eng
Выпуск #6/2011
В.Недорезов, С.Подшибякин
Керметные резистивные пасты для высоковольтных высокомегаомных резисторов
Керметные резистивные пасты для высоковольтных высокомегаомных резисторов
Просмотры: 4679
В ФГУП "НИИЭМП" уже более 35 лет используются нанотехнологии при разработке и производстве резистивных, проводниковых и защитных паст для толстопленочной технологии, в состав которых входят нанодисперсные порошки Ag, Pd, RuO2, Bi2Ru2O7, Pb2Ru2O6 и др.
Теги: high and low conductive cermet resistors nanopowders of complex rhutenium compounds высокоомные и низкоомные керметные резисторы нанопорошки сложных соединений рутения
Все известные технологии изготовления резистивных паст, разработанные на базе имеющихся порошкообразных рутениевых материалов, пока не решили проблему создания высокостабильных толстопленочных высоковольтных высокомегаомных резисторов с низкой температурной зависимостью сопротивления. Прежде всего, это связано с физико-химической природой толстых резистивных пленок и механизмом переноса зарядов при прохождении тока.
Процесс электропереноса в керметных резистивных структурах – это результат существования двух видов проводимости [1–3]: металлической проводимости кристаллической фазы и активационной в изолирующих стеклянных прослойках. Наличие двух видов проводимости обуславливает высокую температурную зависимость величины сопротивления в рабочем диапазоне температур от -60 до 155°С. Кроме того, неоднородности в распределении проводящих микрочастиц в стеклянной матрице приводят к локальным перенапряженностям при воздействии электрического поля и микропробоям в изолирующих прослойках, ухудшая временную стабильность резисторов.
Названные проблемы частично решаются при физико-химическом модифицировании составных частей композиционной пленочной структуры, влияющем на механизм проводимости в ней. Так, применение материалов типа тройных оксидов рутения, например рутенитов свинца Pb2Ru2O6 и висмута Bi2Ru2O7 или легированного ванадием диоксида рутения nVO2·mRuO2, в виде нанопорошков с дисперсностью частиц 100–300 нм и менее позволяет сформировать более упорядоченные структуры, в которых частицы нанодисперсного наполнителя разделены тончайшими изолирующими прослойками [4, 5].
Более того, в таких структурах в результате диффузии ионов металлической фазы (рутения, легирующих добавок p- и d-элементов IV и V групп Периодической системы элементов Менделеева) в изолирующей стеклянной фазе образуются дополнительные ловушки или локализованные состояния энергетических уровней, обуславливающие процесс электропереноса туннелированием с малой энергией активации.
В результате, при избирательном легировании функциональных компонентов композиционных систем появляется возможность в той или иной степени влиять на процесс формирования более упорядоченных нанокомпозиционных структур и создавать резистивные материалы с улучшенными эксплуатационными свойствами: стабильностью сопротивления не хуже 0,5–1% и уровнем ТКС не более ±(50–100)×10-6 1/°С в широком диапазоне сопротивлений до 107 Ом/□.
Технология приготовления композиционных структур. В качестве функциональных компонентов резистивных паст были выбраны сложные оксиды рутения составов: Pb2Ru2O6 – рутенит свинца марки ПРС и nVO2·mRuO2 – диоксид рутения, легированный ванадием, марки ПДР-0,2В.
Технологические режимы подготовки металлоокисных порошков отрабатывались на высокоэффективном оборудовании для измельчения в жидких средах – шаровой планетарной мельнице Pulverisette-5 (ф. Fritsch). Параллельно аналогичным способом подготавливался второй функциональный компонент резистивных паст – порошкообразное стекло специального состава.
Эффективность измельчения всех компонентов определялась периодическим контролем гранулометрического состава получаемых тонкодисперсных порошков с применением лазерного измерителя частиц Analysette-22 (ф. Fritsch).
Гранулометрический анализ диоксида рутения ПДР-0,2В (для рутенита свинца ПРС картина аналогичная) и специального стекла марки 279 (для стекол других марок картина аналогичная) дал следующие результаты:
дисперсность частиц проводящих порошков на основе сложных оксидов рутения находится в нанометрическом диапазоне – 90% частиц имеют размер до 300 нм;
частицы порошков стеклянных компонентов несколько крупнее – 90% частиц имеют размер до 0,6 мкм, остальные 10% – от 0,6 до 0,9 мкм.
По полученным результатам были определены рецептуры паст на основе сложных оксидов рутения, а также технологические режимы их переработки в порошкообразное состояние с дисперсностью частиц в нанометровом диапазоне. В результате были разработаны резистивные пасты с сопротивлением квадрата резистивной пленки 1, 10, 100 кОм, 1, 5 и 10 МОм с двумя уровнями ТКС: ±100×10-6 1/°С (пасты группы А) и (0–250)×10-6 1/°С (пасты группы Б) в интервале температур от -40 до 125°С.
Технологический процесс приготовления высокоомных паст для высоковольтных мега- и гигаомных резисторов представлен на рис.1, а электрические характеристики резистивных паст серии ПРВ – в табл.1.
Испытания высокоомных резистивных паст. При исследовании влияния керамического материала на величину сопротивления квадрата резистивной пленки и ТКС в разных поддиапазонах шкалы сопротивлений использовались цилиндрические каркасы трех типоразмеров (рис.2). Они выпускаются серийно на основе керамики УФ-46 (отечественные предприятия не выпускают керамические цилиндрические каркасы из керамики типа ВК-94 или 95): ЮУ7.804.118-03 (L = 70 мм); ЮУ7.804.141-04 (L = 34 мм); ЮУ7.804.141-03 (L = 25 мм).
На каркасы всех трех типов наносились резистивные пасты с сопротивлением квадрата 103, 104, 105, 106, 107 Ом. Параллельно для тестирования на основе этих же паст были изготовлены контрольные образцы на плоских керамических основаниях из керамики типа ВК-94-2.
Из приведенных графиков следует:
имеет место изменение параметров пленок при переходе от контрольных образцов на основе керамики ВК-94-2 к цилиндрическим каркасам из керамики УФ-46;
изменение параметров тем значительнее, чем выше удельное сопротивление резистивных паст;
имеют место различия в значениях параметров пленок для каркасов разных типоразмеров из керамического материала одной марки УФ-46.
Величины сопротивлений квадрата резистивного слоя, нормированные к сопротивлению квадрата пленки контрольного образца (рис.3), для разных каркасов изменяются в пределах от 0,8 до 7 раз (резистивная паста 1 кОм/□) и от 4 до 100 раз (резистивная паста 1 МОм/□).
Коэффициент формы (Кф) резистивного элемента контрольного образца равен 80 (длина резистивного слоя между точками А и Б по линии АБ равна 32 мм, ширина – 0,4 мм). При таком значении Кф можно не учитывать влияния контактов на характеристики резистивного слоя, что очень важно для резисторов с малым значением ТКС. Кроме того, такая топология позволяет тестировать разрабатываемые резистивные пасты во всем диапазоне сопротивлений от 1 кОм/□ до 10 МОм/□. Значения ТКС при этом сдвигаются в сторону отрицательных величин на 50–180 единиц при переходе от контрольного образца к цилиндрическим каркасам разных типоразмеров.
Полученные результаты свидетельствуют о необходимости учета влияния керамического материала на электрофизические характеристики резистивных пленок при изготовлении высоковольтных резисторов на цилиндрических каркасах. Поэтому было принято решение о необходимости разработки резистивных паст с двумя уровнями ТКС: ±100·10-6 1/°С (пасты группы А) и (0–250)·10-6 1/°С (пасты группы Б).
Преимущества такого подхода очевидны. Во-первых, появляется возможность управлять уровнем ТКС резисторов на основе цилиндрической керамики разных типоразмеров и различных технологических партий. Во-вторых, разработанные пасты можно применять для изготовления высоковольтных высокомегаомных резисторов с низким ТКС на основе плоской керамики ВК-94-2.
В процессе отработки нанокомпозиционных структур исследовали температурную зависимость сопротивления тест-образцов резистивных элементов (РЭ) на их основе. По результатам рассчитывались значения ТКС в различных точках во всем исследованном температурном интервале. ТКС резистивных композиций в этом интервале изменяется линейно (рис.4).
Проводились испытания (в соответствии с ГОСТ 20.57.406) резистивных элементов контрольных образцов и на стойкость к внешним воздействующим факторам (ВВФ) (табл.2):
пятикратное изменение температуры среды от -60 до 125°С;
воздействие повышенной рабочей температуры среды, электрической нагрузки при напряжении, соответствующем номинальной мощности 0,75 Вт (но не более 1000 В), температуры 85°С в течение 100 ч;
повышенная относительная влажность воздуха (93±3)%, температура 40°С в течение 10 суток.
По результатам исследований стабильности резистивных пленок при воздействии внешних дестабилизирующих факторов определен допустимый уровень величины δR – не более ±1,0%.
Влияние защитного покрытия на электрическое сопротивление. В качестве защитного покрытия в высоковольтных резисторах наиболее часто применяются покрытия на основе органосиликатных композиций (ОСК) – ОС-92-25 ТУ 84-725-78. Данная композиция в течение многих лет применяется для герметизации проволочных резисторов.
Отверждение композиции проводится путем термообработки покрытия при температуре 250–270°С в течение 3 ч с плавным (2–3,5)°С/мин ее подъемом до температуры выдержки. Режим термообработки достаточно жесткий для резистивных слоев на основе толстых пленок, поэтому необходимо было оценить его влияние на величину сопротивления РЭ.
Оценка влияния проводилась измерением величины сопротивления РЭ начального (до защитного покрытия), промежуточного (после отверждения первого слоя) и конечного (после отверждения второго слоя покрытия). Измерялись как образцы тестплат, так и макетные образцы высоковольтных резисторов с разным номинальным сопротивлением (табл.3).
Как следует из таблицы, независимо от удельного сопротивления резистивной пасты и типа керамического материала относительное изменение сопротивления РЭ при отверждении защитного покрытия составляет, как правило, плюс (0,5–1)%. Эта величина достаточно легко может быть учтена в технологическом процессе изготовления резисторов при подгонке резистивных элементов в необходимый допуск по номинальному сопротивлению.
Коэффициент напряжения. Определение изменения сопротивления резистивных элементов контрольных образцов (тестплат) от изменения напряжения проводилось в соответствии с ГОСТ 21342.17-78. Коэффициент напряжения (КU), выраженный через относительное изменение сопротивления в процентах, рассчитанное на 1 В, определяют по формуле:
где R1 – сопротивление, измеренное при напряжении, равном 10% напряжения, соответствующего номинальной мощности рассеяния или предельного рабочего напряжения; R2 – сопротивление, измеренное при напряжении, равном 100% напряжения, соответствующего номинальной мощности рассеяния резистора или предельного рабочего напряжения; U1 – напряжение, при котором сопротивление резистора равно R1; U2 – напряжение, при котором сопротивление резистора равно R2.
Результаты расчета коэффициента напряжения (КU) представлены в табл.4. Приведенные величины – это среднеарифметические значения по шести контрольным образцам (КО) каждого типономинала.
Анализ полученных результатов не выявил какой-либо закономерности в изменении сопротивления резистивных элементов с изменением приложенного напряжения, при этом величина коэффициента сопротивления не превышает 0,001% или 10 ррm. Можно лишь констатировать, что наименьшая зависимость сопротивления от напряжения наблюдается у резистивных пленок на основе паст серии ПРВ в диапазоне сопротивлений квадрата 104–106 Ом.
Испытания высоковольтных резисторов на основе паст серии ПРВ. Были изготовлены экспериментальные партии опытных образцов резисторов (рис.5) с номинальным сопротивлением 1, 10, 300 МОм, 1, 10 и 20 ГОм. Применялись цилиндрические керамические каркасы трех типоразмеров. Образцы с номинальным сопротивлением до 1 ГОм, включая последний, изготавливались с допуском ±0,1; ±0,25; ±0,5; ±1%; образцы с номинальным сопротивлением 10 и 20 ГОм – с допуском ±5, ±10, ±20%.
ТКС измерялся на образцах резисторов с RНОМ 1, 10, 300 МОм и 1 ГОм. Партия резисторов с RНОМ = 300 МОм была исследована на воздействие электротермотренировки в условиях: U = 15 кВ, T = 85°С, t = 100 ч. Три партии резисторов с RНОМ = 1, 10 и 20 ГОм подвергались длительному воздействию повышенной температуры среды (85°С) под электрической нагрузкой при испытательном напряжении U = 20 кВ с промежуточными замерами через каждые 100 ч.
Анализ результатов исследований температурных зависимостей сопротивления высоковольтных высокоомных резисторов показывает, что резистивные пасты серии ПРВ позволяют создать высоковольтные цилиндрические резисторы с ТКС ±(50, 100, 200)·10-6 1/°С.
Относительное изменение сопротивления (δR, %) резисторов с RНОМ = 300 МОм при воздействии напряжения 15 кВ и температуры 85°С в течение 100 ч составляет сотые доли процента (табл.5).
Результаты воздействия повышенной температуры 85°С и испытательного напряжения 20 кВ образцов резисторов с номинальным сопротивленим RНОМ = 1, 10 и 20 ГОм представлены на рис.6.
Кривые 1, 2 и 3 (см. рис.6), относящиеся к резисторам с номинальным сопротивлением 1, 10 и 20 ГОм, соответственно, демонстрируют надежную высоковольтную стабильность образцов: δR < 0,1% за 700 ч для резисторов 1 ГОм; δR < 0,5% за 600 ч для резисторов 10 ГОм; δR < 1,0 % за 600 ч для резисторов 20 ГОм. Кривые 4 и 5 построены по усредненным значениям для образцов, для которых значительное отклонение сопротивления от первоначального зафиксировано при первом замере через 100 ч: δR ~ (16–17)% для двух резисторов 10 ГОм; δR ~ (6–7)% – для пяти резисторов 20 ГОм. Данные резисторы в соответствии с технологическим процессом изготовления высоковольтных высокоомных резисторов будут отбраковываться на первых стадиях операции термоэлектротренировки.
* * *
В заключение можно сказать следующее. Отработаны технологические режимы приготовления нанокомпозиционных структур на основе тройных оксидов рутения составов Pb2Ru2O6 и nVO2·mRuO2. Это позволило получить резистивные пасты, обеспечивающие создание высоковольтных высокомегаомных резисторов с ТКС не более ±(50-100)·10-6 1/°С в диапазоне номинальных сопротивлений от 1 до 20 Мом. Разработана новая серия резистивных паст ПРВ с диапазоном удельных сопротивлений от 1 кОм/□ до 10 МОм/□ и ТКС ±(100; 250)´10-6 1/°С, состоящая из паст шести типономиналов: ПРВ-31, ПРВ-41, ПРВ-51, ПРВ-61, ПРВ-65 и ПРВ-71. Изготовлены, исследованы и испытаны образцы высоковольтных резисторов, включающие резисторы с номинальным сопротивлением 1, 10, 300 МОм, 1, 10 и 20 ГОм. Резисторы на цилиндрическом каркасе имеют следующие характеристики: диапазон сопротивлений 106–2·1010 Ом; температурный коэффициент сопротивления в диапазоне температур -60–125°С – ±(50, 100, 200)·10-6 1/°С; временная стабильность сопротивления при воздействии различных дестабилизирующих факторов и рабочего напряжения до 20 кВ – (1–2)%; коэффициент напряжения не превышает 10 ррm.
Отечественные резисторы с аналогичными характеристиками не выпускаются. В настоящее время заканчивается полный цикл испытаний резисторов, разработанных на основе паст серии ПРВ. Выпуск резисторов намечен на конец 2011 года. Работа выполнена за счет средств предприятия.
Литература
Недорезов В.Г. Керметные толстопленочные резистивные материалы (монография), изд-е. ПГУ. – Пенза, 2002.
Недорезов В.Г. Технология керметных резистивных структур и компоненты на их основе (монография), изд-е. ПГУ. – Пенза, 2005.
Буц В.П. Аномалия сопротивления электропроводящих структур/ В.П.Буц, В.Г.Недорезов. – Петербургский журнал электроники, 2001, №1, с.20–24.
Шориков Ю.С., Евтушенко Т.В., Подшибякин С.В. и др. Токопроводящий материал для толстопленочных резисторов. А.С. №1246791, 1986.
Шориков Ю.С., Шарипова Н.С., Подшибякин С.В., Ялалтдинова З.Х. Влияние морфологии частиц диоксида рутения на электропроводность толстых пленок при положительных температурах. – Электронная техника. Сер. Материалы, 1985, вып.9(208), с.64–67.
Процесс электропереноса в керметных резистивных структурах – это результат существования двух видов проводимости [1–3]: металлической проводимости кристаллической фазы и активационной в изолирующих стеклянных прослойках. Наличие двух видов проводимости обуславливает высокую температурную зависимость величины сопротивления в рабочем диапазоне температур от -60 до 155°С. Кроме того, неоднородности в распределении проводящих микрочастиц в стеклянной матрице приводят к локальным перенапряженностям при воздействии электрического поля и микропробоям в изолирующих прослойках, ухудшая временную стабильность резисторов.
Названные проблемы частично решаются при физико-химическом модифицировании составных частей композиционной пленочной структуры, влияющем на механизм проводимости в ней. Так, применение материалов типа тройных оксидов рутения, например рутенитов свинца Pb2Ru2O6 и висмута Bi2Ru2O7 или легированного ванадием диоксида рутения nVO2·mRuO2, в виде нанопорошков с дисперсностью частиц 100–300 нм и менее позволяет сформировать более упорядоченные структуры, в которых частицы нанодисперсного наполнителя разделены тончайшими изолирующими прослойками [4, 5].
Более того, в таких структурах в результате диффузии ионов металлической фазы (рутения, легирующих добавок p- и d-элементов IV и V групп Периодической системы элементов Менделеева) в изолирующей стеклянной фазе образуются дополнительные ловушки или локализованные состояния энергетических уровней, обуславливающие процесс электропереноса туннелированием с малой энергией активации.
В результате, при избирательном легировании функциональных компонентов композиционных систем появляется возможность в той или иной степени влиять на процесс формирования более упорядоченных нанокомпозиционных структур и создавать резистивные материалы с улучшенными эксплуатационными свойствами: стабильностью сопротивления не хуже 0,5–1% и уровнем ТКС не более ±(50–100)×10-6 1/°С в широком диапазоне сопротивлений до 107 Ом/□.
Технология приготовления композиционных структур. В качестве функциональных компонентов резистивных паст были выбраны сложные оксиды рутения составов: Pb2Ru2O6 – рутенит свинца марки ПРС и nVO2·mRuO2 – диоксид рутения, легированный ванадием, марки ПДР-0,2В.
Технологические режимы подготовки металлоокисных порошков отрабатывались на высокоэффективном оборудовании для измельчения в жидких средах – шаровой планетарной мельнице Pulverisette-5 (ф. Fritsch). Параллельно аналогичным способом подготавливался второй функциональный компонент резистивных паст – порошкообразное стекло специального состава.
Эффективность измельчения всех компонентов определялась периодическим контролем гранулометрического состава получаемых тонкодисперсных порошков с применением лазерного измерителя частиц Analysette-22 (ф. Fritsch).
Гранулометрический анализ диоксида рутения ПДР-0,2В (для рутенита свинца ПРС картина аналогичная) и специального стекла марки 279 (для стекол других марок картина аналогичная) дал следующие результаты:
дисперсность частиц проводящих порошков на основе сложных оксидов рутения находится в нанометрическом диапазоне – 90% частиц имеют размер до 300 нм;
частицы порошков стеклянных компонентов несколько крупнее – 90% частиц имеют размер до 0,6 мкм, остальные 10% – от 0,6 до 0,9 мкм.
По полученным результатам были определены рецептуры паст на основе сложных оксидов рутения, а также технологические режимы их переработки в порошкообразное состояние с дисперсностью частиц в нанометровом диапазоне. В результате были разработаны резистивные пасты с сопротивлением квадрата резистивной пленки 1, 10, 100 кОм, 1, 5 и 10 МОм с двумя уровнями ТКС: ±100×10-6 1/°С (пасты группы А) и (0–250)×10-6 1/°С (пасты группы Б) в интервале температур от -40 до 125°С.
Технологический процесс приготовления высокоомных паст для высоковольтных мега- и гигаомных резисторов представлен на рис.1, а электрические характеристики резистивных паст серии ПРВ – в табл.1.
Испытания высокоомных резистивных паст. При исследовании влияния керамического материала на величину сопротивления квадрата резистивной пленки и ТКС в разных поддиапазонах шкалы сопротивлений использовались цилиндрические каркасы трех типоразмеров (рис.2). Они выпускаются серийно на основе керамики УФ-46 (отечественные предприятия не выпускают керамические цилиндрические каркасы из керамики типа ВК-94 или 95): ЮУ7.804.118-03 (L = 70 мм); ЮУ7.804.141-04 (L = 34 мм); ЮУ7.804.141-03 (L = 25 мм).
На каркасы всех трех типов наносились резистивные пасты с сопротивлением квадрата 103, 104, 105, 106, 107 Ом. Параллельно для тестирования на основе этих же паст были изготовлены контрольные образцы на плоских керамических основаниях из керамики типа ВК-94-2.
Из приведенных графиков следует:
имеет место изменение параметров пленок при переходе от контрольных образцов на основе керамики ВК-94-2 к цилиндрическим каркасам из керамики УФ-46;
изменение параметров тем значительнее, чем выше удельное сопротивление резистивных паст;
имеют место различия в значениях параметров пленок для каркасов разных типоразмеров из керамического материала одной марки УФ-46.
Величины сопротивлений квадрата резистивного слоя, нормированные к сопротивлению квадрата пленки контрольного образца (рис.3), для разных каркасов изменяются в пределах от 0,8 до 7 раз (резистивная паста 1 кОм/□) и от 4 до 100 раз (резистивная паста 1 МОм/□).
Коэффициент формы (Кф) резистивного элемента контрольного образца равен 80 (длина резистивного слоя между точками А и Б по линии АБ равна 32 мм, ширина – 0,4 мм). При таком значении Кф можно не учитывать влияния контактов на характеристики резистивного слоя, что очень важно для резисторов с малым значением ТКС. Кроме того, такая топология позволяет тестировать разрабатываемые резистивные пасты во всем диапазоне сопротивлений от 1 кОм/□ до 10 МОм/□. Значения ТКС при этом сдвигаются в сторону отрицательных величин на 50–180 единиц при переходе от контрольного образца к цилиндрическим каркасам разных типоразмеров.
Полученные результаты свидетельствуют о необходимости учета влияния керамического материала на электрофизические характеристики резистивных пленок при изготовлении высоковольтных резисторов на цилиндрических каркасах. Поэтому было принято решение о необходимости разработки резистивных паст с двумя уровнями ТКС: ±100·10-6 1/°С (пасты группы А) и (0–250)·10-6 1/°С (пасты группы Б).
Преимущества такого подхода очевидны. Во-первых, появляется возможность управлять уровнем ТКС резисторов на основе цилиндрической керамики разных типоразмеров и различных технологических партий. Во-вторых, разработанные пасты можно применять для изготовления высоковольтных высокомегаомных резисторов с низким ТКС на основе плоской керамики ВК-94-2.
В процессе отработки нанокомпозиционных структур исследовали температурную зависимость сопротивления тест-образцов резистивных элементов (РЭ) на их основе. По результатам рассчитывались значения ТКС в различных точках во всем исследованном температурном интервале. ТКС резистивных композиций в этом интервале изменяется линейно (рис.4).
Проводились испытания (в соответствии с ГОСТ 20.57.406) резистивных элементов контрольных образцов и на стойкость к внешним воздействующим факторам (ВВФ) (табл.2):
пятикратное изменение температуры среды от -60 до 125°С;
воздействие повышенной рабочей температуры среды, электрической нагрузки при напряжении, соответствующем номинальной мощности 0,75 Вт (но не более 1000 В), температуры 85°С в течение 100 ч;
повышенная относительная влажность воздуха (93±3)%, температура 40°С в течение 10 суток.
По результатам исследований стабильности резистивных пленок при воздействии внешних дестабилизирующих факторов определен допустимый уровень величины δR – не более ±1,0%.
Влияние защитного покрытия на электрическое сопротивление. В качестве защитного покрытия в высоковольтных резисторах наиболее часто применяются покрытия на основе органосиликатных композиций (ОСК) – ОС-92-25 ТУ 84-725-78. Данная композиция в течение многих лет применяется для герметизации проволочных резисторов.
Отверждение композиции проводится путем термообработки покрытия при температуре 250–270°С в течение 3 ч с плавным (2–3,5)°С/мин ее подъемом до температуры выдержки. Режим термообработки достаточно жесткий для резистивных слоев на основе толстых пленок, поэтому необходимо было оценить его влияние на величину сопротивления РЭ.
Оценка влияния проводилась измерением величины сопротивления РЭ начального (до защитного покрытия), промежуточного (после отверждения первого слоя) и конечного (после отверждения второго слоя покрытия). Измерялись как образцы тестплат, так и макетные образцы высоковольтных резисторов с разным номинальным сопротивлением (табл.3).
Как следует из таблицы, независимо от удельного сопротивления резистивной пасты и типа керамического материала относительное изменение сопротивления РЭ при отверждении защитного покрытия составляет, как правило, плюс (0,5–1)%. Эта величина достаточно легко может быть учтена в технологическом процессе изготовления резисторов при подгонке резистивных элементов в необходимый допуск по номинальному сопротивлению.
Коэффициент напряжения. Определение изменения сопротивления резистивных элементов контрольных образцов (тестплат) от изменения напряжения проводилось в соответствии с ГОСТ 21342.17-78. Коэффициент напряжения (КU), выраженный через относительное изменение сопротивления в процентах, рассчитанное на 1 В, определяют по формуле:
где R1 – сопротивление, измеренное при напряжении, равном 10% напряжения, соответствующего номинальной мощности рассеяния или предельного рабочего напряжения; R2 – сопротивление, измеренное при напряжении, равном 100% напряжения, соответствующего номинальной мощности рассеяния резистора или предельного рабочего напряжения; U1 – напряжение, при котором сопротивление резистора равно R1; U2 – напряжение, при котором сопротивление резистора равно R2.
Результаты расчета коэффициента напряжения (КU) представлены в табл.4. Приведенные величины – это среднеарифметические значения по шести контрольным образцам (КО) каждого типономинала.
Анализ полученных результатов не выявил какой-либо закономерности в изменении сопротивления резистивных элементов с изменением приложенного напряжения, при этом величина коэффициента сопротивления не превышает 0,001% или 10 ррm. Можно лишь констатировать, что наименьшая зависимость сопротивления от напряжения наблюдается у резистивных пленок на основе паст серии ПРВ в диапазоне сопротивлений квадрата 104–106 Ом.
Испытания высоковольтных резисторов на основе паст серии ПРВ. Были изготовлены экспериментальные партии опытных образцов резисторов (рис.5) с номинальным сопротивлением 1, 10, 300 МОм, 1, 10 и 20 ГОм. Применялись цилиндрические керамические каркасы трех типоразмеров. Образцы с номинальным сопротивлением до 1 ГОм, включая последний, изготавливались с допуском ±0,1; ±0,25; ±0,5; ±1%; образцы с номинальным сопротивлением 10 и 20 ГОм – с допуском ±5, ±10, ±20%.
ТКС измерялся на образцах резисторов с RНОМ 1, 10, 300 МОм и 1 ГОм. Партия резисторов с RНОМ = 300 МОм была исследована на воздействие электротермотренировки в условиях: U = 15 кВ, T = 85°С, t = 100 ч. Три партии резисторов с RНОМ = 1, 10 и 20 ГОм подвергались длительному воздействию повышенной температуры среды (85°С) под электрической нагрузкой при испытательном напряжении U = 20 кВ с промежуточными замерами через каждые 100 ч.
Анализ результатов исследований температурных зависимостей сопротивления высоковольтных высокоомных резисторов показывает, что резистивные пасты серии ПРВ позволяют создать высоковольтные цилиндрические резисторы с ТКС ±(50, 100, 200)·10-6 1/°С.
Относительное изменение сопротивления (δR, %) резисторов с RНОМ = 300 МОм при воздействии напряжения 15 кВ и температуры 85°С в течение 100 ч составляет сотые доли процента (табл.5).
Результаты воздействия повышенной температуры 85°С и испытательного напряжения 20 кВ образцов резисторов с номинальным сопротивленим RНОМ = 1, 10 и 20 ГОм представлены на рис.6.
Кривые 1, 2 и 3 (см. рис.6), относящиеся к резисторам с номинальным сопротивлением 1, 10 и 20 ГОм, соответственно, демонстрируют надежную высоковольтную стабильность образцов: δR < 0,1% за 700 ч для резисторов 1 ГОм; δR < 0,5% за 600 ч для резисторов 10 ГОм; δR < 1,0 % за 600 ч для резисторов 20 ГОм. Кривые 4 и 5 построены по усредненным значениям для образцов, для которых значительное отклонение сопротивления от первоначального зафиксировано при первом замере через 100 ч: δR ~ (16–17)% для двух резисторов 10 ГОм; δR ~ (6–7)% – для пяти резисторов 20 ГОм. Данные резисторы в соответствии с технологическим процессом изготовления высоковольтных высокоомных резисторов будут отбраковываться на первых стадиях операции термоэлектротренировки.
* * *
В заключение можно сказать следующее. Отработаны технологические режимы приготовления нанокомпозиционных структур на основе тройных оксидов рутения составов Pb2Ru2O6 и nVO2·mRuO2. Это позволило получить резистивные пасты, обеспечивающие создание высоковольтных высокомегаомных резисторов с ТКС не более ±(50-100)·10-6 1/°С в диапазоне номинальных сопротивлений от 1 до 20 Мом. Разработана новая серия резистивных паст ПРВ с диапазоном удельных сопротивлений от 1 кОм/□ до 10 МОм/□ и ТКС ±(100; 250)´10-6 1/°С, состоящая из паст шести типономиналов: ПРВ-31, ПРВ-41, ПРВ-51, ПРВ-61, ПРВ-65 и ПРВ-71. Изготовлены, исследованы и испытаны образцы высоковольтных резисторов, включающие резисторы с номинальным сопротивлением 1, 10, 300 МОм, 1, 10 и 20 ГОм. Резисторы на цилиндрическом каркасе имеют следующие характеристики: диапазон сопротивлений 106–2·1010 Ом; температурный коэффициент сопротивления в диапазоне температур -60–125°С – ±(50, 100, 200)·10-6 1/°С; временная стабильность сопротивления при воздействии различных дестабилизирующих факторов и рабочего напряжения до 20 кВ – (1–2)%; коэффициент напряжения не превышает 10 ррm.
Отечественные резисторы с аналогичными характеристиками не выпускаются. В настоящее время заканчивается полный цикл испытаний резисторов, разработанных на основе паст серии ПРВ. Выпуск резисторов намечен на конец 2011 года. Работа выполнена за счет средств предприятия.
Литература
Недорезов В.Г. Керметные толстопленочные резистивные материалы (монография), изд-е. ПГУ. – Пенза, 2002.
Недорезов В.Г. Технология керметных резистивных структур и компоненты на их основе (монография), изд-е. ПГУ. – Пенза, 2005.
Буц В.П. Аномалия сопротивления электропроводящих структур/ В.П.Буц, В.Г.Недорезов. – Петербургский журнал электроники, 2001, №1, с.20–24.
Шориков Ю.С., Евтушенко Т.В., Подшибякин С.В. и др. Токопроводящий материал для толстопленочных резисторов. А.С. №1246791, 1986.
Шориков Ю.С., Шарипова Н.С., Подшибякин С.В., Ялалтдинова З.Х. Влияние морфологии частиц диоксида рутения на электропроводность толстых пленок при положительных температурах. – Электронная техника. Сер. Материалы, 1985, вып.9(208), с.64–67.
Отзывы читателей
