СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОРЕЗИСТОРА Российский патент 2025 года по МПК H01C17/30 H05B3/10 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к производству терморезисторов, и может быть использовано в электронной, радиотехнической и других смежных областях промышленности.

Уровень техники

Известен способ (Захаров В.И., Олеск А.О., Шефтель И.Т. Пленочные терморезисторы для гибридных микросхем и устройств микроэлектроники. - Приборы и системы управления, - М.: Машиностроение №6, 1986 г, с. 37). Способ включает нанесение методом трафаретной печати на подложку из алюмооксидной керамики терморезистивного слоя, формируемого на основе полупроводниковых материалов окислов переходных металлов, проводникового слоя, слоя защитного стекла и обжиг при температуре выше 1000°С. Для обеспечения требуемых характеристик терморезисторов применяют многослойную печать. Электроды формируют путем нанесения через трафарет серебросодержащей пасты с последующим вжиганием. Подложки с нанесенными слоями разделяют на отдельные элементы лазерным скрайбированием и ломкой.

Недостатками способа являются невозможность сохранения расчетной топологии резисторов вследствие разброса размеров керамических подложек и погрешности, определяемой процессом создания многослойных структур терморезисторов, проблемы, связанные с неуправляемостью процессов гетеродиффузии в пограничном слое термореактивного материала и материала подложки при термообработке, высоком уровне термоупругих напряжений, возникающих вследствие разницы коэффициентов термического расширения материала подложки и терморезистивного слоя с одной стороны и защитного стекла с другой стороны. Недостатки способа затрудняют попадание в номинал, не позволяют достичь малых значений постоянной времени (малой инерционности) и достаточно высокого уровня надежности. Большое количество трудоемких операций с низкой прецизионностью делают способ трудновоспроизводимым, следствием чего является низкий выход годных, высокая трудоемкость и себестоимость терморезисторов.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения толстопленочных резисторов [RU 2755943 С1], в котором на изолирующей 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 от 85 до 100 кГц и амплитуде от 0,1 до 0,5 мкм.

Недостатком способа является сложность достижения расчетных значений параметров терморезисторов из-за неуправляемости процессов гетеродиффузии в пограничном резистивном слое с контактными площадками при высокой температуре, что приводит к снижению срока службы терморезисторов и уменьшению термического коэффициента сопротивления в процессе эксплуатации изделий.

Технической задачей изобретения является улучшение параметров терморезисторов (уменьшение допуска на величину номинального сопротивления, повышение температурного коэффициента сопротивления (ТКС), и повышение выхода годных).

Решение

Для решения поставленной технической задачи предлагается способ изготовления терморезисторов, включающий формирование на изолирующей подложке планарных контактов путем нанесения проводниковой пасты методом трафаретной печати, формирование резистивного слоя путем нанесения высокотемпературной резистивной пасты методом трафаретной печати с последующим вжиганием, отличающийся тем, что нанесение проводниковой пасты осуществляется при воздействии электромагнитными колебаниями частотой от 1 до 1,5 МГц и амплитудой от 0,1 до 0,2 милливольта с последующим вжиганием при температуре от 790 до 860°С, а вжигание резистивного слоя проводят при воздействии импульсным током частотой от 250 кГц до 300 кГц с амплитудой импульсов от 10 до 20 милливольт при температуре от 840 до 860°С.

Технологический процесс производства терморезисторов по описанному способу включает:

- формирование на изолирующей подложке планарных контактов путем нанесения проводниковой пасты методом трафаретной печати с последующим вжиганием при температуре от 790 до 860°С при воздействии электромагнитными колебаниями частотой от 1 до 1,5 МГц и амплитуде от 0,1 до 0,2 MB. При температуре вжигания ниже 790°С в результирующем контактном слое сохраняется высокая неоднородность распределения металлической фазы, что в процессе эксплуатации терморезистора приводит к дополнительному разогреву контактов и потере энергии на этот разогрев. При температуре выше 860°С однородность формируемого контактного слоя изменяется незначительно, но расход энергии на эту операцию возрастает, что повышает себестоимость производимых изделий. Воздействие электромагнитными колебаниями частотой ниже 1 МГц не обеспечивает высокую однородность контактных слоев, воздействие электромагнитными колебаниями частотой выше 1,5 МГц не приводит к существенному повышению однородности слоев вследствие снижения эффекта перераспределения металлических компонентов пасты в области формируемых контактов. Наиболее эффективными амплитудами колебаний налагаемого электромагнитного поля на область создаваемых контактных площадок являются колебания с амплитудой от 0,1 до 0,2 MB, При амплитуде колебаний ниже 0,1 MB сохраняются неоднородности распределения металлических составляющих пасты, что приводит к излишнему разогреву контактов при эксплуатации терморезисторов, при амплитуде колебаний выше 0,2 MB однородность контактных площадок практически не изменяется, а расход энергии возрастает, что повышает себестоимость изготовления терморезисторов.

Выбор параметров электромагнитных воздействий основан на теории, изложенной в монографии Косушкин В.Г. Управление ростом кристаллов низкоэнергетическими воздействиями. Из-во научной литературы Н.Ф. Бочкаревой. - Калуга, - 2004 г. - 272 с.

Сущность методов обработки расплавов высокочастотными колебаниями с целью повышения однородности кристаллизуемых фаз состоит в перераспределении металлических частиц, входящих в состав пасты, используемой для трафаретной печати при поглощении энергии, вносимой электромагнитным полем, что повышает подвижность частиц и создает условия формирования «матричной структуры» жидкой фазы, при матричной печати. Сформированная структура распределения компонентов сохраняется при последующем вжигании нанесенного слоя в подложку. Повышение однородности формируемых проводящих слоев контактных площадок способствует более однородному распределению токов при работе терморезисторов, что снижает тепловую нагрузку на контакты приборов.

На втором этапе технологического процесса изготовления терморезисторов методом трафаретной печати формируют резистивный слой с использованием высокотемпературных резистивных паст, обеспечивающих высокое сопротивление слоя и, соответственно, возможность использования терморезистора в качестве нагревательного элемента. Такие терморезисторы широко используют, например, в датчиках контроля газовой среды. Для изготовления резистивных слоев используют резистивные пасты, обеспечивающие высокое сопротивление подводимому току и заданную температуру нагрева.

С целью упорядочения структуры резистивной части терморезистора при вжигании нанесенной пасты используют воздействие на расплав импульсным электромагнитным полем частотой от 250 до 300 кГц с амплитудой импульсов от 10 до 20 милливольт при температуре от 840 до 860°С. Электромагнитное поле частотой менее 250 кГц увеличивает время процесса самоорганизации в резистивном слое, что снижает производительность процесса, при частоте выше 300 кГц тепловая система, в которой находится образец при вжигании не успевает придти к равновесию, что отрицательно сказывается на однородности формируемого слоя и снижает срок службы приборов в процессе их эксплуатации. Импульсы амплитудой менее 10 MB не обеспечивают высокой подвижности частиц в формируемом резистивном слое, что снижает производительность процесса формирования термосопротивления, увеличение амплитуды импульсов выше 0,2 MB не приводит к ускорению процесса и повышает расход энергии на производство изделий. Вжигание резистивной пасты после матричной печати при электромагнитном воздействии обеспечивает формирование и сохранение структуры резистивного слоя на счет самоорганизации при низкоэнергетическом воздействии электромагнитным полем. При температуре вжигания ниже 840°С в формируемом резистивном слое могут сохраняться области с сопротивлением, отличающимся от номинального, что приводит к тепловым потерям при эксплуатации приборов, при температуре вжигания выше 860°С однородность структуры практически не растет, а растут непроизводительные затраты энергии, что повышает себестоимость производства терморезисторов.

Пример

Терморезисторы формировали на поверхности подложек из алюмооксидной керамики в технологическом процессе, включавшем:

1. Нанесение на лицевую сторону подложки методом трафаретной печати слоя высокотемпературной проводниковой пасты ПП-12 при обработке пасты 1,2 МГц с амплитудой 0,12 MB в момент тиксотропного эффекта (когда вязкость пасты под действием давления ракелем снижается и паста становится текучей).

2. Вжигание слоя нанесенной пасты в конвейерной печи при температуре 850°С в течение 7 минут.

3. Охлаждение полученных структур до комнатной температуры на воздухе.

4. Контроль сопротивления полученных контактных площадок в соответствии с ГОСТ 21342.20-78. «Резисторы. Метод измерения температурной зависимости сопротивления».

5. Нанесение методом трафаретной печати резистивной высокотемпературной пасты ППл.

6. Сушка слоя нанесенной пасты от органического растворителя при 1500°С в ИК-печи в течение 5 минут.

7. Вжигание нанесенного слоя резистивной пасты в мультизонной печи при температуре 8550°С в течение 7 минут при электромагнитном воздействии импульсами частотой 260 кГц и амплитуде) 0,15 В.

8. Контроль сопротивления терморезистора по ГОСТ 21342.20-78.

9. Выборочный контроль партии резисторов (выборка 10%) на время наработки по ГОСТ 25359-82 «Изделия электронной техники. Общие требования по надежности и методам испытаний».

Полученные терморезисторы имели следующие технические характеристики:

Надежность резисторов подтверждена испытаниями. Интенсивность отказов в предельно допустимых режимах эксплуатации (Р=Р_ном, Т=800°С) не более 1-10 1/ч в течение наработки = 20000 часов в пределах срока службы (Т_он) = 20 лет.

Себестоимость производства терморезисторов снизилась по сравнению с базовым вариантом на 25% за счет повышения однородности слоев, имеющих более высокие структурные характеристики за счет упорядочения структуры пленок под действием электромагнитного поля, что позволило увеличить выход годных терморезисторов с 71% до 96%.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к производству терморезисторов, и может быть использовано в электронной, радиотехнической и других смежных областях промышленности. Технический результат - уменьшение разброса сопротивления терморезисторов, повышение выхода годных и снижение себестоимости. Способ изготовления терморезисторов включает формирование на изолирующей подложке планарных контактов путем нанесения проводниковой пасты методом трафаретной печати, формирование резистивного слоя путем нанесения высокотемпературной резистивной пасты методом трафаретной печати с последующим вжиганием. Нанесение проводниковой пасты осуществляют при воздействии электромагнитными колебаниями частотой от 1 до 1,5 МГц и амплитудой от 0,1 до 0,2 милливольта с последующим вжиганием при температуре от 790 до 860°С, а вжигание резистивного слоя проводят при воздействии импульсным током частотой от 250 кГц до 300 кГц с амплитудой импульсов от 10 до 20 милливольт при температуре от 840 до 860°С.

Способ изготовления терморезисторов, включающий формирование на изолирующей подложке планарных контактов путем нанесения проводниковой пасты методом трафаретной печати, формирование резистивного слоя путем нанесения высокотемпературной резистивной пасты методом трафаретной печати с последующим вжиганием, отличающийся тем, что нанесение проводниковой пасты осуществляется при воздействии электромагнитными колебаниями частотой от 1 до 1,5 МГц и амплитудой от 0,1 до 0,2 милливольта с последующим вжиганием при температуре от 790 до 860°С, а вжигание резистивного слоя проводят при воздействии импульсным током частотой от 250 кГц до 300 кГц с амплитудой импульсов от 10 до 20 милливольт при температуре от 840 до 860°С.