Способ получения толстоплёночных резисторов

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу получения толстопленочных резисторов и может быть использовано в производстве постоянных резисторов для гибридных интегральных схем. Повышение термического коэффициента сопротивления за счет улучшения однородности формируемых резистивных слоев является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что вжигание высокотемпературной резистивной пасты проводят при температуре 650-700°С при воздействии ультразвуком частотой 60-65 КГц и амплитудой 1-1,2 мкм в течение 15±3 минут, а затем при температуре 840-850°С в течение 15±3 минут при воздействии электромагнитным полем частотой 60-65 МГц. 1 табл., 1 пр.

 

Уровень техники

Известен способ получения толстопленочных резисторов [1], согласно которому резистор изготавливают традиционными методами толстопленочной технологии, включающими последовательное нанесение методом трафаретной печати на изолирующую подложку проводникового и резистивного слоев, их сушку и вжигание в воздушной атмосфере, причем сначала наносят первый резистивный слой, а затем поверх резистивного слоя второй проводниковый слой, при этом для формирования проводниковых слоев используют проводниковую пасту, включающую агент -восстановитель (бор, алюминий и другие), или вещество, разлагающееся при вжигании с образованием такого восстановителя (борида никеля и др.), а для формирования резистивного слоя пасту, содержащую порошок стекла, или стеклокерамическую композицию и органическое связующее.

Недостатком технологии является недостаточно высокий выход годных кристаллов и относительно низкий термический коэффициент сопротивления, обусловленный неоднородным распределением компонентов в теле резистора.

Известен способ изготовления прецизионных чип - резисторов по гибридной технологии, защищенный патентом [2]. Отличием предлагаемого способа является формирование электродных контактов на тыльной стороне подложки, что усложняет технологический процесс и снижает выход годных компонентов за счет неоднородности резистивного слоя.

За прототип был взят способ изготовления толстопленочных резистивных элементов [3], включающий последовательное нанесение методом трафаретной печати на изолирующую подложку проводникового и резистивного слоев с последующим вжиганием в воздушной атмосфере. В известном способе чередуют нанесение проводникового слоя с вжиганием его на отдельном участке изолирующей подложки при температуре 805°С в течение 70±5 минут поэтапно с последующим контролем номинала резистивных элементов, причем при завышенном номинале подгонку проводят при температуре 690±10°С в течение 5-10 минут, далее проводят лужение в расплавленном припое окунанием при температуре (250±10)°С.

Существенным недостатком способа является технологическая сложность, следствием которой является низкий выход годных резисторов, связанный с необходимостью подгонки номиналов резисторов при большом разбросе величины их сопротивления.

Техническая задача

Техническим результатом является повышение однородности формируемых резистивных слоев и повышение выхода годных за счет сокращения числа технологических операций м повышения управляемости процесса формирования слоев, что обеспечивает возможность получения прецизионных чип - резисторов.

Способ получения толстопленочных резисторов включающий нанесение резистивной пасты на поверхность диэлектрической подложки и вжигание слоя при температуре (800-850)°С, отличающийся тем, что с целью повышения однородности резистивного слоя и выхода годных резисторов вжигание проводят при температуре (650-700)°С при воздействии ультразвуком частотой (60-65) КГц и амплитудой 1-1,2 мкм в течение 15±3 минут, а затем при температуре (840-850)°С в течение 15±3 минут при воздействии электромагнитным полем частотой (60-65) МГц.

Изготовление толстопленочных резисторов по предлагаемому способу производится следующим образом:

В качестве основы изготавливаемых резисторов используют изолирующую подложку (например, керамическую пластину). Вначале на изолирующей подложке формируют планарные контакты путем нанесения проводниковой пасты на лицевую поверхность подложки. В дальнейшем на этой стороне подложки будет формироваться резистивный слой с последующим вжиганием. Резистивный слой формируют посредством нанесения высокотемпературной резистивной пасты методом трафаретной печати с последующим вжиганием в конвейерной печи с использованием внешних колебательных воздействий. При температуре в печи (650-700)°С расплавленную пасту подвергают ультразвуковому воздействию частотой (60-65) КГц и амплитудой 0,001 м, а при температуре печи (830-850)°С обработке высокочастотными электромагнитными колебаниями частотой (60-65) МГц. При температуре ниже 650°С в слое сохраняется высокая неоднородность распределения металлической фазы, что может приводить, в дальнейшем, к разбросу сопротивления резистивных слоев до величины (40-50)%. При температуре выше 700°С эффект повышения однородности резистивного слоя за счет ультразвукового воздействия существенно не изменяется, сохраняясь в пределах 10%. Обработка ультразвуковыми колебаниями резистивной расплавленной пасты на этом этапе позволяет повысить однородность распределения крупных частиц металлической фазы, что приводит к снижению разброса сопротивления формируемого слоя. Воздействие ультразвуком частотой ниже 60 КГц приводит к недостаточному повышению однородности резистивного слоя, увеличение частоты ультразвуковых колебаний выше 65 КГц также не приводит к существенному повышению однородности слоев - разброс сопротивления сохраняется в пределах 10%.

При движении в печи подложки с нанесенными резистивными слоями попадают в область температуры от 840 до 850°С. На этом участке теплового поля печи расплав обрабатывают высокочастотными электромагнитными колебаниями частотой (60-65) МГц, что обеспечивает повышение однородности резистивного слоя до уровня (3-5)% за счет повышения подвижности и перераспределения мелких частиц металлической фазы. При температуре менее 840°С однородность резистивных слоев сохраняется на уровне 10%, при температуре выше 850°С однородность резистивных слоев сохраняется на уровне (3-5)%. Кроме того, повышение температуры печи приводит к дополнительным энергозатратам, что сказывается на себестоимости продукции. При частоте высокочастотного воздействия менее 60 МГц эффект повышения однородности резистивных слоев недостаточен (однородность сопротивления слоя находится в пределах (6-8)%, увеличение частоты выше 65 МГц не приводит к существенному повышению однородности - она сохраняется в пределах (3-5)%.

Выбор параметров управляющих ультразвуковых воздействий основан на теории, описанной в [4]. Сущность метода состоит в том, что управление системами, обладающими значительной энергией (например, технологические процессы, связанные с нагреванием) не очень удобно путем изменения температуры процесса, в связи с высокой инерционностью этого канала управления. Нагрев переводит системы в метастабильное состояние, которым можно управлять относительно небольшими воздействиями и осуществлять, например, фазовый переход, приводящий систему в желаемое состояние (требуемое состояние). Внешние, относительно низкоэнергетические воздействия, позволяют управлять с меньшей инерционностью, быстро и точно достигая желаемого результата. По типу энергия управляющих воздействий может отличаться от источника базовой энергии системы. В применении к сложной гетерогенной системе, какой является толстая пленка, в состав которой входят оксиды (стекло), частицы металла, или сплава, органическая связка, принципиально важными являются кинетические показатели нагревания композита. Разные коэффициенты температуропроводности системы приводят к разной подвижности элементов системы - частицы металла нагреваются быстрее и становятся более подвижными. Небольшие управляющие воздействия помогают частицам металла образовать достаточно прочную пленку в объеме композита (выгода такой консолидации диктуется термодинамикой - энергия консолидированной системы меньше энергии хаотической). Электромагнитные поля способствую процессу самоорганизации, в результате которой связываются частицы примерно одинакового размера что обеспечивает возможность протекания тока с минимальным сопротивлением и обеспечивает минимум токовых шумов прибора.

При необходимости осуществляют подгонку резисторов методом удаления части резистивного слоя сфокусированным лучом лазера. Далее формируется дополнительный защитный слой посредством нанесения либо высокотемпературной защитной пасты методом трафаретной печати с последующей сушкой и вжиганием и разделением подложек на чипы.

Пример

В качестве основы резистора использовалась изолирующая подложка из алюмооксидной керамики. Технологический процесс изготовления резисторов включал следующую последовательность операций:

1. Нанесение на лицевую сторону подложки методом трафаретной печати слоя высокотемпературной проводниковой пасты ПП-8.

2. Сушка в ИК - печи при 150°С в течение 20 минут для удаления органической связки

3. Вжигание в конвейерной печи при температуре до 840°С в течение 10 минут для формирования контактов.

4. Формирование резистивного слоя посредством нанесения высокотемпературной резистивной пасты.

5. Сушка нанесенного слоя в печи инфракрасного нагрева при температуре 150°С в течение 25 минут.

6. Вжигание в мультизонной конвейерной печи высокотемпературной резистивной пасты при температуре (650-700)°С ультразвуковому воздействию частотой (60-65) кГц и амплитудой 1,1 мкм.

7. Вжигание в мультизонной печи при максимальной температуре (840-850)°С в течение 12-18 минут при высокочастотном электромагнитном воздействии частотой (60-65) МГц.

8. Формирование защитного слоя посредством нанесения высокотемпературной защитной пасты (ТУ 011000387275) на резистивный слой.

9. Сушка нанесенного защитного слоя в ИК-печи при 150°С в течение 20 минут.

10. Вжигание защитного слоя в мультизонной печи при максимальной температуре 600°С в течение 10 минут.

11. Подгонка резисторов сфокусированным лазерным пучком (при необходимости).

12. Контроль сопротивления резисторов проводили по ГОСТ 21342.20-78 «Резисторы. Метод измерения сопротивления». Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) измеряли согласно ГОСТ 21842.15-78. «Резисторы. Метод определения температурной зависимости сопротивления».

Наработку оценивали + по ГОСТ 25359-82 «Изделия электронной техники. Общие требования по надежности и методам испытаний»

Надежность резисторов подтверждена испытаниями. Интенсивность отказов в предельно допустимых режимах эксплуатации (Р=Р_ном, Т=85°С) не более 1-10 1/ч в течение наработки = 30000 часов в пределах срока службы (Т_он)=25 лет.

Себестоимость производства резисторов снизилась по сравнению с базовым вариантом на 35% за счет исключения операций формирования дополнительных слоев и повышения выхода годных с 72% до 97%.

Литература

1. Патент РФ №2086027 МПК Н01С 17/06, опубл. 27.07.1997 г.

2. Патент РФ №2402088, МПК Н01С 17/06, Н01С 17/28, опубл. 20.10.2010

3. Патент РФ №2497217, МПК Н01С 17/06, опубл. 27.10.2013 г.

4. Косушкин В.Г. Управление ростом кристаллов изкоэнергетическими воздействиями (Монография) Из-во научной литературы Н.Ф. Бочкаревой, 2004._272 с.

Способ получения толстопленочных резисторов, включающий нанесение резистивной пасты на поверхность диэлектрической подложки и вжигание слоя при температуре 800-850°С, отличающийся тем, что с целью повышения однородности резистивного слоя и выхода годных резисторов вжигание проводят при температуре 650-700°С при воздействии ультразвуком частотой 60-65 КГц и амплитудой 1-1,2 мкм в течение 15±3 минут, а затем при температуре 840-850°С в течение 15±3 минут при воздействии электромагнитным полем частотой 60-65 МГц.