Наноматериалы и их использование в технологии изготовления резисторов и резисторных компонентов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Недорезов В.Г.

НАНОМАТЕРИАЛЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗИСТОРОВ И РЕЗИСТОРНЫХ КОМПОНЕНТОВ Нано - от nanoc - карлик.

Нано - является приставкой к наименованию единицы физической величины для образования наименования дольной единицы, равной 10-9 от исходной величины. Для длины это записывается как nm - 10-9 м.

«Отцом» нанотехнологии принято считать известного американского физика, лауреата Нобелевской премии Р. Фейнмана, который в 1959 г. в своей знаменитой лекции, известной под названием «Там внизу, еще много места», опубликованной в 1960 г. указал на возможные значительные перспективы конструирования в масштабе атомов и молекул, которые могут быть достигнуты в результате получения материалов и устройств в атомно-молекулярном масштабе (atomic-molecular scale) и отметил, что для управления свойствами этих малых наноструктур («nano»-structures), необходимо будет создать новый класс миниатюрного инструментария [1].

Когда сегодня речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду прежде всего три направления: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;

разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу; непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего.

Кроме этого нанотехнологию достаточно часто связывают с комплексом методов и технологий работ с объектами нанометрового диапазона (условно принято менее 100 нм). При этом объекты нанотехнолгии в соответствии с характерными размерами объекта подразделяются на три типа:

наночаститцьт, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм)

нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм)

наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм). Ввиду того, что нанообъекты представляют собой ангармоничные и неупорядоченные системы, стандартные модели физики твердого тела во многих случаях перестают работать, поэтому при описании нанообъектов необходимо использовать другие подходы. В нанометровом масштабе возникают качественно новые эффекты, свойства и процессы, определяемые законами квантовой механики, размерным квантованием в малых структурах, отношением поверхность/объем и другими явлениями и факторами. [2].

Так как атомы па поверхности наночастиц имеют соседей только с одной стороны, их равновесие нарушается и происходит структурная релаксация, которая приводит к смещению межатомного расстояния в слое толщиной в 2-3 нм. Поэтому приповерхностные слои частиц оказываются растянутыми, а внутренние -сжатыми, так как избыточное лапласовское давление на них достигает сотен килобар. В наночастицах реализуется особый тип дальнего порядка, при котором межатомное расстояние закономерно изменяется при переходе от центра частицы к ее поверхности. При этом трансляционная симметрия, характерная для макроматериалов, отсутствует, но дальний порядок существует, а средние межатомные расстояния существенно меньше (примерно до 10%), чем в соответствующих массивных материалах, таких, например, как порошки, получаемые методом порошковой металлургии. Наночастицы обладают существенно искаженной кристаллической решеткой, что влияет на энергию активации большинства процессов, в которых они участвуют, меняя их привычный ход и последовательность. Нанодисперсные системы состоят из фрагментов, размеры которых (в трех, двух или одном измерениях) сравнимы с длиной свободного пробега каких-либо коллективных возбуждений, либо с характерной корреляционной длиной того или иного явления [3].

Специфические свойства нанообъектов позволяют получать специфические свойства изделий изготовленных из этих материалов. С учетом этой специфики нанообъеткты находят применения при разработке и производстве пассивных электронных компонентов и, в первую, очередь резисторов. Использование наноструктур позволяет получать необходимые резистивные характеристики: высокое и регулируемое удельное сопротивление, низкий температурный коэффициент сопротивления, высокую стойкость в воздействию различных дестабилизирующих факторов, которые не возможно обеспечить при использовании макро или микрообъектов .

В Научно - исследовательском институте электронно-механических приборов (г. Пенза) в настоящее время существуют три технологии, в которых используются объекты нанометрового диапазона:

тонкопленочная технология и производство на основе данной технологии прецизионных тонкопленочных резисторов, наборов резисторов и гибридных интегральных схем ЦАП и АЦП. Резистивные и защитные слои, используемые в качестве функциональных элементов в этих изделиях изготавливаются из нанопленок толщиной 50...200 нм;

толстопленочная технология и производство на ее основе постоянных и переменных резисторов, наборов резисторов и специальных схем. Для изготовления толстопленочных резистивных слоев используются композиционные материалы (пасты), в состав которых входят нанодисперсные порошки проводящего материала и частицы диэлектрического материала со средним размером около 200 нм;

технология нелинейных позисторных материалов, предназначенных для изготовления самовосстанавлива-ющихся резисторов предохранителей на фазовом переходе. Данные резисторы изготавливаются из полимерных композиций на основе саженаполненных полиэтиленов. В состав композиций входят высокопроводящие нанопорошки углерода с размером частиц 30 ... 50 нм.

Тонкопленочная и толстопленочная технологии, в которых используются объекты нанометрового диапазона, применяются в нашем институте уже более 30 лет. Основные аспекты данных технологий достаточно полно освещены в специальной литературе. На основе данных технологий разработаны десятки резисторов и резисторных компонентов, которые сегодня серийно выпускаются различными предприятиями.

Поэтому я более подробно остановлюсь на новом направлении, которое было поставлено в нашем институте около 3-х лет назад, нелинейных резисторов на основе нанопорошков электропроводящего углерода с размером частиц 30.50 нм, так называемых самовосстанавливающихся предохранителей на фазовом переходе.

Одним из наиболее распространенных устройств защиты электрических цепей от перегрузки по току является плавкий предохранитель, основным недостатком которого является то, что после перегорания он должен быть заменен, что приводит к необходимости разборки устройства или размещения предохранителя в доступном месте. Чтобы этого избежать, производители электрооборудования используют для защиты электрических цепей биметаллические предохранители, либо керамические резисторы с положительным коэффициентом сопротивления (ТКС) - позисторы. В биметаллических предохранителях периодическое размыкание электрических контактов приводит к быстрому их разрушению из-за возникающего искрового разряда, который к тому же создает значительные электромагнитные помехи. Позисторы же сами по себе обладают значительным активным сопротивлением, потребляя большую мощность от источника питания.

Анализ научно-технической информации на основе научной и патентной литературы показывает, что новейшим достижением в области защиты электрических цепей от перегрузки по току и повышенных температур являются полимерные самовосстанавливающиеся предохранители (СП). Они представляют собой резисторы из композитного материала на основе полимера, интеркалированного углеродными наночастицами. Проводимость такого материала при обычной температуре имеет перколяционный характер и определяется свойствами проводящего углеродного кластера, распределенного между цепей кристаллического полимера. При повышении значения тока выше порогового в результате внутренней теплогенерации температура материала возрастает до 120 - 125 °С, что приводит к фазовому переходу полимера. В результате плавления кристаллических частиц полимера для материалов с положительным ТКС объем полимерного материала возрастает, что вызывает разрушение перколяционного кластера и резкое (до 106 Ом) увеличение сопротивления элемента , что равносильно размыканию цепи. В момент снятия приложенного напряжения СП автоматически переключается в исходное низкоомное состояние (самовосстанавливается). Значение сопротивления предохранителя в проводящем состоянии составляет доли Ома. Время срабатывания зависит от тока нагрузки и составляет 0,1 - 15 секунд, причем, чем больше ток, тем быстрее срабатывает

предохранитель. Количество циклов переключения для самовосстанавливающихся предохранителей может достигать 3 0 0 0. В настоящее время наиболее известны полимерные предохранители фирм Bourns, Wickmann, Liffelfuse и Raichem Corporation ( PoliSwitch). В России самовосстанавливающиеся предохранители не производятся.

Наиболее характерная зависимость сопротивления СП от температуры приведена на рисунке1.

Й. Ом

10s

10s

ю*

1QJ

10*

то'

10*

10''

10-*

\л

п J. 1

)

С ( р ч ¡ 1

т ■ я i / г

1 1

]

О 20 40 60 &0 100 120 140 160

ТС

Рис. Температурная зависимость сопротивления СП

Основными электрическими параметрами СП, определяющими их работоспособность, являются: ток пропускания (In) - максимально установившийся ток, который при указанных окружающих условиях

может проходить через СП без его срабатывания;

ток срабатывания (Ion) - минимальный установившийся ток, который при прохождении через СП приводит к обязательному срабатыванию СП;

время срабатывания (^р) - период времени после возникновения перегрузки, в течение которого падение напряжения на СП станет больше 8 0% от напряжения питания защищаемой цепи; мощность рассеяния (Ррас) - мощность, рассеиваемая СП в сработавшем состоянии; начальное сопротивление (Rmin) - сопротивление СП перед его подключением в схему;

максимальное сопротивление (R1) - максимальное сопротивление СП при комнатной температуре через 1

час после срабатывания;

Важной чертой полимерных СП является температурная зависимость их параметров. Чем выше температура окружающей среды, тем меньше изменение температуры требуется для срабатывания предохранителя. Это приводит к ускорению размыкания цепи при возникновении перегрузки по току.

Благодаря этим характеристикам уже сегодня полимерные самовосстанавливающиеся предохранители находят широкое применение для защиты электрических цепей персональных компьютеров, трансформаторов, электромоторов, звуковоспроизводящей техники аккумуляторных батарей, медицинского оборудования и автомобильных электроприводов.

Небольшие размеры и способность к самовосстановлению СП позволяет располагать их в непосредственной близости от электродвигателя или даже размещать внутри него.

В марте текущего года в НИИЭМП закончена и принята комиссией опытно-конструкторская работа по разработке самовосстанавливающегося предохранителя, в результате которой созданы исходные материалы, разработана технология изготовления полимерной композиции на основе модифицированного полиэтилена с нанодисперсными частицами электропроводящего углерода. Создан технологический процесс изготовления самовосстанавливающихся предохранителей, изготовлено 8 типономиналов данных изделий. Серийный выпуск разработанных изделий планируется начать со второй половины 2008 г.

Федшшьсо®© тшсвтаашшвосаю®®

пи

гасашшпш эдшщдожт

ашпа®

сшнэшш шгаюшшшш®

г. Пенза

ассивных электронных компонента

Керметные

Полимерны

онкопленочною

іезі/стивньїе

толстоопленочные

позисторнье

Сірукіурьі

резистивные

резисіизнь в

структуры

структуры

Габаритные размеры предохранителя

Модель Фирмы «Boums» Тип изделии ОКР «Позер» А, мм В, мм С, мм D, мм F, мм

min mas min max min max min max min max

MF-S120 Р1-200-1 19,9 22,1 4,9 5,2 0,6 1 5,5 7,5 3,9 4,1

MF-S120S Р1-200-2 19,9 22,1 4,9 5,2 0,6 1 5,5 7,5 3,9 4,1

MF-S150 Р1-200-3 21.3 23,4 10,2 11 0,5 1,1 4,1 5,5 4,8 5,4

MF-S175 Р1-200-4 20,9 23,1 4,9 5,2 0,6 1 4Д 5,5 3,9 4,1

MF-S175S Р1-200-5 20,9 23,1 4,9 5,2 0,6 1 4,1 5,5 3,9 4,1

MF-S200 Р1-200-6 21,3 23,4 10,2 11 0,5 1,1 5 7,6 4,8 5,4

MF-S350 Р1-200-7 28,4 31,8 13 13,5 0,5 1,1 6,3 8,9 6 6,6

MF-S420 Р1-200-8 30,6 32,4 12,9 13,6 0,5 1,1 5 7,5 6 6,7

Параметры и эксплуатационные характеристики самовосстанавливающихся предохранителей - пошсторов

Тип позисторов Электрическая мощность, Вт Сопротивление, Ом Ток, А

ШІ11 шах Удержания Размыкания

Р1-200-1 1,2 0,085 0,16 1,20 2,7

Р1-200-2 1,2 0,085 0,16 1,20 2,7

Р1-200-3 1,3 0,05 0,09 1,5 3,0

Р1-200-4 1,5 0,05 0,09 1,75 3,8

Р1-200-5 1,5 0,05 0,09 1,75 3,8

Р1-200-6 1,9 0,03 0,06 2,0 4,4

Р1-200-7 2,5 0,017 0,031 3,5 6,3

Р1-200-8 2,9 0,012 0,024 4,2 7,6

Предельно допустимые значения параметров

Тип позисторов Максимальное напряжение, В Максимальный ток, А

Р1-200-1... Р1-200-5 15 100

Р1-200-6... Р1-200-8 30 100

Стенд полуавтомат измерения температурной зависимости сопротивления

Стенды полуавтоматов для контроля режимов коммутации позисторов

Обору дование созданное при выполнении ОКР по разработке самовосстанавливающихся предохранителен

Технологическое оборудование

Микросмесигель для вязких Прецизионный гидравлический пресс

композиций с теРмо статирующими плитами

Метрологическое и испытательное оборудование

Резисторы с радиальным и выводами

Конструктив

ное

исполнение

Резисторы с аксиальным и выводами

Чип

резисторы

Резисторы для поверхности ого монтажа

Помольное и измерительное оборудование Фирмы «Frisch»

Нелинейные резисторы — самовосста

наели в аю щи еея предохра ни течи