СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОЛСТОПЛЁНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ Российский патент 2022 года по МПК H01C17/06 H01C17/65 

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, сложность технологии.

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 получения толстопленочных резисторов [3], в котором на изолирующей керамической подложке в виде пластины формируются планарные контакты путем нанесения проводниковой пасты методом трафаретной печати на лицевую поверхность подложки. Резистивный слой формируют посредством нанесения высокотемпературной резистивной пасты методом трафаретной печати с последующим вжиганием при ультразвуковом воздействии на расплавленную пасту, при этом отжиг проводят при воздействии ультразвуком частотой 85-100 КГц и амплитуде 0,1-0,5 мкм.

Существенным недостатком способа является недостаточная однородности резистивных слоев, следствием которой является необходимость подгонки номиналов резисторов при большом разбросе величины их сопротивления, что снижает выход годных и производительность процесса.

Техническая задача.

Техническим результатом является повышение однородности резистивных слоев и термического коэффициента сопротивления, повышение выхода годных резисторов и производительности процесса за счет предварительного отжига структуры в изменяющемся с определенной амплитудой тепловом поле.

Решение.

Для решения поставленной технической задачи прилагается следующее изобретение.

Способ получения толстопленочных резисторов, включающий нанесение резистивной пасты на поверхность диэлектрической подложки и вжигание слоя при воздействии ультразвуком, отличающийся тем, что с целью повышения производительности процесса и однородности резистивного слоя проводят предварительный отжиг при температуре (700-790)°С при изменении температуры с амплитудой ±5°С в течение 5-7 минут, а затем вжигание при ультразвуковом воздействии частотой (60-70) КГц и амплитудой (0,1-0,3) мкм при температуре (810-850)°С.

Изготовление толстопленочных резисторов по предлагаемому способу производится следующим образом:

В качестве основы изготавливаемых резисторов используется изолирующая подложка (например, керамическая пластина). Вначале на изолирующей подложке формируются планарные контакты путем нанесения проводниковой пасты методом трафаретной печати на лицевую поверхность подложки (на которой будет сформирован резистивный слой) с последующим вжиганием. Затем формируют резистивный слой посредством нанесения высокотемпературной резистивной пасты методом трафаретной печати с последующим вжиганием при температуре (700-790)°С с изменением температуры с амплитудой ±5°С в течение 5-7 минут, а затем при температуре (810-850)°С при ультразвуковом воздействии частотой (60-70) КГц и амплитуде 0,1-0,3 мкм.

При воздействии изменяющимся тепловым полем при температуре ниже 700°С эффективность воздействия не обеспечивает существенное повышения однородности слоев (разброс параметров резисторов достигает (50-60)%, при температуре выше 790°С эффективность воздействия не растет (разброс сопротивления резисторов сохраняется в пределах (30-35)%. Амплитуда изменения температуры вжигания на этом технологическом этапе экспериментально определена в ±5°С в качестве оптимального значения для рассматриваемого технологического процесса. После этой технологической операции пластины перемещаются в конвейерной печи в область температуры (810-850)°С, где подвергаются ультразвуковому воздействию частотой (60-70) КГц и амплитудой (0,1-0,3) мкм. При температуре вжигания ниже 810°С в слое резистивной пасты сохраняется неоднородность распределения металлической фазы, что приводит к разбросу параметров резисторов в пределах (30-35)%. Это требует использования дополнительной операции подгонки резисторов. При температуре выше 850°С однородность слоев практически не изменяется, но расход энергии на нагревание и время остывания полученных структур повышает себестоимость их производства. Предварительный отжиг в изменяющемся тепловом поле позволяет снизить частоту ультразвукового воздействия по сравнению с патентом прототипом, что положительно сказывается на экономических показателях производства. Оптимальные диапазоны частот ультразвукового воздействия в предлагаемом способе определены экспериментально. В результате оптимизации установлено, что при частоте ультразвуковых колебаний менее 60 КГц однородность слоев повышается недостаточно (в пределах 40% по разбросу сопротивления), при частотах выше 70 КГц однородность сохраняется на уровне 10%, что обеспечивает высокие технологические показатели по выходу годного.

Выбор параметров управляющих ультразвуковых воздействий основан на теории, описанной в [4]. Сущность метода состоит в том, что нагревание переводит высокотемпературные технологические системы в метастабильное состояние, которым можно управлять относительно небольшими воздействиями и осуществлять, например, фазовый переход, приводящий систему в желаемое (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). Изменяющиеся тепловые и ультразвуковые поля способствую процессу самоорганизации системы, в результате которой связываются частицы примерно одинакового размера что обеспечивает, в дальнейшем, 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 формируют 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. Предварительный отжиг в мультизонной печи при температуре (700-790)°С с колебаниями температуры амплитудой ±5°С в течение 5-7 минут

7. Вжигание в мультизонной печи при температуре (810-850)°С в течение 5 минут при ультразвуковом воздействии частотой (60-70) КГц амплитудой (0,1-0,3) мкм

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 40% за счет кратковременного предварительного отжига в изменяющемся тепловом поле (общее время проведения технологического процесса снизилось на 25% и повышения выхода годных с 72% до 98%.

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 г.

3. Патент РФ №2755943, МПК H01C 17/00, опубл. 23.09.2021 г.

4. Косушкин В.Г. Управление ростом кристаллов низкоэнергетическими воздействиями (Монография) Из-во научной литературы Н.Ф. Бочкаревой, 2004. 272 с.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к производству постоянных резисторов, в том числе в составе гибридных интегральных схем, и может быть использовано в электронной, радиотехнической и других смежных отраслях промышленности. Повышение термического коэффициента сопротивления за счет улучшения однородности формируемых резистивных слоев является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что на изолирующей подложке формируются планарные контакты путем нанесения проводниковой пасты методом трафаретной печати на лицевую поверхность подложки, на которой будет сформирован резистивный слой, с последующим его вжиганием, при этом проводят предварительный отжиг при температуре 700-790°С при изменении температуры с амплитудой ±5°С в течение 5-7 минут, а затем вжигание при ультразвуковом воздействии частотой 60-70 КГц и амплитудой 0,1-0,3 мкм при температуре 810-850°С. Предложенный способ обеспечивает увеличение выхода годных толстопленочных резисторов при сокращении времени процесса и обеспечивает высокое соответствие заданных параметров. 1 табл., 1 пр.

Способ получения толстопленочных резисторов, включающий нанесение резистивной пасты на поверхность диэлектрической подложки и вжигание слоя при температуре при воздействии ультразвуком, отличающийся тем, что с целью повышения производительности процесса и однородности резистивного слоя проводят предварительный отжиг при температуре 700-790°С при изменении температуры с амплитудой ±5°С в течение 5-7 минут, а затем вжигание при ультразвуковом воздействии частотой 60-70 КГц и амплитудой 0,1-0,3 мкм при температуре 810-850°С.