Материал для изготовления тонкопленочных резисторов
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками. Материал для изготовления тонкопленочных резисторов содержит хром, железо, алюминий, диоксид кремния. Дополнительно содержит окись алюминия при следующем количественном соотношении компонентов, мас.%: хром - 33÷45; железо - 8,0÷9,6; алюминий - 6,9÷8,4; диоксид кремния - 29,4÷35,9; титан - 8,9÷10,8; окись алюминия - 1,9÷2,3 Резистивный материал обеспечивает получение тонкопленочных резисторов с удельным поверхностным сопротивлением от 100 Ом до 400 Ом и ТКС±5×10-6 1/°С с выходом годных резисторов 60-80%, а по ТКС±10×10-6 1/°С с выходом годных резисторов 95-100% в каждой изготовленной партии в диапазоне температур от 20 до 125°С, а в диапазоне температур от -60 до +20°С имеет более линейную зависимость ТКС от температуры, равную ±10-15×10-6 1/°С со стабильностью в течение 2000 ч при номинальной нагрузке 0,01% при 85°С. 1 табл.
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, алюминий, титан, диоксид кремния, окись алюминия при следующем количественном соотношении компонентов, мас.%:
| Хром | 40-62 |
| Титан | 15-22 |
| Алюминий | 4-8 |
| Диоксид кремния | 13-22 |
| Окись алюминия (алунд) | 3-10 |
Этот резистивный материал выбран за аналог.
Недостатком известного резистивного материала является то, что он предназначен для изготовления резисторов со значениями температурного коэффициента сопротивления ТКС±15×10-6 1/°С в диапазоне температур от +20 до +125°С, а в диапазоне температур от -60 до +20°С ТКС±55×10-6 1/°С. Получение ТКС с более низкими значениями, а также ТКС с более линейной зависимостью от температуры, необходимого для изготовления низкоомных прецизионных тонкопленочных резисторов, на основе этого резистивного материала невозможно.
Наиболее близкими к заявляемому материалу по совокупности признаков являются резистивные материалы для изготовления тонкопленочных резисторов [2], содержащие хром, железо, титан, алюминий, диоксид кремния:
| Состав 491 | Состав 492 | Состав 492 (40% диэлектрика) |
| Cr - 55 | Cr - 44 | Cr - 34 |
| Fe - 8 | Fe - 5 | Fe - 6 |
| Al - 12 | Al - 11 | Al - 10 |
| Ti - 10 | Ti - 10 | Ti - 10 |
| SiO2 - 14 | SiO2 - 30 | SiO2 - 40 |
Эти материалы выбраны за прототип.
Основным недостатком данных резистивных материалов является то, что они предназначены для изготовления резисторов со значениями ТКС±10×10-6 1/°С в диапазоне температур от 20 до 125°С, а в области минусовых температур от -60°С до 20°С, ТКС этих материалов равен ±55×10-6 1/°С. Получение же более низких значений ТКС±10-15×10-6 1/°С в диапазоне температур от -60 до +125°С со стабильностью в течение 2000 ч при номинальной нагрузке 0,01% при 85°С, необходимых для производства прецизионных тонкопленочных резисторов, на основе этих резистивных материалов невозможно.
Задачей изобретения являлось создание резистивного материала, обеспечивающего получение пленок сопротивлением от 100 Ом до 400 Ом с выходом годных резисторов по ТКС±5×10-6 1/°С 60-80%, а по ТКС±10×10-6 1/°С 95-100% в диапазоне температур от 20 до 125°С и с ТКС±10-15×10-6 1/°С 90-100% в диапазоне температур от -60 до +20°С, со стабильностью в течение 2000 ч при номинальной нагрузке 0,01% при 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, дополнительно содержит окись алюминия при следующем количественном соотношении компонентов, мас.%:
хром - 33-45
железо - 8,0-9,6
алюминий - 6,9-8,4
титан - 8,9-10,8
диоксид кремния - 29,4-35,9
окись алюминия - 1,9-2,3
Сущность изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата. В заявляемом изобретении два отличительных от прототипа признака - это новый ингредиент окись алюминия (алунд), а также другое количественное содержание железа, алюминия, титана. Эти отличительные признаки в совокупности с остальными существенными признаками изобретения, представляющими собой конкретные выбранные концентрации компонентов: хрома, железа, алюминия, титана, диоксида кремния, окиси алюминия, 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 100 Ом до 400 Ом с выходом годных резисторов по ТКС±5×10-6 1/°С не менее 60-80%, а по ТКС±10×10-6 1/°С 95-100% в диапазоне температур от 20 до +125°С и с ТКС±10-15×10-6 1/°С 90-100% в диапазоне температур от -60°С до +20°С, со стабильностью в течение 2000 ч при номинальной нагрузке 0,01% при 85°С.
Таким образом, по сравнению с прототипом был увеличен выход годных по ТКС±10×10-6 1/°С до 95-100%, достигнуто получение прецизионных резисторов с ТКС±5×10-6 1/°С не менее 60-80%, а также снижен ТКС в диапазоне температур от -60°С до +20°С с ТКС±55×10-6 1/°С до ТКС±10-15×10-6 1/°С со стабильностью в течение 2000 ч при номинальной нагрузке 0,01% при 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), предварительно просеивались через набор сит и в дальнейшем использовались только фракции с размером частиц не более 60 мкм. Просев порошка алюминия (марка АСД-4) 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.
Получение пленок из резистивных материалов проводилось в установке вакуумнотермического напыления УВН-61П-2М при вакууме 10-4-10-5 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 20 А в течение 5 мин. Затем проводился подогрев подложек керамических оснований за счет подогрева чистого вольфрамового испарителя без состава. Через испаритель пропускался ток 30 А 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 64 А, 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 50 кОм до 200 кОм. 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 | ||||
| Исходные компоненты в резистивном материале | Процентное содержание компонентов резистивного материала, мас.% | |||
| Номер смеси | ||||
| 1 | 2 | 3 | Прототип | |
| Хром | 33 | 39 | 45 | 34-55 |
| Железо | 9,6 | 8,8 | 8,0 | 5-8 |
| Алюминий | 8,4 | 7,6 | 6,9 | 10-12 |
| Диоксид кремния | 35,9 | 32,6 | 29,4 | 14-40 |
| Титан | 10,8 | 9,8 | 8,9 | 10 |
| Окись алюминия | 2,3 | 2,2 | 1,9 | - |
| Удельное сопротивление Ом/квадрат | 300-400 | 120-250 | 100-170 | 20-400 |
| Процент выхода годных резисторов с ТКС±5×10-6 1/°C при Tокр. ср.=20-125°С, % | 60-80 | 60-80 | 60-80 | - |
| Процент выхода годных резисторов с ТКС±10×10-6 1/°C при Tокр. ср.=20-125°С, % | 95-100 | 95-100 | 90-100 | 90-100 |
| Процент выхода годных резисторов с ТКС±10-15×10-6 1/°С при Tокр. ср.=-60±20°С, % | 90-100 | 90-100 | 90-100 | - |
| Процент выхода годных резисторов с ТКС±50×10-6 1/°C при Tокр. ср.=-60±20°С, % | - | - | - | 90-100 |
Литература:
1. Патент №1119515 от 15 февраля 1993 г.
2. Патент №1632251 от 15 февраля 1993 г.
3. Патент №1812561 от 19 апреля 1993 г.
Материал для изготовления тонкопленочных резисторов, содержащий хром, железо, алюминий, диоксид кремния, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит окись алюминия при следующем количественном соотношении компонентов, мас.%:
| хром | 33÷45 |
| железо | 8,0÷9,6 |
| алюминий | 6,9÷8,4 |
| диоксид кремния | 29,4÷35,9 |
| титан | 8,9÷10,8 |
| окись алюминия | 1,9÷2,3 |
