CC BY
4
УДК 621.3.028.2
АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ НА СТАБИЛЬНОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТОЛСТОПЛЕНОЧНОГО
РЕЗИСТОРА
В. А. Сокуренко*, Д. О. Светлаков
Акционерное общество «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634041, г. Томск, пр. Кирова, 56 «в» E-mail: [email protected]
Проведен анализ воздействия импульсов напряжения прямоугольной формы на стабильность сопротивления толстопленочных резисторов, изготовленных на нитриде алюминия и применяемых в качестве защиты от кратковременного скачка тока в системах питания бортовых систем.
Ключевые слова: толстопленочный резистор, нитрид алюминия, импульс, стабильность.
ANALYSIS OF THE EFFECT OF RECTANGULAR VOLTAGE PULSES ON THE RESISTANCE STABILITY OF A THICK-FILM RESISTOR
V. A. Sokurenko*, D.O. Svetlakov
Stock Company "Scientific & Industrial Centre "Polyus" Russian Federation, 634041, Tomsk, pr. Kirov, 56 "v" E-mail: [email protected]
The analysis of the effect of rectangular voltage pulses on the resistance stability of thick-film resistors made on aluminum nitride and used as protection against a short-term current surge in power supply systems of on-board systems is carried out.
Keywords: thick-film resistors, aluminum nitride, pulses, stability.
Большой интерес и практическую значимость для космической отрасли представляют разработки элементов, имеющих высокую надежность и отказоустойчивость в системах питания бортовых систем.
Одним из наиболее важных вопросов, касающихся свойств резистивных пленок, является долговременная стабильность значений сопротивления элементов при различных воздействиях. Электротермические и импульсные нагрузки представляет собой основные факторы, которые влияют на изменение номинала резистора в процессе эксплуатации [1]. Наряду с этим импульсное воздействие также является одним из способов стабилизации сопротивления резисторов [2].
Таким образом тестирование компонентов при воздействии импульсной нагрузки служит необходимой операцией, позволяющей одновременно замедлить процессы старения пленки и дать оценку качества изготавливаемых структур.
Цель данной работы - анализ воздействия импульсов напряжения прямоугольной формы на стабильность сопротивления толстопленочного резистора, изготовленного из низкоомной пасты оксида рутения, на подложках из нитрида алюминия (AlN).
Для исследования были выбраны резисторы с сопротивлением ^=(0,2±0,03) Ом на основе пасты ПРУ-НА-10 для AlN с удельным сопротивлением р=10 Ом/и.
Спекание проводниковых и резистивных паст с очищенными в ультразвуковой ванне керамическими подложками из ЛШ проводилось в конвейерной печи ПЭК-8 в соответствии с термопрофилями, указанными в технических условиях на пасты. Затем резисторы монтировались на плиту из сплава АМг6 через теплопроводящий клей ЭТК-9С. Дополнительно осуществлялся контроль температуры на поверхности резистора при помощи термопары типа К. Падение напряжения и форма сигнала контролировались осциллографом. Исследуемый резистор нагружали в диапазоне Ц=0^8 В с дискретностью 1 В. Генератор позволяет выдавать сигналы прямоугольной формы со скважностью импульса у=50 %. Частота сигнала изменялась от 1 до 125 кГц, что позволило изменять длительность импульса т в диапазоне от 0,5 мс до 4 мкс. Время воздействия импульсов напряжения прямоугольной формы составляло 15 мин на каждое изменение напряжения, при этом среднее число импульсов на каждое изменение напряжения составило #=8П10 . По истечении данного времени при помощи амперметра и осциллографа рассчитывался импеданс сопротивления резистивной пленки по импульсному току Zpulsed, после чего резистор отключался от электрической цепи и при достижении комнатной температуры пленки измеряли сопротивление по постоянному току на миллиомметре Нюк1 1ш3541 для обнаружения изменения сопротивления. На рис. 1 и 2 представлено изменение сопротивления в момент воздействия импульсов 8Zpulsed от напряжения и частоты сигнала в миллисекундной и микросекундой области длительности импульса.
012345678
и, В
Рис. 1. Изменение импеданса сопротивления 5Zpulsed от импульсного напряжения прямоугольной формы и частоты в миллисекундной области длительности импульса: 1 - т = 0,5 мс Ц= 1 кГц); 2 - т = 0,1 мс Ц = 5 кГц); 3 - т = 0,05 мс Ц = 10 кГц)
012345678
и, В
Рис. 2. Изменение импеданса сопротивления 5Zpulsed от импульсного напряжения прямоугольной формы и частоты в микросекундной области длительности импульса: 1 - т = 25 мкс Ц = 20 кГц); 2 - т = 10 мкс Ц = 50 кГц); 3 - т = 5 мкс Ц = 100 кГц); 4 - т = 4 мкс Ц = 125 кГц)
По рис. 1 и 2 в диапазоне частот от 1 до 20 кГц импеданс сопротивления резистивной пленки в момент воздействия импульса уменьшается. Характер зависимости указывает на
наличие в структуре микроскопических динамических эффектов, которые обратимы после каждого пакета импульсов [1]. Воздействие импульсов на частоте выше 50 кГц изменяет характер зависимости на противоположный, наблюдается увеличение сопротивления. При этом измерение сопротивления по постоянному току 5^ос на миллиомметре показало, что сопротивление резистора необратимо увеличивается при напряжении выше 6 В (рис. 3.).
2,5 2
* 1,5
8 1
о- 1
ю 0,5 0
-0,5
>
(ГГГШММИ*
!! ........
..... /
»••••••••••••• ^р
1-5
0
1
4 и, В
Рис. 3. Изменение сопротивления 5Лос от напряжения и частоты по постоянному току: 1 - т = 0,5 мс (/ = 1 кГц); 2 - т = 0,1 мс (/= 5 кГц); 3 - т = 0,05 мс (/"=10 кГц);
4 - т = 25 мкс (/ = 20 кГц); 5 - т = 10 мкс (/ = 50 кГц); 6 - т = 5 мкс (/ = 100 кГц);
7 - т = 4 мкс (/ =125 кГц)
Дополнительно было проведено исследование влияния количества импульсов на изменение сопротивления по постоянному току 5^оС (рис. 4.). Параметры испытаний были выбраны на основе критической рассеиваемой мощности электрического поля резистора, при достижении которой температура на поверхности резистора составляет 155 °С. Мощность импульса соответствует 0,5 и 0,9 критической мощности.
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
с
о ^
ю
0
50
100
150 №106
200
250
300
Рис. 4. Изменение сопротивления в зависимости от количества импульсов длительностью 0,1 мс
и амплитудой 8 В по постоянному току: 1 - 0,5Р; 2 - 0,9Р
Результаты измерения стабильности при большом числе повторных импульсов показывают, что при 50% определяемого критического электрического поля изменение сопротивления после 300 миллионов импульсов составляет 0,05 %. При 90 % критической мощности наблюдается увеличение сопротивления до 0,7 % от исходного.
В результате проведенного анализа выявлено, что на стабильность сопротивления в основном влияют амплитуда и время длительности импульса. Максимальное изменение сопротивления от напряжения и частоты по постоянному току составило 2,4 % при
2
1
длительности импульса 4 мкс и амплитуде 8 В. Второстепенный вклад в изменение сопротивления на 0,7 % был зафиксирован при увеличении числа импульсов.
При увеличении амплитуды и уменьшении длительности импульса выделяемое тепло сосредоточивается внутри резистивного слоя и расходуется на структуризацию резистивного слоя и устранение скрытых дефектов [3].
Дальнейшая работа по данной тематике будет направленна на доработку установки импульсных испытаний с целью повышения амплитуды сигнала до 40 В и уменьшения длительности импульсов до 2 мкс.
Библиографические ссылки
1. Electrical Stress on Film Resistive Structures on Different Substrates / D. Bonfert, G. Klink, K. Bock, P. Svasta // 34th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE). 2011. P. 307-312. DOI: 10.1109/ISSE.2011.6053879.
2. Stability of miniaturized non-trimmed thick- and thin-film resistors / T. Rovensky, A. Pietrikova, I. Vehec, L. Livovsky // Engineering. Microelectronics Reliability. 2018. Vol. 84. P. 8894. DOI: 10.1016/j.microrel.2018.03.011.
3. Теоретические аспекты импульсно-токовой стабилизации сопротивления тонкопленочных резисторов первичных преобразователей / К. Э. Уткин, П. А. Колосов, Б. В. Цыпин, И.В. Макаров // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2020. № 4 (34). С. 58-64. DOI: 10.21685/2307-5538-2020-4-7.
© Сокуренко В. А., Светлаков Д.О., 2022
