CC BY
71
УДК 621.316.8
ОПТИМИЗАЦИЯ РАЗРАБОТКИ КЕРМЕТНЫХ РЕЗИСТОРОВ С ПОМОЩЬЮ МОДЕЛИРОВАНИЯ
К. И. Домкин, В. Г. Недорезов
Научно-технический прогресс неизменно связан с разработкой современных материалов с заданными свойствами. Важнейшим направлением в данной области является электронное материаловедение. В настоящее время наряду с работами по созданию новых материалов для активных элементов на основе полупроводников развиваются и направления, связанные с созданием материалов для пассивной электронной компонентной базы. К изделиям пассивной электроники относятся и резисторы.
Технология получения керметных толстопленочных резистивных материалов [1] включает приготовление резистивной композиции в виде пасты, получение отпечатка резистивной пасты требуемой конфигурации на диэлектрическом основании, вжигание резистивного слоя, подгонку к заданному значению сопротивления и контроль параметров. Эта технология отличается достаточной простотой по сравнению с технологией получения резистивных элементов методом испарения или технологией изготовления проволочных и фольговых резисторов. Несмотря на кажущуюся простоту технологии, на электрические и эксплуатационные свойства изделий из кермет-ных композиций оказывают существенное влияние факторы, которые можно условно разделить на две основные группы:
- собственно резистивная композиция (ее состав, метод подготовки, дисперсность составляющих частей и т.д.);
- технологические режимы трафаретной печати и термообработки резистивного слоя.
Одной из главных проблем толстопленочного резисторного материаловедения является поиск составов паст и режимов их обжига, позволяющих получить резистивные материалы с широким и плавно регулируемым диапазоном номинальных сопротивлений при малом абсолютном значении ТКС и удовлетворительной временной стабильности сопротивления.
Процесс разработки керметных резисторов является энерго- и материалоемким процессом, требующим проработки различных технологий, конструкций и материалов. Оптимизация данного процесса представляется возможной с использованием моделирования на каждом этапе разработки.
Первой операцией процесса производства является измельчение исходных материалов [2]. Основной характеристикой измельченного материала является его гранулометрический состав [3] (рис. 1). Процесс измельчения происходит до тех пор, пока не будет достигнута заданная функция гранулометрического распределения. На основе экспериментальных данных была получена функция разрушения, зависящая только от относительной массы частиц m/m' в виде гауссиана с максимумом в m/m' = 0,5:
В процессе разработки резистивных композиций экспериментально определено характерное время разрушения в планетарно-центробежной мельнице - 1-3 с. Существенен тот факт, что оно, как оказалось, зависит от материала, поэтому эффективность ударов в мельнице различна. Определен вид функции разрушения для модельных веществ. Она оказалась довольно узкой и центрированной на т/т'~ 0,5. Множественность образования осколков рассмотрена с точки зрения теории хрупкого разрушения. Найдено, что существует критический размер, ниже которого частицы раскалываются пополам.
A
f (m, m ) = — exp--------------
m 2a2
V
/
Рис. 1. Гранулометрический состав порошков стеклофазы ЗС-71 после 8-часового измельчения
Следующей технологической операцией является формирование (рис. 2) и спекание (рис. 3) резистивной композиции.
Рис. 2. Моделирование многокомпонентной резистивной композиции
Рис. 3. Моделирование процесса спекания резистивной композиции
Следующая стадия - разработка конструкции с последующей трафаретной печатью и формирование контактов. Далее следует прогнозирование поведения системы при воздействии различных факторов.
На рис. 4 представлены результаты разработки резистора для поверхностного монтажа с использованием моделирования. Нетрудно заметить, что подбор и проверку теплофизических свойств материала подложки можно проводить на этапе проектирования.
а)
б)
в)
Рис. 4. Моделирование резистора для поверхностного монтажа: а - распределение температуры по поверхности подложки, б - эквитермальные поверхности внутри подложки, в - механические напряжения в системе резистор-контакт-подложка
На рис. 5 приведены основные этапы отработки конструкций резистивных элементов. Первоначально выбираются материалы резистора, контактов и подложки и моделируется их геометрия (рис. 5,а). Далее строится модель распределения потенциала в системе (рис. 5,6), в которой задаются максимальные значения напряжения на резисторе. Следующим этапом строится модель распределения температуры по поверхности (рис. 5,в). Затем анализируются возможные механические напряжения, которые могут возникнуть в процессе работы изделия (рис. 5,г). Окончательным этапом является моделирование рассеяния мощности на разрабатываемом резисторе.
д)
Рис. 5. Этапы разработки резистора: а - конструкция; б - распределение потенциала; в - распределение температуры; г - механические напряжения; д - рассеяние мощности
При обнаружении несоответствия параметров с запланированными разработчик может повторить как весь цикл моделирования, так и его отдельные этапы [4].
Таким образом, используя современные методы и средства моделирования, можно не только ускорить, но и удешевить процесс разработки новых керметных резисторов и сборок на их ос-
нове. Также эти средства и методы позволят существенно разнести в пространстве процессы разработки и процессы создания опытных образцов.
Список литературы
1. Недорезов, В. Г. Технология керметных резистивных структур и компонентов на их основе : моногр. / В. Г. Недорезов. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2005. - 220 с.
2. Домкин, К. И. Моделирование процесса сухого измельчения порошковых материалов / К. И. Домкин, Н. К. Юрков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2012. - № 1 (21). - С. 131-138.
3. Каминская, Т. П. Современные методы анализа гранулометрического состава порошков / Т. П. Каминская, К. И. Домкин // Перспективные материалы. - 2008. - Специальный выпуск № 6, ч. 1. - С. 237-240.
4. Домкин, К. И. Фотонные кристаллы и устройства // Надежность и качество - 2012 : тр. междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - Т. 2. - С. 252-255.
УДК 621.316.8 Домкин, К. И.
Оптимизация разработки керметных резисторов с помощью моделирования / К. И. Домкин, В. Г. Недорезов // Надежность и качество сложных систем. - 2013. - № 1. - С. 64-68.
Домкин Кирилл Иванович инженер, ОАО НИИЭМП 440600, г. Пенза, ул. Каракозова, 44.
+7 (8412) 47-71-01 E-mail: [email protected]
Недорезов Валерий Григорьевич
доктор технических наук, профессор, генеральный директор,
ОАО НИИЭМП
440600, Пенза, ул. Каракозова, 44.
(8412) 47-71-01 E-mail: [email protected]
Аннотация. Рассмотрено моделирование основных этапов разработки керметных резисторов. Показано, что моделирование позволяет существенно снизить затраты разработчиков.
Ключевые слова: резистор, кермет, моделирование.
K. Domkin
the engineer joint stock company NIIEMP 440600, Penza, Karakosova street, 44.
+7 (8412) 47-71-01 E-mail: [email protected]
V. Nedorezov
Doctor of Technical Science, professor, General Director joint stock company NIIEMP 440600, Penza, Karakosova street, 44.
(8412) 47-71-01 E-mail: [email protected]
Abstract. Modeling of the main development stages of kermetny resistors is considered. It is shown that modeling allows to lower expenses of developers significantly.
Key words: resistor, kermet, modeling.
