Минимизация температурного коэффициента сопротивления фольговых резистивных элементов


PDF версия

В статье освещены вопросы получения резистивной фольги с оптимальными значениями температурного коэффициента сопротивления и изготовления фольговых резистивных элементов с минимальными значениями ТКС.

Определяющее значение в получении высоких технических параметров резисторов принадлежит резистивным материалам, их электрофизическим характеристикам, а также технологии изготовления резистивных элементов и резисторов. В качестве резистивного материала при изготовлении проволочных и металлофольговых резисторов широкое применение получили тончайшая проволока и микролента из сплавов с высоким электрическим сопротивлением различных марок.
В настоящее время для получения резистивного материала с заданным значением ТКС проводится его термообработка по одному заранее заданному режиму. При этом получение резистивных элементов с минимальным ТКС происходит методом отбора, что приводит к выходу годных изделий (по величине ТКС) порядка 8÷10%.
Применение же разработанной авторами и описанной в статье методики повысило выход годных резисторов до 70÷80%.
Разработке резистивных сплавов, имеющих большое удельное сопротивление, обладающих высокими стабильными электрическими параметрами в широком температурном диапазоне при воздействии дестабилизирующих факторов и изготовлению из них резистивных проволок и лент уделяется большое внимание [1, 2].
К резистивным сплавам из неблагородных металлов, выпускаемых зарубежными фирмами для прецизионных резисторов, относятся модифицированные Ni-Cr сплавы с высоким удельным сопротивлением, низким ТКС, высокой коррозионной стойкостью и незначительной термо-ЭДС следующих марок: Karma (США, Англия), Evanohm (США), Nikrothal LX (Швеция), Stabilohm-133 (Англия), Jsaohm (Германия) и т.д.
Широкое применение в изготовлении отечественных прецизионных фольговых резисторов получила микролента из сплавов сопротивления HM23XЮ, H70Х10Ф8Я7, Х20H75Ю, Х20H73ЮМ, H70МХЮ, Н80ХЮД-ВИ, Х20Н80ЮМ.
Основные технические характеристики холоднокатаной ленты приведены в таблице 1. ТКС фольги является зависящей от температуры величиной и для каждой конкретной температуры определяется по формуле:

 

ТКСФ = ТКСα + ТКСβ∙(Тф – Тк),   (1)

 

где ТКСФ — ТКС свободной фольги при температуре Тф, а Тк — комнатная температура.

Таблица 1. Технические характеристики холоднокатаной ленты

Марка сплава

Толщина, мкм

Удельное сопротивление р, мкОм·м

ТКСα·10-6-1

ТКСβ ·10-6, К-1

Диапазон рабочих температур, °С

НМ23ХЮ

3…20

1,48…1,6

0…20

-0,03

-60…125

Н70Х10Ф8Я7

2…20

1,85…2,0

10…15

-0,04

Х20Н75Ю

3…30

1,3…1,4

0…15

-0,07

Х20Н75ЮМ

3…50

1,4…1,45

±20

-0,07

Практика показала, что сплавы Ni-Mo характеризуются узким диапазоном регулирования ТКСα. Однако, они имеют следующие преимущества перед Ni-Cr сплавами:
– более пологая зависимость ТКСα=f(Тотж) (Тотж – температура отжига фольги), что упрощает проведение стабилизирующей термообработки и не требует термического оборудования с высокой точностью поддержания температуры;
– более низкий ТКСβ, что очень важно для прецизионных резисторов.
Удельное сопротивление и ТКС резистивных материалов определяются химическим составом и термообработкой. Минимальное удельное сопротивление резистивные сплавы имеют в холоднокатаном состоянии. Максимальное значение удельного сопротивления достигается в сплавах после стабилизирующей термообработки.
Измерения сопротивления фольги в динамическом режиме проводились методом вакуумной высокотемпературной резистометрии на установке вакуумной высокотемпературной резистометрии [3], которая представляет собой вакуумную установку с поддержанием остаточного давления воздуха в рабочем объеме не выше 5∙10–5 мм рт.ст. В рабочем объеме размещена измерительная ячейка, состоящая из нагревательного элемента (кварцевой галогенной лампы), приспособления для крепления образца и системы защитных экранов.
При нагревании и остывании образца проводилось постоянное измерение и регистрация относительного изменения сопротивления образца. Применение кварцевой галогенной лампы в качестве нагревательного элемента снижает инерционность ячейки и позволяет поддерживать высокий вакуум при высоких температурах. Рабочий диапазон температур установки составляет 20…900°С. Скорость нагрева — 5…20°С/мин.
На рисунках 1 и 2 представлена динамика изменения сопротивления резистивных сплавов на основе Ni-Co и Ni-Mo в температурном интервале  20…800°С. Сравнение этих зависимостей показывает, что изменение сопротивления у различных сплавов имеет общий характер. У сплава Н70Х10Ф8Я7 изменение сопротивления значительно больше (~40%), чем у сплавов НМ23ХЮ и Х20Н73ЮМ (~20%).
На температурных кривых (см. рис. 1 и 2) можно выделить три характерных участка.

Рис. 1. Изменение сопротивления сплавов при нагреве и охлаждении: 1 — Х20Н75Ю, ρ=1,5 мкОМ∙м; 2 — НМ10ХЮ-ВИ, ρ=1,5 мкОМ∙м; 3 — Н70МХЮЭ-ИЛ, ρ=1,5 мкОМ∙м
Рис. 2. Изменение сопротивления сплавов при нагреве и охлаждении: 1 — Н70Х10Ф8Я7, Vн = 6,5°С/мин.; 2 — Н70Х10Ф8Я7, Vн = 20°С/мин., 3 — Х20Н75ЮМ, Vн = 6,5°С/мин.; 4 — НМ23ХЮ, Vн = 6,5°С/мин.

1. В температурном интервале 20…300°С наблюдается незначительный рост сопротивления. Это увеличение сопротивления объясняется большим ТКС исходного резистивного материала и имеет обратимый характер.
2. В температурном интервале 300…610°С происходит интенсивное увеличение сопротивления. Природа аномального роста сопротивления резистивных сплавов на основе нихромов впервые обнаружена Томсоном и названа К-состоянием. Наиболее общепринятым объяснением роста сопротивления на этом участке является появление ближнего упорядочения.
3. При температуре выше 630°С, по-видимому, происходит разрушение ближнего порядка, и наблюдаются процессы рекристаллизации, приводящие к значительному снижению сопротивления.
Второй и третий участки необратимы, и охлаждение от 800°С ведет к дальнейшему увеличению сопротивления.
В соответствии с правилом Курнакова, между удельным сопротивлением резистивного сплава и его ТКС существует взаимосвязь. Рост удельного сопротивления сопровождается переходом ТКС к более отрицательным значениям.
Зависимости относительного изменения сопротивления и ТКС резистивного сплава от температуры отжига, например для сплава Н70Х10Ф8Я7, приведены на рисунке 3. Из графиков видно, что наибольшему изменению удельного сопротивления сплава соответствует наиболее отрицательный ТКС.
Зависимости изменения сопротивления резистивных материалов от температуры в рабочем интервале температур приведены на рисунке 4.

Рис. 3. Зависимости изменения сопротивления (1) и ТКС (2) сплава Н70Х10Ф8Я7 от температуры отжига
Рис. 4. Температурные зависимости изменения сопротивления для резистивных материалов: 1 — Х20Н73ЮМ; 2 — Н70Х10Ф8Я7; 3 — Н70МХЮЭ; 4 — НМ2

Из графика видно, что наибольшая крутизна характеристики, а, следовательно, и наибольшее изменение ТКС в рабочем интервале температур — у сплава Х20Н73ЮМ. Коэффициент ТКСβ для этого сплава равен 8·10–8 °С–2. Для сплавов Н70Х10Ф8Я7, НМ23ХЮ, Н70МХЮЭ коэффициент ТКСβ примерно одинаков и равен –3·10–8 °С–2, что соответствует изменению ТКС в интервале температур от –60 до 125°С на 6·10–6 °С–1.
Зависимости ТКС от температуры отжига для различных сплавов приведены на рисунке 5.

Рис. 5. Влияние температуры отжига на ТКС резистивных сплавов: 1 — Н70Х10Ф8Я7; 2 — Х20Н73ЮМ; 3 — Н70МХЮЭ; 4 — НМ23ХЮ

Сравнительный анализ зависимостей ТКС резистивных материалов от температуры отжига показал, что наибольшую крутизну зависимости и наиболее отрицательный ТКС имеет сплав Н70Х10Ф8Я7, а на сплавах НМ23ХЮ и Н70МХЮЭ невозможно получить отрицательного ТКС. Используя полученные экспериментально зависимости ТКС=f(Тотж), можно, варьируя температурой отжига, получать резистивные материалы с заданным ТКС. Значения, в зависимости от марки сплава, могут задаваться в следующих пределах: для сплавов Н70Х10Ф8Я7 –  ±20·10–6 °С–1; НМ23ХЮ – (10–20)·10–6 °С–1; Н70МХЮЭ (13–20)·10–6 °С–1; Х20Н73ЮМ (–12…20)·10–6 °С–1.
Зависимость ТКС от времени отжига экспоненциальная, и увеличение времени отжига более 1 ч значительных результатов не дает.
Металлофольговые резистивные элементы представляют собой многослойную плосконапряженную систему «фольга-подложка», которая формируется соединением фольги с подложкой при помощи органического клея (упругая связь) либо с помощью неорганического связующего (жесткая связь). Из-за различия в температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) фольги и подложки в такой системе будут изменяться внутренние напряжения при изменении температуры, что находит свое отражение в характере температурной зависимости сопротивления металлофольгового резистивного элемента. В общем виде ТКС металлофольгового резистивного элемента определяется выражением:

 

ТКСр= ТКСф+ К(αп–αф),       (2)

где ТКСр, ТКСф – температурные коэффициенты сопротивления резистивного элемента и свободной фольги, соответственно;
К – коэффициент тензочувствительности фольги;
αп, αф – ТКЛР подложки и фольги, соответственно.
Из выражения (2) видно, что для получения фольговых резистивных элементов с минимальным ТКС исходная резистивная фольга должна иметь низкое положительное значение ТКС.
На рисунке 6 представлена температурная зависимость сопротивления свободной фольги Х20М73ЮМ с ТКС(Т) = 2·10–6 – 8·10–8 (Т–ТК) (кривая 1), и температурная зависимость резистивного элемента — кривая 2. Кривая 3 является расчетной, что показывает неплохую сходимость результатов. Из приведенных данных видно, что при формировании резистивного элемента за счет тензоэффекта происходит изменение температурной зависимости сопротивления. Форма зависимости в узком интервале температур остается постоянной, происходит ее смещение по оси температур в отрицательную область, а по оси сопротивления — в положительную, что приводит к более отрицательным значениям ТКС у резистивного элемента по отношению к ТКС свободной фольги.

Рис. 6. Принцип термокомпенсации ТКС металлофольгового резистивного элемента: 1 — свободная фольга; 2 — резистивный элемент; 3 — теоретическая кривая

Резистивные элементы, изготовленные из фольги НМ23ХЮ толщиной 3 мкм с RН=10 кОм, имеют ТКС –(1…7)·10–6 °С–1; с RН=22 кОм имеют ТКС –(8…12)·10–6 °С–1 в интервале температур –60…125°С.
Также известно, что все резистивные элементы, изготовленные из фольги толщиной 10 мкм, имеют положительный ТКС, причем величина ТКС зависит от номинала резистора. Резисторы с RН=15 Ом с шириной дорожек 55 мкм имеют ТКС (7,9…10,9)·10–6°С–1, а резисторы с Rн=2,2 Ом с шириной дорожек 120 мкм имеют ТКС более 60·10–6°С–1. Таким образом, прослеживается связь суммарной ширины дорожек и ТКС резисторов. Увеличение ширины дорожек, т.е. уменьшение номинала при одинаковой толщине фольги и термообработке ведет к увеличению ТКС, и, наоборот, уменьшение ширины дорожек при одинаковых толщине фольги и термообработке ведет к уменьшению ТКС.
ТКС резистивного элемента зависит от химического состава, плавки, толщины фольги, а также от термической обработки для каждой катушки фольги. В связи с изложенным выше, предлагается следующая методика минимизации ТКС.
1. Снять динамическую кривую изменения сопротивления от температуры методом вакуумной высокотемпературной резистометрии.
2. По динамической кривой выбрать 4—5 точек термообработки. Провести термообработку фольги и измерить ТКС. Построить зависимость ТКС от температуры термообработки.
3. В одном цикле термообработки обработать фольгу для изготовления тестовых резистивных элементов и фольгу для измерения ТКС в свободном состоянии.
4. Изготовить тестовые резистивные элементы с номиналами 10 Ом; 200 Ом; 2 кОм; 100 кОм и измерить ТКС этих резистивных элементов.
5. Определить сдвиг ТКС для каждого номинала. Построить зависимость сдвига ТКС (∆ТКС) резистивного элемента от номинала резистора.
6. Для получения минимального ТКС в резистивном элементе необходимого номинала следует:
– по кривой ∆ТКС=f(Rн) найти сдвиг ТКС, соответствующий необходимому Rн;
– по кривой зависимости ТКС от температуры отжига найти температуру термообработки, необходимую для получения заданного ТКС;
– провести термообработку фольги в выбранном режиме, изготовить резистивный элемент.

Литература
1. Гуляев А.П. Металловедение. Москва. — «Металлургия» — 1966. — 748 с.
2. Лифшиц В.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. Москва. — «Металлургия» — 1980. — с. 319.
3. Кузнецов А.В., Кузнецов Г.С., Недорезов В.Г. Комплекс методик и средства прецизионного контроля физических характеристик резистивных материалов в виде микропроволоки и ленты//Материалы семинара «Состояние электронной базы, технологии производства и контроля изделий электронной техники», Пенза, 1991.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *