Проводящие и резистивные композиционные материалы

Проводящие композиционные материалы применяются в виде паст или порошков. По назначению их можно разделить на компо­зиционные материалы для получения беспроволочных композици­онных резисторов, проводников и резисторов толстопленочных микросхем, металлизации металлокерамических корпусов.

Для изготовления композиционных резисторов смешивают про­водящий материал, органические и неорганические связующие, на­полнитель, пластификатор.

В качестве проводящей фазы используют проводники – порошки серебра, палладия, золота, родия; полупроводниковые материалы – двуокись олова, окись кадмия, карбиды кремния, вольф­рама, силициды металлов, а также графит или сажу.

В качестве органических связующих используют фенольные или эфирные смолы – эпоксидную, глифталевую, кремний-органическую. Предельные рабочие темпера­туры их не превышают 150°С.

Кермет – композиция в виде порошка от светло- до темно-серо­го цвета. В состав кермета входят окись кремния и порошок хрома (вместо хрома в композицию могут входить серебро и палладий в соотношении 5:4) – 90%.

Композиционные материалы типа кермета получили название металлоглазуриевых. Технология их приготовления сводится к раз­мельчению и смешиванию порошков металлов с окисью кремния при наличии растворителя. Пасту наносят на подложку, подвергают термообработке при температуре 1100°С и получают пленки толщиной 20...25 мкм. Такие пленки обладают термостойкостью, влагостойкостью, стабильностью характеристик, точностью поддержания сопротивления после термоциклов 0,1%, сопротивлени­ем от 10³ до 10⁶ Ом и удельным электрическим сопротивлением от 1000 до 10000 Ом/квадрат.

В качестве материала для изготовления элементов толсто-пленоч­ных схем применяют проводящие и резистивные пасты. Эти мате­риалы должны обладать определенной текучестью, так как при боль­шой текучести происходит растекание пасты и искажение рисунка схемы, а при малой текучести паста плохо продавливается через трафарет. Под действием механических нагрузок текучесть паст увеличивается. После снятия давления паста затвердевает, сохра­няя полученную форму. Эта способность паст называется тиксотропностъю. Вследствие тиксотропности паста проникает на подлож­ку через отверстия в трафарете только при приложении вдавлива­ющих усилий, а после снятия усилий не растекается по подложке. Для придания пастам тиксотропных свойств в их состав вводят высокомолекулярные соединения (например, терефталатную кис­лоту).

Проводящие пасты должны обеспечивать низкое удель­ное электрическое сопротивление пленок и малую активность при контакте с химически активными материалами при высокой температуре.

В состав проводящих паст входят функциональный материал (мелкодисперсные порошки металлов), постоянное связующее (стек­ло) и временное связующее вещество (смесь нескольких органичес­ких жидкостей).

Электрические свойства проводящей пасты определяются вхо­дящими в ее состав порошками металлов. Наибольшее применение нашли пасты на основе благородных металлов – серебра, золота, платины, палладия и их сплавов.

Адгезию пленки к подложке обеспечивает постоянное связую­щее вещество – порошок стекла. Предназначенный для примене­ния в пасте порошок стекла называют фриттом. Его получают быстрым охлаждением расплавленного стекла в воде или распыле­нием сжатым воздухом с последующим размолом частиц до разме­ра 1...3 мкм.

Равномерное распределение компонентов и требуемая вязкость паст зависят от временного связующего вещества – органических жидкостей, в качестве которых используют жидкие смолы, этилцеллюлозу и др.

Пленки, полученные в результате вжигания проводящих паст на основе серебра, обладают хорошей адгезией к подложкам; низкой стоимостью; низкой коррозионной стойкостью; подвержены миг­рации частиц серебра на поверхности подложки, интенсивность которой усиливается с повышением влажности и при действии элек­трических полей.

Для снижения стоимости и уменьшения нежелательных явлений применяют пасты на основе серебра и палладия.

Серебряно-палладиевые пасты применяют для изготовления проводящих слоев, токоведущих дорожек и контактных площадок на керамических подложках методом сеткографии. Температура вжигания 800 °С. Удельное поверхностное электрическое сопротив­ление пленок 0,02...0,05 Ом/квадрат. Прочность сцепления покры­тия с поверхностью керамики 5·10⁶ Н/м².

Пасты на основе золота применяют для изготовления токоведу­щих дорожек и проводниковых элементов на подложках из керамики и кварцевого стекла. Содержание золота 75...80%. Удельное поверх­ностное сопротивление получаемых пленок 0,002...0,005 Ом/квадрат. Прочность сцепления покрытия с керамикой 10⁷ Н/м², а со стеклом – 5·10⁶ Н/м². Пленки, полученные в результате вжигания паст на осно­ве золота, обладают высокой стабильностью, надежностью в эксплу­атации, стойкостью при повышенных температурах, высокой стоимо­стью, но в ряде случаев являются незаменимыми.

Резистивные пасты отличаются от проводящих по соста­ву функциональных материалов, в качестве которых используются те же металлы в комбинации с изоляционными и полупроводнико­выми материалами. Проводящие и временные связующие элемен­ты у них те же. Изменяя процентное содержание компонентов в пасте, можно получать резистивные пленки с сопротивлением в широком диапазоне.

Пасты на основе серебра с палладием позволяют получать рези­сторы с удельным электрическим сопротивлением 10⁶ Ом/квадрат.

Состав биндера 1: коллоксилин (нитроклетчатка) – 2,5 г; изоамилацетат – 100 мл. (Биндер – связка порошков).

Для приготовления металлизационной пасты компоненты (порошки и биндер) тщательно перемешивают в шаровой мельнице в течение нескольких часов и процеживают через сито. Готовую пасту хранят в стеклянных банках с плотно закрывающимися пробками с указанием на этикетках состава пасты и даты ее изготовления.

Металлизационные пасты имеют ограниченный срок хранения, так как быстро загустевают и расслаиваются, поэтому в процессе работы их постоянно перемешивают и периодически контролиру­ют вязкость. Независимо от состава паст попадание в них воды не­желательно, так как при этом происходит свертывание (коагуляция) пасты.

Пасты наносятся на керамику кисточкой, пульверизацией, кон­тактным переносом, окунанием, шелкографией, запрессовкой, на­пылением.

При вжигании паст происходят сложные процессы спекания ме­таллизационного слоя и образования его прочной связи с керами­кой вследствие химического взаимодействия компонентов метал­лизации и керамики, а также вследствие миграции стекла в металлизационный слой.

Контактолы

Для получения электрических контактов в радиоэлектронике применяют токопроводящие пасты, клеи, эмали, объединяемые общим названием – контактолы. Они представляют собой композиции на основе эпоксидных и кремнийорганических смол с добав­лением порошков металлов с высокой теплоэлектропроводностью. Адгезионные свойства таких композиций определяются связующей основой (смолой), а проводимость достигается применением напол­нителей (мелкозернистых порошков металлов). Скорость полиме­ризации контактолов зависит от состава и количества растворите­ля. Приготовленный состав хранится при температуре ниже нуля в парах растворителя. Контактолы обладают следующими свойства­ми: высокая прочность и эластичность; хорошие антикоррозион­ные свойства; низкая плотность; удельное электрическое сопротив­ление в 5...100 раз выше, чем у мягких припоев (удельное электри­ческое сопротивление ρ находится в пределах 1·10^-2…6·10^-4 Ом·см).

В зависимости от типа металлического наполнителя выделяют контактолы, содержащие серебро, никель, палладий, золото, посе­ребренный никель и др.

Токопроводящий клей К-3 – пастообразная жидкость стального цвета, которая обладает следующими свойствами: удельное элект­рическое сопротивление ρ = 0,05 Ом·см; жизнеспособность 24 ч; выдерживает пять термоциклов при изменении температуры от -60 до +120°С; адгезия к алюминию, ковару, никелю и золоту, σ_сдв =

= 2·10⁶Н/м².

В состав клея входят лак ПЭ-933 (100 мас. ч.), порошок серебра

(200 мас. ч.).

Используют для крепления кристаллов цифро-знаковых инди­каторов к подложкам и основаниям корпусов с обеспечением элек­трического контакта.

Токопроводящий клей АС-40В – пастообразная жидкость сталь­ного цвета, которая обладает следующими свойствами: удельное электрическое сопротивление ρ = 0,01 Ом·см; жизнеспособность 24 ч; выдерживает десять термоциклов при изменении температу­ры от -60 до +450 °С; адгезия к алюминию, ковару, никелю, σ_сдв = 2·10⁶ Н/м²; диапазон рабочих температур от -60 до +450°С.

В состав клея входят клей АС-40 (100 мас.ч.), глицидиловый эфир(10...15 мас.ч.), толуол(20 мас.ч.), порошок серебра (200 мас. ч.). Используют для крепления кристаллов цифро-знаковых индикато­ров к основанию корпусов с обеспечением электрического контакта.

Токопроводящий клей ЭВТ – пастообразная однородная масса серого цвета, которая обладает следующими свойствами: удельное электрическое сопротивление ρ = 0,005 Ом·см; жизнеспособность в открытом объеме не более 12ч; диапазон рабочих температур от -60 до +200 °С; может выдерживать температуру до 400°С в течение 15 мин; время отверждения при температуре 250°С равно 3 ч; предел прочности при сдвиге для алюминия σ_сдв = 2,5·10⁶ Н/м², для меди σ_сдв = 4·10⁶ Н/м², для никеля σ_сдв = 4,5·10⁶ Н/м²; прочность склеивания золоченных поверхностей 3·10⁶ Н/м².

Используют вместо пайки в сборочных операциях в производ­стве полупроводниковых приборов и микросхем.

Никельсодержащие контактолы обладают:

- более низким удельным электрическим сопротивлением, чем серебросодержащие клеящие композиции;

- хорошей адгезией к различным материалам (предел прочности при сдвиге σ_сдв = 2·10⁶ Н/м²);

- низкой жизнеспособностью;

- высокой стабильностью свойств при климатических и механи­ческих воздействиях.

Токопроводящий клей КН-1 – жидкая однородная масса черного цвета, которая обладает следующими свойствами: удельное электри­ческое сопротивление ρ = 0,01 Ом·см; жизнеспособность 30 мин; ди­апазон рабочих температур от -60 до +120°С; выдерживает три тер­моцикла при изменении температуры от -60 до +120°С; предел проч­ности на сдвиг для алюминия, никеля, золота, ковара σ_сдв = 2· ·10⁶Н/м².

В состав клея входят эпоксидная смола ЭД-20 (100 мас. ч.), смола ТЭГ-1 (9 мас. ч.), отвердитель (полиэтиленполиамин) (20...30 мас. ч.), порошок никеля (200...300 мас. ч.).

Используется для крепления полупроводниковых кристаллов к диэлектрической подложке с токоведущими дорожками с обеспечением электрического контакта.

Палладийсодержащие контактолы – пасты, которые об­ладают высоким удельным электрическим сопротивлением ρ = 10...20 мкОм· ·м; высокой стабильностью контактных соединений; хо­рошей адгезией ко всем металлам и ряду полупроводниковых мате­риалов (σ_сдв = 4...10⁶ Н/м²).

Контактолы наносятся с помощью дозаторов (шприцев). Это по­зволяет дозировать количество клеящего состава, что имеет важное значение для обеспечения высокого качества контактного со­единения.