способ изготовления терморезистора

Формула изобретения

Способ изготовления пленочного терморезистора, при котором формируют заготовку терморезистора из полупроводниковых материалов, разделяют ее на прямоугольные пластины, проводят обжиг и нанесение электродов, отличающийся тем, что заготовку терморезистора формируют литьем из шликера на основе полупроводниковых материалов и органического связующего в виде сырой пленки, затем проводят указанное разделение на пластины, после чего проводят обжиг, а электроды наносят по коротким либо длинным граням пластин в зависимости от заданного номинального сопротивления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изготовлении пленочных терморезисторов (терморезистивных датчиков).

На сегодняшний день известны дисковые (шайбовые), стержневые, бусинковые и пленочные терморезисторы. Наиболее распространенные дисковые (шайбовые) терморезисторы, например, типа ММТ-12, изготавливаются по традиционной керамической технологии, включающей формирование терморезистивного элемента путем смешивания полупроводникового материала на основе окислов Ni, Co, Mn, Cu с органическим связующим, прессование и высокотемпературный обжиг.

Недостатками подобных технических решений являются:

большие габаритные размеры и масса, что приводит к ухудшению параметров (например, к большим значениям величины тепловой постоянной времени, коэффициентов рассеяния и энергетической чувствительности);

ограниченная область применения, обусловленная отсутствием конструктивно-технологической совместимости с современными микроэлектронными устройствами;

низкая прецизионность (большой разброс номинальных значений сопротивления и величины постоянной В);

большой расход драгметаллов для создания электродов;

В настоящее время за рубежом широкую известность приобрели методы тонко- и толстопленочной технологии, которые привели к появлению пленочных ТР (ПТР) (заявка ФРГ, N 1648209, 1973 г.(2) патент США N 3503030, 1970 г.(3). Использование тонко- и толстопленочной технологии при изготовлении ТР обеспечило ряд преимуществ по сравнению с традиционной керамической технологией: улучшение параметров, расширение области применения. Так, ПТР обладают уменьшенными габаритами и массой по сравнению с дисковыми ТР, уменьшенной тепловой постоянной времени, что обеспечивает возможность использования ПТР в гибридных интегральных микросхемах, микросборках и т.д. особенно при изготовлении ПТР в безвыводном (чиповом) исполнении. Кроме того, за счет использования в технологии изготовления ТР фотолитографии или трафаретной печати и современных методов подгонки (например, лазерной) уменьшается допустимое отклонение номинального сопротивления.

В качестве прототипа выбрана технология изготовления толстопленочных терморезисторов ТР-5 (Захаров В.И. Олеск А.0. Шефтель И.Т. "Пленочные терморезисторы для гибридных микросхем и устройств микроэлектроники". Приборы и системы управления, N 6, 1986, М. Машиностроение).

Способ-прототип включает нанесение методом трафаретной печати на подложку из алюмооксидной керамики терморезистивного слоя, формируемого на основе полупроводниковых материалов окислов переходных металлов (3d окислов, например, Mn₂O₃,CoO,NiO,Fe₂O₃, проводникового слоя, слоя защитного стекла и обжиг при температуре выше 1000^oС. Для обеспечения требуемых характеристик ТР применяют многослойную (трехслойную и более) печать. Электроды формируют путем нанесения через трафарет серебросодержащей пасты с последующим вжиганием. Подложки с нанесенными слоями разделяют на отдельные элементы (прямоугольные пластины) лазерным скрайбированием и ломкой.

Толстопленочный терморезистор ТР-5 имеет следующие характеристики:

номинальное сопротивление при 25^oС, кOм 47 10%

температурный коэффициент сопротивления,/град. -(4 0,4)

постоянная В в диапазоне температур от +25 до +50^oC, К 3200-3900

тепловая постоянная времени,сек 8

коэффициент рассеяния при 25^oС, мВТ/град 1,5

коэффициент энергетической чувствительности, мВТ 0,35

наработка, час 15000

Величина наработки дана, исходя из данных, представленных в рекламе на толстопленочные терморезисторы ТР-5 с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления для микроэлектроники ОЖО.468.257 ТУ (ЦНИИ "Электроника", М. 1986). Однако, при указанных преимуществах терморезистора ТР-5, полученного известным способом, он обладает рядом серьезных недостатков:

Во-первых, невозможно сохранить расчетную топологию из-за разброса размеров керамических подложек и износа гнезд кассет в процессе создания многослойной структуры. Кроме того, создание многослойных терморезистивных слоев многократно увеличивает вышеуказанную погрешность и дополняет ее разбросом по толщине слоев.

Во-вторых, невозможно достижение расчетных значений параметров из-за неуправляемости процессов гетеродиффузии, возникающих в пограничном слое терморезистивного материала и материала подложки при термообработке.

В-третьих, объемная пористость терморезистивных покрытий значительно выше, чем в терморезисторах, изготовленных прессованием, ввиду невозможности использования более высоких температур спекания, усиливающих вышеуказанные процессы гетеродиффузии.

В-четвертых, необходимость использования защитного стекла приводит в процессе его вжигания к взаимодействию между компонентами стекла и нижерасположенного терморезистивного слоя. В результате этой реакции происходит изменение электропроводности оксиднополупроводникового материала. Эти процессы, обусловленные обменом электронами между разновалентными 3d -катионами, расположенными в окта-позициях кристаллической структуры материала, практически не могут быть учтены при расчете параметров ТР.

В-пятых, на свойствах терморезистивных слоев сказываются механические напряжения, возникающие в них при несогласованности коэффициентов линейного термического расширения (КЛТР) материала подложки и терморезистивного слоя, с одной стороны, и материала терморезистивного слоя и защитного стекла, с другой стороны.

В-шестых, процесс лазерного скрайбирования весьма сложен, а ломка подложек вручную приводит к многочисленным механическим повреждениям и разбросу по размерам терморезистивных элементов.

В-седьмых, керамическая подложка является балластом, ухудшающим значения ряда параметров терморезисторов ТР-5 (например, им присуща высокая инерционность при относительно малых размерах).

Следует указать, что терморезистор ТР-5 реализован лишь в одном номинальном сопротивления (Rном 47 кОм) и существует в безвыводном (чиповом) исполнении.

Вышеуказанные конструктивно-технологические недостатки способа - прототипа затрудняют попадание в номинал, не позволяют достичь малых значений тепловой постоянной времени (малой инерционности) и достаточно высокого уровня надежности. В свою очередь, большое количество трудоемких операций с низкой прецизионностью делают способ-прототип трудновоспроизводимым, следствием чего являются низкий выход годных, высокие трудоемкость и себестоимость ТР.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи улучшения значений параметров ТР (уменьшение допуска на величину номинального сопротивления и постоянной В, уменьшение инерционности, увеличение длительности наработки), создания высокотехнологичными методами шкалы номинальных значений сопротивлений, снижения трудоемкости, повышения выхода годных.

Осуществление предполагаемого изобретения позволит создать шкалу номинальных сопротивлений от 1 Ом до 10⁶ Ом, обеспечит уменьшение допуска на величину номинального сопротивления до 5%, уменьшение допуска на величину В до 3% уменьшение значения тепловой постоянной временя до 0,7 сек, увеличение длительности наработки до 32000 час, повышение плотности монтажа в радиоэлектронной аппаратуре, возможность двустороннего монтажа. При этом, за счет использования высокотехнологичной и легковоспроизводимой технологии достигается повышение выхода годных и значительное снижение трудоемкости.

Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата предлагается способ изготовления пленочного терморезистора, при котором формируют заготовку терморезистора из полупроводниковых материалов, разделяют ее на прямоугольные пластины, проводят обжиг и нанесение электродов; при этом заготовку терморезистора формируют литьем из шликера на основе полупроводниковых материалов и органического связующего в виде сырой пленки, проводят указанное разделение на пластины, после чего проводят обжиг пластин, а электроды наносят по коротким, либо длинным граням пластин, в зависимости от заданного номинального сопротивления.

Отличительными от прототипа являются следующие признаки: формирование заготовки терморезистора не на керамическом носителе (подложке), а непосредственно из пленки, полученной литьем из шликера на основе полупроводникового материала с органическим связующим; обжиг после разделения сырой пленки на отдельные прямоугольные пластины (а не до разделения); возможность нанесения электродов по различным граням пластин в соответствия с требуемым значением номинального сопротивления.

На сегодняшний день неизвестно такое или идентичное заявляемому техническое решение, что позволяет считать предлагаемый способ отвечающим критерию "новизна".

В предлагаемом способе заготовку терморезистора формируют литьем из шликера в виде сырой пленки, т.е. без использования носителя (подложки), что обуславливает уменьшение тепловой постоянной времени (инерционности) и позволяет повысить точность всех термометрических измерений за счет непосредственного контакта термодатчика с контролируемой средой. Кроме того, литьевой способ обеспечивает однородность и равномерность полупроводникового материала, что способствует достижению значительно меньшего разброса по электропроводности (и соответственно, по номинальному сопротивлению) и энергии активации (постоянная В).

Использование в терморезисторе, изготовленном предлагаемым способом, только двух конструктивных материалов терморезистивного и проводящего - исключает образование нескольких переходных слоев на границе раздела материалов с различными значениями КЛТР ("керамика терморезистивный слой - проводящий слой стекло"), как в прототипе. Это обстоятельство приводит к значительному увеличению температурновременной стабильности ТР.

Предлагаемый способ позволяет создать шкалу номинальных сопротивлений ( в отличие от прототипа, который позволяет реализовать лишь одно номинальное сопротивление) за счет получения объемного ТР вместо плоскостного и расположения электродов на различных гранях пластин.

Таким образом, впервые осуществленное оригинальное сочетание некоторых элементов технологии производства монолитных керамических конденсаторов и технологии производства терморезисторов обеспечило возможность создания качественно нового класса объемных высокостабильных миниатюрных терморезисторов с улучшенными параметрами.

Заявляемое техническое решение как совокупность указанных существенных признаков составляет неразрывную причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом и отвечает критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом: для формирования заготовки терморезистора готовят термочувствительный полупроводниковый материал на основе тройных и четверных систем 3 d -окислов ( системы окислов Mn,Ni,Co,Zn, легированные добавками Cu, Li и т.д.), проводят помол до требуемой степени дисперсности и приготавливают литьевой шликер смешиванием термочувствительного полупроводникового материала с органическим связующим, например, 3-5%-ным раствором каучука в бензине, в фарфоровом барабане в течение 0,5-2 час, в соответствии с традиционной в керамическом производстве технологией получения литьевых шликеров (УБО.027.772ТИ). Из полученного шликера осуществляют литье пленки через фильеру с регулируемым сечением. Несколько слоев пленки уплотняют до требуемой толщины (от 0,3мм до 2 мм) путем проката через вальцы. Затем из пленки производят вырубку прямоугольных пластин (размером 0,3х1,5х1,5 мм до 2х5х25мм) и обжигают их в воздушной среде при температуре 1000-1300°С с выдержкой в течение 1-3 час, при пиковой температуре. Электроды формируют путем нанесения серебросодержащих паст, известных в керамическом производстве, и вжигания при температуре 820-870^oС с выдержкой в течение 0,5-1 час. При этом электроды могут быть нанесены по различным граням пластин в зависимости от заданного номинального значения сопротивления. Для припайки выводов используют припой ПОС-61 или припайную пасту на его основе, а также серебросодержащие припои (например. Пср-2).

При этом возможно исполнение ТР с одно- или разнонаправленными выводами, которые могут быть проволочными или ленточными. Затем терморезистор покрывают влагозащитной эмалью путем окунания с последующей подсушкой при температуре 125^oС в течение 1 час. Результаты реализаций предлагаемого способа изготовления ТР, а также для сравнения способа изготовления ТР-5 (прототип) и терморезистора типа ММТ-12 (аналог) приведены в таблице.

Как следует из данных, представленных в таблице, предлагаемый способ позволяет достичь значительного улучшения технических и эксплуатационных характеристик ТР по сравнению с прототипом:

снижение инерционности (уменьшение значения тепловой постоянной временя от 8 до 0,7 сек);

уменьшение разброса значений номинального сопротивления (от 10% до 5%) и постоянной В (от 10% до 3%);

повышение температурно-временной стабильности (увеличение длительности наработки от 15000 час. до 32000 час). Кроме того, обеспечиваются:

широкий диапазон номинальных значений сопротивления (от 110¹Oм до 11O⁶Oм);

возможность повышения плотности монтажа;

значительно более воспроизводимая и менее трудоемкая технология;

более высокий процент выхода годных ТР и снижение себестоимости;

значительное снижение расхода драгметаллов по сравнению с существующими типами ТР.

Терморезисторы, изготовленные предлагаемым способом, могут использоваться в схемах и устройствах для термокомпенсации, термостабилизации, температурного контроля, измерения и регулирования температуры в медицинской и бытовой технике, контрольно-измерительной аппаратуре, приборостроении, связи, автомобилестроении и т.п.