厚膜加热器电阻浆料详细介绍

厚膜发热盘、厚膜加热管被广泛应用在即热式饮水机、咖啡壶等家用电器,近些年来在新能源汽车高压加热器、热流道系统热嘴、厨房电器等领域的应用在逐渐增加。厚膜发热元件的主要优点有:

  1. 功率密度高,体积小;
  2. 升温速度快;
  3. 寿命长;
  4. 热效率高;
  5. 安全、环保;
  6. 发热均匀;

厚膜加热器的质量优劣,除了和工程设计、印刷精度有关,更取决于厚膜电阻浆料的质量。

电子浆料.png
以下内容摘自互联网,算是对厚膜电子浆料以及厚膜加热元件的一个学习和认知。

一、不锈钢基材选择

欧盟规定用于食物行业的钢铁含铬量要达到12%,含铬量低于12%的钢铁不能称之为不锈钢。304型不锈钢有着较高的膨胀系数(TCE约18ppm/°C),而430型不锈钢的膨胀系数约12 ppm/°C,更适合用做厚膜基材。

二、丝网印刷电子浆料

  • ESL 4924 被用于430不锈钢,而ESL 4916被广泛应用于304型不锈钢。两种浆料都是无铅无镉的,4924是不含钡的,而4916是含有钡的。在足够的烧结厚度下两者都有着极高的击穿电压和绝缘电阻。当温度提供到400度时,单独烧结三层的4916的绝缘性会变的不够可靠,所以在高温应用时,建议印刷更加厚的绝缘介质浆料。
  • ESL银浆导体作为加热元件的导体。ESL 9912-A(纯银浆料)就是非常经济实惠的产品,但是更加推荐ESL 9695这款银钯浆料(银钯比为20:1)。所有这些导体浆料都可以被用在4924或4916的介质材料上。
  • ESL 29XXX电阻被用来制作加热元件。29XXX中第1个X代表电阻浆料的方阻(如29115代表100 mW的方阻),29XXX第2和第3个X代表电阻浆料的温度系数(如29115代表1500 ppm/°C) 。
  • PTC传感器,即正温度系数的电阻能被用于制造温度感应元件。 
  • 玻璃保护釉, 如果需要在加热电阻或加热元件上再涂抹一层保护层,推荐使用ESL4924或4916。
三、加工工艺
  • 未经涂层的不锈钢基板必须去除污染物(比如:指纹、灰尘、油迹、油脂等),一旦清洁完成之后的不锈钢基板需要再次接触时必须带上手套。
  • ESL的绝缘介质是通过丝网印刷的方式印刷到相应的不锈钢基板上的,建议用165目的无乳胶的不锈钢网板进行印刷,每一层的烧结完厚度应该在25-30微米之间。可以用膜厚测试仪来测量绝缘介质的厚度,三层单独烧结的绝缘介质浆料将达到80微米以上的厚度,以确保足够的绝缘性。
  • 请在无尘和清洁的环境下进行印刷和烧结时流程以免细微的杂质造成小孔的出现,这可能会造成击穿电压的下降。浆料在125°C下进行干燥并在850°C下进行烧结。
  • ESL的导体是通过丝网印刷的方式印刷在绝缘介质上的,建议用325目的20微米乳胶厚度的不锈钢网板进行印刷。
  • ESL 29XXX 电阻浆料是通过丝网印刷的方式印刷在绝缘介质上的,建议使用250目的5微米乳胶厚度的不锈钢网板进行印刷。一般情况下,电阻印刷的宽度为2.4毫米,厚度为21±1微米,178个方的螺旋型图案。
  • 建议用165目的无乳胶的不锈钢网板来印刷相应的隔离介质来做保护层。干燥和烧结的方法如上所述。不可避免的是电阻的阻值会在烧结后改变,但这并不会影响正常的使用。
四、加热器设置

下面这些介绍是为了协助客户设计他们的产品,客户自己有义务来判断自己的设计是否可靠与安全。
功率密度:ESL建议所有的29XXX电阻烧结后的厚度为10-12微米,以确保功率密度在60瓦每平方厘米以上。
电流密度:ESL建议烧结后的厚度为在10-12微米,以确保电阻元件的电流密度在3安培每毫米
TCR 注意事项:用在厚膜加热器的材料有着较高的TCR,所以必须考虑电阻阻值在室温下与工作温度下的差异
计算公式:比如一个客户要求加热元件能够支持3000瓦在240伏交流电,最高温度控制在150°C下。可供印刷的区域为120毫米直径的基板。
V = I x R Ohm’s Law
功率= 电压x 电流
温度系数= ((RH - RC) x 106) / (RC x (TH - TC))
在这里: RH=工作温度时的电阻阻值; RC=开始时的电阻阻值
TH= 最高温度, °C; TC= 开始时的温度, °C
ESL 29115被选来用于此次计算
在工作温度时的功率= 3,000 = 240 x 电流
电流= 12.5 A
在3 A/毫米的电阻图案上宽度约为4 毫米.(12.5A/ 3A每毫米= 宽度4.17毫米)
电阻在工作温度下的阻值为240 / 12.5 = 19.2W
材料的TCR为1,500 ppm/°C
所以: 1,500 = ((19.2 - RC) x 106) / (RC x (150-25))
(1,500 x (150-25) x RC) / 106 = (19.2- RC)
0.1875 RC = 19.2 - RC
1.1875 RC = 19.2
RC = 16.17W
为了达到在室温下16.17W的电阻阻值,需要做一个162方的轨迹。轨迹的宽为4毫米,所以长度为648毫米。轨迹的总面积为2592平方毫米。额定功率为3000瓦,所以功率密度为115.7瓦每平方厘米。这个数值太高了,特别是打开瞬间的功率。这样就需要通过增加面积来确保安全。这样就需要有5.5毫米宽890毫米长的轨迹来实现适当的电阻(用29115),现在的面积是49平方厘米,相比功率密度为61瓦每平方厘米。这已经是一个安全的功率密度。没有计算烧结上层玻璃保护釉后阻值的变化。在打开瞬间的功率为3562瓦,也就是在很短的时间内为72.7瓦每平方厘米。

五、加热器电路布局
理想的加热器的轨迹是圆形的整齐的,没有90度角的,因为90度角会导致热点。

 

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