Материал для изготовления тонкопленочных резисторов
Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при изготовлении низкоомных тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками. Материал для изготовления тонкопленочных резисторов содержит хром, железо, алюминий, диоксид кремния, титан при следующем количественном соотношении компонентов, мас.%: хром - 46÷56; железо - 3; алюминий - 9; диоксид кремния - 20÷30; титан - 12. Материал для тонкопленочных резисторов обеспечивает получение низкоомных тонкопленочных резисторов с прецизионными свойствами с удельным поверхностным сопротивлением от 20 до 170 Ом с выходом годных резисторов по ТКС±5×10-6 1/°С 60-80%, а по ТКС±10×10-6 1/°С 99-100% в диапазоне температур от 20° до 125°С, со стабильностью в течение 2000 ч при номинальной нагрузке 0,005% при 85°С, а также достигнута более линейная зависимость ТКС от температуры в диапазоне температур от -60° до +20° (ТКС±15-25×10-6 1/°С). 1 табл.
Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при изготовлении низкоомных тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками.
Известен резистивный материал для изготовления тонкопленочных резисторов [1], содержащий хром, железо, алюминий, титан, диоксид кремния при следующем количественном соотношении компонентов, мас.%:
хром - 30-56;
железо - 5-20;
алюминий - 10-16;
титан - 3-10;
диоксид кремния - остальное.
Этот материал обеспечивает получение тонкопленочных резисторов с удельным поверхностным сопротивлением от 30 до 100 Ом и ТКС±15×10-6 1/°С с выходом годных не менее 60-80% заготовок в каждой изготовленной партии.
Получение более низких значений ТКС, необходимых для изготовления низкоомных прецизионных тонкопленочных резисторов, на основе этого резистивного материала невозможно.
Известен также резистивный материал для изготовления тонкопленочных резисторов [2], 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.
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 же более низких значений ТКС, необходимых для изготовления низкоомных прецизионных тонкопленочных резисторов, на основе этого резистивного материала невозможно, как и в предыдущем случае.
Наиболее близкими к заявляемому материалу по совокупности признаков являются резистивные материалы для изготовления тонкопленочных резисторов [3], содержащие хром, железо, титан, алюминий, диоксид кремния, в следующих количественных соотношениях компонентов, мас.%:
| 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 резистивные 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, в области отрицательных температур до -60°С. ТКС этих материалов равен ±55×10-6 1/°С. Получение же более низких значений ТКС в диапазоне температур от -60 до +125°С, необходимых для производства прецизионных тонкопленочных резисторов, на основе этих резистивных материалов невозможно.
Задачей изобретения является создание резистивного материала, обеспечивающего получение низкоомных тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками с удельным поверхностным сопротивлением от 20 до 170 Ом с выходом годных резисторов по ТКС±5×10-6 1/°С 60-80%, а по ТКС±10×10-6 1/°С 99-100% в диапазоне температур от 20 до 125°С, со стабильностью в течение 2000 ч при номинальной нагрузке 0,005% при 85°С, а в диапазоне температур от -60 до +20 - более линейную зависимость по сравнению с прототипом (ТКС±15-25×10-6 1/°С).
Техническим результатом данного изобретения является создание дешевого резистивного материала оптимального состава, гарантирующего требуемые значения ТКС и R, что дает возможность его использования без дополнительных затрат в серийном производстве.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что резистивный материал для изготовления тонкопленочных резисторов содержит хром, железо, алюминий, титан, диоксид кремния при следующем количественном соотношении компонентов, мас.%:
хром - 46-56;
железо - 3;
алюминий - 9;
титан - 12;
диоксид кремния - 20-30.
Сущность изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата. В заявляемом изобретении отличительный от прототипа признак - это другое количественное содержание железа, алюминия, титана. Эти отличительные признаки, а также отсутствие такой энергетически емкой и длительной по времени (до 12 ч) операции, как термотренировка резисторов, в совокупности с остальными существенными признаками изобретения, представляющими собой конкретные выбранные концентрации компонентов: хрома, железа, алюминия, титана, диоксида кремния, позволяют достичь требуемого технического результата, т.е. получить низкоомные пленки сопротивлением от 20 до 170 Ом с выходом годных резисторов по ТКС±5×10-6 1/°С не менее 60-80%, а по ТКС±10×10-6 1/°С 99-100% в диапазоне температур от 20° до 125°С, стабильность в течение 2000 ч при номинальной нагрузке 0,005% при 85°С, а в диапазоне температур от -60 до +20° получить более линейную зависимость ТКС от температуры по сравнению с прототипом (ТКС±15-25×10-6 1/°C).
Таким образом, по сравнению с прототипом был увеличен выход годных по ТКС±10×10-6 1/°С до 99-100%, достигнуто получение прецизионных резисторов с ТКС±5×10-6 1/°С не менее 60-80% со стабильностью в течение 2000 ч при номинальной нагрузке 0,005% при 85°С, а также достигнута более линейная зависимость ТКС от температуры в диапазоне температур от -60 до +20°С (ТКС±15-25×10-6 1/°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 минут 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 вакуумно-термического 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 3 до 34 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.
Простота получения предлагаемого резистивного материала и процесса его напыления на керамические основания дают возможность его использования без дополнительных затрат в серийном производстве тонкопленочных резисторов.
В таблице приведены примеры изготовленных смесей с различным содержанием исходных компонентов.
| Исходные компоненты в резистивном материале | Процентное содержание компонентов резистивного материала, мас.% | |||
| Номер смеси | ||||
| 1 | 2 | 3 | Прототип | |
| Хром | 56 | 51 | 46 | 34-55 |
| Железо | 3 | 3 | 3 | 5-8 |
| Алюминий | 9 | 9 | 9 | 10-12 |
| Диоксид кремния | 20 | 25 | 30 | 14-40 |
| Титан | 12 | 12 | 12 | 10 |
| Удельное сопротивление, Ом/квадрат | 20-40 | 60-80 | 100-170 | 20-400 |
| Процент выхода годных резисторов с ТКС±5×10-6 1/°С при Tокр. ср.=20 - 125°С, % | 60-80 | 60-80 | 60-80 | - |
| Процент выхода годных резисторов с ТКС±10×10-6 1/°С при Tокр. ср.=20 - 125°С, % | 99-100 | 99-100 | 99-100 | 90-100 |
| Процент выхода годных резисторов с ТКС±15-25×10-6 1/°С при Tокр. ср.=(-60) - (+20)°С, % | 99-100 | 99-100 | 99-100 | - |
Таким образом, по сравнению с прототипом был увеличен выход годных по ТКС±10×10-6 1/°С до 99-100%, достигнуто получение прецизионных резисторов с ТКС±5×10-6 1/°С не менее 60-80% со стабильностью в течение 2000 ч при номинальной нагрузке 0,005% при 85°С, а также достигнута более линейная зависимость ТКС от температуры в диапазоне температур от -60 до +20°С (TKC±15-25×10-6 1/°C).
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 вышеуказанные компоненты выбраны при следующем количественном соотношении, мас.%:
хром 46÷56
железо 3
алюминий 9
диоксид кремния 20÷30
титан 12
