做超聲換能器、壓電傳感器、蜂鳴器或精密驅(qū)動(dòng)器時(shí)，技術(shù)參數(shù)里常會(huì)寫(xiě)著“PZT 鋯鈦酸鉛鍍金電極”“PZT 片 Ni/Au 電極”。很多人會(huì)疑惑：鋯鈦酸鉛本身就是壓電陶瓷了，為什么還要在表面專(zhuān)門(mén)做一層鍍金?這層金的作用有多大?

　　一、先搞清“底座”：鋯鈦酸鉛本身是什么材料?

　　經(jīng)典的壓電陶瓷 PZT

　　鋯鈦酸鉛(Lead Zirconate Titanate，簡(jiǎn)稱(chēng) PZT)是一類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電陶瓷，通過(guò)調(diào)節(jié) Zr/Ti 比例和摻雜，可以得到不同“硬”“軟”特性的材料體系，具有：

　　較高的介電常數(shù)和壓電常數(shù);

　　比較大的機(jī)電耦合系數(shù);

　　合適的居里溫度，適合在室溫到中高溫范圍工作。

　　這些特點(diǎn)讓 PZT 成為目前超聲探頭、壓電蜂鳴器、換能器、傳感器和微驅(qū)動(dòng)器中應(yīng)用最廣的陶瓷材料之一。

　　為什么需要“電極”配合使用?

　　PZT 想要實(shí)現(xiàn)壓電和鐵電功能，必須在陶瓷兩側(cè)形成可靠的金屬電極，用來(lái)：

　　加電場(chǎng)極化陶瓷并在使用中施加工作電壓;

　　收集壓電信號(hào)或驅(qū)動(dòng)電流;

　　保證器件在頻繁電/機(jī)循環(huán)下仍然保持穩(wěn)定接觸。

　　這就引出本文的主角——鋯鈦酸鉛鍍金電極。

　　二、為什么要在鋯鈦酸鉛上“鍍金”?

　　金的電學(xué)與化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)勢(shì)

　　金(Au)本身具有：

　　極好的導(dǎo)電性和低接觸電阻;

　　在空氣和多數(shù)環(huán)境中幾乎不會(huì)氧化或腐蝕;

　　易焊接、易金絲/鋁絲鍵合。

　　對(duì)于要求長(zhǎng)期可靠、反復(fù)焊接、環(huán)境苛刻的壓電器件，如醫(yī)療超聲探頭、航空航天傳感器、高端工業(yè)超聲探頭來(lái)說(shuō)，這些特性非常關(guān)鍵。

　　Ni/Au 復(fù)合電極的綜合表現(xiàn)更好

　　行業(yè)里常見(jiàn)的是Ni/Au 復(fù)合電極：

　　以鎳層作為過(guò)渡層和阻擋層;

　　表面再鍍一層金。

　　有研究和專(zhuān)利指出，鍍金后的 Ni-Au 復(fù)合電極在導(dǎo)電性、可焊性和耐腐蝕性方面相比傳統(tǒng)燒結(jié)銀電極有明顯提升，廣泛用于壓電陶瓷表面金屬化。

　　適應(yīng)更精細(xì)、更小型化的器件結(jié)構(gòu)

　　隨著壓電器件朝小型化、陣列化發(fā)展，電極圖形越來(lái)越精細(xì)，焊盤(pán)尺寸越來(lái)越小。鍍金電極配合濺射、光刻等工藝，可以做出線(xiàn)寬線(xiàn)距更小、邊緣更整齊的電極圖形，滿(mǎn)足微型傳感器和 MEMS 結(jié)構(gòu)的需求。

　　三、鋯鈦酸鉛鍍金電極的典型結(jié)構(gòu)

　　1. Ni/Au 電鍍型結(jié)構(gòu)

　　在大多數(shù)壓電片、換能器用的陶瓷上，較常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是：

　　PZT 陶瓷基體 / 底層銀或其他過(guò)渡層 / Ni 電鍍層 / Au 電鍍層

　　一些壓電陶瓷供應(yīng)商公開(kāi)的資料中，會(huì)把典型電極結(jié)構(gòu)列為：

　　Ni/Au 電鍍電極：Ni 約 0.5 μm，Au 約 0.5 μm 為標(biāo)準(zhǔn)厚度;

　　或者采用 Cr/Au 濺射結(jié)構(gòu)，Cr 做附著層，Au 做導(dǎo)電表層。

　　這種 Ni/Au 電極既能保證與 PZT 的結(jié)合強(qiáng)度，又能在表面提供穩(wěn)定的金層用于焊接和鍵合。

　　2. 薄膜 Au 電極與多層結(jié)構(gòu)

　　在 PZT 薄膜、微機(jī)電器件中，還常見(jiàn)上下雙面 Au 電極夾持 PZT 層的結(jié)構(gòu)，例如 Au/PZT/Au 懸臂梁、膜片等，通過(guò)濺射、蒸鍍獲得較薄且均勻的電極層。

　　特點(diǎn)是：

　　電極厚度小，適合高頻和微小尺寸結(jié)構(gòu);

　　可配合光刻工藝形成復(fù)雜圖形。

　　四、鋯鈦酸鉛鍍金的常見(jiàn)工藝路線(xiàn)

　　不同廠(chǎng)家、不同產(chǎn)品會(huì)采用不同工藝，但大體可以歸納為幾類(lèi)。

　　1. 電鍍 / 化學(xué)鍍路線(xiàn)

　　在已經(jīng)具備導(dǎo)電底層的 PZT 片上，通過(guò)電鍍或化學(xué)鍍方式形成 Ni/Au 復(fù)合層：

　　表面預(yù)處理：脫脂、粗化、活化，保證陶瓷表面潔凈和一定粗糙度;

　　形成初始導(dǎo)電層(如燒銀、燒銀鈀或其它導(dǎo)電底金屬);

　　化學(xué)鍍或電鍍 Ni，作為中間阻擋層和增強(qiáng)附著層;

　　在 Ni 層上電鍍 Au，控制鍍層厚度與均勻性;

　　清洗、干燥和必要的熱處理。

　　優(yōu)點(diǎn)：鍍層厚度相對(duì)較大，可承受多次焊接，適合功率型和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高的壓電件。

　　2. 濺射 / 蒸鍍薄膜路線(xiàn)

　　更多用于 PZT 薄膜、電極圖形精細(xì)的產(chǎn)品：

　　采用射頻濺射、直流濺射等方法沉積粘附層(金屬如 Cr、Ti、Ni-Cr 等);

　　然后沉積一層薄 Au;

　　配合光刻、濕法或干法刻蝕形成所需電極圖形;

　　后續(xù)可再進(jìn)行退火，提高膜層致密性和附著力。

　　優(yōu)點(diǎn)：線(xiàn)寬線(xiàn)距小，適合陣列化、微結(jié)構(gòu);缺點(diǎn)是投資和工藝復(fù)雜度較高。

　　五、鍍金對(duì)鋯鈦酸鉛壓電性能的影響

　　導(dǎo)電性與匹配阻抗

　　穩(wěn)定、低電阻的 Au 電極有助于降低接觸電阻，減小高頻損耗，提升換能效率，尤其在超聲、射頻和高頻振蕩場(chǎng)合更為明顯。

　　介電與壓電性能的穩(wěn)定性

　　在 PZT / Au 復(fù)合體系中，適當(dāng)?shù)?Au 含量可以在一定程度上改善介電常數(shù)和頻率特性，使器件在工作帶寬內(nèi)性能更平滑穩(wěn)定。

　　同時(shí)，良好的電極可以減小極化不均勻和局部擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，幫助維持壓電性能的長(zhǎng)期一致性。

　　焊接性與裝配可靠性

　　金電極表面能很好地適配多種焊接方式：

　　回流焊焊盤(pán);

　　釬焊連接;

　　金絲、鋁絲鍵合等。

　　Ni/Au 復(fù)合電極相對(duì)于傳統(tǒng)銀電極，在焊點(diǎn)潤(rùn)濕性、抗剝離能力方面表現(xiàn)更好，在多次焊接和溫度循環(huán)后依然保持較好的接觸質(zhì)量。

　　環(huán)境可靠性：耐腐蝕、耐潮濕

　　在高濕、鹽霧或化學(xué)腐蝕環(huán)境中，銀、電鍍銅類(lèi)電極容易變色、遷移甚至腐蝕斷裂，而鍍金電極抗氧化和抗腐蝕能力很強(qiáng)，更適合：

　　醫(yī)療探頭反復(fù)消毒清洗;

　　海洋聲吶、油田工具等苛刻環(huán)境。

　　六、鋯鈦酸鉛鍍金的典型應(yīng)用場(chǎng)景

　　醫(yī)療超聲探頭與成像模塊

　　醫(yī)療超聲對(duì)信號(hào)質(zhì)量、可靠性要求極高，大量探頭陣元使用 PZT 陶瓷配合鍍金電極：

　　金電極確保電極界面穩(wěn)定、信號(hào)損失小;

　　便于高密度陣列布線(xiàn)和柔性電路焊接連接。

　　工業(yè)與無(wú)損檢測(cè)換能器

　　包括焊縫檢測(cè)、板材厚度檢測(cè)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等換能器：

　　工作環(huán)境可能存在油污、水、溫度波動(dòng);

　　鍍金電極有助于提高電極耐久性和接觸可靠性。

　　聲吶、測(cè)距與對(duì)水聲設(shè)備

　　在海水、淡水等環(huán)境中長(zhǎng)期浸泡使用，電極的耐腐蝕性能非常關(guān)鍵，Ni/Au 電極體系應(yīng)用廣泛。

　　微機(jī)電器件與壓電傳感器

　　加速度計(jì)、壓力傳感器、能量采集器等 MEMS 器件中，常采用 PZT 薄膜配合 Au 電極：

　　電極圖形精細(xì);

　　需要兼顧電學(xué)性能與后續(xù)封裝工藝。

　　七、從選型和采購(gòu)角度看“鋯鈦酸鉛鍍金”要關(guān)注什么?

　　在實(shí)際項(xiàng)目中，如果遇到“鋯鈦酸鉛鍍金壓電片”“PZT 金電極陶瓷”等規(guī)格，可以從幾個(gè)方面去核對(duì)和比較。

　　陶瓷材料參數(shù)

　　壓電常數(shù)、介電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù);

　　居里溫度、使用溫度范圍;

　　是否有針對(duì)高功率、高頻、低損耗等方向優(yōu)化。

　　電極結(jié)構(gòu)與厚度

　　是否為 Ni/Au 復(fù)合電極，還是其它體系;

　　金層、鎳層的標(biāo)準(zhǔn)厚度范圍;

　　單面鍍金還是雙面鍍金，有沒(méi)有分區(qū)電極圖形。

　　鍍金工藝與外觀(guān)質(zhì)量

　　鍍層是否均勻、無(wú)明顯針孔、氣泡、起皮;

　　電極邊緣是否整齊，避免毛刺和短路風(fēng)險(xiǎn);

　　是否提供附著力測(cè)試、焊接性測(cè)試等數(shù)據(jù)。

　　可靠性與質(zhì)量體系

　　是否有高低溫循環(huán)、恒溫恒濕、鹽霧等環(huán)境試驗(yàn)記錄;

　　廠(chǎng)家是否具備針對(duì)醫(yī)療、汽車(chē)、工業(yè)等行業(yè)的質(zhì)量管理經(jīng)驗(yàn);

　　批次一致性和可追溯性如何。

　　環(huán)保與法規(guī)要求

　　鋯鈦酸鉛屬于含鉛壓電陶瓷，應(yīng)用時(shí)要注意符合 RoHS、REACH 等法規(guī)對(duì)鉛使用的豁免條款，尤其是在消費(fèi)電子和醫(yī)療產(chǎn)品上，要提前評(píng)估法規(guī)路徑和替代方案。

　　結(jié)語(yǔ)：一層“鋯鈦酸鉛鍍金”，托起的是整機(jī)的可靠性

　　從外觀(guān)上看，鋯鈦酸鉛鍍金只是壓電片表面那層金色電極;

　　從性能上看，它是電性能、焊接性、環(huán)境可靠性和壽命表現(xiàn)的綜合保障。

　　在做超聲、傳感、驅(qū)動(dòng)等涉及 PZT 的項(xiàng)目時(shí)，如果規(guī)格里出現(xiàn)“鋯鈦酸鉛鍍金”“PZT Ni/Au 電極”，不妨多問(wèn)幾句：

　　陶瓷配方是什么類(lèi)型?

　　Ni/Au 層厚度多大?

　　電極附著力、焊接試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)如何?

　　把這些問(wèn)題問(wèn)清楚，再結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景去選型，往往能在前期就規(guī)避掉不少后患，讓這層看似輕薄的“金裝”，真正為器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定和產(chǎn)品口碑“保駕護(hù)航”。