Материал для компонентов радиоэлектронных приборов

Материал для компонентов радиоэлектронных приборов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в приборостроении для изготовления высокоточных и сверхточных малошумящих радиоэлектронных компонентов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, токопроводящих путей и др.) и в других областях, где требуется высокая и сверхвысокая точность контроля и измерений электрических параметров.

Известны радиоэлектронные компоненты, изготовленные с применением однослойных (одиночных) пленочных и волоконных материалов. Рассмотрим, для примера, недостатки этих компонент и материалов, которые связаны с погрешностью их физических характеристик.

1. Резисторы, изготовленные из тонкой одиночной проволоки (например, из нихрома, вольфрама), или пленочные плоские резисторы [1]. Недостатком резистора является погрешность его значения сопротивления прохождению электрического тока R - до 15-20% от номинального значения, указанного в технических условиях (ТУ) этого электронного прибора, и большой уровень шумов, создаваемый им в процессе работы.

2. Конденсаторы с однослойной диэлектрической пленкой-прослойкой, например, из слюды, полистирола, фторопласта, полиимида и т.д. [1]. Недостатком конденсатора является погрешность в значениях емкости и пробойного напряжения - до 10-15% от номинального значения, указанного в ТУ, и большой уровень шумов.

3. Катушки индуктивности из однослойных проволочных или пленочных токопроводящих путей [2]. Недостатком любых катушек индуктивности, включая гибкие, является погрешность в значениях индуктивности и добротности.

4. Электронные печатные платы из однослойных пленочных материалов [3]. Недостатком электронных печатных плат является разброс значений tgδ и большие диэлектрические потери (tgδ достигает до 10^-2-10^-3), в результате которого теряется стабильность работы прибора, происходит потеря мощности радиосигнала и невозможным становится их применение в СВЧ-приборах.

5. Оплетка электрических кабелей из однослойных электроизоляционных пленочных материалов, например фторопласта, ПЭ, ПВХ, ПМ и т.д. [3]. Недостатком кабельных изделий также является разброс значений величины волнового сопротивления R и величины пробойного напряжения электроизоляционной оболочки кабеля U до 15% от номинального значения, указанного в ТУ, и наличие высокого уровня шумов.

6. Известен материал для подложки плат печатных схем, имеющий многослойную структуру, выполненную из листов композита на основе эпоксидной смолы, армированного базальтовыми и целлюлозными волокнами толщиной 0,3-30 мкм методом термического прессования [5]. Такой композиционный материал используется для изготовления жесткой платы печатных схем. Недостаток этого материала в том, что платы печатных схем из него являются монолитными и массивными по размерам. Из-за масштабного фактора массивные конструкции (образцы) имеют сравнительно низкую электрическую прочность и высокие диэлектрические потери. Это обусловлено тем, что сами по себе по отдельности высокопрочные тонкие базальтовые и целлюлозные волокна (которым армирован композитный листовый материал) вместе с полимерными эпоксидными связующими превращаются в массивный монолит и естественно ведут себя как массивные образцы с низкими значениями физических характеристик. С другой стороны, платы печатных схем из такого материала являются жесткими конструкциями и поэтому они менее предпочтительны, чем гибкие на основе стопки тонких пленок.

В целом, от разброса таких физических характеристик, как полное сопротивление (состоящее из активной R, емкость С, индуктивность L составляющей), зависит величина погрешности электрических параметров радиоэлектронных компонент и приборов. Поэтому недостатком любых радиоэлектронных компонент и приборов является наличие погрешностей, образующихся из-за разброса в значениях полного сопротивления резисторов [4]. Кроме того, какими бы превосходными электрическими характеристиками не обладал электронный прибор, он должен обладать хотя бы минимальным запасом долговечности и прочности и быть одновременно стойким к воздействию температуры окружающей среды. К тому же любой прибор должен быть еще экологически чистым, надежным и не создавать излишних шумовых эффектов. При этом в любом приборе существует определенный уровень шума, который тем выше, чем больше дают погрешность составляющие электронные компоненты.

В настоящее время для того, чтобы избавиться от погрешностей электронного прибора, стабилизировать его электрические параметры и снизить уровень собственных шумов, исследователи модифицируют химическую структуру и разрабатывают сверхчистые бездефектные материалы, что требует больших энерго- и финансовых затрат.

Изобретение направлено на получение материалов с низкими и со сверхнизкими значениями разброса физических характеристик без модификации химической структуры с малым уровнем собственных шумов, с высокой механической и электрической прочностью, долговечностью с высокой температурной стойкостью.

Осуществление изобретения основано на применении универсальных общих природных закономерностей изменения физических характеристик одноэлементных (эффект Б.Цоя) и многоэлементных структур, явлении многоэлементного масштабного эффекта (эффект «Цоя-Карташова-Шевелева»), а также открытии общих закономерностей разброса данных при физических измерениях.

Согласно этим открытиям при снижении линейных размеров одноэлементных структур (пленок и волокон) происходит эффект высокого усиления физических характеристик полимеров и твердых тел, а при объединении в пучок (стопу) этих одноэлементных структур происходит эффект сверхвысокого увеличения физических характеристик и снижение дисперсии пропорционально числу элементов в пучке, т.е. разброс данных эксперимента при увеличении числа отдельных однотипных элементов в пучке снижается.

Технический результат достигается использованием открытого эффекта: исчезновением разброса значений электрофизических параметров материалов при объединении монопленок (моноволокон) в многослойную стопку (или пучок) из N элементов, где N>1. При этом конфигурация тонких пленок или волокон (или проволок) может быть произвольной. Объединение в стопку или пучок одновременно улучшает структуру материалов и увеличивает их прочностные характеристики. Другим неожиданным эффектом, обнаруженным авторами, является снижение уровня собственных шумов и увеличение температурной стойкости приборов, изготовленных таким способом. Объединение в многослойную стопку (пучок) позволяет усовершенствовать любые материалы из однослойных (одиночных) материалов.

Для устранения отмеченных недостатков собирают пучок (стопку) из тонких волокон (или пленок) толщиной d₀<80 мкм из N>1 элементов.

Под пучком (или стопой) в соответствии с настоящим уровнем развития техники следует понимать многослойную структуру, выполненную из числа N>1 (где N - целое число) слоев из отдельных однотипных тонких волокон (или проволок) или пленок (или фольги), расположенных параллельно друг с другом (или друг над другом) и объединенных общим контактом.

Диэлектрическую прослойку конденсатора изготавливают из стопки N>1 тонких слоев-пленок толщиной d₀<80 мкм. Пленки могут быть из любого диэлектрического материала.

Для контура индуктивности используют пучок (стопку) из числа N>1 токопроводящих (плоских или любых других) элементов толщиной d₀<80 мкм.

Для электронных печатных плат используется многослойная стопка из тонких монопленок толщиной d₀<80 мкм из N>1 элементов-слоев. Пленки могут быть из любых диэлектрических материалов.

Для электроизоляционного материала необходимо использовать стопку или пучок из тонких пленок (волокон) толщиной d₀<80 мкм и числа N>1 элементов-слоев. Пленки могут быть изготовлены из любого диэлектрического материала, например из полимеров.

Экспериментальные данные по доказательству достижения технического результата изобретения приведены на фиг 1-3 в виде серии вариационных диаграмм распределения величин R, С, L, tg δ. Это - так называемые интегральные кривые распределения величин R, L, С, tδ 8, построенные на основании серии из 500 испытанных образцов. Графически данные измерений расположены в виде ряда в порядке возрастания номера последовательности n.

Материал для компонентов радиоэлектронных приборов, имеющий многослойную структуру, выполнен из N>1 слоев тонких пленок или волокон, причем слои выполнены из отдельных однотипных пленок или волокон с толщиной, равной d<80 мкм, объединенных в стопку или пучок, причем при увеличении слоев в стопке или количества элементов-волокон в пучке при указанной толщине физические характеристики материала пропорционально усиливаются, а их дисперсия снижается. В качестве пленок использованы полиимид, или кварц, или слюда, или медь, или серебро, или германий, или галлий. В качестве материала элементов-волокон использованы серебро, или медь, или алюминий, или нихром, или германий, или галлий.

Полиимидная пленка, например, ПМ-1 изготавливается методом полива из полиимидного лака АД-9103, полученного в растворе диметилформамида.

Полиимидная пленка прозрачна, ее цвет меняется в зависимости от толщины: от темно-желтого до светло-коричневого.

Пленка ПМ-1 характеризуется высокими физико-механическими показателями. Она эластична в широком диапазоне температур. Обладает высокой усталостной и долговременной прочностью и низкой ползучестью. Полиимидная пленка относится к антифрикционным материалам. Она не растворяется в органических растворителях, стойка в маслах, разрушается (гидролизуется) под действием концентрированных кислот и щелочей. Обладает высокой радиационной стойкостью.

Основной особенностью этого материала является способность сохранять механические и электроизоляционные свойства в широком интервале температур (от -200 до +400°С).

Полиимидные пленки нашли широкое применение в авиации, электротехнике, радиомеханике и многих других отраслях промышленности в качестве изоляционного материала. Использование ее в качестве электроизоляции позволяет увеличить удельную мощность и надежность электромашин, механизмов и приборов, повышает температуру их эксплуатации, уменьшает объем и вес. Пленка хорошо металлизируется.

Основные области применения:

производство фольгированных материалов и интегральных схем;

печатные схемы и магнитные ленты.

Основные физико-механические и электрические характеристики полиимидной пленки ПМ-1:

Таблица 1
Наименование характеристик	Показатели
Тангенс угла диэлектрических потерь при 103 Гц	0,0025-0,003
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом·м	1014-1015
Коэффициент теплопроводности Вт/м·К	0,14-0,20
Удельная теплоемкость от 20 до 300°С, Дж/кг·К	1014-1015
Коэффициент линейного теплового расширения 20-250°С	(20-30)·1015

На фиг.1 приведены распределения измеренных значений сопротивления R по номерам последовательности n для трех серий из N=500 испытанных образцов, испытанных из данных по измерению одиночных (N=1) образцов медной проволоки толщиной 5 мкм и длиной l=10 мм (кривая 1 фиг.1). Как видно из этих данных, разброс достигает внушительных размеров от 0,1 до 1,0 Ом. При объединении в пучок из N>1 и N≫1 (кривая 2 и 3 фиг.1) разброс неожиданно снижается до нуля. При этом увеличение числа составляющих N в стопке (или в пучке) приводит к дальнейшему снижению величины сопротивления R (кривая 3 фиг.1).

Аналогичные данные получены для величин L, С, tg δ (фиг.2-3) для монопленок или монопроводов толщиной менее 80 мкм и числом составляющих элементов в стопке (пучке) более 1.

На фиг.2 представлены:

1, 2 - распределение емкости С для пленочного полиэтилентерефталата; 1 - монопленка толщиной d=20 мкм (число слоев-элементов N=1); 2 - многослойная пленка - число слоев N>1, толщина слоя d=20 мкм;

3, 4 - распределение индуктивности L из медной проволоки; 1 - катушка индуктивности из монопровода толщиной d=30 мкм и 6 витков и диаметром намотки 5 мм; 3 - пучковая катушка индуктивности с числом N>1 монопроводов в пучке толщиной d=30 мкм, количество витков в катушке - 6, диаметр намотки - 5 мм.

На фиг 3 представлены:

1 - распределение тангенса диэлектрических потерь для полиимидной монопленки ПМ-4 толщиной d=35 мкм, линейные размеры образца - 10×10 мм;

2, 3 - распределение тангенса диэлектрических потерь tgδ для многослойной полиимидной пленки ПМ-4; толщина монослоя d=35 мкм, слоев N>1.

Из этих экспериментальных данных видно осуществление технического эффекта в пучке с числом элементов N>1, а именно: разброс экспериментальных значений L, С, tg δ в пучке с диаметром отдельных тонких (толщиной d<80 мкм) индивидуальных составляющих становится нулевым.

Доказательства осуществления технического эффекта высокой прочности многослойных структур из тонких элементов толщиной менее 80 мкм приведены в таблице 2 и 3. Из таблицы 2 и 3 видно, что для стопок из тонких пленок наблюдается существенное увеличение прочности. Для массивных пленок толщиной более 80 мкм эффекта усиления физических характеристик не наблюдается.

Таблица 2
Суммарная толщина многоэлементной структуры (стопки) DN, мкм	Число элементов-пленок в многоэлементной структуре (стопке) N	Среднее значение напряжения электрического пробоя , кВ/мкм
3	1	1,4
6	2	1,9
9	3	2,8
33	11	4,5
10	1	0,91
20	2	1,15
30	3	1,23
60	6	1,4
80	8	1,6
20	1	0,5
40	2	0,6
80	1	0,26
160	2	0,26
Таблица 3
Суммарная толщина многоэлементной структуры (стопки) DN, мкм	Число элементов-пленок в многоэлементной структуре (стопке) N	Среднее значение разрушающего напряжения, МПа
145	1	100
290	2	100
580	4	100
1160	8	100
18	1	430
36	2	450
72	4	500
144	8	700

Материал для компоненты радиоэлектронного прибора может быть получен, например, следующим образом.

Пример 1. Материал для изготовления сверхточного пленочного резистора.

Берется пленка токопроводящего материала, например медной фольги, толщиной d<80 мкм. Пленка складывается в стопу в несколько слоев. Число слоев подбирается в зависимости от необходимого значения величины сопротивления R.

Полученная таким путем стопа служит материалом для изготовления резистора. Затем из такой стопки-книжки вырубаются штампом заготовки необходимой конфигурации и размера, например прямоугольной формы, с противоположных сторон такой заготовки припаиваются электроды.

Пример 2. Материал для изготовления гибкой платы электронной схемы.

Берется промышленная пленка полиимидного материала толщиной d₀<80 мкм. Пленка складывается в несколько слоев. Затем (если необходимо получить плату небольших размеров, например, для тонкопленочной микросхемы) из такой стопки-книжки вырубаются заготовки под размеры и конфигурацию будущей электронной платы. Заготовку платы сажают на посадочное место. На подготовленную таким образом заготовку электронной платы наносят методом напыления необходимую электронную схему.

Для обычных печатных плат и гибких печатных кабелей однотипные пленки или пластины одинаковой толщины складываются в пачку (стопку). При этом, если это необходимо для экранизации, на нижний слой методом напыления наносится экранирующее металлическое покрытие, например методом вакуумного напыления или гальваническим методом. На верхний слой стопки (в случае одностороннего монтажа) методом напыления или гальваники наносятся токопроводящие дорожки, к которым припаиваются радиокомпоненты. В случае обычного монтажа в стопке проделываются сквозные отверстия, в которые вставляются выводы радиокомпонентов. При этом на верхней пленке (пластине) стопки делаются небольшие токопроводящие кольца (полукольца). После вставки радиокомпонента, например вывода резистора, конденсатора и т.д., производится пайка вывода элемента со стороны монтажа (нижняя часть стопки). Часть припоя, попадая в кольцо (или полукольцо) с верхней части стопки (сторона вставки радиокомпонента), остается там после затвердевания и тем самым надежно скрепляет без всякого клея пленки (пластины) стопки между собой. Монтаж получается надежным, а тангенс угла диэлектрических потерь платы сверхнизким, что позволяет использовать ее в диапазоне СВЧ, например в преобразователях и усилителях параболических антенн СВЧ-диапазона, спутниковых и наземных мобильных телефонах и т.д. В случае, если токоведущие дорожки необходимо расположить на обеих поверхностях платы (двухсторонний монтаж), то кольца не делают, а монтаж ведут сразу на верхней и нижней пленке стопки.

Аналогично изготавливают гибкие печатные (ленточные) соединительные кабели и гибкие катушки индуктивности. При изготовлении последних снижение диэлектрических потерь ведет к росту добротности контура, что позволяет их использовать, например, в качестве резонансных полосковых СВЧ-контуров.

Пример 3. Материал для сверхточной проволочной-катушки индуктивности.

Берется тонкая изолированная эмалью медная проволока (волокно) толщиной менее 80 мкм. Затем из этой проволоки нарезаются, к примеру, 10 образцов-заготовок равной длины. Нарезанные таким способом заготовки собираются в пучок. Материал для катушки индуктивности готов. Затем концы заготовок припаиваются в один узел, а из самой заготовки делается необходимое число витков катушки, в результате которого мы имеем простейшую катушку индуктивности.

Пример 4. Материал для сверхточного проволочного резистора. Берется тонкая изолированная эмалью серебряная проволока (волокно) толщиной менее 80 мкм. Затем из этой проволоки нарезаются 10 образцов-заготовок равной длины. Нарезанные таким способом заготовки собираются в пучок. Материал для резистора готов. Затем концы заготовок припаиваются в один узел, в результате которого мы имеем простейший сверхточный резистор.

Источники информации

1. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ. / Н.Н.Акимов, Е.П.Ващуков, В.А.Прохоренко, Ю.П.Ходоренок - Мн.: Беларусь, 1994. - 591 с.

2. Изготовление катушек индуктивности из плоского кабеля для печатных плат. Эдрингтон, Хинкл. Лаборатории прикладных исследований Университета шт. Техас.

3. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. Изд. 7-е, Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд, 1985. - 304 с.

4. Измерения в электронике: Справочник / В.А.Кузнецов, В.А.Долгов, В.М.Коневских и др. Под ред В.А.Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 512 с.

5. Патент RU №2088058 от 30.08.1997.

1. Материал для компонентов радиоэлектронных приборов, имеющий многослойную структуру в виде N>1 отдельных слоев, состоящих из волокон или пленок, отличающийся тем, что многослойная структура выполнена из отдельных однотипных сложенных в стопку пленок или фольги толщиной d<80 мкм из полиимида, или кварца, или слюды, или германия, или галлия, или меди, или серебра или из отдельных однотипных волокон или проволок толщиной d<80 мкм из серебра, или меди, или алюминия, или нихрома, или германия, или галлия, объединенных в пучок.

2. Материал для компонентов радиоэлектронных приборов по п.1, отличающийся тем, что при увеличении отдельных однотипных слоев пленок в стопке или количества волокон или проволок в пучке физические характеристики материала пропорционально усиливаются числу слоев или волокон, а разброс экспериментальных значений этих характеристик R, С, L и tg δ снижается.