6. Постоянные резисторы и чип-терморезисторы. Материалы и пасты для их изготовления.

Толстопленочная технология находит все более широкое применение при изготовлении различных изделий электронной техники, содержащих резистивные элементы: потенциомет­ров, делителей напряжения, ионно-пленочных индикаторов, резистивных сборок, гибридных интегральных схем, высоковольтных резисторов, чип-резисторов.

Расширение области применения толстопленочной технологии, необходимость улуч­шения технико-экономических показателей производства требует создания новых типов материалов и приборов на их основе, обладающих улучшенными характеристиками по сравнению с разработанными ранее.

Процессы изготовления резисторов достаточно хорошо изучены и описаны в технической литературе [2]. Значительно меньше информации о чип-резисторах. Чип-резисторы формируются на керамических подложках, в основном, размером 6048 мм, предварительно, как правило, разрезанных (на глубину составляющую 2/3 толщины подложки) на прямоугольные элементы– чипы размером 23 мм. Ширина линии реза– до 200 мкм. На чипах, как правило, методом толстопленочной технологии формируют контактные площадки с помощью проводниковых серебросодержащих паст, резистивный слой, используя серебро-паладиевую или рутенийсодержащую резистивную пасту, защитный слой для защиты резистора от внешних воздействий.

Как правило, для получения постоянных резисторов и чип-резисторов используются одни и те же пасты: проводящая паста ПП-8, ПП-10, резистивные пасты, защитные пасты.

Часто для конкретного применения, например, для нагревательных элементов множительной техники нового поколения требуются ТР с большим отрицательным ТКС, изготавливаемые на «чипах» размером 12 мм, с комплексом характеристик: номинальное сопротивление (0,5...1,0)10⁶ Ом , рабочая температура– до 300С , сопротивление при рабочей температуре (0,5...1,0)10³ Ом [5, 6].

1. Подложки.

Одним из основные материалов, используемых для изготовления толстопленочных схем являются подложки, на которых печатаются элементы и схемы. Наиболее часто для подложек применяют 96% корунд (Al₂O₃), содержащий 4% MgO и SiO₂. Подложки из окиси бериллия BeO (99,5% BeO) используются реже и в тех случаях, когда желательно получить исключительные термические свойства и очень хорошее рассеяние тепловой энергии. Теплопроводность 99,5% BeO равна 0,55 кал/(смсград) при 25С, в то время как для 96% Al₂O₃ она равна 0,084 кал/(смсград). Однако порошок BeO крайне токсичен, поэтому обращение с этим материалом требует большой осторожности. Кроме того, подложки из окиси бериллия имеют меньшую прочность на изгиб, чем подложки из 96% Al₂O₃, и значительно большую стоимость. Но и те и другие имеют хорошие электрические характеристики (то есть высокое удельное сопротивление, низкую диэлектрическую проницаемость и высокое напряжения пробоя).

Для всех подложек должны выдерживаться определенные допуски на размеры и качество поверхности с целью обеспечить высококачественную печать. Параметры могут меняться, но типичный их набор включает следующие требования:

1. Шероховатость поверхности (разность уровней между пиком и впадиной) не более 0,5 мкм (среднеквадратичное значение);

2. Кривизна профиля (отклонение от плоскости на сантиметр длины края) не должна превышать 0,0004 см на 1 см;

3. Случайные поры на поверхности (ямки в поверхности) не более 25 см;

4. Допустимые отклонения размеров (длина и ширина) не более 1%.

Если подложки не были очищены изготовителем, то перед печатью их надо очистить. Это можно сделать путем промывания в трихлоруксусной кислоте, а затем в ацетоне. Ультразвуковая очистка в деионизованной воде эффективна в лабораторных условиях [3, 4].

2. Пасты.

Толстопленочные пасты– это композиция стекла, металла и/или окисла металла с органическими растворителями, а также присадок, регулирующих вязкость. Они наносятся на корундовые подложки с помощью метода, являющегося модификацией процесса шелкографии. Из толстопленочных паст можно создавать разнообразные пассивные элементы. Применяются пасты следующих типов: проводящие, резистивные и диэлектрические.

Проводящие композитные пасты до отжига содержат частицы металла и окисла металла, очень тонкую стеклянную крошку (фритту), органический растворитель, присадки для смачивания и регулирования вязкости и какую-нибудь смолу (канифоль). Две широко используемые композиции Pt–Ag и Pd–Ag позволяют добиться хорошего компромисса между стоимостью, пригодностью к пайке и пригодностью к печати.

Реологическая характеристика толстопленочных паст очень важна. Она играет особо важную роль для проводящих паст, поскольку для их ширины и разрешения линий имеются очень жесткие допуски. Толстопленочные пасты должны обладать свойством псевдопластичности. Это в общих чертах означает, что их вязкость зависит от скорости сдвига, и они имеют определенный предел текучести. Изменение напряжения сдвига на единицу скорости сдвига (вязкость) убывает при возрастании скорости сдвига. Пасты с очень низким пределом текучести текут слишком быстро. Убывание вязкости при возрастании скорости сдвига существенно для равномерной дозировки пасты через трафарет и смачивания подложки. На Рис. 2 приведен график зависимости вязкости типичной пасты от времени в процессе печати. Рис .2 был получен измерением вязкости при различных скоростях сдвига. Видно, что при ручном перемешивании на участке а–б вязкость падает от 10⁵ до 2500 П, когда паста продавливается сквозь отверстия трафарета (кривая от точки в до минимума). Был введен индекс вязкости на трафарете (ИВТ) как

Рис. 2 Изменение вязкости в процессе трафаретной печати [3].

отношение наибольшей вязкости к наименьшей. Пасты со значением ИВТ100 дают высококачественную и четкую печать.

При недостаточно высоком качестве пасты могут иметь место следующие дефекты печати:

1. следы от трафарета вдоль краев отпечатка– возникают из-за слишком большой вязкости или слишком сильного придавливания;

2. уширение линий– возникает при низкой вязкости или высокой текучести пасты;

3. трафарет виден на отпечатке– результат большой величины предела текучести пасты;

4. размывание на краях– результат слишком крупных или плохо смачиваемых частиц металла, диэлектрика и/или стеклянной фритты в пасте;

5. липкость пасты– результат слишком сильного смачивания подложки при избытке присадки для смачивания.

Эти дефекты и их причины, без сомнения, образуют внушительный список, но они и в самом деле представляют собой наиболее часто встречающиеся проблемы, связанные непосредственно с пастами.

Резистивные композитные пасты похожи на проводящие и отличаются от последних по составу наполнителей– частиц окислов металлов, таких, как окись рутения, рутенид висмута, свинца или двуокись иридия в малой концентрации. Керметные пасты (комбинация металла с керамикой), использующие тугоплавкие металлы, такие, как молибден или марганец, имеют высокотемпературное применение [3].

Как уже упоминалось, проводящие пасты имеют удельное поверхностное сопротивление от 3 до 100 МОм/. Удельное поверхностное сопротиление резистивных композиционных паст колеблется от нескольких Ом на квадрат до 10 МОм/. Диапазон удельных сопротивлений для каждой композиции не столь велик, но для некоторых специальных видов резистивных композиций диапазон от 10 Ом/ до 1 МОм/– не предел. Удельное поверхностное сопротивление быстро меняется в зависимости от изменения концентрации металла. Изменение концентрации серебра на несколько процентов в системах, содержащих серебро, вызывает изменение удельного поверхностного сопротивления на 100 КОм/. Влияние изменения концентрации палладия на палладийсодержащие системы гораздо слабее. Следовательно, смешанная система, содержащая палладий и серебро, может иметь любую необходимую зависимость удельного поверхностного сопротивления от концентрации металла. Для получения промежуточных значений удельного поверхностного сопротивления резистивные пасты сходного состава можно смешивать. Однако сопротивление зависит от содержания компонент нелинейно, поэтому желательно построить кривые смешивания (то есть кривые зависимости удельного поверхностного сопротивления от отношения концентрации паст). Не рекомендуется смешивать пасты, удельные сопротивления которых различаются в десять и более раз, поскольку очень трудно добиться равномерного распределения частиц металла. Кривую смешивания для большинства паст построит легко. По логарифмической оси откладывается величина удельного поверхностного сопротивления, а по другой оси – весовое процентное содержание одной из составляющих смеси (Рис. 3).

Это дает сразу точки 0 и 100%. Это точки надо соединить прямой линией. Соотношение компонент в смеси, отвечающее любому промежуточному значению удельного поверхностного сопротивления, можно теперь найти прямо по графику. Должны быть известны истинные значения удельного поверхностного сопротивления для двух исходных паст при нормальных условиях.

Рис. 3. Кривая смешивания двух паст с удельным поверхностным сопротивлениями 100 и 10 кОм/ для получения промежуточных значений удельного поверхностного сопротивления [4].

При выборе резистивного материала должны быть учтены следующие характеристики:

1. Печатаемость (качество печати и степень трудности получения хороших отпечаиков);

2. Требования к пассивации (то есть нужно ли покрывать резистор защитной оболочкой);

3. Требования к отжигу (то есть раскисляющая или окисляющая среда, температурный режим);

4. Воспроизводимость;

5. Стабильность (изменение сопротивления и коэффициента зависимости сопротивления от напряжения (КСН) при длительной работе);

6. ТКС;

7. Шум;

8. КСН;

9. Допустимая плотность мощности;

10. Стоимость материала;

11. Подгоняемость.

Диапазон изменений ТКС от 10010^-6/С до 20010^-6/С. ТКС зависит от изменения температуры. Дрейф, измеренный при 90%-ной расчетной нагрузке, обычно не превышает 1% за 1000 часов работы. Шум может меняться от –20 до +20 дБ. Простой метод определения ТКС заключается в том, чтобы измерить сопротивление цепи, погруженной в расплавленный парафин. Зная изменение сопротивления и разность между комнатной температурой и температурой парафина, можно вычислить ТКС.

Диэлектрические пасты используются для изоляции пересечений проводников. Пасты с высокой диэлектрической проницаемостью содержат BaTiO₃. Их диэлектрическая проницаемость достигает 2000. Если есть необходимость в пересечении проводников (один проводник должен располагаться над другим), то между двумя проводящими слоями печатается изолирующий слой с низкой диэлектрической проницаемостью, большим удельным сопротивлением и высоким напряжением пробоя. Пасты, используемые в этом случае, имеют сопротивление изоляции порядка 10¹² Ом и напряжение пробоя около 800В для 25 мкм толщины. Некоторые из паст содержат стекла и не кристаллизуются при отжиге, другие кристаллизуются.

Кроме факторов, перечисленных выше, следует учитывать еще и температуру отжига, а также совместимость диэлектрических и резистивных паст. Стоимость материала также должна быть учтена, поскольку она входит в стоимость готового изделия.

Стеклянные герметизирующие пасты различных цветов используются для удобства визуального контроля. Эти пасты предохраняют резисторы от воздействия таких вредных факторов, как химические реакции, сырость и попадание герметиков. Они также используются с целью идентификации цепей и для ликвидации перемычек припоя (чтобы предотвратить протекания припоя из мест пайки) [4].