8.3. Изготовление металлопленочных и
металлоокисных резисторов
Проводящие элементы металлопленочных резисторов представляют собой пленки специальных сплавов или металлов, нанесенные на изоляционное основание: керамику, стекло, слоистые пластики, ситаллы. Резисторы этого типа обладают повышенной термостойкостью, малыми коэффициентами напряжения и шумов, хорошими частотными характеристиками. Используя различные сплавы и заменяя толщину пленки, получают резисторы с широким диапазоном номинальных значений сопротивления. Металлические пленки имеют высокую адгезию к материалу оснований, что позволяет использовать их в качестве проводящих элементов переменных резисторов.
Один из недостатков металлопленочных резисторов — плохая устойчивость к импульсным нагрузкам.
Металлоокисные резисторы по своим свойствам близки к металлопленочным. Наибольшее применение получили резисторы на основе двуокиси олова.
Известны различные способы получения тонких металлических пленок: термическое испарение в вакууме, катодное распыление, электрохимическое и химическое осаждение, термохимическое разложение, вжигание и др. Для изготовления металлопленочных резисторов наиболее широко применяется способ термического испарения. Другие способы используют сравнительно редко.
Технологический процесс производства металлопленочных резисторов состоит из трех основных этапов:
изготовление керамического основания и подготовка его поверхности;
нанесение проводящей пленки;
армирование резистора и измерение электрических параметров.
Керамические основания металлопленочных резисторов чаще всего представляют собой цилиндрические трубки; такая форма связана с технологическими особенностями нанесения металлической пленки. Иногда применяют плоские основания. Качество резистора во многом определяется состоянием поверхности основания.
Перед осаждением резистивной пленки основание должно быть тщательно очищено. Сначала его промывают в моющем растворе, а затем обезжиривают в парах изопропилового спирта. Окончательную очистку основания производят посредством ионной бомбардировки в тлеющем разряде в вакуумной камере непосредственно перед осаждением пленки.
Для термического испарения металлов и сплавов в вакууме используют специальные установки (рис. 8.2). Испарение проводится в вакуумной камере при остаточном давлении 10-4—10-6 мм рт. ст. Испаряемый металл или сплав обычно наносят на спираль или помещают и лодочку из тугоплавкого
металла (вольфрама, молибдена, тантала), нагреваемые электрическим током. Пленки получают также путем испарения исходного материала электронным лучом. Испарение при помощи электронного луча достигается фокусированием его на испаряемой поверхности, минимально загрязняя пленку. С помощью электронной бомбардировки можно испарить самые тугоплавкие металлы и сплавы.
Рис. 8.2. Схема установки для термического испарения металлов и сплавов в вакууме:
1 – форвакуумный насос; 2 – диффузионный насос; 3 – основание установки; 4 – маховик крана вакуума; 5 – держатели; 6 – керамические основания; 7 – испаритель; 8 – отражатель; 9 – стеклянный колпак
Во время вакуумного осаждения основания удерживаются пружинящими стальными пластинками, на концах которых имеются захваты. Форма этих захватов такова, что пластина контактного вывода на каждой стороне не закрыта от испарителя и таким образом обеспечивается электрическая неразрывность цепи после осаждения резистивной пленки. Стальная пластина, на которой закреплены захваты, расположена над испарителем в опорном кольце, которое в процессе осаждения вращается для получения одинаковой толщины и свойств всех пленок. В этом случае испаритель смещают от центра к периферии камеры — краю вращающегося держателя. Оптимальные условия получения одинаковых пленок на всех основаниях определяются расстоянием от испарителя до покрываемого основания и радиальным смещением испарителя.
Для нанесения резистивной пленки на цилиндрические основания используют многоместные приспособления (до 40 гнезд), вращающиеся в горизонтальной плоскости вокруг испарителя. Одновременно каждое основание вращается и вокруг собственной оси. Для этого основания устанавливают в съемные шпули, которые приводят во вращение посредством фрикционного механизма от электродвигателя или через общий вал, проходящий через основную плиту вакуумной камеры с соответствующим вакуумно-плотным подшипником. Если испаритель располагается в центре камеры, то основания устанавливают не вертикально, а наклонно, под некоторым углом к вертикальной оси камеры. Это способствует получению более равномерного покрытия. Резисторы, изготовленные с помощью такого приспособления, имеют очень небольшой разброс величин сопротивления.
При нанесении пленок на плоские основания контрольный резистор устанавливают рядом с обрабатываемыми основаниями в зажимном приспособлении. Включение выводных контактов контрольного основания в измерительную Схему осуществляют посредством винтовых зажимов.
При обработке цилиндрических оснований контрольный резистор также устанавливают на вращающееся приспособление, а к его выводным контактам прижимают щетки, закрепляющиеся на токосъемных кольцах, через которые контрольный резистор включается в измерительную схему (рис. 8.3). При использовании неподвижного контрольного резистора для измерения действительной величины сопротивления пленки на обрабатываемых цилиндрических основаниях соотношение величин сопротивления определяют опытным путем.
Перед нанесением резистивной пленки рекомендуется производить предварительный нагрев оснований до температуры 300° С. Таким способом уменьшают внутренние напряжения в наносимой пленке и предохраняют ее от отслаивания и появления морщин. При этом на поверхности нанесенной пленки после осаждения образуется защитная оксидная пленка, препятствующая атмосферным воздействиям и загрязнению резистивного слоя. Предварительный нагрев осуществляют в вакуумной камере терморадиационным нагревателем, расположенным над зажимным приспособлением.
После нанесения резистивной пленки необходима дополнительная термическая обработка на воздухе для завершения процесса окисления и получения стабильного защитного слоя окисла. Стабилизация производится в течение 30 мин при температуре 300° С. Во время стабилизации проявляются дефекты нанесенной пленки, которые легко обнаружить по увеличению ее сопротивления. Для стабилизации резисторов используют специальную печь с шестиместным зажимным устройством, позволяющим контролировать величину сопротивления каждого резистора в процессе стабилизации. Одним концом все резисторы устанавливают в общий зажим, а для второго конца каждого резистора предусмотрены отдельные зажимы, изолированные друг от друга. Они соединены с шестиканальным селекторным переключателем, что позволяет измерять величину сопротивления каждого резистора в процессе стабилизации. Температуру измеряют с помощью хромоалюминиевой термопары.
Рис. 8.3. Схема измерения величины сопротивления пленки в процессе осаждения на цилиндрические основания:
1 – изолятор; 2 – токосъемное кольцо; 3 – скользящие контакты; 4 – контрольное основание с кольцевыми контактами; 5 – основание; 6 – к измерительному мосту
В процессе стабилизации величина сопротивления изменяется в результате окисления пленки, а также за счет изменения кристаллической решетки резистивного материала. Общее изменение величины сопротивления может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от степени влияния каждого из указанных факторов. В условиях эксплуатации пленочные резисторы сохраняют стабильность при температурах до 150° С.
Установлено, что стабильность резисторов с незащищенной хромоникелевой пленкой в течение 1 000 ч работы удерживается в пределах ±0,5%, а ТКС зависит главным образом от скорости осаждения пленки. На рис. 8.4 представлен график зависимости ТКС пленки из хромоникелевого сплава (Ni 80%, Сr 20%) от скорости ее осаждения. Пленки наносились е помощью испарителя, нагреваемого электронным лучом.
При скоростях осаждения до 0,7 А/сек ТКС меньше 0,005% на 1° С и достигает наибольшего значения ~ 0,15% на 1° С при скорости осаждения 10 А/сек, после чего с увеличением скорости осаждения постепенно уменьшается.
Рис. 8.4. График зависимости температурного коэффициента сопротивления пленки из хромоникелевого сплава от скорости ее осаждения
Для измерения ТКС резисторы погружают в ванну с кремнийорганическим маслом, подогреваемую плоским электрическим нагревателей, с механическим перемешиванием жидкости для равномерного нагрева всего объема. К испытываемому резистору, включенному в мостовую схему, прикрепляют шарик ртутного термометра (рис. 8.5).
Выводы с каждой стороны падения получают осаждением толстого слоя хромоникелевого меди, к которому припаивают вы вод из медной проволоки или алюминия.
Обычно резисторы армируют на высокопроизводительных автоматах. После этого следует автоматическая сортировка заготовок по величине сопротивления.
Для увеличения сопротивления при изготовлении высокоомных резисторов и подгонки его к требуемому номинальному значению в пленке, как и при изготовлении углеродистых резисторов, прорезают спиральную канавку.
Для изготовления резисторов из хромоникелевых пленок с номиналами порядка нескольких мегом отношение длины пленки к ее ширине (рис. 8.6) делают около 1 000 : 1.
Рис. 8.5. Прибор для измерения температурного коэффициента сопротивления:
1 – термометр; 2 – двигатель; 3 – мешалка; 4 – к измерительному мосту; 5 – ванна с сиконовым маслом; 6 – сопротивлении; 7 – нагреватель
Для прорезания спиральной канавки резистор закрепляют концами в патронах специального станка, которые изолированы друг от друга и соединены с измерительной мостовой схемой. Вдоль резистора перемещается абразивный круг соответствующей толщины. Его движение увязано с вращением резистора так, чтобы обеспечить прорезку канавки с требуемым шагом. При изготовлении точных резисторов их включают в мостовую измерительную схему; нарезание канавки прекращают, когда сопротивление достигнет требуемой величины.
Технологический процесс изготовления металлоокисных проводящих пленок значительно проще. Пленку двуокиси олова осаждают на керамические или стеклянные основания путем термического разложения паров хлористого олова (SnCl2) при температуре около 450° С. Образующиеся пары двуокиси олова поступают в нагретую камеру, где они адсорбируются поверхностью вращающихся оснований. Другой способ основан на применении четыреххлористого олова. Его водный раствор наносят пульверизатором на основание, нагретое до температуры 500—550° С.
Рис. 8.6. Резистор с металлической резистивной пленкой и спиральной нарезкой:
а – на 1 ком; б – на 643 ком
Пленки двуокиси олова прочно сцепляются с основанием, отличаются высокой термостойкостью, стойки к воздействию кислот и щелочей, имеют невысокий температурный коэффициент сопротивления.
В последние годы разработаны автоматические установки для изготовления металлоокисных резисторов на стеклянных штабиках, вытягиваемых из тугоплавкого стекла; в процессе движения штабиков на них наносится проводящий слой.