РЕЗИСТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ
RESISTIVE MATERIAL FOR MANUFACTURING OF THIN-FILM RESISTORS

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками.
Известен резистивный материал для изготовления тонкопленочных резисторов [1], содержащий хром, железо, алюминий, диоксид кремния и окись алюминия (алунд) при следующем количественном соотношении компонентов, мас.%:
хром
10-80
железо
3-20
алюминий
8-25
диоксид кремния
8-50
окись алюминия (алунд)
остальное.
Этот резистивный материал выбран за аналог.
Данный резистивный материал предназначен для получения тонкопленочных резисторов с удельным поверхностным сопротивлением от 1000 до 10000 Ом.
-6
-6
-6
-6
-6
Недостатком известного резистивного материала является то, что он предназначен для изготовления резисторов с большими значениями температурного коэффициента сопротивления (ТКС) ± 50×10 1/°С и нелинейностью его зависимости в области отрицательных температур от -60 до +20°С (ТКС ±150×10 1/°С). Получение же низких значений ТКС порядка ±15×10 1/°С в диапазоне температур от 20 до 125°С и с более линейной его зависимостью в диапазоне температур от -60 до +20°С (TKC ±15-25×10 1/°C), необходимых для изготовления высокоомных прецизионных тонкопленочных резисторов на основе этого резистивного материала, невозможно. Выход годных резисторов с ТКС ± 50×10 1/°С составляет не более 20-30%, что является явно недостаточным для серийного производства прецизионных резисторов.
Наиболее близким к заявляемому материалу по совокупности признаков является резистивный материал для изготовления тонкопленочных резисторов [2], содержащий хром, железо, алюминий, диоксид кремния, окись алюминия (алунд) и титан при следующем количественном соотношении компонентов, мас.%:
хром
3-28
железо
6-14
алюминий
9-13
диоксид кремния
30-52
титан
10-14
окись алюминия (алунд)
остальное.
Этот резистивный материал выбран за прототип.
Данный резистивный материал предназначен для получения тонкопленочных резисторов с удельным поверхностным сопротивлением от 1000 до 30000 Ом.
-6
-6
-6
-6
Основным недостатком данного резистивного материала является то, что он предназначен для изготовления резисторов со значениями ТКС ± 50×10 1/°С в диапазоне температур от 20 до 125°С, а в области минусовых температур от -60 до 20°С ТКС этих материалов равен ±150×10 1/°С. Получение же низких значений ТКС ± 15×10 1/°С в диапазоне температур от 20 до 125°С и ТКС ± 25×10 1/°С в диапазоне температур от -60 до +125°С со стабильностью ±0,05% в течение 2000 ч при номинальной нагрузке при температуре окружающей среды 85°С, необходимых для производства прецизионных тонкопленочных резисторов, на основе этого резистивного материала невозможно.
-6
-6
Задачей изобретения являлось создание резистивного материала, обеспечивающего получение пленок с удельным поверхностным сопротивлением от 1000 до 5000 Ом с выходом годных резисторов по ТКС ± 15×10 1/°С 80-100% в диапазоне температур от 20 до 125°С и с ТКС ± 25×10 1/°С 70-100% в диапазоне температур от -60 до +20°С, со стабильностью ±0,05% в течение 2000 ч при номинальной нагрузке при температуре окружающей среды 85°С.
Техническим результатом данного изобретения является создание дешевого резистивного материала оптимального состава, гарантирующего требуемые ТКС и R, что дает возможность его использования без дополнительных затрат в серийном производстве тонкопленочных резисторов.
Технический результат достигается тем, что резистивный материал для изготовления тонкопленочных резисторов, содержащий хром, железо, алюминий, титан, диоксид кремния, окись алюминия (алунд), дополнительно содержит никель и диоксид церия при следующем количественном соотношении компонентов, мас.%:
хром
6,5-25,5
железо
8,5-15,2
алюминий
5,9-14,6
титан
10,8-15,7
диоксид кремния
32,5-55,5
окись алюминия
0,8-5,0
никель
1,7-18,4
диоксид церия
1,3-4,6.
-6
-6
Сущность изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата. В заявляемом изобретении отличительный от прототипа признак - это новые ингредиенты: никель и диоксид церия. Этот отличительный признак в совокупности с остальными существенными признаками изобретения, представляющими собой конкретные выбранные концентрации компонентов: хрома, железа, алюминия, титана, диоксида кремния, окиси алюминия, никеля, диоксида церия, а также отсутствие такой энергетически емкой и длительной по времени (до 12 ч) операции, как термотренировка резисторов, позволяют достичь требуемого технического результата, т.е. получить пленки сопротивлением от 1000 до 5000 Ом с выходом годных резисторов по ТКС ± 15×10 1/°С не менее 80-100% в диапазоне температур от 20 до +125°С и с ТКС ±25×10 1/°С 70-100% в диапазоне температур от -60 до +20°С, со стабильностью ±0,05% в течение 2000 ч при номинальной нагрузке при температуре окружающей среды 85°С.
-6
-6
Таким образом, по сравнению с прототипом и аналогом были получены прецизионные тонкопленочные резисторы с поверхностным сопротивлением от 1000 до 5000 Ом с выходом годных резисторов по ТКС ± 15×10 1/°С не менее 80-100% в диапазоне температур от 20 до +125°С и с ТКС ± 25×10 1/°С 70-100% в диапазоне температур от -60 до +20°С, со стабильностью ±0,05% в течение 2000 ч при номинальной нагрузке при температуре окружающей среды 85°С. Это наглядно подтверждает наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом.
Ниже приводятся конкретные примеры, подтверждающие возможность существования изобретения и доказывающие возможность получения указанного в предыдущем разделе технического результата. Для изготовления тонкопленочных резисторов на основе предлагаемого резистивного материала были приготовлены три смеси с различным содержанием исходных компонентов (см. таблицу). Для приготовления этих смесей порошки хрома (марка ПХ1С), железа (марка ПЖ4М), титана (марка ПТОМ), диоксида кремния (марка ЧДА), никеля (марка ПНЭ-1) предварительно просеивались через набор сит и в дальнейшем использовались только фракции с размером частиц не более 60 мкм. Просев порошков алюминия (марка АСД-4) и диоксида церия (марка ЦеО-Л) не проводился. Взвешенные в соответствии с указанными в таблице процентными соотношениями компоненты резистивного материала (по 100 грамм каждой смеси) ссыпались в фарфоровые ступки. Смешивание компонентов проводилось в среде этилового спирта. На 100 грамм смеси добавлялось 70-80 грамм этилового спирта. После тщательного перемешивания в течение 20-30 мин и получения однородной густой массы резистивный материал высушивался в термостате в течение 1 часа. По окончании сушки приготовленные смеси резистивного материала тщательно растирались до полного удаления комков и пересыпались в стеклянные бюксы.
-4
-5
Получение пленок из резистивных материалов проводилось в установке вакуумно-термического напыления УВН-61П-2М при вакууме 10-10 мм рт.ст.
В кассету камеры напыления вертикально помещались два вольфрамовых испарителя, один из которых чистый без резистивного материала, а другой с нанесенным на него резистивным материалом. Вокруг испарителей размещались цилиндрические керамические основания ТШ-IIб-25 (МЛТ - 0,5 Вт), нанизанные на металлические спицы, которые вращаются вокруг своей оси и одновременно вокруг испарителей, чтобы достичь равномерного формирования пленки. На каждую спицу нанизывается 50 шт. керамических оснований ТШ-IIб-25 (МЛТ - 0,5 Вт). В одной кассете устанавливается 60 спиц, общее количество получаемых после напыления резистивного материала заготовок составляет 3000 шт.
Процесс напыления каждой из подготовленной смеси резистивного материала проводится следующим образом: первоначально обезгаживался испаритель с нанесенным составом, для чего через него пропускался ток 20А в течение 5 мин. Затем проводился подогрев подложек керамических оснований за счет подогрева чистого вольфрамового испарителя без состава. Через испаритель пропускался ток 30А в течение 10 мин. После этого на подогретые керамические подложки проводилось напыление резистивного материала, для чего на 60 с ток на испарителе с составом поднимался до 64А, делалась выдержка 30 с и нагрев испарителя выключался.
Отжиг полученных заготовок резисторов проводился на воздухе в установках СНОЛ-М. Сначала подбиралась оптимальная температура отжига в диапазоне 450-550°С, при которой получаются наименьшие значения ТКС резистивных пленок. Для этого из партии (3000 шт.) термообрабатывали по 10 шт.заготовок при определенной температуре. В выбранном оптимальном режиме проводили термообработку всей партии заготовок.
После термообработки заготовки резисторов армировались контактными узлами, раскалибровывались по группам номиналов, нарезались на станке нарезки с образованием спиральной изолирующей канавки для увеличения величины сопротивления заготовок. Изготавливались резисторы в диапазоне от 500 кОм до 2,5 МОм. Затем проводилась импульсная тренировка и окраска.
Для определения процента выхода годных резисторов по ТКС проводилась раскалибровка резисторов на автоматической системе «ТКС-72». Результаты полученного выхода годных резисторов, изготовленных на базе различных процентных соотношений компонентов предлагаемого резистивного материала, приведены в таблице.
Таким образом, результаты, приведенные в таблице, показывают преимущества предлагаемого резистивного материала по сравнению с прототипом и аналогом.
Простота получения предлагаемого резистивного материала и процесс его напыления на керамические основания дают возможность его использования без дополнительных затрат в серийном производстве тонкопленочных резисторов.
Таблица
Процентное содержание компонентов резистивного
Исходные компоненты
материала, мас.%
в резистивном
Номер смеси
материале
1
2
3
Прототип
Хром
6,5-18
9,0-20
14,0-25
3-28
Железо
9,2-15,2
8,7-14,7
8,5-14,5
6-14
Алюминий
6,6-14,6
6,4-14,4
5,9-13,9
9-13
Диоксид кремния
35,5-55,5
34,4-54,4
32,5-52,5
30-52
Титан
11,7-15,7
11,4-15,4
10,8-14,8
10-14
Окись алюминия
1,0-5,0
0,9-4,9
0,8-4,8
остальное
Никель
18,4-3,1
10,3-2,2
6,2-1,7
Диоксид церия
1,3-2,1
2,1-2,4
3,8-4,6
Удельное сопротивление кОм/квадрат
3,0-5,0
1,0-2,0
1,2-2,3
1,0-30
Процент выхода годных резисторов с ТКС ± 15×10<sup>-6</sup> 1/°С при Т<sub>окр.ср</sub>=20-125°С, %
80-90
90-100
90-100
-
Процент выхода годных резисторов с ТКС ± 50×10<sup>-6</sup> 1/°С при Т<sub>окр.ср</sub>=20-125°С, %
100
100
100
90-100
Процент выхода годных резисторов с ТКС ± 25×10<sup>-6</sup> 1/°C при Т<sub>окр.ср.</sub>=-60- +20°С, %
70-80
80-100
70-90
-
Процент выхода годных резисторов с ТКС ± 150×10<sup>-6</sup> 1/°C при Т<sub>окр.ср.</sub>=-60- +20°С, %
100
100
100
90-100
Литература
1. Авторское свидетельство СССР №834778, кл. Н01C 7/00, 1981.
2. Патент №2036521 от 15 февраля 1993 г.