Резистивный материал

Классификация по МПК: H01B

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2330342
Дата публикации: 
Воскресенье, Июль 27, 2008
Начало действия патента: 
Пятница, Май 4, 2007

Изобретение относится к области электротехники, в частности к резистивному материалу для изготовления проводящего слоя низкоомных резисторов и резистивных элементов схем, работающих в низкоомном диапазоне. Резистивный материал содержит хром, модифицирующие добавки диоксида марганца, кобальта и никеля, легирующие добавки железа и титана, при следующем количественном соотношении компонентов, вес.%: хром 90-94, диоксид марганца 1-4, никель 1-2, кобальт 4-6, железо 0.03-0.1, титан 0.1-0.2. Техническим результатом изобретения является снижение термического сопротивления пленок и временной нестабильности от температуры сопротивления низкоомных резисторов. Предложенный резистивный материал обеспечивает получение в отечественном производстве термостойких мишеней, при магнитронном распылении которых получают токопроводящие пленки низкоомных резисторов с сопротивлением 0,1-3,0 Ом, ТКС - до ±100×10-6 1/°С. 1 табл.


Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано преимущественно для изготовления проводящего слоя низкоомных резисторов и резистивных элементов схем, работающих в низкоомном диапазоне, различных функциональных устройств.

В литературе описан ряд материалов с содержанием хрома, кобальта и/или никеля и других добавок, обеспечивающих материалам относительную дешевизну, недефицитность, возможность улучшения требуемых основных параметров резистивного материала: удельного электросопротивления (R) и температурного коэффициента электросопротивления (ТКС). Например, в описании изобретения к авт. св. СССР №520628, 17.01.75, представлен резистивный материал на основе хрома, содержащий железо, никель и смесь окислов. Указано, что введение в материал никеля смещает ТКС в область положительных значений. Для обеспечения плавного смещения ТКС в область положительных значений и уменьшения абсолютных значений ТКС до (±10-100)×10-6 1/°С в материал дополнительно вводят алюминий.

Однако при удельных сопротивлениях резистивной пленки менее 10 Ом/□ возрастает абсолютная величина ТКС и зависимость его от удельного сопротивления не снижена.

Известны резистивные материалы, используемые в микроэлектронике для изготовления резисторов, содержащие кремний, никель и кобальт (Авт. св. СССР №414917, кл. Н01С 7/00, 1972); содержащие кобальт и/или никель, тантал и дисилицид железа (Авт. св. СССР №1775733, кл. Н01В 1/04, 1992), недостатком которых можно указать как значительную величину ТКС, так и относительно узкий диапазон удельного сопротивления. Введение в резистивный материал кобальта и/или никеля, как было установлено авторами, способствует уменьшению ТКС. Исследования также показали, что кобальт и никель и их смесь оказывают заметное влияние на электрические свойства материала.

Известен резистивный материал для изготовления толстопленочных пассивных элементов интегральных схем, включающий кобальтит никеля и модифицирующую добавку, в качестве которой используют марганец (А.с. СССР №1003156, кл. Н01С 7/00, 1981). Авторы предлагают выбирать соотношение никеля к кобальту 1:2, как стехиометрическое для достижения максимальной гомофазности системы.

Введение марганца в резистивный материал обеспечивает материалу снижение зависимости сопротивления от температуры.

Известен, взятый за прототип, резистивный материал, используемый для металлизации резисторов низкоомного диапазона, содержащий хром; вольфрам; диоксид марганца и кремний, преимущественно при следующих соотношениях ингредиентов, вес.%: хром 80-81; вольфрам 9,5-10,0; диоксид марганца 6,5-7,0 и кремний 3,0. [А.с. СССР №894804, кл. Н01С 7/00, 1980].

Этот материал используется в производстве резисторов и мишеней, полученных методом порошковой металлургии (вакуумным литьем) из металлических порошков, из которых основным компонентом является хром. Введение в известный резистивный материал диоксида марганца позволяет снизить ТКС получаемых резистивных пленок, расширить диапазон их удельных сопротивлений, сохранить во всем диапазоне высокую стабильность свойств во времени при температуре окружающей среды до +200°С. Отмечено, что введение MnO2 способствует стеклообразованию, это позволяет получать более прочные мишени. К недостаткам известного материала следует отнести невозможность производства на его основе низкоомных резисторов, а резисторы, полученные при распылении мишени из этого известного материала, имеют низкое электрическое сопротивление и высокий температурный коэффициент сопротивления.

Задачей изобретения являлось создание отечественного доступного в производстве резистивного материала, обеспечивающего требуемую термопрочность мишеней, а также снижение термического коэффициента сопротивления пленок и временной нестабильности от температуры сопротивления низкоомных резисторов, используемых в различных функциональных устройствах.

Техническим результатом данного изобретения является создание дешевого резистивного материала оптимального состава, обеспечивающего возможность его магнетронного распыления, ограничивающего число составляющих компонентов, и гарантирующего требуемые ТКС и R получаемых проводящих пленок низкоомных резисторов.

Технический результат достигается тем, что резистивный материал, включающий хром и модифицирующую добавку диоксида марганца, характеризуется тем, что он дополнительно содержит в качестве модифицирующих добавок кобальт и никель, а в качестве легирующих добавок железо и титан, при следующем количественном соотношении компонентов, вес.%: хром 90-94, диоксид марганца 1-4, никель 1-2, кобальт 4-6, железо 0.03-0.1, титан 0.1-0.2.

Дополнительное введение в состав известного резистивного материала новых компонентов - никеля в количестве 1-2 вес.% и кобальта в количестве 4-6 вес.%, при одновременном введении диоксида марганца в количестве 1-4 вес.%, обеспечивают материалу сохранение немагнитности - антиферромагнитного состояния и достаточной «летучести» компонентов в спеченной мишени, а полученные из него токопроводящие пленки имеют ТКС до ±100×10-6 1/°С и сопротивление от 0,1 до 3,0 Ом.

В ходе экспериментальных исследований авторами было установлено, что при содержании модифицирующих элементов в пределах, указанных в формуле изобретения, величина ТКС меньше, чем в известных резистивных материалах на основе хрома. Кроме того, выбранное оптимальное соотношение модифицирующих элементов (MnO2, Со и Ni) позволило получить мишень с наименьшей аномалией в зависимости от температуры в диапазоне от 20 до 155°С.

При введении в состав резистивного материала никеля менее 1÷2 вес.% и кобальта менее 4÷6 вес.%, диоксида марганца менее 1÷4 вес.% и при введении никеля более 1÷2 вес.%, кобальта более 4÷6 вес.%, а диоксида марганца более 1÷4 вес.% получают величину ТКС больше, чем в материале-прототипе.

Исследования подтвердили, что никель, кобальт и диоксид марганца, взятые в пределах, указанных в формуле изобретения, независимо от соотношения элементов, входящих в состав резистивного материала, оказывают одинаковое влияние на электрические свойства материала. Для компенсации положительных значений ТКС в материал дополнительно вводят в указанных соотношениях, выбранных опытным путем, железо и титан, этим достигается легирование при распылении токопроводящей пленки резистора и компенсация положительных значений ТКС.

В результате проведенного информационного поиска не обнаружено резистивного материала, содержащего все упомянутые ингредиенты в указанных соотношениях, что позволяет сделать вывод о его новизне.

Для приготовления методом порошковой металлизации образцов описываемого материала использовались порошки: основного компонента - хрома (Cr), модифицирующих добавок - порошки металлов с низким удельным сопротивлением - никеля (Ni) (6,844·10-6 Ом·см), кобальта (Со) (6,24·10-6 Ом·см), а также диоксида марганца (MnO2), который при спекании частично восстанавливается до чистого марганца и способствует устранению в полученной из резистивного материала мишени аномалии зависимости R от температуры.

Порошки компонентов предварительно просеивались через сито, взвешивались и приготавливалась шихта в соответствии с рецептурами, указанными в таблице.

Затем изготавливались мишени из смеси резистивного материала в виде секторов путем последовательного осуществления следующих операций: прессование секторов, спекание секторов, отжиг секторов и их сортировка по внешнему виду. Токопроводящие пленки, полученные при магнетронном распылении мишеней, имели положительное значение ТКС. Для компенсации положительных значений ТКС, при напылении заявляемого резистивного материала в установке ионно-плазменной металлизации (УПН) на заготовки резисторов при получении проводящих пленок использовали крепежные накладки на мишень в виде дисков или из титана и/или из стали. Диаметры дисков варьировались от 85 до 145 мм. Время напыления составило 120-240 минут, что обеспечило легирование токопроводящей пленки резисторов железом (0.3-0.1)% Fe и титаном (0.1-0.2)% Ti и коррекцию значения ТКС.

В таблице приведены примеры изготовленных смесей с различным содержанием исходных компонентов и результаты их испытаний.












Таблица
Хром Диоксид марганца Никель Кобальт R, Ом ТКС × 10-6 1/°С. Время напыления, мин Диаметр титанового диска, мм Диаметр стального диска мм
1 91 1,0 2,0 6,0 0,9-1,1 10% до ±80, 90% до ÷ 100 180 100 95
2 91 4,0 1,0 4,0 1,5-2,3 100-150 100 100 95
3 92 2,0 1,0 5,0 0,1-0,3 30% ÷ до ±80; 70% до ±100 240 100 95
4 90 5,0 1,0 4,0 3,1-5,2 200-300 120 100 95
5 91,7 1,0 0,3 7,0 2,3-3,6 230-320 120 100 95

Таким образом результаты, приведенные в таблице, подтверждают выбранные оптимальные соотношения компонентов состава резистивного материала (смеси №1-№3).

Удельное значение сопротивления смесей №4 и №5, с содержанием модифицирующих компонентов, выходящих за пределы заявленных, в среднем, более 3,0 Ом, а ТКС полученных резисторов превышает допустимые значения. Как видно из примеров, использование заявленного резистивного материала подтверждает его преимущества по сравнению с прототипом.

Простота получения заявляемого резистивного материала и высокая производительность процесса его магнетронного напыления на керамические основания обеспечивают возможность его использования без дополнительных затрат в серийном производстве низкоомных резисторов с требуемыми электрическими параметрами и позволяют изготавливать на их основе приборы с высокой прецизионностью.