Пленочные резистивные материалы

Пленочные резистивные материалы получают из исходных ма­териалов в процессе получения самих резистивных пленок. Свой­ства таких резистивных пленок значительно отличаются от свойств исходных материалов. Тонкие резистивные пленки наносят на изо­ляционные основания (подложки) методом термического испаренияв вакууме; катодным, реактивным и ионноплазменным распылением, электрохимическим и химическим осаждением и др. В качестве оснований используют стекло, керамику, ситалл, поликор, слоистые пластики и др.

К материалам, применяемым для изготовления пленочных ре­зисторов, предъявляются следующие требования: возможность из­готовления стабильных во времени резисторов с низким темпера­турным коэффициентом удельного электрического сопротивления ТКρ, хорошая адгезия к диэлектрическим подложкам, высокая коррозионная стойкость и устойчивость к длительному воздействию высокой темпе­ратуры.

В зависимости от исходных материалов пленочные резисторы разделяют на металлопленочные и металлооксидные, композици­онные, углеродистые.

Для изготовления металлопленочных и металлооксидных резис­торов применяют тугоплавкие металлы тантал, титан, никель, хром, рений, вольфрам и сплавы на их основе.

Металлопленочные резисторы обладают следующи­ми свойствами:

- толщина тонких резистивных пленок 1…10 мкм;

- повышенные значения удельного поверхностного сопротивле­ния ρS;

- низкие значения температурного коэффициента поверхностно­го электрического сопротивления ТКRS;

- температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ пленок толщиной менее нескольких нанометров от- рицателен;

- мелкозернистая структура;

- удельное объемное сопротивление пленок зависит от толщины и больше, чем у исходных материалов.

В зависимости от толщины пленок и условий их нанесения пара­метры металлопленочных резисторов можно регулировать в ши­роком диапазоне. Для повышения электрического сопротивления резистивных пленок из титана и тантала их наносят реактивным распылением в атмосфере азота, кислорода или углерода, т.е. со­вмещают процессы получения проводящих и диэлектрических сло­ев в одном цикле с использованием одного и того же материала. При окислении на поверхности металлических пленок образуются оксиды титана и тантала, которые обладают хорошими диэлектри­ческими свойствами.

Пленочные резисторы из рения и вольфрама получают методом катодного распыления и защищают тонким слоем двуокиси кремния для стабилизации электрического сопротивления. Такие пленочные резисторы обладают следующими свойствами: электрическое сопротивление в несколько тысяч Ом на квадрат поверхности, низкий температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ, высокая стойкость к окислению, способность ра­ботать при высоких удельных нагрузках, способность работать при повышенных температурах.

В качестве резистивных материалов на основе металлов приме­няют многокомпонентные металлосилицидные сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением, содержащие кремний Si.

Сплавы марки PC содержат кремний и легирующие компонен­ты (хром, никель, железо). Их выпускают в виде сыпучих порошков с размерами частиц 40...70 мкм и применяют для получения тонко­пленочных, в том числе и прецизионных, микросхем общего и час­тного применения. В сплаве РС3710 содержатся 37% Cr, 10% Ni, остальные Si, а в сплаве РС4800 – 48% Cr, остальные Si.

Сплавы марки МЛТ-3М содержат 44% кремния 14% железа, 18% меди, 24% вольфрама. Их вы­пускают в виде мелкозернистых порошков.

Из композиционных материалов на металлической основе широкое распространение получили керметы – это композиты, получаемые спеканием керамических и металлических порошков. Матрицей, связующим компонентом в керметах является Fe, Ni, Со, Сг, Mo, W и их сплавы, а наполнителем являются керамические вещества на основе окиси Be, Mg, Ti, Ni, Si. В полупроводниковом производстве наиболее распространенным керметом является система Cr-SiO с содержанием SiO от 10-60%, используемый как резистивный материал для тонкопленочных резисторов.

Керметные резисторы обладают хорошей однородностью свойств и повышенной термостойкостью.

Металлооксидные материалы образуют резистивные пленки, которые обладают высокой термостойкостью. Наиболее широкое применение для изготовления таких резистивных пленок получили материалы на основе двуокиси олова (SnO2).

Пленки двуокиси олова обладают хорошей адгезией к изоляци­онным подложкам и высокой кислотостойкостью.

Композиционные резистивные материалы представляют собой механические смеси мелкодисперсных порошков металлов и их со­единений с органической или неорганической связкой.

В качестве проводящей фазы используют проводники (порошки серебра, палладия) и полупроводники (оксиды серебра, палладия, карбиды кремния, вольфрама).

В качестве связующих веществ применяют термопластичные и термореактивные полимеры, порошкообразное стекло, неоргани­ческие эмали.

Композиции, содержащие органические связующие вещества, об­разуют композиционные резистивные пленки, которые подвержены действию влаги и повышенной температуры. Предельная рабочая температура композиционных резистивных пленок не выше 150°С.

Композиции с неорганическими связующими элементами после спекания при высоких температурах образуют композиционные резистивные пленки с высокой влаго- и теплостойкостью до темпе­ратуры 350°С. Однако верхний предел сопротивлений резисторов снижается, увеличиваются нелинейность и собственные шумы.

К недостаткам композиционных резистивных пленок относятся повышенный уровень собственных шумов, зависимость сопротив­ления от частоты и старение при длительной нагрузке.

Углеродистые материалы используют в качестве пленочного резистивного материала в виде проводящих модификаций углерода: природного графита, сажи, пиролитического углерода. Пиролизу подвергают, как правило, углеводороды метанового ряда, которые обладают способностью при высоких температурах разлагаться с образованием на изоляционных подложках пиролитического угле­рода. По структуре и свойствам пиролитический углерод близок к графиту.

Пиролитические резистивные пленки углерода обладают следу­ющими свойствами: высокая стабиль­ность параметров, устой-чивость к импульсным перегрузкам, низ­кий уровень шумов, отрицательный температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ, малая зависимость электрического сопротивления от приложенного напряжения и ча­стоты, относительно низкая себестоимость.

 

Материалы для термопар

При соприкосновении 2-х различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов U из-за различия концентрации свободных электронов в соприкасающихся металлах А н В и перехода части электронов в металл с меньшей их концентрацией. Но электроны, чтобы покинуть металл, должны иметь определенную энергию, называемою работой выхода электрона WBЭ. Работа выхода электрона характерна для каждого проводника и определяет эмиссионные свойства металла, т.е. способность металла быть источником электронов. Если взять замкнутую цепь из 2-х проводников н один контакт нагреть до t1, а другой – до t2, то в цепи будет возникать термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) U, измеряемая в вольтах:

 

, (2.6)

где Е – коэффициент термоЭДС, постоянный для данной пары проводников.

Это лежит в основе измерения и регулирования температуры в диффузионных печах, в вакуумных камерах. Пара изолированных друг от друга различных проводников со спаем на конце, называется термопарой, В общем случае термопара состоит из пары проволок разнородных материалов, сваренных с одного конца и удлинительных проводов, подсоединенных к свободным концам термоэлектродов.

Для термопар применяют чистые металлы и различные сплавы с высоким электрическим сопротивлением.

Материалы для термопар выбирают по следующим характерис­тикам:

допустимая рабочая температура спая Тсп;

удельное электрическое сопротивление ρ;

температурный коэффициент удельного электрического сопро­тивления ТКρ;

коэффициент термоЭДС.

Для изготовления термопар чаще всего используют сплавы, при­веденные в таблице 2.4.

Термопары могут применяться для измерения следующих темпе­ратур: до 350°С – медь-константан, медь-копель; до 600°С – желе­зо-константан, железо-копель, хромель-копель; до 900...1000°С – хромель-алюмель; до 1600°С – платинородий-платина; до 2000˚С – вольфрам-молибден; до 2500…2800˚С – вольфраморениевый сплав (5% рения) и вольфраморениевый сплав (20% рения). Причем термопара на основе благородных металлов может использоваться в любой среде, а термопары на основе тугоплавких металлов – в инертной среде или в вакууме. Для измерения криогенных температур можно использовать тер­мопару железо-золото.

 

 

Таблица 2.4 – Характеристика сплавов для изготовления термопар

Параметр Копель Хромель Платинородий Алюмель
Состав сплава     Удельное электрического сопро­тивления ρ, мкОм·м 44%Ni; 56% Сu   0,465     90%Ni; 10%Сг   0,66     90%Rt; 10%Rh   0,19     95%Ni;5% Al, Si, Rh   0,305