工藝溫度對導(dǎo)電聚合物與金屬導(dǎo)體間接觸電阻的影響研究

文/徐楚楠，劉洪平，強晨晨，湯華軍，程浩然

（蕪湖佳宏新材料股份有限公司，安徽蕪湖 241000）

在自控溫伴熱帶等導(dǎo)電聚合物與金屬導(dǎo)體復(fù)合制品應(yīng)用領(lǐng)域，由于金屬導(dǎo)體電極與導(dǎo)電聚合物熱膨脹系數(shù)存在差異，界面間會產(chǎn)生接觸電阻，造成復(fù)合體系的電阻值大于聚合物半導(dǎo)體電阻值與金屬導(dǎo)體電阻值之和，形成高聚物基半導(dǎo)體材料與金屬導(dǎo)體復(fù)合應(yīng)用的情況。而導(dǎo)電聚合物與金屬導(dǎo)體間接觸電阻的存在會嚴(yán)重影響該類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品電阻、功率及產(chǎn)品壽命。如果接觸電阻過高，在通電使用過程中經(jīng)進一步吸濕或化學(xué)反應(yīng)，就會發(fā)生氣體小分子，引起界面火花，破壞高分子組成，進而引起發(fā)熱體電阻的變化，嚴(yán)重影響使用壽命。因此，如何減少直至消除接觸電阻成為值得研究和改善的課題。本文針對工藝溫度與高聚物導(dǎo)電材料的體積電阻率對接觸電阻的影響，開展相關(guān)研究，通過實驗對比總結(jié)出二者對接觸電阻的影響規(guī)律，并總結(jié)出有效減少接觸電阻的工藝方法。

1.實驗部分

1.1 原料及實驗設(shè)備

原料：（1）一種聚合物半導(dǎo)體材料：美國陶氏DFDA-7540NT線型低密度聚乙烯70phr；卡博特電炭黑XC-72；ZnO,山東興亞新材料股份有限公司；（2）金屬導(dǎo)體：鍍鎳銅絲。

實驗設(shè)備：密煉機，型號KCK-160，上海佰弘機械有限公司；平板硫化機，型號EK0.5，上海弈楷儀器有限公司；ST2258C型多功能數(shù)字式四探針測試儀，蘇州晶格電子有限公司；功率測試臺；單螺桿擠出機；導(dǎo)絲預(yù)熱器；混煉機；等等。

1.2 工藝流程及工藝條件

1.2.1 工藝流程

（1）導(dǎo)電聚合物材料及樣片制備：配料-混煉-造粒-取樣壓片。

（2）導(dǎo)電聚合物與金屬導(dǎo)體復(fù)合成品伴熱帶樣品制備：導(dǎo)電聚合物粒料擠出—金屬導(dǎo)體預(yù)熱—復(fù)合試樣制備。

1.2.2 工藝條件

（1）配料：各種物料所占的比例是質(zhì)量分數(shù)。

（2）混煉：采用熔融混煉工藝；設(shè)置密煉室溫度160℃，將LLDPE投入密煉室中，捏煉3min,使樹脂完全熔融；后投入炭黑及氧化鋅，混合捏煉5min后排料；應(yīng)嚴(yán)格控制密煉機的溫度，以防止因物料的分解而影響性能。各對比配方組制樣配料，塑煉時間、助劑添加順序相同。

（3）造粒：設(shè)置單螺桿擠出造粒設(shè)備；各溫區(qū)溫度分別為130℃、140℃、150℃、160℃、170℃，溫度波動±2℃；設(shè)置單螺桿轉(zhuǎn)速180±5r/min，用旋風(fēng)切粒工藝進行切粒。

（4）制片：硫化機上下平板溫度165℃，壓力3MPa，壓片厚度2mm。

（5）復(fù)合樣品擠出：擠出工藝條件，擠出排料溫度150℃；導(dǎo)體預(yù)熱溫度，室溫—50℃—70℃—90℃—110℃—130℃—150℃—170℃—190℃—210℃—230℃變量。

2.性能測試標(biāo)準(zhǔn)

2.1 線性低密度聚乙烯基半導(dǎo)體材料體積電阻率測定

以《材料體積電阻率和表面電阻率試驗方法》（GB/T1410—2006）中規(guī)定的測試方法為準(zhǔn)，工作人員測量樣片電阻率數(shù)據(jù)。

2.2 芯帶電極間電阻的測定

在恒溫條件下，工作人員利用歐姆表測量1米芯帶兩電極間的電阻，并記錄數(shù)據(jù)。

2.3 接觸電阻R0的測定

接觸電阻無法通過直接測量的方式來進行測定時，工作人員應(yīng)采用如下方式進行測定：在恒溫恒濕條件下，對芯帶實驗件兩側(cè)涂覆導(dǎo)電銀膠，確保導(dǎo)電銀膠均勻有效附著于導(dǎo)電聚合物芯帶件兩側(cè)邊，確保兩側(cè)導(dǎo)電銀膠無貫穿連接；分別用歐姆表連接兩金屬導(dǎo)線測定一米芯帶件的米電阻R1進行記錄，然后用歐姆表連接兩側(cè)導(dǎo)電銀膠測量米電阻R2進行記錄，那么接觸電阻R0=R1-R2；同時計算比值ρ=R1/R2。

為驗證導(dǎo)電銀膠涂覆的有效性，工作人員還對芯帶件接200V以上電壓U，記錄啟動電流I，接觸電阻r2=U/I；同時計算R2與r2的比值ρ0，即ρ0=R2/r2，當(dāng)ρ0≤1.1時，認為銀膠涂覆有效，及所測數(shù)據(jù)有效；而當(dāng)ρ0＞1.1時，需重新制樣測試。方法原理說明：如果ρ0值較大，超過1.1，可以認為銀膠圖層與導(dǎo)電聚合物間存在一定的接觸電阻，影響數(shù)據(jù)對比。

2.4 冷熱循環(huán)壽命測試

李景慶等人介紹了一種聚合物PTC材料的老化失效規(guī)律，重點從聚合物基PTC材料角度研究了該類材料的使用壽命。尚文宇等人介紹了高分子復(fù)合型PTC材料穩(wěn)定性的相關(guān)研究成果，從材料配方角度研究了PTC聚合物材料的熱穩(wěn)定性。本文重點研究金屬導(dǎo)體與聚合物基導(dǎo)電PTC復(fù)合產(chǎn)品的失效模式，且所選用配方體系經(jīng)過長期使用驗證具有優(yōu)良的耐老化特性，故按照CSA C22.2 NO.130-03標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實驗方法進行產(chǎn)品壽命評估，通過1500次冷熱循環(huán)后功率的保持率來評估產(chǎn)品壽命特性。

3.實驗方案

3.1 導(dǎo)電聚合物材料實驗配方

導(dǎo)電聚合物材料實驗采用了5組配方，如表1所示。

表1 實驗基本配方（以重量分數(shù)計算，單位：g）

3.2對比組樣本

工作人員采用上述5組材料，使用單螺桿擠出機擠出圖示結(jié)構(gòu)樣件（見圖1），控制半導(dǎo)體材料擠出料溫170±2℃，雙導(dǎo)絲溫度：23℃—50℃—60℃—90℃—110℃—130℃—150℃—170℃—190℃—210℃—230℃變量。

4.結(jié)果與討論

4.1 不同炭黑含量下半導(dǎo)體材料體積電阻率的測試結(jié)果

不同炭黑含量下半導(dǎo)體材料體積電阻率的測試結(jié)果如表2所示。

從表2結(jié)果來看，隨著炭黑含量的提高，半導(dǎo)體材料的體積電阻率逐漸變小。分析認為，隨著炭黑含量的提高，聚合物基體中形成更多的導(dǎo)電通路，導(dǎo)電性提高，電阻率下降。說明在本實驗的炭黑含量范圍內(nèi)，隨著炭黑含量的提高，導(dǎo)電聚合物材料的體積電阻率值減小。本文重點研究導(dǎo)體溫度對接觸電阻的影響，筆者認為該5組不同電阻率基材可以滿足研究需要，暫不做更多擴展與增加。

表2 不同炭黑含量下導(dǎo)電聚合物材料體積電阻率測試結(jié)果

4.2 導(dǎo)體預(yù)熱溫度對芯帶實驗件米電阻的影響

筆者選用3#配方作為研究對象，進行后續(xù)研究，研究結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著金屬導(dǎo)體預(yù)熱溫度的提高，芯帶實驗樣兩金屬導(dǎo)體間接觸電阻，即導(dǎo)電聚合物材料電阻與接觸電阻的加和，呈現(xiàn)先下降后趨于平穩(wěn)的變化規(guī)律，且在導(dǎo)電聚合物材料擠出排料溫度150℃之前，呈現(xiàn)明顯下降趨勢，在150℃以后呈現(xiàn)平穩(wěn)不變的趨勢；而芯帶實驗樣兩條導(dǎo)電涂層間所測電阻值，即導(dǎo)電聚合物材料電阻，呈現(xiàn)平穩(wěn)略有下降的的趨勢，且在導(dǎo)體溫度高于170℃以后，兩電阻值結(jié)果非常接近。

4.3 導(dǎo)體預(yù)熱溫度對芯帶實驗件導(dǎo)電聚合物材料與金屬導(dǎo)體材料間接觸電阻的影響

從圖3可以看出，隨著金屬導(dǎo)體預(yù)熱溫度的提高，實驗樣接觸電阻呈現(xiàn)先減小后趨于平穩(wěn)的變化規(guī)律，且在導(dǎo)電聚合物材料擠出排料溫度150℃之前，接觸電阻呈現(xiàn)明顯減小趨勢，在150℃以后呈現(xiàn)趨于平穩(wěn)并無限接近于0的趨勢。相應(yīng)的ρ值在150℃之前呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，在高于150℃以后，呈現(xiàn)曲線接近于1的趨勢。以上所有變化規(guī)律表明，在金屬導(dǎo)體預(yù)熱溫度不低于導(dǎo)電聚合物材料擠出料溫時，二者之間的接觸電阻趨近于0。不同炭黑含量的3種導(dǎo)電聚合物材料呈現(xiàn)出相近的變化規(guī)律。分析認為，當(dāng)金屬導(dǎo)體溫度低于導(dǎo)電聚合物材料擠出料溫，二者接觸時，導(dǎo)電聚合物溫度高于金屬導(dǎo)體溫度，熱量由聚合物向金屬導(dǎo)體傳遞，導(dǎo)致導(dǎo)電聚合物溫度下降，材料體積收縮，從而造成導(dǎo)電聚合物材料與金屬導(dǎo)體間出現(xiàn)微小間隙，使二者出現(xiàn)接觸電阻，且金屬導(dǎo)體溫度越低，二者之間溫差越大，二者接觸后熱傳遞越快，導(dǎo)電聚合物材料溫度降越多，體積收縮越大，從而導(dǎo)致形成的間隙越大，必然造成接觸電阻變大。而當(dāng)金屬導(dǎo)體溫度高于導(dǎo)電聚合物材料擠出料溫，二者接觸時，熱量由金屬導(dǎo)體向?qū)щ娋酆衔飩鬟f，使處于熔融狀態(tài)的導(dǎo)電聚合物黏度降低、流動性變大，從而更好地貼附于金屬導(dǎo)體表面，使二者間間隙趨于0，表現(xiàn)出接觸電阻亦趨于0。

4.4 1500次冷熱循環(huán)測試后功率保持率

筆者依據(jù)CSA C22.2NO.130-03標(biāo)準(zhǔn)實驗1500次冷熱循環(huán)測試，通過檢測伴熱帶樣品經(jīng)過1500次冷熱循環(huán)老化實驗后的功率保持率來衡量產(chǎn)品使用壽命。從表3數(shù)據(jù)可以看出，隨著導(dǎo)體溫度的升高，在110℃之前，功率保持率緩慢升高；在130℃以上，功率保持率迅速升高，并在170℃以上維持在98%以上。該趨勢與金屬導(dǎo)體溫度對接觸電阻的相關(guān)性規(guī)律保持一致。該數(shù)據(jù)表明，導(dǎo)體溫度升高，金屬導(dǎo)體與導(dǎo)電聚合物間形成緊密結(jié)合，接觸電阻降低，從而更有利于產(chǎn)品在冷熱循環(huán)過程中的功率保持。

表3 功率保持率（以重量分數(shù)計算）

5.結(jié)語

導(dǎo)電聚合物與金屬導(dǎo)體復(fù)合構(gòu)件，其接觸界面存在接觸電阻，而加工工藝溫度的設(shè)計可以有效減小接觸電阻。在導(dǎo)電聚合物加工溫度較固定的前提下，隨著金屬導(dǎo)體溫度的提升，其界面接觸電阻減小，且金屬導(dǎo)體溫度在聚合混合物中熔點最高的樹脂基體熔點以上，且在擠出熔體溫度以下時，導(dǎo)體溫度對接觸電阻的減小作用更大；當(dāng)金屬導(dǎo)體溫度在導(dǎo)電聚合物材料加工物料溫度以上時，其界面接觸電阻穩(wěn)定并接近于零值。