Резистивний матеріал для товстоплівкових елементів

Реферат: Винахід належить до електронної техніки і стосується резистивного матеріалу для товстоплівкових елементів. Матеріал містить струмопровідну фазу на основі оксидних сполук, мас. %: рутенію - 6-10, срібла 15-25 та паладію - 2-6, склозв'язуюче - 20-30, яке містить: Ві2О3 73,5; ZnO - 7,0-12; SiO2 - 5,0-8,5; В2О3 - 7,5-10; CdO - 3,0-8,5; MgO - 0,5-1,5 органічне сполучне решта. Перевагами резистивного матеріалу для товстоплівкових елементів є: зниження температури відпалювання резистивних матеріалів на 100-150 °С. UA 110982 C2 (12) UA 110982 C2 UA 110982 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до області електронного матеріалознавства радіоелектронної техніки і може бути використаний при виготовленні елементів гібридних інтегральних мікросхем (ГІМС), сенсорів, люмінесцентних панелей, нагрівачів різного типу копіювальної техніки та лазерних принтерів. Матеріал, що пропонується, може застосовуватись в електронній, радіоелектронній, приладобудівній і інших галузях промисловості. Досягнутий рівень техніки в області, що розглядається, характеризується наступними прикладами. Відомі резистивні матеріали, які у якості провідної фази містять сполуки рутенію, а також органічне і неорганічне зв'язуюче. Функціональну основу резистивних паст, які широко використовуються в товстоплівковій технології складають, як правило, оксидні сполуки рутенію, срібла і паладію. Як скляне зв'язуюче до складу паст входять спеціальні стекла з групи (свинцево-боро-алюмо)-силікатних стекол [Гребенкина В.Г., Доброер B.C., Панов Л.И., Тризна Ю.П. Толстопленочная микроэлектроника. - Киев: Наукова думка, 1983. - 248 с]. Основні недоліки відомих матеріалів: 1. Висока температура початку розм'якшення скляного зв'язуючого 580-700 °С. 2. Наявність у складі скляного зв'язуючого резистивних елементів токсичних сполук свинцю. 3. Низька відтворюваність їх електрофізичних параметрів (ЕФП). Відомий "Низькооомний резистивний матеріал" (прототип) [по Патенту України UA № 43677, МПК Н01С 17/06, публ. 25.08.2009 р., Бюл. № 16], який містить струмопровідну фазу на основі рутенату свинцю, срібла та паладію, органічне сполучне, стеклозв'язуюче, а інгредієнти узяті в наступних кількостях, мас. %: рутенат свинцю 6-10 склозв'язка 35-40 паладій 2-6 срібло 15-25 органічне сполучне решта. В складі цього резистивного матеріалу використано свинцевоалюмосилікатне скло наступного складу, мас. %: Рb 55-60 SiO2 20-30 Аl2О3 15-5 Ві2О3 5-1 CdO 5-4. Основні недоліки прототипу: 1. Висока температура початку розм'якшення скляного зв'язуючого 580-700 °С, що підвищує витрати на виготовлення резистивних матеріалів в процесі відпалювання резистивних паст (температура відпалу 800-900 °С). 2. Наявність у складі скляного зв'язуючого резистивних елементів токсичних сполук свинцю. 3. Високий коефіцієнт лінійного термічного розширення (КЛТР). 4. Низька відтворюваність їх електрофізичних параметрів (ЕФП). 5. Нестабільність основних електрофізичних параметрів внаслідок того, що існуючі резистивні матеріали на основі сполук Ru, Ag, Pd мають шорстку поверхню, що призводить до зміни опору резистора в процесі його експлуатації через те, що при переміщенні струмознімальних щіток (Ni/Ag) по шорсткій поверхні спостерігається стирання матеріалу резистора. Задача, на розв'язання якої спрямовано винахід - це створення резистивного матеріалу для товстоплівкових елементів з новим технічним ефектом, який полягає в: - зниженні температури початку розм'якшення скляного зв'язуючого; - вилученні із складу скла токсичного матеріалу - свинцю; - зменшенні КЛТР; - підвищенні відтворюваності питомого поверхневого опору; - підвищенні стабільності ЕФП за рахунок одержання гладкої поверхні товстоплівкового елемента. Поставлена задача вирішується резистивним матеріалом для товстоплівкових елементів, який містить струмопровідну фазу на основі оксидних сполук рутенію 6-10 %, срібла15-25 % та паладію 2-6%, стеклозв'язуюче, органічне сполучне і відрізняється тим, що як склозв'язуюче використовується легкоплавке скло наступного складу, мас. %: Ві2О3 66,0-73,5 ZnO 7,0-12,0 SiO2 5,0-8,5 1 UA 110982 C2 5 10 В2О3 7,5-10,0 CdO 3,0-8,5 MgO 0,5-1,5, яке береться в кількості 20-30 мас. %. Резистивні товстоплівкові елементи формуються шляхом відпалу резистивних паст, які є композиційною сумішшю високодисперсних порошків функціонального матеріалу і склозв'язуючого, що диспергують в спеціальних органічних зв'язках. В процесі відпалювання паст порошки скла оплавляються і спікаються в скляну матрицю, в якій фіксуються частки функціональної фази, утворюючи струмопровідні ланцюги. Тому комплекс електрофізичних властивостей резистивних елементів значною мірою обумовлений властивостями і складом скляного зв'язуючого (температура початку розм'якшення, КЛТР та ін.). Як основний склоутворюючий компонент скляного зв'язуючого резистивного матеріалу вибрано оксид вісмуту, який надає можливість отримувати більш легкоплавкі стекла. Легуючі домішки (SiO2, CdO, ZnO, MgO, В2О3) підібрані таким чином, щоб забезпечити необхідні фізикотехнічні характеристики резисторів у складі інтегральних схем та композитних матеріалів. Порівняння фізико-хімічних властивостей скла у складі резистивного матеріалу, що пропонується, і скла-прототипу наведено в таблиці. 15 Таблиця Технічні характеристики скла у складі резистивних елементів Температура варки, °C Температура початку розм'якшення, °C -1 КЛТР (L20-300 град ) , при 20 °C, Ом·см, Гідролітичний клас 20 25 30 35 40 45 900-1000 Скло у прототипі (Патент України № 43677) 1200-1300 400-430 580-600 Скло, що пропонується -7 80·10 -95·10 14 10 II -7 -6 66·10 -70·10 13 10 II -6 Перевагами скляного зв'язуючого у резистивному матеріалі, що пропонується (в порівнянні з -7 прототипом), є: зменшення температури початку розм'якшення (400-430 °С) і КЛТР (80·10 -7 -1 14 95·10 ·град. ); збільшення питомого поверхневого опору скла в десять разів (10 Ом·м), що надає можливість його використання при виготовленні товстоплівкових резисторів для роботи в високовольтній апаратурі. Скло не кристалізується при термообробці в інтервалі температур 300-900 °С. Технологія виготовлення скла по відношенню до відомих складів характеризується зменшенням температури варки до 900-1000 °C. Особливістю скла у складі резистивного матеріалу, що пропонується, є відсутність токсичних сполук свинцю. Резистивний, матеріал для товстоплівкових елементів виготовляють наступним чином: проводять перемішування неорганічної й органічної складових, після чого суміш наноситься на установці трафаретної печатки на тест-плати, які потім підсушуються при температурі 100 °С протягом 10 хв. і піддаються термообробці в конвеєрній електропечі при температурі 650-700 °С (температура відпалу прототипу - 800-900 °С) протягом 10 хв. Зменшення температури початку розм'якшення скла до 400-430 °С дозволяє знизити температуру відпалювання резистивних матеріалів на 100-150 °С, що значно зменшує витрати на їх виготовлення. Скляну матрицю товстоплівкових елементів, як правило, вважають аморфним середовищем. Однак, експериментальні дослідження показали, що стекла можуть кристалізуватися в процесі термообробки. При виготовленні резистивних елементів (відпалюванні) концентрація кристалічної фази -SiO2 під дією температури збільшується, змінюючи їх електрофізичні параметри. Оскільки кристалічна фаза -SiO2 має температуру плавлення понад 1500 °С, а відпалювання композитів відбувається при температурі 800-900 °С, кристалічна фаза скла не оплавляється і в тілі матриці утворюються локальні структурні порушення, що призводить до розупорядкування загальної структури провідних ланцюгів та їх випадкових розривів в тілі плівки. Наявність кристалічної фази -SiO2 в склі в вихідному стані та ріст її концентрації після відпалювання призводить до збільшення питомого поверхневого опору резистивних товстоплівкових елементів на 10 %, що впливає на розкид значень їх опору (відтворюваність). Крім того, наявність неоплавленої кристалічної фази -SiO2 зумовлює шорсткість поверхні. 2 UA 110982 C2 5 10 15 20 В резистивному матеріалі для товстоплівкових елементів, що пропонується, концентрація SiO2 знижена приблизно у 4 рази, що зменшує вплив -SiO2 на електрофізичні властивості елементів: призводить до підвищення відтворюваності опору і до зменшення шорсткості їх поверхні. Резистивний матеріал, що пропонується, дозволяє одержувати товстоплівкові елементи з 2 питомим поверхневим опором 0,50-10 Ом/см . Численні дослідження, проведені в Міжвідомчому науково-навчальному фізико-технічному центрі Одеського національного університету імені I.I. Мечникова, підтвердили досягнення поставленої задачі. Перевагами резистивного матеріалу для товстоплівкових елементів є: - зниження температури відпалювання резистивних матеріалів на 100-150 °С за рахунок зменшення температури початку розм'якшення скляного зв'язуючого, що значно скорочує витрати на їх виготовлення; - вилучення із складу скла токсичного матеріалу - свинцю; - зменшення КЛТР; - підвищення відтворюваності величини питомого поверхневого опору; - підвищення стабільності ЕФП за рахунок одержання більш гладкої поверхні товстоплівкового елемента. Економічний і соціальний ефект при впровадженні винаходу полягає в поліпшенні електрофізичних параметрів матеріалу, зниженні витрат на операцію відпалювання, відсутності токсичних сполук свинцю при практично тій же вартості хімічних інгредієнтів, що й у складіпрототипі. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 Резистивний матеріал для товстоплівкових елементів, який містить струмопровідну фазу на основі оксидних сполук рутенію 6-10 мас. %, срібла 15-25 мас. % та паладію 2-6 мас. %, склозв'язуюче, органічне сполучне, який відрізняється тим, що як склозв'язуюче використовується легкоплавке скло наступного складу, мас. %: Ві2О3 66,0-73,5 ZnO 7,0-12,0 SiO2 5,0-8,5 В2О3 7,5-10,0 CdO 3,0-8,5 MgO 0,5-1,5, яке взято у кількості 20-30 мас. %, органічне сполучне - решта. 30 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3