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 ρ_S;

- низкие значения температурного коэффициента поверхностно­го электрического сопротивления ТКR_S;

- 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 W_BЭ. 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 Т _сп;

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