[发明专利]半导体陶瓷组合物、正温度系数元件和发热模块

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有正电阻率温度系数的半导体陶瓷组合物以及PTC元件和发热模块，该半导体陶瓷组合物被用于PTC热敏电阻器、PTC加热器、PTC开关、温度检测器等。

背景技术

通常，作为显示出PTCR特性（正电阻率温度系数）的材料，已经提出了其中向BaTiO₃添加各种半导体元素的半导体陶瓷组合物。PTCR特性是在居里点以上的高温下电阻值急剧增加的特性。具有PTCR特性的半导体陶瓷组合物被用于PTC热敏电阻器、PTC加热器、PTC开关、温度检测器等。

PTCR特性可以通过电阻率温度系数来评价。电阻率温度系数被认为是由晶粒界面处形成的电阻（由肖特基势垒造成的电阻）的增加引起。PTCR特性可以通过电阻率温度系数来评价，并且PTC材料需要具有高的电阻率温度系数。

此外，一般的BaTiO₃系半导体陶瓷组合物的居里温度在120℃左右。由于需要具有高居里温度的半导体陶瓷组合物，因此根据用途使用添加元素例如Sr或Pb来调控居里温度。已知铅材料例如PbTiO₃作为可以提高居里温度的添加元素。然而，铅是引起环境污染的元素，并且近年来，需要不使用铅材料的半导体陶瓷元件。

为了解决常规的BaTiO₃系半导体陶瓷组合物的问题，专利文献1提出了一种BaTiO₃系半导体陶瓷组合物，其包含一部分作为主要组分的Ba被Bi或Na代替的组成。在那些专利文献中描述的半导体陶瓷组合物可以不使用铅来提高居里温度，并且具有大的电阻率温度系数。

此外，专利文献2描述了一种PTC元件，其具有多个电极和排列在电极之间的BaTiO₃系半导体陶瓷组合物，其中所述PTC元件通过在半导体陶瓷组合物与电极之间的界面附近的电阻分量表现出PTCR特性。

专利文献3描述了一种具有正电阻温度特性的层压型半导体陶瓷元件，其包含半导体陶瓷层和交替层压的电极，其中半导体陶瓷元件的孔隙度为3至15vol%。专利文献3还描述，由于通过在还原气氛下烧结后进行再氧化热处理，氧化进行直至所述组合物的内部，因此电阻变化增加。

背景技术文献

专利文献

专利文献1：WO2006/118274

专利文献2：WO2011/126040

专利文献3：JP-A-H6-302403

发明内容

本发明待解决的问题

半导体陶瓷组合物以在其表面上形成电极的状态用作PTC元件。

如图9中所示，专利文献2中描述的半导体陶瓷组合物，由于在其表面上形成的电极与半导体陶瓷组合物之间的界面处的肖特基势垒，仅在界面周围具有大的电阻率温度系数。专利文献2还描述了远离电极的组合物内部不具有大的电阻率温度系数。图9（a）是示出了包含大量晶粒的半导体陶瓷组合物被夹在一对电极之间的状态的示意图，图9（b）是示出了在图9（a）中的直线Y-Y上的能量势的示意图。在图9（b）中，曲线c示出了室温下的能量势，曲线d示出了200℃下的能量势。具有较高能量势的位点具有较高的电阻率温度系数。

也就是说，专利文献2中描述的半导体陶瓷组合物，由于仅有在半导体陶瓷组合物的表面上形成的电极附近的电阻率温度系数发挥整个半导体陶瓷组合物的PTRC特性，因此当由于对表面上形成的电极的粘附性而改变电极附近的电阻率温度系数时，整个半导体陶瓷组合物的PTCR特性随着所述改变而变。由于半导体陶瓷组合物不论其厚度如何都具有高的电阻率温度系数，因此在具有短的电极间距离的层压型PTC元件中，半导体陶瓷组合物是有效的。然而，在将半导体陶瓷组合物用于电极间距离为100μm以上的PTC元件的情况下，除非使在每个PTC元件中电极与半导体陶瓷组合物之间的粘附恒定，否则出现特性的波动。因此，在使用半导体陶瓷组合物批量生产PTC元件的情况下，存在着产品可靠性受损的顾虑。

为了抑制特性的波动，如图8中所示，优选地使半导体陶瓷组合物不仅在电极附近，而且在半导体陶瓷组合物内部也具有大的电阻率温度系数。图8（a）是示出了包含大量晶粒的半导体陶瓷组合物被夹在一对电极之间的状态的示意图，图8（b）是示出了图8（a）中的直线X-X的能量势的示意图。在图8（b）中，曲线a示出了室温下的能量势，曲线b示出了200℃下的能量势。与图9的半导体陶瓷组合物不同，图8的半导体陶瓷组合物在组合物内部而不是在电极与组合物之间的界面处具有高能量势。