CC BY
722
Недорезов В. Г.
РЕЗИСТОРЫ КАК ЭЛЕМЕНТЫ ПАССИВНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Пензенский Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов работает в трех сегментах рынка пассивных изделий электронной техники, это:
Вакуумные высокочастотные коммутирующие устройства;
Прецизионные наборы тонкопленочных резисторов простые и функциональные и гибридные интегральные микросхемы ЦАП и АЦП ВТ;
Резисторы и резисторные компоненты.
Кроме этого в рамках конверсии на предприятии за последние 15 лет создано новое направление -производство электроизмерительных приборов.
В данной статье остановлюсь только на проблемах разработки и производства резисторов и резисторных компонентов. Это не означает, что по другим нашим направлением института нет вопросов и проблем.
Существует стереотип, что разработку и производство резисторов можно организовать в гараже. В статье я попытаюсь доказать и показать обратное - разработка и изготовление современных резисторов является очень трудной задачей а резисторы и резисторные компоненты относятся к одним наиболее сложным изделиям электронной техники в части их производства.
Во-первых, ни в какой другой отрасли электроники не существует такого многообразия технологий, на базе которых осуществляется изготовление резисторов и резисторных компонентов, как в области резисторостроения-это:
- технология изготовления проволочных резисторов;
- металлофольговая технология;
- тонкопленочная технология;
- технология изготовления резисторов на полимерной основе;
- технология изготовления нелинейных резисторов;
- толстопленочная технология на основе керметных материалов и др.
В свою очередь, каждая из перечисленных технологий имеет много разновидностей. Например, тонкопленочная технология формирования резистивного элемента подразделяется на технологии вакуумного термического, магнетронного или ионно-плазменного напыления; осаждения тонких слоев из газовой фазы (пиролитическое осаждение) и др. Тонкопленочные резисторы изготавливаются на основе металлодиэлектрических, металлоокисных и металлизированных резистивных материалов в виде микрокомпозиционного слоя из диэлектрика и металла или тонкой пленки металла, окиси металла или сплава; углеродистых и бороуглеродистых проводящих материалов. Типы используемых резистивных материалов достаточно разнообразны : металлы и сплавы; углерод; композиционные материалы, которые могут быть в виде мишеней, порошков металлов и сплавов, гранул и др.
Во-вторых, несмотря на кажущуюся простоту конструктивного исполнения резисторов, для их изготовления используется большое количество как основных, так и вспомогательных материалов. Основные материалы, такие как подложки-основания резисторов, резистивные материалы, пружинные сплавы и материалы контактов, зачастую должны обладать перечнем специальных требований, которые иногда достаточно сложно обеспечить, особенно когда речь идет о комплексе параметров. Учитывая, что диапазон сопротивлений резисторов перекрывает более 20 порядков (10-б...1014) Ом, резистивные материалы, соответственно, должны перекрывать диапазон удельных сопротивлений от 10-8 до1010 Омхм (практически чистые металлы и сложные композиционные материалы). Существует большое многообразие резистивных материалов по видам исполнения, размерам и состоянию: проволока, фольга, мишени, композиционные порошки, пасты, гели и др.
Требования к качеству поверхности подложек-оснований находятся на уровне требований, которые предъявляются к полупроводниковым пластинам и они должны сочетаться с жесткими требованиями по диэлектрическим параметрам и теплопроводности. Подложки для чип-резисторов наряду с суперминиатюрными размерами до (0,2...0,4) мм должны иметь жесткие допуска по размерам на уровне десятков микрон и обеспечивать возможность группового изготовления, упаковки и сборки резисторов.
В третьих, для обеспечения необходимых параметров резисторов должно использоваться метрологическое оборудование, позволяющее контролировать их электрические характеристики в диапазоне сопротивлений (10-б.1015 ) Ом с точностью измерения сопротивления от 10 до 10-5 % , температурного коэффициента сопротивления с точностью до 10-8 К-1 (кто занимается подобными вопросами понимает, что это такое).
При разработке и производстве высокочастотных резисторов, обеспечивающих работоспособность в диапазоне частот от 10 ГГц, требуются соответствующие оборудование и методики контроля их характеристик .
С учетом краткого анализа основных особенностей производства резисторов для систематизации большого многообразия резисторов и резисторных компонентов автором проведена их классификация. Классификация резисторов может осуществляться по ряду признаков, присущих многим изделиям электронной техники: назначению, способу монтажа, способу защиты и др. В данной статье приводится
подход автора, основы которого предложены в статьях [1-3] .
Первым классификационным признаком должен быть технологический принцип формирования резистивного элемента, представляющего собой совокупность резистивного материала и проводящих контактов. Такими основополагающими технологическими принципами формирования резистивного элемента являются: тонкопленочная, толстопленочная, проволочная и металлофольговая базовые технологии. В свою очередь, каждая из перечисленных технологий подразделяется в соответствии с существующими нюансами на подтехнологии.
В общем случае с использованием базовых технологий изготавливаются резисторы и резисторные компоненты различного конструктивного исполнения: постоянные и переменные резисторы, терморези-
сторы, наборы резисторов, комбинированные резистивные компоненты, как на основе резисторов различных конструкций (например, постоянных и переменных резисторов), так и на основе других классов изделий электронной техники (например, R-C наборы) или резистивные компоненты, сформированные на поверхности полупроводниковых материалов.
При выбранном конструктивном исполнении резисторов или резисторных компонентов следующим классификационным признаком является тип монтажа изделия на печатной плате: объемный или поверхност-
ный. Тип монтажа зачастую определяет форму и конфигурацию резистора или набора резисторов, вид и расположение выводов или их отсутствие (чип резисторы) и т.п.
Основная доля выпускаемых в настоящее время резисторов и резисторных компонентов выпускается для автоматизированного поверхностного монтажа. Самыми массовыми поверхностномонтируемыми резисторами являются дискретные чип-резисторы. При этом доля потребления миниатюрных и суперминиатюрных чип-резисторов с каждым годом постоянно увеличивается - если 4-5 лет тому назад основными чип-резисторами являлись резисторы серий 0603 и 0805, то сегодня это чип-резисторы серий 0402 и 0201. В ближайшее время следует ожидать массовое применение чип-резисторов серии 1005 (размеры
0,4 X 0,2 мм) .
В чип-исполнении изготавливаются и наборы резисторов, при этом для чип-наборов резисторов, в основном, используются керамические корпуса типа SON. Контактные площадки в этих корпусах могут располагаться как на плоских участках боковой поверхности, так называемые convex - контакты, так и в скругленных углублениях concave - контакты. За счет использования таких корпусов происходит самоориентация набора резисторов на печатной плате при пайке [3].
Заключительными классификационными признаками являются назначение и область применения резисторов и резисторных компонентов. Именно область применения и назначение данного класса изделий электронной техники определяют все широчайшую гамму номенклатурно-параметрических рядов резисторов и резисторных компонентов, которые исчисляются сотнями тысяч.
В зависимости от назначения резисторы делятся на резисторы общего назначения и специальные (прецизионные и суперпрецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высокомегаомные, низкоомные, мощные и др.).
Представленный на рис. 1 подход к классификации резисторов и резисторных компонентов имеет
квазилинейный характер и выражает только алгоритм решения данной проблемы. В реальных условиях классификация имеет характер «цепной реакции» и каждый высший элемент классификационной схемы дает от 2 до 10 элементов классификации более низкого уровня.
В четвертых. Производства резисторов отличается значительным многообразием используемого технологического оборудования. Простое перечисление только основного спецтехнологического оборудования, используемого при производстве резисторов может занять половину объема данной статьи. Обозначу только некоторые наиболее важные технологии, используемые при изготовлении резисторов: технология вакуумного напыления, лазерные технологии (используются для сварки, подгонки, маркировки и т.п.), технологии трафаретной печати, технологии фотолитографии, технологии формообразования (металлообработка методом резания, фрезерования, прессования и др.), технологии термической обработки и многие другие.
В пятых. Помимо огромного многообразия технологических процессов при производстве резисторов и резисторных компонентов практически всегда используется большое а иногда и просто огромное количество уникальная прецизионная оснастка. Резисторы и резисторные компоненты, зачастую представляют собой сложные электронно-механические устройства, при производстве которых необходимо обеспечивать требования точной и суперточной механики и их невозможно обеспечить без специальной оснастки и инструмента. К примеру, при производстве прецизионных потенциометров, количество технологической оснастки различного назначения составляет более 100 ед.
В качестве примера приведу конструкцию подстроечного миниатюрного резистора типа РП1-85 (рис.
2) и прокомментирую технологии, используемые при его изготовлении. Для изготовления деталей данного резистора, используются следующие технологии:
Технология прессования корпусных деталей и червячного колеса из термопластичных материалов.
Технология штамповки контактной пружины.
Технология штамповки выводной рамки и ее покрытие гальваническим методом.
Точение червяка на автоматах продольного точения.
Групповая технология нанесения резистивных и контактных слоёв методом трафаретной печати.
Обжиг слоев в конвейерных печах.
Первые три технологии относятся к технологиям формообразования и обеспечиваются с помощью штампов и прессформ. Разработки и изготовления такой оснастки требуется уникальное инструментальное производство, специальные технологии и высококлассные специалисты-инструментальщики.
Современное инструментальное производство для изготовления такой оснастки в России в настоящее время практически отсутствует и сегодня не к кому обращаться за ее изготовлением. В связи с этим на нашем предприятии в течение последних лет проводятся работы по организации собственного инструментального производства и уже получены первые результаты. Изготовление
прессформ для прессованных деталей из термо-и реактоплатичных метериалов в настоящее время осуществляется нашими специалистами. До конца 2014 года планируется освоить разработку и технологии прецизионных штампов и
ТеХНШтГИ'ІИМШв принципы
форм ир £ >RiL И СТИ R HO m
KoiiCTpyraieiiCf
исполнение
к
«
О
О
С
hQ
Он
й
(D
Он
(D
С
hQ
Он
й
со
(D
Он
3 8
нО Q.
Он о
О Р
*g а <2 s ^ (D Он
О
3
ю
§
&
й
со
О
Он
Тип монтажа
Q
%
А
А
&
&
У
у
Рис. 1. Классификация резисторов и резисторных компонентов
изготовить 40 единиц штампов. Для этого предприятием, в основном за счет собственных средств, закупается современное инструментальное оборудование и программное обеспечение, разрабатываются технологии и проводится набор специалистов, которых в Пензе остались единицы. Для полного укомплектования инструментального производства необходимо более десятка единиц различного специального инструментального оборудования. По очень скромным подсчетам для полного минимального дооснащения оборудованием инструментального производства нашего предприятия необходимо более 200 млн. руб.
Пятая и шестая позиции по изготовлению резисторов РП1-85 относятся к операции изготовления резистивного элемента. Резистивные элементы формируются на керамические основания методом групповой трафаретной печати. Для изготовления резистивного слоя используются композиционные материалы в виде паст на основе нанопорошков. Учитывая, что диапазон сопротивлений подстроечных резисторов перекрывает значения от единиц Ом до нескольких МОм, для изготовления резистивных слоев переменных резисторов используется серия специальных паст, в состав которой входит семь опорных паст, отличающихся по удельному поверхностному сопротивлению. Резистивные, проводниковые и защитные пасты, используемые в производстве керметных резисторов разработаны и серийно выпускаются НИИЭМП
как для собственных нужд, так и для нужд предприятий резисторостроения. Нанесенные резистивные и контактные слои вжигаются в конвейерных печах.
Для изготовления деталей, входящих в состав подстроечных резисторов, в НИИЭМП используется специальное технологическое оборудование (рис. 3):
Миниатюрные прецизионные термопластавтоматы с объёмом впрыска от 4 до 15 см3;
Автоматы продольного точения с ЧПУ;
Прецизионные механические пресса;
Автоматы для нанесения паст и многое другое.
После того как все детали изготовлены, начинается процесс сборки резистора, что также является непростой задачей.
Следует заметить, что подстроечный резистор РП1-85 не относится к уникальным резисторам данного класса, он был разработан НИИЭМП в конце 80-х годов прошлого столетия.
Пока мы «перестраивались» и «строили» рыночную экономику, передовые зарубежные предприятия ушли далеко вперед. В настоящее время подстроечные резисторы-это суперминиатюрные изделия с минимальными размерами от 2,2 до 2,7 мм. При этом в данных резисторах используются принципиально улучшенные и новые кинематические схемы перемещения контактной пружины по резистивному элементу (рис. 4).
Рис. 2. Основные элементы резистора РП1-85:
Выводная рамка 2. Керамическая плата с резистивным элементом 3. Корпус 4. Регулировочный винт
5. Червячное колесо б. Контактная пружина
Термопластавтомат BABYPLAST 6/10P
Настольный прецизионный пробивной пресс Н-101
Токарный автомат HANWHA XP12S
Автомат для нанесения паст DEC J1202
Рис. 3. Технологическое оборудование, используемое для изготовления керметных подстроечных резисторов
1. Конструкция тор; 4. Контакт №
однооборотного резистора открытого типа: 1. Контакт 2; 5. Контактная пружина; 6. Резистивный элемент; 7.
№3; 2. Контакт № 1; 3. Керамическое основание
Ро-
2. Конструкция с червячным механизмом вращения: 1. Контакты №1 и №3; 2. Контактная пружина; 3. Червячное колесо; 4. Червячный вал; 5. Корпус; б. Контакты №2; 7. Резистивный элемент; 8. Керамическое основание
3.Конструкция с механизмом на основе шестеренчатой пары: 1. Керамическое основание; 2. Рези-
стивный элемент; 3. Ротор; 4. Шестерня; 5. Вал со шлицом; б. Корпус; 7. Диск; 8. Вставка; 9. Контактная пружина; 10. Вывод
Рис. 4. Конструктивные исполнения подстроечных резисторов
Практически все подстроечные резисторы, выпускаемые зарубежными фирмами в настоящее время, предназначены для автоматизированного поверхностного монтажа.
Нами был проведен анализ рынка данных резисторов.
Резисторы открытого типа являются однооборотными и в настоящее время являются самыми миниатюрными в данном классе. Минимальные габаритные размеры подстроечных резисторов для поверхностного монтажа составляют менее 3 мм (2. 1X2,7), так называемые - 2 мм SMD подстроечные резисторы. Они выпускаются японскими фирмами ROHM - изделие типа MVR22, MuRata - изделия типов PVZ2A PVZ2K, Hokuriku - изделия типа VG025CHXT и американской фирмой Bourns - изделия типов 3302, TC22 и др. Выпуск резисторов серии 2 мм SMD освоен небольшим количеством фирм, т.к. для этого необходим высочайший уровень прецизионных технологий. В настоящее время изделие аналогичного класса разрабатывается нашим предприятием в рамках ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» (рис. 5).
Минимальные геометрические размеры закрытых подстроечных резисторов для поверхностного монтажа, составляют в настоящее время примерно 3X3 мм. Лидерами в технологии производства данных резисторов также являются известные японские фирмы ROHM, TT Elektronics, MuRata. В лучших образцах подстроечных керметных резисторов закрытого типа реализуется кинематическая схема на основе червячной пары (рис. 4).
Изготовление такого рода подстроечных резисторов невозможно без уникального сверхпрецизионного оборудования по формообразованию. Корпусные детали изготавливаются из специальных термопластичных материалов с помощью уникальной оснастки на специальных термопластавтоматах, обеспечивающих изготовление деталей с допусками на уровне 0,05...0,1 мм.
Рис. 5. Подстроечные 2мм SMD керметные чип-резисторы
Особо необходимо остановиться на конструкции контактной пружины, от качества которой зависят эксплуатационные характеристики керметных миниатюрных подстроечных резисторов. В 70-е и 80-е гг. прошлого века контактные пружины изготавливались с помощью вырубных штампов. Данная технология формообразования контактных пружин не позволяет изготавливать контактные пружины современных резисторов, т.к. ширина «лапок» контактирования, получаемая с использованием традиционной штамповки, сегодня соизмерима с шириной контактной пружины. Для увеличения точек контактирования в миниатюрных резисторах стали использоваться так называемые многолапковые пружины, изготавливаемые из проволок на основе пружинных сплавов. Диаметр используемых проволок составляет (70...200) мкм, что позволяет в многолапковой пружине шириной 1 мм получить 5.10 независимо перемещающихся контактных «лапок».
Упрощенная конструкция данной контактной пружины приведена на рис.6. а. Для обеспечения механической целостности контактной пружины используются пластинки жёсткости (одна или две), которые с помощью контактной сварки-пайки соединяются с пакетом набранных проволок. Данные пластинки -перемычки привариваются к проволокам при формировании полотна, а после формообразования контактной пружины на ней остается одна или две пластинки жесткости.
Дальнейшее развития производства многолапковых пружин привело к созданию технологии так называемая multi-fingered wiper беззазорных контактных пружин на основе тонкой ленты из контактных сплавов (рис. 6. б). Технология изготовления беззазорных контактных пружин лишена недостатков технологии многопроволочных контактов. Принципиально данная технология является непрерывной. Лента с изготовленными контактными пружинами может являться технологическим носителем и использоваться в процессе автоматизированной сборки подстроечных резисторов. Конструктивная целостность такой пружины обеспечивается самой пружиной, в результате чего не требуется дополнительных соединительных элементов и узлов жесткости. Изготовление данных контактных пружин основано на использования уникального прецизионного оборудования и оснастки, а сама технология является «ноу-хау» фирм-изготовителей.
В данной конструкции пружины, также как и в проволочной многолапковой пружине, каждая из лапок перемещается самостоятельно и независимо, что обеспечивает в подстроечном резисторе увеличение точек контактирования и, соответственно, к снижению величины переходного сопротивления в системе « кон-
Проволочная пружина Фольговая пружина
( multi-fingered wiper)
Рис. 6. Проволочная и фольговая многолапковая пружины
тактная пружина - резистивный элемент», что, в конечном итоге, сказывается на качестве данных изделий.
На основе анализа рынка подстроечных резисторов на керметной основе представлена классификация данных изделий в виде схемы (рис. 7). Из приведенной классификации отечественной промышленно -стью выпускаются только подстроечные резисторы с кинематической схемой «винт-гайка» и подстроечный резистор червячного типа.
И последнее о подстроечных резисторах - их цена, которая практически не превышает 20.70 центов за штуку. Такую цену может обеспечить только производство данных резисторов на автоматизированных линиях с высокой производительностью. Производство таких автоматизированных линий сегодня в России невозможно из-за того, что за время реформ машиностроительный комплекс электронного приборостроения был разрушен до основания. Разработка и стоимость таких линий может составлять «кругленькую сумму», а оснащение производства такими линиями обосновано при массовой потребности в резисторах. Как известно в России отсутствует крупносерийное производство электронной аппаратуры, поэтому вопрос о целесообразности массового производства таких резисторов является спорным. Хотя всегда можно задать вопрос, что первично яйцо или курица.
Еще одно направление переменных резисторов - это производство прецизионных потенциометров, которое полностью отсутствует в России. Данные изделия относятся к сложным электронно-механическим системам и сочетают в себе высокие требования по электрическим характеристикам с обеспечением прецизионных эксплуатационных параметров при износоустойчивости в несколько миллионов циклов. Прецизионные потенциометры в основном используются как датчики положения в различных системах управления и регулирования. В советское время создание таких или подобных изделий решалось на
уровне Правительства или ЦК КПСС: готовилось соответствующее Постановление, выделялось целевое финансирование, создавались специализированные подразделения, формировалась группа специалистов для решения поставленной задачи. В настоящее время вопросом создания и обеспечения производства необходимых Министерству обороны изделий практически никто не занимается, хотя проблема обеспече-
ния, в первую очередь военной техники, прецизионными потенциометрами известна. Несколько лет тому назад мы по собственной инициативе за счет собственных средств взялись за создание одно-и многооборотных проволочных потенциометров (рис. 8).
Однооборотные с роторным механизмом
Однооборотные с роторным механизмом
4-х оборотные с шестеренчатым механизмом
Многооборотные с червячным механизмом
Многооборотные с механизмом “винт-гайка”
Однооборотные с роторным механизмом
4-х оборотные с шестеренчатым механизмом
Многооборотные с червячным механизмом
Многооборотные с механизмом “винт-гайка
Рис.7. Классификация керметных подстроечных резисторов
С самого начала данной работы мы столкнулись со многими проблемами. Единственный вопрос, который был оперативно решен со стороны Министерства обороны это подписание решения, в соответствии с
которым НИИЭМП было назначено ответственным за разработку прецизионных проволочных потенциометров типов ПТП и ППМЛ без указания источника финансирования.
В настоящее время наше предприятие освоило изготовление этих сложных изделий. При этом был решен комплекс вопросов, связанных с их разработкой. Разработана конструкторская и технологическая документация, разработано и изготовлено более сотни единиц сборочной, измерительной и испытательной оснастки, разработано и изготовлено оборудование для метрологического обеспечения разработки и производства прецизионных проволочных потенциометров (рис. 9) и многое другое. Для изготовления деталей, входящих в состав потенциометров, использовались различные технологии формообразования: токарная и фрезерная обработка на станках с ЧПУ; прессование деталей из термопластичных и реактопластичных материалов; штамповка деталей из тонкой фольги, ленты и проволоки; микролазерная резка и гравировка; различные гальванические покрытия.
Но самая главная проблема, с которой мы столкнулись при освоении производства данных изделий,-это проблема с обеспечением качества намотки резистивного элемента прецизионного проволочного потенциометра. Точность раскладки резистивного провода по каркасу элемента должна составлять несколько микрометров. Учитывая, что при изготовлении многооборотных потенциометров используется технология намотки на струну, а при изготовлении однооборотных потенциометров используется технология намотки на тороидальный каркас, необходимо было осваивать две эти технологии. В процессе работы в результате изучения рынка было установлено, что оборудование с техническими характеристиками, удовлетворяющими требованиям по качеству намотки прецизионных потенциометров, в настоящее время отсутствует.
Имеющееся на рынке оборудование для намотки тороидов в основном предназначено для намотки тороидальных и кольцевых трансформаторов, где не требуется особой точности при раскладке провода по тороиду. Попытка приспособить выпускаемое оборудование для намотки тороидальных трансформаторов (универсальный намоточный станок МА-00-427МПК, г. Сарапул) оказалась неудачной, установка не обеспечила соответствующую точность. Попытка решить данный вопрос за счет использования импортной установки тоже оказалась неудачной. Мы заключили контракт с фирмой «ОБбек», которая подключила к решению данной проблемы американскую фирму «Jovel/Universal». После неоднократных неудачных опытов по использованию установки типа «SMC-1» для намотки прецизионных тороидов потенциометров мы разорвали контракт с фирмой «^stefo». Необходимо отметить, что фирма «^stek» без проволочек и в полном объеме вернула нам перечисленный им аванс, что бывает не часто в наше время.
Не решив проблему прецизионной тороидальной намотки за счёт использования выпускаемого оборудования, мы вынуждены были разработать и изготовить собственную установку и такой намоточный станок был разработан. Данная установка представляет собой прецизионное электронно-механическое устройство, управляемое микропроцессором (рис. 9) . Установка включена в состав технологического оборудования, используемого в технологическом процессе изготовления прецизионных проволочных потенциометров типа ПТП. С помощью данной установки изготавливаются прецизионные потенциометры, удовлетворяющие требованиям ОСТ В 25 21-86 "Потенциометры прецизионные проволочные. Общие технические условия" с дополнениями и уточнениями, изложенными в ОСТ В 25 26-87. Принципиальное отличие кинематической схемы тороидальной намотки нашей установки заключается в абсолютной жесткой обратной связи всех элементов управления процессом намотки. Использование собственной установки для намотки тороидального резистивного элемента позволило разработать технологию изготовления прецизионных проволочных потенциометров с точностью регулировочной характеристики до 0,2%.
С аналогичной проблемой мы столкнулись при освоении производства многооборотных проволочных потенциометров типа ППМЛ в соответствии с требованиями ОСТ В 25 21-86 "Потенциометры прецизионные проволочные. Общие технические условия" с дополнениями и уточнениями, изложенными в ОСТ В 25 2687 с точностью регулировочной характеристики до 0,05%. Намоточное оборудование для изготовления резистивного элемента на каркасном проводе (струне) с последующей навивкой элемента в виде спирали отсутствует. Мы были вынуждены полностью переработать кинематическую схему намотки станка типа KWM-PLE-mini, оставив только челночную намотку и оснастив данный станок электронными системами. Намотка резистивного элемента осуществляется на специальную оправку в виде спирали с одновременным изготовлением дополнительных отводов (рис. 10) . Данная оправка далее используется для заливки статора потенциометра.
В области электронного приборостроения существуют направления, от уровня развития которых зависит технический уровень и тенденции развития данного направления в целом. Таким направлением в резисторостроении является технология металлофольговых резисторов. Изделия, изготавливаемые по металлофольговой технологии, обладают уникальными параметрами по временной и температурной стабильности сопротивления, величине токовых шумов, точности обеспечения номинального сопротивления и др.
Разработка таких резисторов стала возможной благодаря глубокой научной проработке, использованию прогрессивных групповых технологий и специальным конструкторским и материало-ведческим решениям. Металло- фольговые резисторы, сочетающие в себе достоинства резисторов на основе металлургических прецизионных резистивных сплавов с технологичностью изготовления полупроводниковых изделий по планарной технологии [4].
>
Рис. 8. Потенциометры
Установка для контроля непрерывности контактирования
Установка для контроля функциональной характеристики потенциометров
/
Установка для испытаний на износоустойчивость Рис.9. Метрологическое и испытательное оборудование
1. Универсальный намоточный станок МА-00-427МПК (г. Сарапул)
2.Станок тороидальной намотки с микропроцессорным управлением SMC-1 (USA, Jovel/Universal)
3.Станок для намотки тороидальной и кольцевых потенциометров СПТКП-1 (г. Пенза, НИИЭМП) Рис. 10. Станки тороидальной намотки
Рис. 11 Намоточный станок типа KWM-PLE-mini
Достижение высоких электрических параметров металлофольговых резисторов и, прежде всего, температурного коэффициента сопротивления (ТКС), обеспечивается за счет принципа термокомпенса-ции, который связан с тензорезистивным эффектом, возникающим в системе резистивный материал - подложка из-за различия их температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) [4].
При изготовлении металлофольговых резисторов используются следующие основные технологии:
прецизионная вакуумная термическая обработка резистивных сплавов;
жесткое склеивание тонкой микронной резистивной ленты толщиной 2...10 мкм с подложкой-диэлектриком;
технология изготовления фотошаблонов с использованием генераторов изображений с шириной топологических линий до нескольких мкм;
технология прецизионной фотолитографии в чистых комнатах;
технологии изготовления корпусных деталей методом прессования из термо - и реактопластичных материалов;
штамповка корпусных деталей методом глубокой вытяжки;
прецизионная метрология и многое другое.
Несомненным мировым лидером в области металлофольговых технологий и изделий на их основе является американская фирма «Vishay», выпускаемые изделия которой отличаются высочайшим техническим уровнем и широкой номенклатурой. На рис. 12 представлены некоторые виды постоянных
резисторов и приведены области использования данных изделий. На основе анализа номенклатуры выпускаемых металлофольговых изделий была проведена классификация [5] металлофольговых наборов резисторов (рис. 13).
Рис. 12. Дискретные металлофольговые резисторы фирмы «Vishay»
Рис. 13. Классификация металлофольговых наборов резисторов
Разработанные и выпускаемые фирмой «Vishay» металлофольговые резисторы имеют следующий уровень электрических и эксплуатационных параметров (таблица 1).
Таблица 1.
Параметр Размерность Значение
Сопротивление Ом н о и о
Точность % 0,001
Стабильность % 0,005
Диапазон температур °С минус 55... 175
ТКС ppm/ С 0,2 ... 10
НИИЭМП является единственным предприятием в Российской федерации, владеющим технологией изготовления прецизионных металлофольговых резисторов. Нашим предприятием разработаны и выпускаются дискретные резисторы и наборы металлофольговых резисторов, однако номенклатура таких изделий достаточно ограничена. По техническому уровню изделия, выпускаемые НИИЭМП, отставали от технического уровня изделий фирмы «Vishay».
В настоящее время в НИИЭМП проводятся работы по созданию принципиально новой технологии изготовления металлофольговых резисторов, которые по параметрам выше мирового уровня. Так называемая NV-технология, основой которой послужили теоретические модели температурно-временной стабильности сопротивления металлофольговых резисторов, разработанные на нашем предприятии.
Разработанная NV-технология обеспечивает создание изделий с рекордным температурным коэффициентом сопротивления на уровне от 10-7 до 10-8 К-1, что на два порядка лучше, чем в серийно выпускаемом отечественном резисторе Р2-67 и в пять раз лучше чем у образцов фирмы «Vishay», изготавливаемых по Z-технологии (рис 14).
Разработанная NV-технология позволяет создавать уникальные по температурной стабильности резисторы в широком интервале температур с уровнем ТКС, превышающем существующий на сегодня уровень в пять раз.
Рис. 14. Температурные зависимости ТКС для резисторов, изготовленных по: _Z - технология;
NV - технология
Еще об одной технологии, которая в настоящее время практически не осваивается в России - это технология так называемых самовосстанавливающихся резисторов-предохранителей. Данная технология -это резисторная технология на основе использования современных достижений в области нанопроводящих порошков, с эффектом «размыкания» цепи, основанном на фазовом переходе в структуре нанокомпозиционного материала. Самовосстанавливающиеся предохранители-это резисторы, сопротивление которых на 5-9 порядков изменяется в узком интервале температур. При этом резистор из проводника переходит практически в диэлектрик (рис. 15).
После снижения температуры ниже пороговой сопротивление резистора возвращается в проводящее состояние и так может происходить до тысяч раз.
В НИИЭМП организовано производство позисторных материалов и на их основе мелкосерийное производство самовосстанавливающихся предохранителей (изделия типа Р1-200).
Разработка изделий Р1-200 осуществлялась в рамках ОКР «Позер». Было разработано 8 типономиналов изделий с планарными выводами (таблица 2).
Рис. 15. Температурные зависимости сопротивления резисторов-предохранителей: а- фирмы Bourns;
б -НИИЭМП.
В ходе выполнения данной работы было решено несколько сложных задач. В первую очередь- это материаловедческая задача.
Функциональным материалом самовосстанавливающихся предохранителей является композиция на основе нанопроводящих порошков электропроводно-
Таблица 2.
Основные параметры и размеры резисторов-предохранителей
Обозначение типоразмера резисторов Сопротивление, Ом Номинальный ток (ток удержания), 1ном, А Напряжение, В
не менее не более
Р1-200-1 0,085 0,160 1,2 30
Р1-200-2
Р1-200-3 0,050 0,090 1,5 30
Р1-200-4 1,75
Р1-200-5
Р1-200-6 0,030 0,060 2,0 30
Р1-200-7 0,017 0,031 3,5 60
Р1-200-8 0,012 0,024 4,2
го углерода, диспригированного в полимерном материале на основе полиэтилена. В процессе выполнения работы были исследованы большая гамма различных материалов и технология получения однородной композиции. Для получения такой композиции были опробованы различные технологии, но в конечном итоге выбор был остановлен на расплавной технологии как наиболее эффективной. С учетом разработанных рецептур материалов и технологии их перемешивания была разработана технология изготовления позисторных материалов и определен состав оборудования для этих целей. Для сохранения формы позистора после фазового перехода была отработана технология радиационной сшивки, после которой самовосстанавливающийся предохранитель обеспечивает несколько тысяч циклов коммутации с сохранением формы. Контактные электроды изготавливались из специального материала и формировались методом горячего прессования. Технологический процесс изготовления представлен в виде схемы (слайд
16)
Рис. 16. Укрупненная технологическая схема изготовления самовосстанавливающихся предохраните -
лей
Приведенные примеры показывают, что резисторы и резисторные компоненты являются сложнейшими электронно-механическими изделиями, разработка и производство которых требует значительной научной проработки, решения серьезных материаловедческих задач, прецизионного метрологического обеспечения и технологического обеспечения изготовления и сборки миниатюрных и суперминиатюрных деталей и изделий и мн. другое.
ЛИТЕРАТУРА
1. Недорезов В.Г. Резисторы и резисторные компоненты// Электронные компоненты: М., №4, 2005, с. 29-31.
2. Недорезов В.Г. Подстроечные керметные резисторы. Часть 2 // Электронные компоненты: М., №6, 2005, с. 132-134.
3. Недорезов В.Г. Наборы керметных резисторов. Часть 3 // Электронные компоненты: М., №9,
2005, с.118-121.
4. Недорезов В. Г. Феноменологическая модель температурной стабильности металлофольговых резисторов с учетом сопротивления выводов. //Электроника (наука, технология, бизнес): М., №7, 2011, с. 88-94.
5. Недорезов В.Г. ненты: М., №6, 2005,
Металлофольговые резисторы и наборы резисторов. Часть 4// Электронные компо-с .111-114.
