Керметные резистивные материалы с улучшенным качеством контактирования

Буц В.П., Недорезов В.Г., Подшибякин С.В. КЕРМЕТНЫЕ РЕЗИСТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С УЛУЧШЕННЫМ КАЧЕСТВОМ КОНТАКТИРОВАНИЯ

Эксплуатационные и электрические параметры переменных резисторов (подстроечных, регулировочных и потенциометров) зависят от трибологических и контактных характеристик в системе «резистивный слой - контактная пружина». Наиболее массовыми переменными резисторами являются керметные толстопленочные, при этом данные резисторы используются не только как элементы электрических цепей, предназначенные для регулирования потоков электрической энергии и информации, но и как пассивные электронные датчики. При использовании керметного резистора в качестве датчика положения к изделию предъявляются жесткие требования по регулировочной характеристике, которая определяется изменением сопротивления датчика в зависимости от изменения положения контактной пружины по длине резистора. Обеспечения заданной точности регулировочной характеристики, в первую очередь, определяется свойствами поверхности резистивного слоя и процессом протекания электрического тока в системе «резистивный слой - контактная пружина».

Учитывая особенности формирования структуры поверхности керметного резистивного слоя в процессе высокотемпературного обжига [1-2], в общем случае, значение переходного сопротивления в системе «резистивный слой контактная пружина» будет определяться тремя составляющими: сопротивлением

стягивания, сопротивлением, обусловленным квантово - механического туннелирования через стеклянную прослойку, образующуюся на поверхности резистивного слоя при высокотемпературном обжиге и качеством поверхности резистора.

Так как удельное поверхностное сопротивление резистивного пленки намного больше сопротивления контакта, составляющая переходного сопротивления, определяемая сопротивлением стягивания резистивного слоя, рассчитывается по формуле р

RPc =p!L,

4а

где р• - удельное объемное сопротивление резистивного слоя;

а - радиус пятна.

Радиус а пятна для упругой деформации рассчитывается как 1

' F  r \ з

где т - коэффициент, зависящий от формы поверхностей соприкасающихся контактов (т = 1,11 при соприкосновении шарообразной и плоской поверхностей);

Е - сила контактного давления;

г - радиус кривизны сферической поверхности контакта;

Е - модуль Юнга материала контакта.

С учетом числа контактных пружинок в контакте (п), переходное сопротивление стягивания определяется как

1

ЯРЭ = Рсл- Г—13 ,

п • т • V ^ Г • г ) пр. 4 у

где Упр. - объемная доля проводящей фазы в композиции.

Составляющая переходного сопротивления, связанная с процессом туннелирования электрического заряда через тонкую поверхностную пленку, определяется энергией активации, необходимой для их переноса и имеющей электростатическую природу

г + Ь 1

R = Rn • ехр[----------------------------------- -] ,

акт. О е r (2r - b) kT

где г - радиус частиц проводящей фазы;

Ь - толщина пленки на поверхности резистивного слоя; к - постоянная Больцмана;

Т - температура.

Составляющие этих переходных сопротивлений зависят и от качества поверхности (Л) резистивного слоя. Чистота поверхности резистивного слоя улучшается с увеличением удельного сопротивления с 6 до 13 класса чистоты.

Общее переходное сопротивление в системе «резистивный слой -контактная пружина» определяется

как

1

d !г рсл ( E Л з e r + b 1

R = — [-------------.----1 ------- 13 + R ' ехр

A n • m 'Vnp V F • r ) 0 s r ( 2r - b) kT

Приближенный расчет, проведенный по формуле (5), показывает, что основной вклад в переходное сопротивление средне - и высокоомных резисторов вносят состав и структура приповерхностных слоев керметной резистивной пленки.

Имеются различные технологические методы воздействия на приповерхностный слой резистивной пленки, суть которых сводится к ее удалению и оголению объемной резистивной структуры, за счет чего обеспечивается улучшения качества контактирования. Для этих целей используется, например, технологии гидроабразивной зачистки или ионно-лучевого травления [3]. Однако, наиболее эффективным является обеспечение необходимых реологических и электрических свойств поверхности резистивного слоя за счет изменения состава резистивных паст, из которых изготавливаются толстопленочные резисторы.

В ходе проведения научно-исследовательских работ [1,3], выполненных в ФГУП «НИИЭМП», были определены наиболее перспективные пути создания новых материалов, позволяющих существенно улучшить контактные свойства поверхности керметные резистивных материалов.

Такими путями являются:

1. Введение модифицирующей добавки в виде оксидов редкоземельных металлов (РЗМ) в состав резистивной композиции на стадии приготовления паст.

2. Введение тех же модифицирующих добавок в функциональную фазу, представляющую собой в этом случае твердые растворы на основе рутенатов висмута и свинца. Получение таких твердых растворов, в свою очередь, можно осуществлять двумя способами:

высокотемпературным (до 1200 °С) твердофазным синтезом из рутенита висмута, свинца и оксида

РЗМ;

термолизом (до 900°С) соосажденного из раствора тройного гидроксида рутения, висмута и РЗМ.

В настоящей работе представлены экспериментальные данные по влиянию модифицирующей добавки на основе РЗМ, которая вводилась непосредственно в состав композиции в виде оксида. За базовый состав были взяты резистивные композиции с функциональной фазой на основе мелкодисперсных порошков диоксида рутения. В работе [1] было показано, что поверхность резистивных слоев на основе диоксида рутения характеризуется очень высоким (до 10-20 %) уровнем переходного сопротивления.

Значительно лучшими контактными свойствами характеризуются резистивные пленки на основе рутени-тов висмута и свинца, однако, применение этих материалов ограничивается высокоомным диапазоном сопротивлений (от 1 кОм/Ш). Попытки расширить этот диапазон в низкоомную область, применяя только рутениты висмута и свинца, не увенчались успехом, в основном, из-за значительного роста ТКС и выхода его за установленные пределы.

В основе решения поставленной задачи лежит идея установления таких рецептур резистивных паст с удельным сопротивлением 100 Ом/Ш и 1 кОм/Ш, в которых диоксид рутения был бы частично заменен на рутенит свинца, по возможности, в максимальной степени. Учитывая, что такая замена приводит к сдвигу величины ТКС в область положительных значений был использован известный принцип термокомпенсации [ 4 ], позволяющий минимизировать влияние ТКС проводящей фазы и оптимизировать составы стеклосвязок, не позволяющих величине ТКС превысить установленный уровень + 250^10-6 град-1.

Новые рецептуры паст, удовлетворяющие этому требованию, были разработаны. Величина ТКС для пасты 100 Ом/Ш не превышала +210 • 10-6 град-1, для пасты 1 кОм/Ш - +170 •Ю-6 град-1.

Измерения контактных характеристик (регулировочной характеристики, переходного сопротивления и его изменения) проводились в соответствии с инструкцией КЮБР.25201.00036 [5]

на резистивных элементах резисторов РП1-48Б с использованием контактных пружин этого же резистора. Выбор для исследований контактного узла миниатюрного многооборотного резистора РП1-4 8Б обусловлен тем обстоятельством, что в производстве именно этого резистора имеет место наибольшее число проблем (как конструкционных, так и технологических) по обеспечению заданной регулировочной характеристики.

В результате исследований разработана новая группа резистивных паст с удельным поверхностным сопротивление 100 Ом/Ш и 1 кОм/Ш, имеющих величину переходного сопротивления на уровне (3±1,5)% от величины номинального сопротивления.

Характерная зависимость изменения переходного сопротивления по длине резистора для пасты с

удельным сопротивлением 1 кОм/Ш представлена на рис 1.

дя/я,%

0 1 2 3 4 мм

Рис.1 Изменение переходного сопротивления в системе «резистивный слой - контактная пружина»

для разработанной резистивной пасты с удельным сопротивление 1 кОм/П

Рис. 2 Кривые смешивания паст по сопротивлению (а) и ТКС (б):

- кривая А - для паст 100 Ом/Ш - 1 кОм/Ш;

- кривая В - для паст 1 кОм/Ш - 10 КОм/Ш

После определения рецептур паст 100 Ом/Ш и 1 кОм/Ш, обеспечивающих снижение переходного сопротивления до требуемого уровня, установили характер смешивания этих паст между собой, а также новой пасты 1 кОм/Ш с пастой 10 кОм/Ш VI группы (ОЖО.035.001 ТУ), выпускаемой серийно.

Пасты считаются пригодными для смешивания, если величина сопротивления у всех промежуточных составов принимает промежуточные значения. Смешиваемость паст по ТКС, как правило, имеет более сложный характер. При этом смешиваемость считается удовлетворительной, если промежуточные составы имеют значения ТКС, отличающиеся от ТКС исходных паст не более, чем на 50 единиц.

На рис.2 представлены кривые смешивания вновь разработанных паст по сопротивлению (а) и ТКС (б) . Как видно из рисунка, смешиваемость паст удовлетворительная.

Для принятия решения о внедрении разработанных паст, кроме проведения испытаний, необходимо проведение исследований по влиянию технологических факторов на формирование поверхности резистивного слоя и способных, вследствие этого, воздействовать на его контактные характеристики.

На основе предварительных исследований в качестве таких факторов были выбраны:

тип органической связки в основе резистивной пасты;

толщина фотоэмульсионного слоя на трафарете;

повторное вжигание (переобжиг) резистивного элемента;

чистота атмосферы в конвейерных печах для вжигания;

тип проводниковой пасты, используемой для создания контактной дорожки на резистивном элементе.

В производстве резистивных паст применяются, как правило, два типа органических связок [6]: на основе ланолина с добавлением вазелинового масла и циклогексанола; на основе терпинеольного раствора этилцеллюлозы.

Основу первой составляет ланолин - животный жир с высоким содержанием углерода и сернистых соединений. Поэтому практически полное его выгорание наступает при температурах выше

7 0 0°С.

Второй тип связки представляет собой 5-процентный раствор этилцеллюлозы в терпинеоле с добавлением пластификатора ДБФ, т.е. основа представляет собой летучий компонент. Небольшое количество сухого остатка выгорает при температуре 500°С.

Вследствие названных особенностей полнота прохождения окислительно-восстановительных процессов при выгорании связок может быть различной. Последнее, в свою очередь, может по-разному отразиться на формирующейся структуре поверхности РЭ и, следовательно, повлиять на ее контактные свойства.

Как следует из проведенных исследований, влияние органической связки имеет место, и оно тем существеннее, чем выше номинальное сопротивление.

Резистивные элементы, изготовленные на основе паст с быстросохнущей этилцеллюлозной связкой, имеют лучшие контактные свойства поверхности.

Для исследования влияния толщины фотоэмульсионного слоя на трафарете проводилось сравнение двух материалов: жидкой фотополимеризующейся композиции «Полисет» и сухого пленочного фоторезиста «Capillex» фирмы «Autotype».

Как было установлено в результате исследований, влияние рассмотренного технологического фактора либо отсутствует вовсе, либо оно незначительно для данной технологической группы резистивных элементов, изготавливаемой из паст удельным сопротивлением 100Ом/Ш и 1 кОм/Ш.

Процесс вжигания является основной операцией технологического цикла изготовления толстопленочных резистивных элементов. Именно на этом этапе происходит формирование структуры толстых пленок, определяющей их свойства.

Как следует из результатов эксперимента, влияние такого технологического фактора, как чистота атмосферы в печах при вжигании резистивных элементов на их контактные характеристики весьма значительное.

В технологии изготовления толстопленочных резистивных элементов повторный их обжиг (переобжиг) является весьма распространенной технологической операцией. Применяется он, как правило, как способ коррекции величины сопротивления. Действительно, хорошо зная закономерности влияния переобжига на величину той или иной пасты, специалист- технолог располагает дополнительным инструментом повышения выхода годных изделий на данной технологической операции. Следует сказать, что переобжиг не всегда допустим, если его влияние на величину ТКС резисторов существенно и составляет более 50 единиц. Однако, как правило, знание этой закономерности позволяет специалисту принимать верное решение относительно допустимости (или недопустимости) повторного обжига в каждом конкретном случае.

Анализ полученных данных привел к вполне очевидному выводу о значительном влиянии повторного вжигания резистивных элементов на их контактные характеристики и позволяет отнести и этот технологический фактор к группе значимых.

Таким образом, на основе проведенных исследований разработана новая серия резистивных паст с удельными поверхностными сопротивлениями 100 Ом/П и 1 кОм/П, с величиной переходного сопротивления (3±1,5)% от величины номинального сопротивления (в четыре раза меньше, чем у существующих). Резистивные пасты (ОЖО.035.001 ТУ) внедрены с 2004 г на ФГУП «НИИЭМП» в производство керметных подстроечных резисторов.

Разработанные пасты могут быть использованы для создания резистивных датчиков положения с точностью определения положения рабочего механизма до ±(1-5)%.

ЛИТЕРАТУРА

1. Недорезов В.Г. Технология керметных толстопленочных резистивных структур и компоненты на их

основе (монография). - изд. ПГУ г. Пенза, 2004, 207 с.

2. Недорезов В.Г. Механизм старения керметных резистивных материалов с Pd-Ag проводниками // Материаловедение. - 2002. - №5(62). - С. 20-24.

3. Буц В.П. Воздействие пучка ионов Ar на поверхность и электрофизические параметры толстых

керметных пленок на основе Pb2 Ru2O6 / В.П. Буц, В.Г. Недорезов. Т.П. Каминская, А.П. Каминский //Актуальные проблемы науки и образования: Сборник докладов Международного юбилейного симпозиума: В 2-х т. / Под ред. М.А. Щербакова.- Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2003.С. 52 -

55.

4. Недорезов В.Г. Создание керметных резистивных материалов с минимальным значением температурного коэффициента сопротивления// Материаловедение. - 2002. - №6 (63). - С. 23-26.

5. Мещеряков В.Ф. Установка измерения контактного сопротивления резистивных элементов / В.Ф.

Мещеряков, В.Г. Недорезов, М.Г. Смычеино // Электронная промышленность. - 1985.- Вып. 8(146).- С.

67-68.

6. Петрова В.З. Материалы и технология толстых пленок (монография)/ В.З. Петрова, А.И. Тельми-нов, Р.Ф. Шутова// изд. МИЭТ г. Москва, 1997, 260 с.