PTC加热元件的可靠性

2016-02-19 16:05阅读：

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PTC加热元件的可靠性
朱小荣2016/02/19
东莞市天成热敏电阻有限公司

一． PTC加热元件元件的特点。
PTC是正温度系数电阻（Positive Temperature Coefficient）的缩写。PTC加热元件，是一类以钛酸钡（Ba TiO3）钛酸锶（SrTiO3），钛酸铅（PbTiO3）为基本组成的半导体陶瓷。这种陶瓷在较低温度时，是处于低电阻；但当温度在某一温度（称为居里温度Tc）以上时，其自身电阻急剧上升3~8个数量级（10³~10⁸倍），电阻体具有较大的正温度系数。
1. R-T特性。
R-T特性即是PTC的电阻与温度的关系。PTC

陶瓷体的电阻与其自身的温度有关。在温度低于T_min时，电阻随温度的上升与下降，呈现负的温度系数。如R-T曲线中的Ａ段。若温度在T_min与T_max之间陶瓷体的电阻随温度上升而急剧增大，呈现正的温度系数，如曲线中的Ｂ段，具有应用价值的也就是这一段。当温度高于Ｔ_max后，陶瓷体的电阻又随温度上升而下降。

R _max与R _min之比值为PTC效应，通常希望PTC效应越大越好。与R _min的两倍对应的温度被定义为材料的居里温度（或居里点）。R₂₅指的是PTC在 25℃的常温下的电阻值。
PTC效应随PTC材料的温度上升而下降。
2. I—t特性。

图3是流过PTC陶瓷体的电流与通电时间的变化关系示意图。当给 PTC陶瓷加上一个额定电压后，流经陶瓷体的电流将随时间延长而变化。在加上电压后的短时间（0.5~30秒）内，电流达到最大电流Ｉ_max（一般称为“冲击电流”，英文Inrush current），随后，电流逐渐下降，最后降至Ｉ∞而稳定下来。
二、 PTC材料的生产工艺
所用的原料有BaCO3, SrCO3, Pb3O4, TiO2, Nb2O5, MnCO3 ,SiO2等粉体，经过配料、球磨、固相合成、二次球磨、成形、烧结、研磨、上电极层等，制成PTC发热陶瓷体。
三、PTC 陶瓷的内部结构及电极层。
1. PTC的内部结构。
PTC的内部结构如图１所示，PTC材料是一种多晶体陶瓷，由晶粒、气孔及晶界组成。晶粒的尺寸大概在2~10μm之间。晶界层是一层复杂的结构层，其电阻是晶粒的几倍到几十倍。

2．电极的形成。
PTC元件的两个面，需要镀覆导电的电极层。电极层的制造方法有：化学镀镍，溅射、熔喷或印刷-烧渗及各种活性金属层，如铝、铝锌合金、锡锌合金、铜、黄铜、镍、镍铬合金、银锌合金等。还可以根据需要，在活性金属层表面再覆盖银层。

二、 PTC的耐电压。
一般来说，PTC的耐电压是指PTC能承受的最高电压，超过这个电压，PTC就会击穿。PTC的耐电压，标识为V_B。同一批PTC，耐电压有分散性。
1. 耐电压与PTC效应的关系。
PTC在施加电压时，自身发热，而且施加的电压越高，发热温度越高。当电压很高时，发热温度超过T_max，这时PTC不在具有自控温特性，最终出现热击穿。
在同等常温电阻值的情况下，PTC效应越大，R_max越大，在高电压下，PTC的发热功率越小， PTC不容易过热击穿。
但是一般测试R-T曲线以及PTC效应，是在非常低的电压测得，要测试较高电压下的R-T曲线则很难实现。因为PTC的电阻值具有电压效应，即在测试PTC的电阻值时，测试电压越高，测出的电阻越小。所以在低电压下测得的PTC效应，要比高低压下测得的小得多。在低电压下测得的PTC效应不能用来衡量PTC耐电压的高低，即PTC效应大的，不代表其耐电压高。

2. 耐电压与居里温度的关系。
从图2可知，PTC效应随PTC材料的温度上升而下降；PTC的耐电压也随温度上升而下降。要是PTC具有更高的耐电压，可适当降低PTC的居里温度。但是居里温度越低，PTC的稳定功率越小，在有需要大功率的场合下，需要更大的体积。还有一些场合是需要PTC能达到较高温度。所以要平衡好居里温度、耐压、功率、体积的关系。
表1。不同居里温度的PTC加热片，熔喷铝电极层，最小电阻R_min基本相同（300Ω左右），耐电压试验700V/3分钟后的电阻变化率。PTC发热片的居里温度越高，耐电压试验后的电阻下降越多。

PTC加热片Tc	100℃	170℃	200℃	230℃	255℃	290
700V耐压后电阻变化	-8%	-12%	-13%	-20%	-29%	击穿
耐受电压	800V以上	800V以上	800V以上	800V	750V	650V

3. 耐电压与电阻的关系。
PTC的电阻越大，R-T曲线上的R_max越大，PTC能承受的电压越高，耐压越高。但是电阻越大，PTC的冲击电流越小，冲击功率越低，升温变慢，而且稳定功率可能变小。一般选择电阻是，考虑PTC的冲击功率为稳定功率的1.1~3倍，根据实际需要确定。
此外PTC的电阻值会随施加的高电压，以及施加电压的延长而变小。在高电压下电阻值下降比较多的PTC，耐电压会明显降低。
表2。Tc260℃的PTC加热片的常温电阻与耐电压的关系。

常温电阻	500Ω	1000Ω	2000Ω	4000Ω
耐受电压	550V	650V	780V	900V

表3。PTC加热片（Tc255℃）耐压测试的试验电压与耐压试验后的电阻变化。

试验电压	360V	500V	600V	700V	750V
电阻变化	-17%	-20%	-24%	-29%	-38%

4. 耐压与厚度的关系。
PTC的厚度越厚，耐压越高。适当的增加厚度，可以提高PTC的耐压。一般厚度增加到2倍，耐电增加到1.6倍。但是增加厚度会使传热变差，稳定功率下降，对需要高功率的场合不利。
5. 耐压与晶粒结构的关系。
PTC的晶粒大小，对耐压的影响很大。晶粒尺寸在4~8μm之间，而且大小均匀，则PTC的耐电压比较好。如果晶粒尺寸过大，每个晶界上所承受的电压增加；晶粒不均匀，使内部晶界的电压分布不均匀。两者都会使耐电压明显下降。
6 耐压与电极材料的关系。
PTC表面电极涂层，也对耐压产生影响。PTC陶瓷体内部存在裂缝、气孔、缺口等缺陷，当施加电压时，电极材料会穿透到缺陷的内部，引起PTC的电阻值下降，或造成尖端放电。有些电极材料（镀镍、烧银等）的穿透性比较强，使PTC的耐电压下降。
7. 耐压与环境温度的关系。
环境温度越高，PTC的散热越慢，PTC容易过热，甚至超过T_max，引起击穿。相反，在环境温度较低的情况下，PTC散热快，耐电压会提高。
8. 耐压与散热的关系。
散热加快，PTC在高电压下产生的热量容易被带走，PTC不容易升温，不容易超过T_max。所以散热越快，PTC的耐压就越高。一般来说，PTC在有吹风，或者有浸水散热的情况下，耐电压明显提高。
表4。不同散热方式，对PTC加热片耐电压的影响。

散热方式	敞开在大气，弹簧夹紧	上下面增加粘接铝片	上下面粘接1mm纤维保温层	敞开在大气，弹簧夹紧，吹风
500V/3分钟后电阻变化率	-22%	-28%	-48%	-10%
耐电压	800V	850V	600V	900V

9. 耐压与环境气氛的关系。
在高温下（施加高电压引起的高温或高温烘烤），PTC表面的电极层，会渗入PTC陶瓷体内部，使PTC的电阻下降。在氧化气氛中，电阻下降比较小；而在还原气氛中，或在密闭环境中，电阻下降较多。所以在还原气氛，或者密闭环境中，与敞开的环境中对比，PTC的耐电压明显下降，有时耐电压可能会下降到一半以下。
10. 耐压与陶瓷体内部缺陷的关系。
PTC的内部存在裂缝、气孔、缺口、电阻分布不均、熔点、黄点等缺陷。在高温和电场的作用下，会造成电极材料在陶瓷体表面渗入，使电阻下降，耐压下降；陶瓷体内部电场分布不均，发热分布不均，造成开裂、分层；陶瓷体内部部分区域电场集中，造成这部分区域预先击穿。有时，由于工艺控制不当，元件边缘的PTC效应小于中部或电阻值小于中部，边缘部分的V_B较低，会使边缘部分预先击穿。
二、 PTC的性能老化。
在使用过程中，PTC加热元件的电阻、冲击电流、加热功率、表面温度等性能都会随时间而变化，称为性能老化。老化性能对PTC的使用可靠性影响很大，大功率PTC加热器如果老化性能不良，功率下降明显，使用PTC就不能达到长寿命的效果，甚至不如传统的电热丝加热器。表面恒温加热用途的PTC元件，如果长期使用后，电阻明显增加，升温速度下降，恒温表面温度下降，甚至因为电阻太大而无法升温。
一般采用连续通电1000小时，测量通电前、后的电阻变化率，以及功率变化率。在PTC的电阻变化不是很大的情况下，功率变化不大；但是当PTC的电阻值变到比较大时，功率会明显下降。
PTC电阻值的通电时间变化规律，一般是开始通电后的短时间内，电阻值变小；约在通电10天以后电阻值变大，逐渐超过初始值。
居里温度Tc 在200℃以下的PTC加热片，在裸露空气中连续通电1000小时的电阻变化绝对值，要求≤15%才是较优质；Tc 在240~260℃的PTC加热片，要求电阻变化≤30%。图7是天成生产的PTC，Tc 260℃发热片，通电老化1000hr的电阻变化数据曲线。

PTC电阻值老化的机理，目前尚没有统一的认识。我这里提出一种老化机理，供同行讨论。开始通电的短时间内，电极材料渗入PTC陶瓷体内，渗入深度随PTC的温度升高而加深。渗入的电极材料，在时间比较短时，是以金属原子状态存在于陶瓷体内，所以是导电的，引起PTC的电阻值减小；当通电时间延长，渗入的电极材料转化为离子状态，而且逐渐氧化，导电性逐渐丧失，引起PTC的电阻值增加。
也有人把PTC陶瓷体通电的电阻变大归结于陶瓷体内部晶界的氧化。也有人认为电阻老化与铁电性衰减有关。但是这些解释不能说明，在短期通电期间的电阻值较小。
1. 通电电压的影响。通电电压越高，PTC的发热温度也越高，短期通电后的电阻值下降较明显；变化越大。
2. 环境气氛的影响。在大气环境中氧气充足，通电时渗入陶瓷体表面层的金属层容易氧化，开始通电的短时间内的电阻值下降较小；长期通电后的电阻值明显变大。可在密闭环境中氧气不足，通电时渗入陶瓷体表面层的金属层不易氧化，开始通电的短时间内的电阻值明显下降；长期通电后的电阻值变化不大。
3. 电极材料的影响。不同的电极材料，渗入陶瓷体内时，对PTC的电阻值影响差别很大。铝离子渗入PTC陶瓷体中并氧化后，对PTC的电阻值影响较小，所以涂覆铝电极的PTC长期通电后电阻增加不多。但是有些材料（如镍、银）渗入PTC陶瓷体并氧化后，会明显增加PTC的电阻值，所以涂覆镍、银等电极的PTC长期通电后电阻增加明显。试验表明，PTC陶瓷体表面喷涂一层铝时，1000小时通电的电阻值变化率为+20%左右；而在喷涂铝表面再印刷一层银，电阻值变化率为+80%左右。
表面有电极层的PTC元件，在通电老化后，PTC的电阻值增加了。将电极层完全磨去，重新上新的电极层，电阻值与未磨去电极层的基本一样，比未通电老化的电阻值要大。所以说，通电老化后，是陶瓷体（特别是表面层）的电阻值增加了；而不是电极层的接触电阻的增加。
裸露在大气中的PTC加热元件，长期通电后，电极层受大气中氧气、水分等影响，表面可能会氧化、松脱，造成PTC元件的电阻值增加或完全不能通电。
图8是同一批号天成生产的PTC陶瓷体，采用不同电极层的PTC发热片，通电老化的电阻变化曲线。

表5。不同电极材料，通电1000hr的电阻变化率。

电极材料	喷铝丝	喷铝浆+印银	印铝浆+印银	溅射镍+铬+银	喷不锈钢+印银	喷铜丝+印银	喷铝丝+印银	镀镍+印银
电阻变化	21%	21%	47%	53%	70%	78%	83%	90%

4. 居里温度的影响。PTC的居里温度越高，通电时PTC内部的温度越高，长期通电的电阻值增加越多。
居里温度较低的PTC，在比居里温度高100℃以上的温度下长期烘烤（不通电），PTC的电阻值会明显增加；若烘烤温度与PTC的居里温度接近或更低，电阻值增加不明显。
表6。不同居里温度的PTC加热片（喷铝电极层）做成绝缘型以及带电型的波纹空气加热器，通电1000hr并加吹风老化的电阻变化率对比。带电波纹加热器的PTC加热片，有部分裸露在空气中，比绝缘波纹加热器电阻变化更大。

居里温度	绝缘波纹加热器，TC260℃	绝缘波纹加热器，Tc200℃	带电波纹加热器，Tc260℃	带电波纹加热器，Tc200℃
电阻变化	10%	2%	13%	7%

图9是不同居里温度（Tc120℃，Tc200℃，Tc270℃，）的PTC加热片，电极层为喷铝电极，安装在有开口的不锈钢管中烘烤不同温度，烘烤时间24小时，电阻值变化率随烘烤温度的变化关系数据曲线。
图10是Tc260℃的PTC加热片，在烘箱中的烘烤不同温度，电阻值随时间的变化。
图11是Tc80℃的PTC加热片，在烘箱中的烘烤不同温度，电阻值随时间的变化。
居里温度较低的PTC加热器，不宜放置在温度较高的位置，否则会引起电阻的大幅减少。

5. 打耐压的影响。PTC未打耐压前，电阻值为R0；在打耐压后，电阻值为R1，电阻值一般要减小，即R1＜R0， R1：R0 = 0.5~0.9，施加电压越高，则比值越小；长期通电后，电阻值增加到R2。如果以R0为基准计算电阻值变化率为（R2- R 0）/R0，以R1为基准计算电阻值变化率为（R2- R1）/R1，两者的数值是不同的。根据我们的试验数据，一般是（R2- R1）/R1＞（R2- R 0）/R0。
图12是同一批PTC发热片（喷铝电极），采用不同的耐压测试方法后，再通电1000hr的电阻变化数据曲线。测试电压越高，耐压后的电阻下降越多（450V耐压后电阻下降20%，700V耐压后电阻下降35%）。后续通电的电阻回升，测试耐电压越高，电阻回升（上升）越多。

6. 陶瓷体内部结构的影响。PTC陶瓷体表面和内部疏松多孔，电极材料渗入也就更容易，在大气环境中就更容易氧化，所以电阻老化率就更大。
不同厂家生产的PTC陶瓷体，配方与工艺相差可能较大，通电老化后的电阻变化率相差很大。图13是国内三家PTC厂生产的PTC陶瓷体，居里温度均为260℃，试验时，采用同样的熔喷铝电极层工艺，敞开在大气中通电1000hr的电阻-时间变化数据曲线。有的厂家生产的PTC陶瓷体，通电1000hr后的电阻变化率达到320%。图中还有存放、不通电的发热片对比数据。在不通电存放1000hr后，电阻变化率只有-2%（通电老化的电阻变化率为25%），说明常温下存放对PTC发热片的影响很小。

表7. 不同生产厂家PTC陶瓷体，通电1000hr电阻变化率

PTC生产厂	东莞天成	国内XH厂	国内PK厂	东莞天成不通电
电阻变化	25%	321%	125%	-2%

7. PTC组件结构的影响。将PTC陶瓷片安装到发热组件中，与未安装到发热组件比较，电阻老化率差别较大。一般来说，在组件中，PTC与外界的空气交换较少，氧化比较慢，所以电阻值在通电短期内明显下降；而在长期通电后，电阻值增加会比较少，甚至比通电前的初始电阻值小。
图14是不锈钢加热管干烧通电，以及浸入水中通电，两种老化方法通电1000hr，电阻变化数据曲线。PTC发热片采用喷铝电极，天成生产的PTC，装入不锈钢管内，管口留有小孔。开始通电后，电阻逐渐下降，然后再上升（回升），但是知道1000hr，电阻仍然小于起始电阻。与图7和图8对比，图14的电阻始终小于起始电阻。所以PTC发热片安装在不同

8. 散热条件的影响。散热越快，则PTC在通电时的温度越低，短期通电的电阻下降越少；长期通电的电阻增加的老化率越小。
9. PTC加热元件的冲击电流随通电时间的变化，与电阻值变化规律相反。即开始通电的短时间内，冲击电流变大，随后逐渐减小。
10. PTC加热元件的稳定功率随通电时间的变化，影响因素主要有两个：发热组件结构变化，以及PTC加热元件变化。
PTC发热组件由散热结构外壳与PTC加热元件组成。由于散热结构外壳与PTC加热元件的接触，会随通电时间延长而松动，传热性能变差，稳定功率会逐渐下降。若是散热结构外壳的影响，可以通过重新安装，使结构紧密，恢复传热性能，PTC发热组件的稳定功率会恢复。
如果PTC加热元件的冲击电流在合理的范围内，通电初始的冲击电流比稳定电流大2倍以上，PTC加热元件通电老化引起的电阻值增加率在50%以下，稳定功率变化非常小。但是，若PTC加热元件的电阻值增加太大，冲击电流下降太多，则会使稳定功率下降。选用电阻值变化率比较小的PTC加热元件，可使稳定功率的老化率变小。
11. 表面温度的变化规律。在开始通电的1天内，PTC加热元件的表面温度是稍有提高的；但是随着通电时间的延长，表面温度会稍微下降。一般来说，对于100~240V的交流电电源，老化性能优良的PTC元件，表面温度的老化基本不用考虑。仍而，对于低电压（3~6V）用途的PTC，若是冲击功率与稳定功率比较接近，冲击电流的一点点变化，就会使冲击功率下降，稳定功率下降，进而使表面温度下降。

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