片式压敏电阻的实际情形是,供应市场不大,需求市场也不大。目前压敏电阻市场DIP直插产品是主流,SMT产品则是发展趋势。片式压敏电阻虽有更大的发展空间,但尚未找到合适的契机。目前,正规渠道的片式压敏电阻不少是来自台湾生产的,但现货市场却流通着不少非台湾产的不知名水货产品。由于水货的价格和正品相比有一倍之差,也有客户乐意买水货产品。 

3  片式压敏电阻的规模 

3.1 特色市场需求 

2008年来片式压敏电阻的潜在规模巨大,未来片式压敏电阻市场发展极其强劲,今后几年全球市场的年增长率将保持在15%,而销售额每年将增长11%。到2010年全球贴片式压敏电阻的年产量将达到400亿只。 

由于目前大部分片式压敏电阻都应用在手机中,因此有关专业人士做了一个估计,平均每部手机中要使用的片式压敏电阻为10-15个,当手机中功能不断增加,诸如集成数码相机功能后,每部手机中需要的压敏电阻数量更多。 以中国20081.6亿部手机的产量来估算,片式压敏电阻的每年消耗量就已经超过18亿只。而手机的发展可谓方兴未艾,随着新的客户群体的开发以及由于新功能增多带来的换机热潮的到来,中国手机市场的发展速度将继续高于全球的增长水平。由此可见,手机市场对压敏电阻的需求将稳步! 

2009年中国手机市场将迎来新的增长点,国家加大3G这块的投入,带动手机销量会更上一个新的台阶,据有关数据调研机构预测2009年手机年增长率达到7.7%,约2.4000万只的规模,片式压敏电阻的年消耗量预计会超过超过50亿只! 

3.2 片式电阻的发展状况 

2008年全球主要应用整机产量:PC3022亿台,同比增长3%,移动电话1.6亿台,同比下降1.5%。受全球金融危机的影响,近两年整机的发展速度会有所放缓,但从整机的发展趋势看,片式电阻的发展空间是很大的。专家预测,在品种分配上,0603型所占比例将会保持不变,约占40-50%0805型将会以20%的速度递减;0402型将会以20-25%的速度递增。 

因为竞争激烈和制作成本的降低,全球各整机及元器件的生产商们纷纷将自己的部分生产任务转移到海外的生产基地,尤其是中国大陆的生产基地,而只在本地生产高附加值的高档产品。可以说我国内地片式电阻器的市场竞争将会更加激烈和残酷。 

目前,在全球片式电阻的总销售量中,日本占30%~40%,台湾占50%左右。台湾国巨(yageo)公司已成为世界上片式电阻的第一大生产商,近年来国巨在中国大陆市场继续扩大,芯片电阻市场第一,为39%MLCC市场份额为13%0201芯片电阻,芯片排阻和高容MLCC也是成功应用手机、MP3/MP4、智能手机,2000年生产片式电阻100亿只/月,2003年年底的生产能力达到300亿只/月,发展速度极其惊人。据依莱达咨询估计,2008年全球片式电阻的总生产能力达到27000亿只。 

中国片式电阻产业在1995年以后得到了超高速发展。一方面内资企业如风华高科、北海银河、振华科技等企业迅速发展壮大;另一方面,大量的国际电阻厂商纷纷将生产基地向大陆转移,在内资和外资的共同推动下,中国片式电阻的产量从1995年的18.8亿只激增至2000年的838亿只,5年间平均发展速度超过100%2001年达到925亿只,2002年达到1110亿只,2004年达到2180亿只, 2006年可达到6000亿只,预计2009年可达到9000亿只2006年中国片式电阻生产能力超过6000亿只,占同期全球片式电阻总生产能力的54.44%,中国已经成为全球片式电阻生产大国。(数据来源:依莱达咨询) 

目前,中国片式电阻制造商基本上是内资、台资和日系企业三分天下,厂商布局主要分布于华东和华南地区。日本的KOA和京瓷、韩国的三星以及台湾地区的国巨、旺荃、厚声等在华南和华东地区建立了大量的生产厂,本地化的制造压缩了本土厂商原有的优势,对大陆企业的威胁日益增强。 

4  竞争状况 

中国片式电阻产业在1995年以后得到了超高速发展。一方面内资企业如风华高科、北海银河、振华科技等企业迅速发展壮大;另一方面,大量的国际电阻厂商纷纷将生产基地向大陆转移,目前,中国片式电阻制造商基本上是内资、台资和日系企业三分天下,厂商布局主要分布于华东和华南地区。日本的KOA和京瓷、韩国的三星以及台湾地区的国巨、旺荃、厚声等在华南和华东地区建立了大量的生产厂,目前,这些厂家大部分都有片式压敏电阻的生产能力。 

片式压敏电阻,目前已经开始生产片式压敏电阻的企业主要是日本的TDK及台湾的一些企业,大陆本土的主要是常州星翰科技,这是国家863计划重点项目,计划在今年形成1.9亿片的生产能力,产值可达1000万美元,并最终能够为OEM厂家、分销商和电子制造企业每年提供12亿片0402型片式压敏电阻。此外,广东风华高新科技股份有限公司、南阳金冠集团有限责任公司等也是片式压敏电阻的生产企业。 

5  国家规划及整体趋势 

5.1 世界市场需求分析 

按照我国电子元件15个大类产品统计,2005年世界电子元件市场销售额将达到2200亿美元,预计2010年世界电子元件市场将达到3614亿美元,产品产量将达到38400亿只。国际市场,据日本电子工业振兴会对世界电子信息产业发展预测,2010年世界电子信息制造业市场将达19055亿美元,其中,电子元件市场将达2800亿美元,占14.7%2005年至2010年年均增长5.4%。另据报道,全球片式元器件产量将从200515000亿只,增至201025000亿只,年均增长13%。国内市场,据市场咨询和顾问机构IDC预测,中国IT市场从2003年至2008年,将以15.6%年复合增长率保持快速增长,市场前景良好。据SMT预测,2010年中国电子产品市场7200亿美元,按照我国电子信息制造业2005年将实现销售收入31100亿元(比“九五”期末翻两番)计算,2010年我国电子信息产业将可实现销售收入60000-64000亿元(比“十五”期末再翻一番),为电子元件提供了巨大的国内市场。在全球化的浪潮中,企业兼并重组,产业梯次转移,特别是世界电子元件产业规模不断扩大,生产集中度不断提高,新材料、新工艺、新设备大量涌现,电子元件的技术又有了新的进展,主要表现在:片式化、小型化已成为衡量电子元件技术发展水平的重要标志之一,世界各国包括亚太地区、印度等发展中国家和地区,各类电子元件均已有相应的片式化产品。其中,片式电容、片式电阻、片式电感三大无源元件,约占全球片式元件总产量的85%-90%。电子元件片式化的同时,小型化也在迅速发展,不仅传统元件在迅速小型化,片式元件也在迅速小型化。以MLCC为例,1980年主流产品型式为321632×1.6×12mm),2002年为1005(1.0×0.5×0.5mm)20050603(0.6×0.3×0.3mm)已成为主流产品型式,产品的体积已经缩小到1980年时的1%。复合化、集成化随着电子设备的轻薄小型化的进程加快,电子元件复合化和集成化的步伐也在加快,片式电阻网络技术早已成熟,10054连的片式电阻网络应用急速增长,片式MLCC网络16084连、10052连产品已批量生产。由于LTCC工艺技术的迅猛发展,片式集成无源元件(IPD)已在手机、局域网、蓝牙等领域获得应用。预计2005年,12%手机中的无源元件将被IPD取代。高性能化、高频化电子设备的微波波段已成为重要的发展趋势,要求电子元件的使用频段向更高的方向发展。电容器主要是降低ESR(等效串联电阻)和ESL(等效串联电感),如3212型三端电容器(2200pf),ESL=0.03nHESR=32mQ,分别为常规产品的1/121/8,片式电感器的使用频率已达到12GHz,射频同轴连接器的工作频率已达110GHz。高工作温度的需求在地质勘探、汽车电子和航空航天领域日益高涨,-55~+150℃和-55~+300℃的陶瓷电容器,-55~+175℃和-55~+300℃的有机薄膜电容器,1502000H高温的铝电解电容器已经面世,500~1100℃的高温热敏电阻已在汽车电子中获得应用。 

5.2 国内市场需求分析 

“十一五”期间,随着世界电子信息产品制造业将加快向中国转移,我国电子信息产品制造业的规模将进一步扩大,从而将进一步拉动电子材料和元器件市场的迅速扩大。市场规模将由20051.15万亿元增长到2010年的3.1万亿元,其中,2010年电子元件市场将达到2万亿元,电子器件将达9000亿元,电子材料将达到2000亿元。 

1列出主要元器件和材料产品国内外销售收入和市场的预测。 

5.3 产业发展面临的环境 

未来几年,随着下一代互联网、新一代移动通信、数字电视的逐步推进,电子整机产业的升级换代将为电子元器件产业的发展带来大量的市场机遇,并带动相关电子材料产业的快速发展。 

随着综合国力的提高,投入能力不断提升,国家和企业重视程度不断加深。国家科技中长期规划、国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要以及信息产业“十一五”规划中重大专项实施,TFT-LCDLED等产业的专项扶持政策落实,国家电子信息产业园建设工作不断深入,将为电子基础产品产业的健康发展创造更为有利的宏观环境。 

未来几年,电子整机产品的更新换代,对电子材料和元器件产业的发展提出了更高的要求。新技术、新产品的开发和产业化所需的技术和资金门槛越来越高,投资风险增大,产品更新换代速度进一步加快,电子信息产业链垂直整合和企业横向整合趋势将更加明显,产业集中度不断提高,国内企业面临严峻挑战。 

同时,跨国公司在加快低附加值产业对外转移的同时,牢牢控制着高端元器件和关键电子材料等产业链核心环节,关键技术受制于人的局面短期内将难以改变。 

5.4 “十一五”发展思路和目标 

5.4.1 发展思路 

“十一五”期间,继续巩固我国在传统元器件和部分电子材料领域的优势,进一步推进产品结构调整和技术升级。坚持跟踪与突破相结合、引进与创新相结合,有所为有所不为,集中力量,重点突破量大面广新型元器件、新型显示器件、关键电子材料,形成一批拥有自主知识产权和国际竞争力的优势企业。 

新型元器件产业:以片式化、微型化、集成化、高性能化、无害化为目标,突破关键技术,调整产品结构;促进产业链上下游互动发展,着力培育骨干企业,推动产业结构升级。 

新型显示器件产业:面向数字化、高清晰化、平板化需求,优先发展TFT-LCDPDP,促进产业链垂直整合,扩大产业规模,培育自主创新能力;重点支持新一代平板显示器件和投影器件的工艺和生产技术开发,力争实现产业化;加快传统彩管产业战略转型,积极发展高清晰度、短管颈等高端产品。 

电子材料产业:加强国际合作,推动产用结合,突破部分关键技术,缩小电子材料与国外先进水平的差距。重点发展技术含量高、市场前景好的电子信息材料,提高国内自主配套能力;注重环保型电子材料的开发。 

5.4.2 发展目标 

2010年,我国电子元器件总产量达到1.8万亿只,电子材料和元器件销售收入力争达到2.5万亿元,工业增加值达到6000亿元,出口创汇600亿美元。培育2-3家销售收入超过500亿元,10家以上销售收入100亿元的电子元器件企业。新型元器件产业:到2010年,销售收入1.8万亿元,阻容感片式化率达到90%。电子元器件国际市场占有率达到30%,国内市场占有率达到50%。电子元件百强企业的销售收入占元件全行业的40%以上。新型显示器件产业:到2010年,建立较为完备的新型显示器件生产体系,产业链基本齐全,新型显示器件产业达到规模2500亿元,有较强的国际竞争力。建立以企业为主体,产学研相结合的创新体系,形成可持续发展能力。逐步提高国产化水平,实现中、高档产品满足国内市场需求的50%以上,中、低档产品基本满足国内市场的需求。 

电子材料产业:“十一五”期间,我国电子材料产业规模力争达到1000亿元,国内平均自我配套能力在30%以上,培育若干名牌产品和重点企业,主要电子信息材料的技术水平和产品性能与当时的国际水平相当。并形成相应的产业规模。http://www.yamindianzu.com



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