Материалы высокого сопротивления: пленочные резистивные материалы

Материалы этого класса наиболее широко применяют при изго­товлении постоянных и отчасти переменных резисторов различных типов. В зависимости от состава пленочные резистивные материа­лы можно разделить на материалы на основе металлов и их соединений (оксидов, силицидов, карбидов) и неметаллические (углеро­дистые) материалы. Если материалы первой группы непрерывно совершенствуются и ассортимент их постоянно расширяется, то углеродистые резистивные материалы постепенно утрачивают свое значение.

Пленочные материалы на основе металлов и их соединений пре­имущественно используют в микроэлектронике при изготовлении пленочных резисторов и резистивных элементов весьма малых раз­меров в микросхемах, интегральных схемах и других устройствах.

Из материалов этой группы можно выделить: тонкие металли­ческие пленки; резистивные сплавы, содержащие кремний; керметные пленки; металлооксидные пленки; композиционные пленоч­ные материалы.

Тонкие металлические пленки тугоплавких металлов (тантала, рения), а также хрома и нихрома обладают мелкозерни­стой структурой, повышенными значениями удельного поверхност­ного сопротивления ρh низкими значениями температурного коэф­фициента ТКρh (табл. 6.2). Для нанесения этих пленок исполь­зуют методы вакуумной технологии: термическое вакуумное испа­рение (хром, нихром) или распыление резистивного материала под действием бомбардировки его ионами инертного газа (тантал, ре­ний и др.). Однако при условиях применения резистивных пленочных материалов необходимо учитывать дефицитность тантала и его высокую стои­мость.

Резистивные сплавы, содержащие кремний, марок PC и МЛТ и др. широко применяются для изготовления тонкопленочных ре­зисторов методом термического вакуумного испарения.

Сплавы марки PC содержат кремний и легирующие компо­ненты (хром, никель, железо). В обозначении марки сплава (на­пример, PC 3001) буквы и цифры означают: PC - резистивный сплав; первые две цифры - процентное содержание хрома (30%) - основного компонента, легирующего кремний; вторые две цифры - содержание железа (1%) - второго легирующего компонента; остальные 69% приходятся на кремний.

Сплавы выпускают в виде сыпучих порошков с размерами час­тиц 40-70 мкм и применяют для получения тонкопленочных рези­сторов, в том числе и прецизионных, в микросхемах общего и част­ного применения.

Сплавы марки МЛТ многокомпонентны и содержат кремний,, железо, хром, никель, алюминий, вольфрам, а некоторые из них и лантаноиды. Выпускают в виде мелкозернистых порошков. Сплавы отличаются высокими значениями ρh, большой стойкостью к окислителям и воздействию различных химически активных сред. При изготовлении тонкопленочных дискретных резисторов наибо­лее широко применяется сплав МЛТ-ЗМ.

Керметные резистивные пленки содержат диэлектрическую и проводящую фазы. Эти пленки наносят методом испарения в ва­кууме смеси порошков металлов (Сr, Ni, Fe) и оксидов (SiO, Nd₂O3, ТiO2). Керметные пленки отличаются хорошей однородностью свойств, повышенной термостойкостью; широко используют для изготовления резисторных микросборок.

Из металлооксидных резистивных пленок наибольшее приме­нение нашли пленки двуокиси олова. Пленки отли­чаются плотной мелкозернистой структурой. Прочность сцепления этих пленок с керамическим или стеклянным основанием во много раз превосходит прочность сцепления металлических пленок и до­стигает 20 МПа. Эти пленки устойчивы к истиранию и весьма устойчивы химически, что позво­ляет выпускать на их основе не только постоянные, но и перемен­ные резисторы.

Композиционные резистивные материалы представляют собой механические смеси мелкодисперсных порошков металлов и их соединении с органической или неорганической связкой. В качестве проводящей фазы используют как проводники — порошки серебра, палладия, так и полупроводниковые материалы, такие, как окси­ды этих металлов, карбиды кремния, вольфрама. В качестве свя­зующих веществ применяют диэлектрические материалы - термо­пластичные и термореактивные (полимеры, порошкообразное стек­ло, неорганические эмали).

Композиционные материалы сочетают в себе ряд ценных свойств: большое удельное сопротивление, слабо зависящее от температуры; возможность управления электрическими свойствами путем изме­нения состава, сравнительно простая тех­нология изготовления.

Основными недостатками композици­онных материалов являются повышен­ный уровень собственных шумов, зависи­мость сопротивления от частоты, старе­ние при длительной нагрузке.

Материалы этого типа применяют при изготовлении постоянных и переменных резисторов, поглощающих элементов в СВЧ-устройствах как в виде пленочных покрытий, так и в виде объемных изделий (таблеток, цилиндриков и др.).

Углеродистые материалы используют в качестве пленочного резистивного материала в виде проводящих модификаций углерода: природного графита, сажи, пиролитического уг­лерода. Резистивные свойства этих материалов сильно зависят от степени их измельченности (дисперсности) и составляют в сред­нем: удельное сопротивление ρ=(8-50) мкОм·м, ТКρ=(-2÷-10)·10^-4 К^-1. Отрицательное значение ТКρ является характерной чертой углеродистых материалов. В качестве связующих веществ применяют лаки, термопластичные и термореактивные смолы.

Бороуглеродистые пленки получают термическим разложением (пиролизом) борорганических соединений. По сравнению с углеродистыми эти пленки обладают меньшими значениями ТКρ.

На основе углеродистых материалов изготавливают сравни­тельно дешевые пленочные резисторы широкого применения.