книги из ГПНТБ / Зайцев Ю.В. Переменные резисторы

В качестве связующего компонента композиции обычно используют термореактивные смолы фенольного типа, хорошо смачивающие полупроводниковые проводящие компоненты (сажу и графит) и дающие небольшую усад­ ку после прессования. В ряде случаев с целью улучше­ ния термостабильности и износоустойчивости в связую­ щий компонент добавляют небольшое количество термо­ пластичных смол. Наибольшая механическая прочность композиции обеспечивается при объемном содержании смол в 40—50%. В состав композиционного проводника входят также наполнитель, небольшое количество отвердителя и смазывающих веществ (стеарина пли стеарата кальция), уменьшающих прилипание изделий к прессформам при горячем прессовании. Проводимость пласт­ масс определяется в основном процентным содержанием проводящих компонентов и в незначительных пределах может быть скорректирована температурой прессования.

Рабочие пресс-порошки с различной проводимостью получают обычно из нескольких исходных составов пресспорошков изменением процентного содержания компонентов; подобранные составы многократно кор­ ректируются, поскольку юстировка объемных ПЭ затруд­ нительна. С целью более точной дозировки пресспорошка и улучшения воспроизводимости процесса перед горя­ чим прессованием часто проводят предварительное холодное формирование изделий. Характеристики ком­ позиций определяются как их составом, так и в значи­ тельной мере способом получения пресспорошков.

Наиболее простой технологический принцип получе­ ния пресспорошков заключается в помоле исходных ком­ понентов (проводника, связки и наполнителя) с после­ дующим смешиванием. Прямое смешивание компонен­ тов не обеспечивает высокого качества композиции, поскольку при этом не обеспечиваются удовлетворитель­ ное диспергирование проводящих компонентов и полная пропитка материала смолой при горячем прессовании. Возникающие в материале поры снижают его влагостой­ кость, термостойкость и механическую прочность. В свя­ зи с этим при прямом смешивании смесь целесообразно подогревать до температуры плавления смолы. Смешива­ ние производится в специальных смесителях или на на­ гретых вальцах. При этом процесс смешивания идет бо­ лее интенсивно и улучшается диспергирование проводни­ ка в композиции; одновременно происходит конденсация

160

связующей смолы — переход в стадию Б, после которого смешивание прекращается. После прессования получен­ ная масса дробится до порошкообразного состояния.

Пресспорошки получают также так называемым ла­ ковым способом: сначала выполняют описанными мето­ дами проводящую и непроводящую суспензии, далее не­ проводящая суспензия выпаривается и подвергается по­ молу. Полученный порошок смешивается с проводящей суспензией, после чего смесь снова выпаривается и под­ вергается помолу. Лаковый способ получения пресс-по­ рошков довольно длителен и трудоемок в связи с необ­ ходимостью длительного помола суспензий и выпарива­ ния растворителей. Более удобным является сухой способ смешивания компонентов, при котором производится предварительное вальцевание смолы с наполнителем, способствующим его пропитке смолой. Далее в размяг­ ченную массу добавляют проводящие компоненты и валь­ цевание продолжают до получения однородной смеси с заданной вязкостью. После отверждения смесь измельча­ ется и вакуумируется для удаления летучих примесей.

Полученные сухим и лаковым способами пресс-по­ рошки состоят из зерен наполнителя, покрытых слоем композиции, проводимость которой легко поддается ре­ гулированию. При прессовании проводящие оболочки зерен сплавляются, образуя структуру, аналогичную структуре пленочной композиции с наполнителем.

В технологии производства переменных резисторов в основном используются пластмассы, основными прово­ дящими компонентами которых являются сажа и графит.

Отметим, что весьма перспективными для производ­ ства переменных резисторов являются пластмассы, про­ водящими компонентами которых являются химически стойкие металлы. Естественно, что методы введения ме­ таллических частиц в пластмассу различны.

Среди существующих методов наибольшее распрост­ ранение получили следующие: 1) мелкодисперсные по­ рошки металлов в заданных соотношениях смешивают с полимерным материалом, а полученную суспензию за­ ливают в формы, где производится ее отверждение; 2) гранулы полимера покрывают слоем металла и по­ лученный порошок прессуют при нагреве; нанесение ме­ талла на гранулы полимера производится катодным распылением, термическим испарением, термическим восстановлением, химическим восстановлением солей ме­

таллов; 3) смешивают растворы полимера и органиче­ ской соли выбранного металла; после осаждения из рас­ твора исходных компонентов смесь подвергают термо­ обработке в вакууме, при которой происходит восстанов­ ление соли с выделением чистого металла; 4) проводя­ щие металлические частицы размельчают в шаровой мельнице в присутствии различных мономеров; в резуль­ тате полимер покрывает поверхность частиц, обеспечивая их равномерное распределение по объему полимера.

При последующих технологических операциях полу­

устанавливают контактные выводы.

Композиции с неорганическим связующим. Как уже отмечалось, композиции с неорганическим связующим компонентом отличаются более высокой термостойко­ стью и влагостойкостью по сравнению с композициями на органической связке. Это способствует все более ши­ рокому использованию композиций с неорганическим связующим в качестве проводящих материалов перемен­ ных резисторов.

В нашей стране практическое применение получили композиции стеклоэмалей с сажей (в резисторах типа СПО). Однако эти композиции имеют приемлемые элек­ трофизические свойства до удельных сопротивлений 102—103 Ом-м, причем удовлетворительная воспроизво­ димость композиций сохраняется еще в более узких пре­ делах. Причиной этого является очень малое содержание проводящих компонентов в высокоомных композициях, например, по сравнению с содержанием проводящих ком-* понентов в пластмассах. В работе [ Л .12] указывается, что эта особенность композиций с неорганическим свя­ зующим обусловлена низким сопротивлением контактов между проводящими частицами в результате их непо­ средственного контактирования.

Органические связующие компоненты, обычно хоро­ шо смачивающие сажу и графит, образуют на проводя­ щих частицах тонкие пленки с туннельным механизмом проводимости. Контактные сопротивления в этом случае значительно больше, следствием чего является более высокий процент проводящего компонента в высокоом­ ных композициях. Кроме того, необходимо отметить, что для керамических материалов характерна большая усадка при спекании.

162

Впоследнее десятилетие исследования в этой области

ибыли направлены на использование более высокоом­ ных проводящих компонентов, а также на создание тех­ нологии, обеспечивающей получение пленочных прово­ дящих элементов. Как уже отмечалось, эти проблемные

вопросы были решены с открытием композиций стекла с палладием и серебром, получивших название «керметных» или металло-диэлектрических композиций.

Рис. 3-9. Зависимости сопро­ тивления металлостеклян­ ных пленок от содержания проводящих компонентов.

а)

1—4 — сопротивление пленок с Rs =10, 300, 30 000, 300 000 Ом соответственно.

Технология получения керметной композиции сводит­ ся к следующему. Борносвинцовое стекло с добавкой SiC>2 после сплавления подвергается помолу (до размера зерен 3—5 мкм). Полученный порошок смешивается с по­ рошком серебра и палладия (размер частиц 0,1— 0,5 мкм) и органическим растворителем. Из полученной пасты на керамические основания наносятся пленки, ко­ торые далее подвергаются термообработке в обычной ат­ мосфере при температуре ~ 1000 К. Общее количество проводящего компонента в композиции изменяется от 5 до 40 % (по объему).

Сопротивлением композиции можно в широких пре­ делах варьировать, изменяя объемное содержание про­ водящего компонента. На рис. 3-9 показано изменение поверхностного сопротивления пленок толщиной 25 мкм в зависимости от изменения объемного содержания ме­ талла. С увеличением сопротивления металло-стеклян­ ной композиции возрастают ТКр и уровень собственных шумов (рис. 3-10).

ОООООО

ОООООО

ОООООО

ОООООО

ОООООО

ОООООО

Рис. 3-11. Типичные зернистые системы.

а — плотно упакованная; б и в — цепная; г — островковая.

Свойства композиций. Электрические свойства ком­ позиций обычно приближаются к свойствам проводящих компонентов, поскольку связующие материалы и напол­ нители имеют значительно меньшую проводимость. Про­ водящий компонент образует в композиции совокупность проводящих цепочек. Таким образом, композицию можно рассматривать как систему проводящих частиц, совокуп­ ность контактных сопротивлений между которыми и обу­ словливает ее сопротивление. При этом, как уже отмеча­ лось, шунтирующим сопротивлением связующего компо­ нента можно пренебречь.

Рассмотрение основных электрических свойств ком-­

164

позиций можно проводить, моделируя ее в виде системы проводящих частиц. Наиболее типичные виды таких си­ стем приведены на рис. 3-11.

Удельное объемное сопротивление плотно упакованной однород­ ной системы рс, содержащей в 1 см2 сечения N проводящих цепочек по п частиц в каждой, выразим через сопротивление единичного кон­ такта гк

Сопротивление плотно упакованной системы (рис. 3-11, а), со­ стоящей из проводящих частиц сферической формы диаметром d, с учетом уравнения (3-1)

Итак, удельное сопротивление плотно упакованной системы за­ висит от отношения диаметров проводящих частиц и контактных пятен (3-2), а при определенном давлении в системе не зависит от размеров частиц и возрастает с увеличением твердости материала.

В том случае, когда контактирование происходит через прослой­ ки с проводимостью на единицу площади as, сопротивление системы

[Л. 12]

Как следует из приведенного выражения, сопротивление системы растет с повышением степени дисперсности проводящего компонента.

Относительный объем проводящего компонента П в плотно упакованной однородной системе (рис. 3-11, а) равен 0,52 [Л. 12]. В случае, когда относительный объем проводящего компонента меньше данного значения, воз­ можно образование цепной или островковой системы.

Цепная система (рис. 3-11,6) образуется, когда про­ водящие частицы имеют тенденцию связываться в длин­ ные цепочки (таким свойством обладают некоторые виды

165

Переход от цепной структуры к островковой происходит постепенно и зависимость сопротивления'системы от П описывается выражением

где т — коэффициент, характеризующий возможность управления проводимостью системы, он представляет со­ бой отношение изменения сопротивления системы к из­ менению содержания проводящего компонента

dp/p т = — .

й П/ П

Коэффициент т может изменяться от 1 до 15—20; в технологии производства резисторов используют ком­ позиции, где величина т не превышает 15—20, при боль­ ших значениях управление проводимостью композиций затрудняется.

Эквивалентная схема композиционного проводника, составленная в соответствии с изложенным, показана на рис. 3-12. Общее сопротивление композиции рассматри­ вается как совокупность непрерывных цепей проводя­ щих частиц и цепей частиц с прослойками между ними. Разделенные прослойками проводящие частицы образу­ ют также внутреннюю емкость композиционного провод­ ника. При температурном воздействии в зернистых про­ водящих системах возникают механические деформации, изменяющие размер контактных пятен, зазор между зер­ нами и т. п.

Изменение давления в системе под действием темпе­ ратуры при упругой деформации зерен описывается со­

где Яп и Яи — коэффициенты линейного расширения про­ водящего и изолирующего компонентов соответственно, а Еп и Еж— их модули упругости.

Изменение величины зазора в случае недеформированных проводящих частиц

Изменение сопротивления системы, проводимость ко­

торой определяется сопротивлением растекания из (3-5)

и (3-10)

dp/p = - 0,33dP/P = g - (Яи Ея - К Еп). (3-12)

167

Изменение сопротивления системы контактов через плохо проводящие недеформированные прослойки меж­ ду деформированными проводящими частицами из

(3-6) и (3-11)

dp/p = —0,66dP/P = 0,66(Л,ИЕ„ — KEa)dT. (3-13)

Приведенные соотношения показывают, что при дан­ ных характеристиках материала (Я, Е) в случае упругих деформаций проводящих частиц решающее значение

Рцс. ,3-12. Эквивалентная схе­ ма композиционного проводни­ ка.

имеет величина начального давления; влияние темпера­ туры растет с уменьшением начального давления. При изменении зазора изменение сопротивления, как показы­ вает (3-11), определяется размером проводящих частиц.

Изменение сопротивления от механических деформа­ ций в обоих случаях может иметь любой знак (он опре­ деляется значениями П и Е). Это изменение суммирует­ ся с изменением сопротивления проводящих частиц (знак которого определяется видом используемого проводяще­ го материала), что позволяет, варьируя этими величина­ ми, получать заданный ТКС проводящей системы.

Таким образом ТКС композиции определяется темпе­ ратурным коэффициентом сопротивления проводящих частиц ТКр и деформацией контактных поверхностей между частицами вследствие изменения давления на них при изменении температуры ТКр

Следовательно, ТКС композиции в основном опреде­ ляется свойствами проводящего компонента и величи­ ной давления при формировании. При больших значени­ ях р величина ТКр незначительна и ТКС»ТКр. (Боль­ шие давления при формировании характерны для ком­ позиций с неорганическим связующим компонентом.)

В пленочных композиционных элементах, получаемых без поессования, величина ТКр может иметь значение

168

0,2—0,3%/К. Изменяя удельное сопротивление проводя­ щего компонента и величину давления, можно в объем­

ных композицияхполучать близкое к нулю значе­ ние т к с .

Температурный коэффициент сопротивления компо­ зиции в значительной мере зависит от соотношения тем­ пературных коэффициентов расширения изолирующего и проводящего компонентов.

3-4. Технология пленочных композиционных резисторов

Технология резисторов с линейной функциональной характеристикой. Основные типы переменных резисто­ ров, выпускаемых промышленностью, имеют подковооб­ разный ПЭ, состоящий из изоляционного пластика, по­ крытого слоем композиции. В связи с этим технология производства различных типов переменных резисторов содержит идентичные технологические операции, связан­ ные с получением ПЭ.

Изготовление ПЭ начинают с нарезки полос из ли­ стового слоистого пластика на гильотинных ножницах. В качестве изоляционных оснований переменных рези­ сторов обычно используют наиболее термостойкие недо­ рогие слоистые пластики — электротехнический листовой гетинакс марки VI и стеклотекстолит электротехнический листовой СТЭФ. Изоляционные полосы, предназначен­ ные для покрытия композицией, должны иметь ровную поверхность без царапин, трещин и других дефектов. Края изоляционных полос тщательно очищают от заусе­ нец, а их поверхность перед покрытием суспензией очи­ щают активным растворителем (спиртом, ацетоном). Проводящие суспензии наносят на изоляционные полосы на установке, показанной на рис. 3-13.

Изоляционные полосы устанавливаются в направ­ ляющие 1 конвейера и с помощью вращающихся роли­ ков 2 протягиваются под контейнером 3, из которого на поверхность пластика наносится суспензия. В контейнер суспензия непрерывно поступает из специального резер­ вуара 4. С помощью транспортной ленты 5 полосы на­ правляются в печь 6, где производится высушивание сус­ пензии при температуре 40—60 °С. Высушенные полосы поступают в ящик 7. Полосы подаются под ролики 2 не­ прерывно, скорость протягивания роликами полос равна скорости движения транспортной ленты и составляет

169