Спосіб виготовлення терморезистора
Винахід відноситься до електронної техніки, а саме до плівкових терморезисторів. У способі виготовлення плівкового терморезистора формують заготівлю з напівпровідникового матеріалу з органічним сполучним литтям з шлікера у вигляді сирої плівки, проводять поділ на прямокутні пластини. Потім проводять випал. Електроди наносять за короткими або довгими гранями пластин залежно від заданого номінального опору. Технічний результат – зниження трудомісткості, покращення технічних параметрів. 1табл.
Винахід відноситься до електронної техніки і може бути використане при виготовленні терморезисторів плівкових (терморезистивних датчиків).
На сьогоднішній день відомі дискові (шайбові), стрижневі, бусинкові та плівкові терморезистори. Найбільш поширені дискові (шайбові) терморезистори, наприклад, типу ММТ-12, виготовляються за традиційною керамічною технологією, що включає формування терморезистивного елемента шляхом змішування напівпровідникового матеріалу на основі оксидів Ni, Co, Mn, Cu з органічним сполучним, пресування та високотемпературний випал.
Недоліками подібних технічних рішень є: великі габаритні розміри та маса, що призводить до погіршення параметрів (наприклад, до великих значень теплової величини постійної часу, коефіцієнтів розсіювання та енергетичної чутливості); обмежена сфера застосування, обумовлена відсутністю конструктивно-технологічної сумісності з сучасними мікроелектронними пристроями; низька прецизійність (великий розкид номінальних значень опору та величини постійної В); велика витрата дорогоцінних металів для створення електродів; В даний час за кордоном широку популярність набули методи тонко- та товстоплівкової технології, якіпривели до появи плівкових ТР (ПТР) (заявка ФРН, N 1648209, 1973 р.(2) патент США N 3503030, 1970 р. (3). Використання тонко- та товстоплівкової технології при виготовленні ТР забезпечило ряд переваг у порівнянні з традиційною керам технологією: поліпшення параметрів, розширення області застосування.Так, ПТР мають зменшені габарити і масу в порівнянні з дисковими ТР, зменшеною тепловою постійною часу, що забезпечує можливість використання ПТР в гібридних інтегральних мікросхемах, мікроскладання тощо особливо при виготовленні ПТР в безвивідному (чиповому) виконанні Крім того, за рахунок використання в технології виготовлення ТР фотолітографії або трафаретного друку та сучасних методів припасування (наприклад, лазерного) зменшується допустиме відхилення номінального опору.
В якості прототипу обрана технологія виготовлення товстоплівкових терморезисторів ТР-5 (Захаров В.І. Олеск А.0. Шефтель І.Т. "Плівкові терморезистори для гібридних мікросхем та пристроїв мікроелектроніки". Прилади та системи управління, N 6, 1986, М.А. машинобудування).
Спосіб-прототип включає нанесення методом трафаретного друку на підкладку з алюмооксидної кераміки терморезистивного шару, що формується на основі напівпровідникових матеріалів оксидів перехідних металів (3d оксидів, наприклад, Mn2O3,CoO,NiO,Fe2O3, провідникового шару, 0 шару 0 o С. Для забезпечення необхідних характеристик ТР застосовують багатошаровий (тришаровий і більше) друк.Електроди формують шляхом нанесення через трафарет срібловмісної пасти з подальшим спалюванням.Підкладки з нанесеними шарами поділяють на окремі елементи (прямокутні пластини) лазерним скрайбуванням і ламкою.
По-друге, неможливе досягненнярозрахункових значень параметрів через некерованість процесів гетеродифузії, що виникають у прикордонному шарі терморезистивного матеріалу та матеріалу підкладки при термообробці.
По-третє, об'ємна пористість терморезистивних покриттів значно вища, ніж у терморезисторах, виготовлених пресуванням, через неможливість використання більш високих температур спікання, що посилюють вищезазначені процеси гетеродифузії.
По-четверте, необхідність використання захисного скла призводить в процесі його запалювання до взаємодії між компонентами скла і терморезистивного нижче розташованого шару. В результаті цієї реакції відбувається зміна електропровідності оксиднонапівпровідникового матеріалу. Ці процеси, обумовлені обміном електронами між разновалентними 3d -катіонами, розташованими в окта-позиціях кристалічної структури матеріалу, практично не можуть бути враховані при розрахунку параметрів ТР.
По-п'яте, на властивостях терморезистивних шарів позначаються механічні напруги, що виникають у них при неузгодженості коефіцієнтів лінійного термічного розширення (КЛТР) матеріалу підкладки та терморезистивного шару, з одного боку, і матеріалу терморезистивного шару та захисного скла, з іншого боку.
По-шосте, процес лазерного скрайбування дуже складний, а ламання підкладок вручну призводить до численних механічних пошкоджень та розкиду за розмірами терморезистивних елементів.
По-сьоме, керамічна підкладка є баластом, що погіршує значення ряду параметрів терморезисторів ТР-5 (наприклад, їм властива висока інерційність при відносно малих розмірах).
Слід зазначити, що терморезистор ТР-5 реалізований лише в одному номінальному опорі (Rном 47 кОм) та існує у безвивідному (чиповому)виконанні.
Вищезазначені конструктивно-технологічні недоліки способу - прототипу ускладнюють попадання в номінал, не дозволяють досягти малих значень теплової постійної часу (малої інерційності) і досить високого рівня надійності. У свою чергу, велика кількість трудомістких операцій з низькою прецизійністю роблять спосіб-прототип важковідтворюваним, наслідком чого є низький вихід придатних, високі трудомісткість та собівартість ТР.
Заявляється винахід спрямовано на вирішення задачі поліпшення значень параметрів ТР (зменшення допуску на величину номінального опору та постійної, зменшення інерційності, збільшення тривалості напрацювання), створення високотехнологічними методами шкали номінальних значень опорів, зниження трудомісткості, підвищення виходу придатних.
Здійснення передбачуваного винаходу дозволить створити шкалу номінальних опорів від 1 Ом до 10 6 Ом, забезпечить зменшення допуску на величину номінального опору до 5%, зменшення допуску на величину до 3% зменшення значення теплової постійної часу до 0,7 сек, збільшення тривалості напрацювання до 32000 год., підвищення щільності монтажу в радіоелектронній апаратурі, можливість двостороннього монтажу. При цьому, за рахунок використання високотехнологічної та легковідтворюваної технології досягається підвищення виходу придатних та значне зниження трудомісткості.
Для досягнення забезпечуваного винаходом технічного результату пропонується спосіб виготовлення плівкового терморезистора, при якому формують заготовку терморезистора з напівпровідникових матеріалів, поділяють на прямокутні пластини, проводять випал і нанесення електродів; при цьому заготовку терморезистора формують литтям із шлікера на основінапівпровідникових матеріалів і органічного сполучного у вигляді сирої плівки, проводять зазначений поділ на пластини, після чого проводять випалювання пластин, а електроди наносять по коротких або довгих гранях пластин, залежно від заданого номінального опору.
Відмінними від прототипу є такі ознаки: формування заготовки терморезистора не так на керамічному носії (підкладці), а безпосередньо з плівки, отриманої литтям з шлікера на основі напівпровідникового матеріалу з органічним сполучним; випалення після поділу сирої плівки на окремі прямокутні пластини (а не до поділу); можливість нанесення електродів по різних гранях пластин у відповідності з необхідним значенням номінального опору.
На сьогоднішній день невідомо таке або ідентичне заявляється технічне рішення, що дозволяє вважати запропонований спосіб таким, що відповідає критерію "новизна".
У запропонованому способі заготівлю терморезистора формують литтям із шлікеру у вигляді сирої плівки, тобто. без використання носія (підкладки), що зумовлює зменшення постійної теплової часу (інерційності) і дозволяє підвищити точність всіх термометричних вимірювань за рахунок безпосереднього контакту термодатчика з контрольованим середовищем. Крім того, ливарний спосіб забезпечує однорідність і рівномірність напівпровідникового матеріалу, що сприяє досягненню значно меншого розкиду по електропровідності (і відповідно, по номінальному опору) та енергії активації (постійна).
Використання в терморезисторі, виготовленому пропонованим способом, лише двох конструктивних матеріалів терморезистивного та провідного - виключає утворення кількох перехідних шарів на межі розділу матеріалів з різними значеннямиКЛТР ("кераміка терморезистивний шар - провідний шар скло"), як у прототипі. Ця обставина призводить до значного збільшення температурної стабільності ТР.
Пропонований спосіб дозволяє створити шкалу номінальних опорів (на відміну від прототипу, який дозволяє реалізувати лише один номінальний опір) за рахунок отримання об'ємного ТР замість площинного та розташування електродів на різних гранях пластин.
Таким чином, вперше здійснене оригінальне поєднання деяких елементів технології виробництва монолітних керамічних конденсаторів та технології виробництва терморезисторів забезпечило можливість створення якісно нового класу об'ємних високостабільних мініатюрних терморезисторів із покращеними параметрами.
Заявляється технічне рішення як сукупність зазначених істотних ознак становить нерозривний причинно-наслідковий зв'язок з досягнутим технічним результатом і відповідає критерію "винахідницький рівень".
Пропонований спосіб здійснюють наступним чином: для формування заготовки терморезистора готують термочутливий напівпровідниковий матеріал на основі потрійних і четверних систем 3d-окислів (системи оксидів Mn,Ni,Co,Zn, леговані добавками Cu, Li і т.д.), проводять помел до необхідного ступеня дисперсності і приготовляють ливарний шлікер змішуванням термочутливого напівпровідникового матеріалу з органічним сполучним, наприклад, 3-5%-ним розчином каучуку в бензині, у фарфоровому барабані протягом 0,5-2 год, відповідно до традиційної в керамічному виробництві шлікерів (УБО.027.772ТІ). З отриманого шлікера здійснюють лиття плівки через фільєру з регульованим перерізом. Декілька шарів плівки ущільнюють до необхідноїтовщини (від 0,3 мм до 2 мм) шляхом прокату через вальці. Потім з плівки вирубують прямокутні пластини (розміром 0,3х1,5х1,5 мм до 2х5х25мм) і обпалюють їх у повітряному середовищі при температурі 1000-1300°С з витримкою протягом 1-3 год, при пікової температурі. Електроди формують шляхом нанесення срібних паст, відомих в керамічному виробництві, і спалювання при температурі 820-870 o З витримкою протягом 0,5-1 год. При цьому електроди можуть бути нанесені по різних гранях пластин, залежно від заданого номінального значення опору. Для припаювання висновків використовують припій ПОС-61 або припайну пасту на його основі, а також срібловмісні припої (наприклад. Пср-2).
При цьому можливе виконання ТР з одно- або різноспрямованими висновками, які можуть бути дротяними або стрічковими. Потім терморезистор покривають вологозахисною емаллю шляхом занурення з подальшим підсушуванням при температурі 125 o С протягом 1 години. Результати реалізації запропонованого способу виготовлення ТР, а також для порівняння способу виготовлення ТР-5 (прототип) і терморезистора типу ММТ-12 (аналог) наведені в таблиці.
Як випливає з даних, представлених у таблиці, пропонований спосіб дозволяє досягти значного поліпшення технічних та експлуатаційних характеристик ТР порівняно з прототипом: зниження інерційності (зменшення значення теплової постійної часу від 8 до 0,7 сек); зменшення розкиду значень номінального опору (від 10% до 5%) і постійної (від 10% до 3%); підвищення температурно-часової стабільності (збільшення тривалості напрацювання від 15000 год. до 32000 год). Крім того, забезпечуються: широкий діапазон номінальних значень опору (від 110 1 Oм до 11O 6 Oм); можливість підвищення щільності монтажу;значно більш відтворювана і менш трудомістка технологія; вищий відсоток виходу придатних ТР та зниження собівартості; значне зниження витрати дорогоцінних металів у порівнянні з існуючими типами ТР.
Терморезистори, виготовлені пропонованим способом, можуть використовуватися в схемах та пристроях для термокомпенсації, термостабілізації, температурного контролю, вимірювання та регулювання температури в медичній та побутовій техніці, контрольно-вимірювальній апаратурі, приладобудуванні, зв'язку, автомобілебудуванні тощо.
Спосіб виготовлення плівкового терморезистора, при якому формують заготівлю терморезистора з напівпровідникових матеріалів, поділяють її на прямокутні пластини, проводять випал і нанесення електродів, який відрізняється тим, що заготовку терморезистора формують литтям з шлікера на основі напівпровідникових матеріалів і органічного сполучного у вигляді сирої плівки зазначений поділ на пластини, після чого проводять випал, а електроди наносять по коротким або довгим граням пластин залежно від заданого номінального опору.