СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОЛСТОПЛЁНОЧНЫХ СТРУКТУР ДЛЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ
METHOD FOR OBTAINING THICK-FILM STRUCTURES FOR THERMAL POWER GENERATORS

Изобретение относится к электронной технике, а именно к производству толстопленочных структур на основе моносульфида самария (SmS). Полупроводниковые материалы на основе моносульфида самария являются перспективными для создания n-типа термоэлектрогенераторов (ТЭГ). Изобретение может быть использовано в электронной, радиотехнической, атомной промышленности, в медицине и других отраслях промышленности
Уровень техники
Известен способ изготовления толстопленочных резисторов, защищенный патентом [1], согласно которому резистор изготавливается традиционными методами толстопленочной технологии, включающими последовательное нанесение методом трафаретной печати на какую-либо подложку проводниковых и резистивного слоев, их сушку и вжигание в воздушной атмосфере при требуемых температурах, причем сначала наносят первый проводниковый слой. Стекло или стеклокерамическая композиция, содержащиеся в резистивном слое, имеют в своем составе вещества, способные к восстановлению (оксиды переходных металлов в высшей степени окисления или их соединения). В результате их восстановления при вжигании в резистивном слое образуется электропроводящая фаза.
Недостатком известного способа является низкий коэффициент полезного действия теплоэлектрического генератора.
Известен способ изготовления прецизионных чип-резисторов по гибридной технологии, защищенный патентом [2], который включает последовательное формирование на изоляционной подложке на основе толстопленочной технологии электродных контактов. На основе тонкопленочной технологии формируется резистивный слой с последующим ломанием изоляционной подложки на чипы. Вначале на шлифованную (тыльную) поверхность изоляционной подложки наносят методом трафаретной печати слой серебряной или серебряно-палладиевой пасты с последующим ее вжиганием, образуя тем самым электродные контакты на тыльной стороне подложки. Затем на полированную (лицевую) сторону изоляционной подложки методом вакуумной (тонкопленочной) технологии напыляют резистивный слой, методом фотолитографии и ионного травления осуществляют образование топологии резистивного слоя на подложке, после чего методом трафаретной печати на лицевой стороне подложки поверх резистивного слоя наносят слой низкотемпературной серебряной пасты с последующим ее вжиганием, образуя тем самым электродные контакты на лицевой стороне. Далее методом лазерной подгонки подгоняют величину сопротивления резисторов в номинал. Затем методом трафаретной печати наносят на резистивный слой с последующим вжиганием слой низкотемпературной защитной пасты, образуя защитный слой, скрайбируют и ломают пластину изоляционной подложки на ряды (полосы). Методом вакуумной (тонкопленочной) технологии из сплава никеля с хромом на горцы рядов напыляют торцевой слой, соединяя при этом электрически между собой электродные контакты лицевой и тыльной сторон подложки, ломают ряды на чипы, гальваническим методом наносят поверх электродов -торцевого, на лицевой и на тыльной сторонах - слой никеля, а поверх слоя никеля гальваническим методом наносят слой припоя (сплав олова со свинцом).
Недостатком аналога является большое количество технологических операций как по тонкопленочной, так и по толстопленочной технологии, что делает трудоемкой его техническую реализацию.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является способ изготовления толстопленочных резистивных элементов, защищенный патентом [3].
Данный способ изготовления толстопленочных резистивных элементов включает последовательное нанесение методом трафаретной печати на изолирующую подложку проводникового и резистивного слоев и, вжигание в воздушной атмосфере.
В способе чередуют нанесение проводникового слоя с вжиганием его на отдельные участки изолирующей подложки, при температуре 840-860°С в течение 55±5 минут, затем осуществляют нанесение резистивного слоя, а вжигание его при температуре 805±2°С в течение 70±5 минут, затем производят контроль номинала резистивных элементов, при завышенном номинале подгонку производят при температуре 820±10°С в течение 5-10 минут, а при заниженном номинале при температуре 690±10°С в течение 5-10 минут, далее производят лужение в расплавленном припое окунанием при температуре 250±10°С
На фиг. 1 изображена изолирующая подложка с проводниковыми и резистивными слоями.
Изолирующая подложка с проводниковыми и резистивными слоями состоит из изолирующей подложки 1 с торцами 2, 3, и плоскостями 4, 5 Изготовление толстопленочных резисторов по предлагаемому способу производят следующим образом: проводники и резисторы изготавливаются способом трафаретной печати. На изолирующую подложку 1 (торцы 2 и 3 и плоскости 4 и 5) последовательно наносят проводниковую пасту, например, серебряно-палладиевую. После каждого нанесения вжигают на воздухе при температуре 850°С в течение 50 минут. Затем наносят резистивную, например, рутениевую пасту 6 и вжигают на воздухе при температуре 805°С в течение 70 минут.
Недостатком этого способа толстопленочных резистивных элементов является недостаточно высокий выход годных годных элементов тепло-электрогенератора, связанный большим числом технологических операций
Техническая задача
Техническим результатом является повышение выхода годных резистивных элементов тепло- электрогенератора с высоким коэффициентом полезного действия за счет повышения управляемости технологического процесса
Решение
Для решения поставленной технической задачи предлагается следующее изобретение:
Способ изготовления толстопленочных структур на основе моносульфида самария (SmS), включающий последовательное нанесение на изолирующую подложку методом трафаретной печати проводникового слоя и резистивного слоя, отличающийся тем, что на контактные площадки проводникового слоя наносят резистивный слой из смеси в необходимых пропорциях первой резистивной пасты и второй пасты, содержащей частицы моносульфида самария (SmS), при этом вжигание нанесенных слоев проводят двумя циклами при температуре 750 - 850°С в течение 50 минут, 7-10 минут из которых вжигание проводят при максимальной температуре, и при температуре 820 - 1200°С в течение 50 минут, 10-20 минут из которых проводят вжигание при максимальной температуре.
Главным преимуществом способа является то, что им возможно создать достаточно толстые слои структур сульфида самария (до 200 мкм), а большой объем рабочего вещества (слой толщиной более 1 мкм) обуславливает большую мощность генерируемого сигнала, чем в сульфид-самариевых структурах, полученных с использованием технологии тонких пленок.
В качестве основы изготавливаемых элементов тепло-электрогенераторов используется изолирующая подложка (например, керамическая пластина). Методом трафаретной печати на поверхности пластины формируются проводниковые слои с использованием проводниковых паст. На сформированные контактные площадки и между ними наносится паста, содержащая частицы моносульфида самария, на основе которой будут сформированы резистивные элементы тепло-электрогенератора. Резистивные элементы на основе моносульфида самария формируются путем смешивания стандартной резистивной пасты с пастой на основе моносульфида самария, сушку для удаления легколетучего компонента и двух циклов вжигания при различной температуре. Режим вжигания включает термообработку в диапазоне температур 750 - 850°С длительностью 50 минут, 7-10 минут из которых проводятся при максимальной температуре, второй цикл вжигания длительностью 50 минут в диапазоне температур 820 - 1200°С, 10-20 минут из которых проводятся при максимальной температуре.
Нанесение всех слоев проводится методом трафаретной печати. Вначале наносится первый слой - проводниковый, для создания контактов и вжигание этого слоя.
Затем на полученные контактные площадки наносят резистивный слой из смеси в необходимых пропорциях первой резистивной пасты и второй пасты, содержащей частицы моносульфида самария (SmS), при этом вжигание нанесенных слоев проводят двумя циклами при температуре 750 -850°С в течение 50 минут, 7 - 10 минут из которых вжигание проводят при максимальной температуре, и при температуре 820 - 1200°С в течение 50 минут, 10-20 минут из которых проводят вжигание при максимальной температуре.
Пример.
Контроль параметров, полученных тепло-электрогенераторов (ТЭГ) проаодили с использованием массивной подогреваемой медной пластины. Подогрев, осуществляли с помощью промышленного фена до температуры 135°С. Контроль температуры осуществляли с помощью медь-коистантановых термопар, заделанных в объем пластины так, чтобы можно было оценить однородность распределения температуры исследуемого образца. В проведенных экспериментах однородность температуры находилась в пределах 1°С.
Для измерения параметров, полученных ТЭГ сигнал с контактов прибора через АЦП выводили на компьютер и проводили статистическую обработку результатов измерений. Напряжение, вырабатываемое ТЭГ составляло 35±1 мВ, а мощность при нагрузке 1 Ом составила 175±5 мкВт. Воспроизводимость процесса проверяли измерением параметров ТЭГ в течение 20 дней, оценивая среднеквадратичное отклонение результатов по стандартной методикее статистической обработки результатов измерений.
Для сравнения был изготовлен термоэлектрический генератор по способу - прототипу. В результате сравнительных испытаний было определено, что воспроизводимость параметров ТЭГ, изготовленных по предлагаемому способу, превосходила воспроизводимость параметров ТЭГ, изготовленного по способу - прототипу, не менее чем в 7 раз. Выход годных приборов, прошедших ресурсные испытания превысил 90%, что превысило аналогичный показатель по способу - прототипу на 25 - 30%.
Литература
1. Патент RU 2086027, кл. Н01С 17/06, опубл. 27.07.1997
2. Патент RU 2402088, кл. Н01С 17/06, опубл. 20.10.2010
3. Патент RU 2497217, кл. Н01С 17/06, опубл. 27.10.2013