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95%工程师都想了解的NTC贴片热敏电阻结构分析

作者:吕工     发表日期:2020-01-09 16:18:30

NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写,NTC热敏电阻就是指具有负温度系数的热敏电阻,它的阻值会随着温度的升高而降低。阻值随温度变化曲线如下图:

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NTC热敏电阻是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料,采用陶瓷工艺制造而成,被广泛应用于温度检测,温度补偿等电路中。为了实现对某一特定目标的温度检测和监控, NTC热敏电阻的封装结构非常丰富,其中贴片型NTC热敏电阻以它的小体积、无引脚、反应速度快、满足SMT生产工艺等特点,在电子电路设计中经常被工程师选用。

随着晶体管技术的不断发展,自1960年NTC热敏电阻被发明以来,贴片型NTC热敏电阻产品在结构、性能和成本上也经历了不断地发展和改善,本文主要介绍贴片型NTC热敏电阻的几种不同结构和它们的性能比较,完善你对热敏电阻选型的认知。

目前市场上贴片类NTC热敏电阻主流的结构有三种,如按出现的时间排列,也可以表述为三代产品。

第一代产品称为块状陶瓷NTC热敏电阻,结构如下图:

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第一代产品为块状陶瓷结构,采用古老的陶瓷制造工艺先制成砖块大小的NTC陶瓷,然后再采用精密线切割工艺把陶瓷砖块切割成所需要的封装尺寸。 第一代产品比较适合用于制造带引脚和有组装结构的NTC产品,不太适合用于做贴片类NTC产品, 原因主要有如下几点:

        1、产品比较厚,温度反应时间比较长。

        2、焊接的热冲击对它的阻值和B值影响较大,会造成阻值漂移,进而影响温度测量精度。

        3、对贴片NTC,阻值修正工艺无法进行,精度完全依靠切割工艺保证, 1%高精度的NTC产品良率低,成本高。

        4、产品的机械应力较差,电路板弯曲时,容易造成产品的失效。

        5、当热崩溃发生时,NTC不能安全的断开,过热的NTC有可能会对电路板及周边器件造成损害。

        6、对于贴片NTC,封装尺寸基本被限定,又不能进行调阻,所以能提供的阻值不够灵活。

        7. 正常情况下,通过电流能力和抗静电能力比较强。

目前采用这种工艺的制造商有EPCOS, Semitech, Mistsubishi, Vishay 等厂家。


第二代产品称为多层陶瓷积层型NTC热敏电阻,结构如下图:

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第二代产品结构基于MLCC的制造工艺,这种产品为多层陶瓷结构,有内电极,与MLCC的结构非常类似,也是采用先制备陶瓷薄片,然后将它们堆叠起来压制成板胚再进行烧结,最后将烧结好的NTC陶瓷板进行精密切割。这种产品的特点如下:

        1、产品也较厚,温度反应时间较长。

        2、受焊接的热冲击影响也十分明显。

        3、通常靠调整内电极来调整阻值和精度。

        4、同样热崩溃时,过热的NTC有可能造成电路板和周边器件的损害。

        5、同MLCC类似,机械应力差,热冲击和电路板弯曲很可能造成产品裂开并失效。

        目前采用这种工艺的制造商主要有MURATA,TDK。

第三代产品陶瓷厚膜型NTC热敏电阻,结构如下图:

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第三代NTC热敏电阻产品在结构和制造工艺上做了大幅改变,这种产品为厚膜结构,它采用了成熟的厚膜制造工艺,在陶瓷基板上印刷一层较厚(30uM)的NTC陶瓷材料,再配以特殊的电极结构,然后进行烧结而成。这种产品的特点如下:

        1、产品整体厚度只有第一代、第二代产品的一半,对温度的反应时间极快。

        2、由于是厚膜结构,焊接造成的热冲击十分小,适合用于对稳定性和可靠性要求高的应用。

        3、可以进行阻值修正,全温度范围温度检测精度可以做到±0.1℃。

        4、产品的阻值和B值调整受尺寸影响小,比较灵活。

        5、特殊的端部电极结构,可以很好的释放热冲击和电路板弯曲造成的机械应力,弯曲测试对产品的性能影响很小。

        6、安全工作模式,当热崩溃发生时,会安全断开,产品不会有过热情况发生。

        7、产品在双85、高温、低温以及热冲击等恶劣环境的可靠性测试下,表现出非常好的稳定性和可靠性。

        8、厚膜NTC产品的性价比很高,很可能成为未来主流的NTC贴片热敏电阻产品。

目前采用这种工艺的制造商主要有Tateyama,KOA,开步电子(Resistor Today)。

值得一提的是,开步电子自主研发的TCTR系列热敏电阻是在陶瓷膜的结构基础上,采用了第三代贴片NTC工艺技术,它的热反应时间最小可以做到1s,比同样尺寸的其他类型产品快一倍。如下图所示:

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其他类型产品热反应时间

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TCTR系列热反应时间


另外, 由于特殊的端部电极结构,开步电子的TCTR系列产品对PCB板弯曲应力的抵抗能力很强,与其它类型相比,弯曲测试后,阻值不会受到很大的影响。

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开步电子TCTR产品是通过了AEC-Q200测试的汽车级产品,可以支持PPAP认证文件,由于它优异的可靠性稳定性以及超高的性价比,TCTR系列NTC热敏电阻正在被广泛应用于消费电子,汽车电子,工业控制,测试设备,医疗电子等对产品的可靠性稳定性有较高要求的行业中。

纵观现代电子产品的设计,电子产品的功率密度越来越高,对电路所处的环境以及核心零部件的温度检测就显得越来越重要,如电源模块中功率器件温度的监控和补偿,动力电池包中电池单元的温度监控,LED车灯中LED灯珠的温度补偿等应用,温度的快速而准确的反馈会使得产品更加安全、可靠、耐用,这些应用中NTC热敏电阻正确的选择就非常关键。


TCTR贴片热敏电阻

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● 氧化铝基板上的热敏电阻膜层由绝缘玻璃保护,使得该系列拥有很好的机械强度和可靠性; 

● 无论阻值大小,电阻厚度不变;

● 三层结构电极保证了电阻具有良好的焊接能力和耐热性; 

● 符合AEC-Q200车规认证;部分型号符合UL1434标准; 

● 部分型号工作温度可高达150℃。

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