Мощный тонкопленочный резистор

Полезная модель относится к электронной технике, а именно к производству постоянных резисторов по тонкопленочной технологии и может быть использована в электронной, радиотехнической и других смежных отраслях промышленности при изготовлении мощных СВЧ резисторов.
Производство СВЧ резисторов является высокорастущей областью производства. Направления развития и в целом обзор СВЧ резисторов приводится, например, в статье «Мощные полосковые СВЧ-резисторы Р1-17» (https://cyberleninka.ru/article/v/moschnye-poloskovye-svch-rezistory-r1-17).
Известен способ изготовления прецизионных чип-резисторов по гибридной технологии (Пат RU2402088), содержащий последовательное формирование на изоляционной подложке на основе толстопленочной технологии электродных контактов, а на основе тонкопленочной технологии - резистивного слоя с последующим ломанием изоляционной подложки на чипы, отличающийся тем, что 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, после чего 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 торцы 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). Известное техническое решение никак не учитывает и не устанавливает шероховатость поверхности подложки после полирования, а также толщину резистивного слоя, которые, как раскрыто далее, играют существенную роль в стабильной работе резистора.
Резистор, полученный по вышеуказанной технологии, включающий в себя изоляционную (диэлектрическую) подложку из [высокотеплопроводной] керамики с полированной лицевой стороной и нанесенную на подложку резистивную пленку с электродными контактами, выбран в качестве прототипа.
Задачей полезной модели являлось повышение стабильности сопротивления при длительной эксплуатации мощных резисторов.
Указанная задача решается мощным тонокопленочным резистором, включающим в себя диэлектрическую подложку из высокотеплопроводной керамики и нанесенную на нее резистивную пленку (на основе тантала, или нихрома, или хрома, или их силицидов), в котором, согласно предложению, с целью повышения параметров надежности резистора (стабильности сопротивления при длительной эксплуатации), диэлектрическую положку из высокотеплопроводной керамики (окись алюминия, окись бериллия, нитрид алюминия, и др.) полируют до получения  высоты неоднородности не более 0,1 мкм, при этом толщина резистивной пленки должна быть не менее удвоенной высоты неоднородности.
2
2
*
Мощный СВЧ резистор представляет собой плоскую прямоугольную керамическую подложку 1 с нанесенной на одну сторону резистивной пленкой 2, контактными площадками 3 и выводами, а на другую сторону слоем металла 4, предназначенного для того чтобы зафиксировать (обеспечить тепловой контакт методом пайки, приклеивания, фиксации на термопасту и т.п.) эту сторону подложки на корпусе 5 или напрямую на теплоотводе 6 (фиг. 1). При подаче электрического напряжения U на контактные площадки, в резистивной пленке 2 начинает протекать электрический ток I. В соответствии с законом Ома этот электрический ток пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению резистивной пленки R (I = U/R). При этом в резистивной пленке начинает выделяться электрическая мощность Р, которая греет резистивный слой и в виде тепла рассеивается в окружающую среду. При этом действуют известные соотношения Р = IR, P = U/R.
t
1
2
t
*
t
1
2
Учитывая тот факт, что процесс теплопередачи выделенного в резистивной пленке 2 тепла происходит, в основном, через керамическую подложку 1 в теплоотвод 6, можно утверждать, что теплопередача осуществляется за счет теплопроводности, и применимы выражения для простых инженерных расчетов теплового сопротивления резистора: R = (T – T)/P и R = D/ (лS) где R– тепловое сопротивление резистора (между резистивной пленкой и обратной стороной подложки), T– температура резистивной пленки,T– температура подложки со стороны теплоотвода, P – мощность рассеиваемая в резистивной пленке, л – коэффициент теплопроводности материала подложки, D – толщина положки, S – площадь резистивной пленки.
1
2
*
На фиг.  2 представлены расчетные графики зависимости перепада температур T – Tв зависимости от удельной мощности рассеивания резистора для материала подложки с коэффициентами теплопроводности 180 Вт/мК (Нитрид алюминия).
о
о
Большинство производителей мощных СВЧ резисторов (см., например: https://www.erkon-nn.ru/upload/iblock/771/r1_17_rkmu.434110.001_vp_datasheet_ru.pdf или http://www.barryind.com/pdf/Resistors/Power_Flange/RXXXX-400-1X.pdf или http://www.diconex.fr/media/39-0216.pdf) ограничивают температуру теплоотвода и резистивной пленки. Обычные значения 100С и 155С соответственно. При этой температуре резистивные пленки ведут себя достаточно стабильно. Однако речь идет о средних значениях температуры на поверхности резистивных пленок.
2
Для примера рассчитана удельная мощность мощного СВЧ резистора Р1-17-250 Вт и получено значение 308 Вт/см (фиг. 3). Подставив его в график, можно получить температуру перегрева порядка 50 градусов (фиг. 2).
о
Однако опыт разработки мощных СВЧ резисторов особенно с высокой удельной мощностью показал, что недостаточно обеспечить среднюю температуру резистивной пленки порядка 150-155С.
о
Для наглядности ситуации были проведены испытания СВЧ резисторов типа Р1-17-250 Вт, изготовленных на подложках из нитрида алюминия с полированной и шлифованной поверхностью (фиг. 4 и фиг. 5). Высота дефектов не превышала 0,032 мкм в первом случае и 1,776 мкм для шлифованного варианта. Толщина пленки при напылении тантала (для сопротивления 35 – 75 Ом) на установке «Каролина-12Б» достигала 0,2 – 0,25 мкм. Результаты сравнительных испытаний на безотказность (наработка в течение 1000 часов в номинальном режиме Р=250 Вт, температура теплоотвода 100С) приведены на фиг. 6. Из приведенных данных следует однозначный вывод, что на полированных подложках результаты по стабильности сопротивления значительно лучше.
Результаты испытаний показывают, что на стабильность (скорость окислительного процесса) оказывает дефектность поверхности керамических материалов. Чтобы оценить степень влияния дефекта подложки рассмотрим следующую модель.
Выделим некоторую область в резистивной пленке и представим, что на подложке имеет место дефект в виде выступа 7 (фиг. 1). За счет выступа 7 толщина пленки 2 в этом месте будет меньше, чем в окружающей области, а омическое сопротивление пропорционально толщине пленки.
2
о
о
2
*
d
1
*
t
d
Для наглядности рассмотрим эквивалентную схему этого участка (фиг. 7). В соответствии с этой схемой и формулой Р = IR видно, что на дефекте подложки будет рассеиваться большая мощность чем в окружающей области. В соответствии с формулой (T – T)= PR будет иметь место перегрев в локальной дефектной области (T) по отношению к средней температуре пленки. Причем локальный перегрев может быть весьма значительным. Если грубо считать, то при увеличении сопротивления локального дефекта в 2 раза, мощность рассеивания на нем возрастает тоже в 2 раза и, следовательно, есть локальный скачок температуры, пропорциональный мощности рассеивания. В рассматриваемом случае температура на локальном дефекте может достигать уже 200С. При таких температурах процесс окисления материала резистивной пленки 2 идет более интенсивно. Приведенные примеры расчетов носят качественный характер, но позволяют проиллюстрировать природу локальных перегревов. При температурах более 200С тонкопленочные материалы начинают интенсивно окисляться, что приводит к значительному изменению сопротивления (низкой стабильности резистора в процессе эксплуатации). Поэтому толщина пленки должна быть больше высоты дефекта подложки в два раза и более. Эти соотношения справедливы для мощных СВЧ резисторов с высокой удельной мощностью (современный уровень 250 - 400 Вт/см).