Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние в области электроискровой подгонки резисторов и постановка задач исследования... 18
1.1 Основные закономерности электроискровой полгонки резисторов 18
1.1.1 Реализация метода электроискровой подгонки 18
1.1.2 Механизм изменения сопротивления в результате воздействия электроискрового разряда на резистивный материал 20
1.1.3 Входные и выходные показатели процесса подгонки 22
1.1.4 Анализ проведенных исследований в области электроискровой подгонки 25
1.1.5 Обзор оборудования электроискровой подгонки 28
1.2 Анализ методов повышения точности, производительности
и управления направлением подгонки 31
1.2.1 Методы повышения точности и производительности за счет изменения положения разрядного электрода 3 1
1.2.2 Методы повышения точности и производительности за счеі управления параметрами разрядных импульсов 34
1.2.3 Анализ по результатам обзора методов повышения выходных показателей подгонки 37
1.3 Анализ меюлов оптимизации технологических процессов 39
1.4 Анализ алі ори і мов адаптации параметров
технологических процессов 48
1.5 Выводы и постановка задачи 56
Разработка методов повышения выходных 58
2.1.1 Повышение скорости подгонки за счет перемещения электрода в вертикальном направлении 59
2.1.2 Повышение скорости подгонки за счет уменьшения количества циклов измерения 61
2.2 Повышение точности подгонки 67
2.2.1 Повышение точности подгонки за счет уменьшения длительности разрядного импульса 68
2.2.2 Повышение точности за счет реза специальной формы 71
2.3 Определение оптимальной формы подгоночных резов с использованием математической модели резистивной плёнки 74
2.3.1 Формы подгоночных резов и методы расчета параметров резистивной пленки 75
2.3.2 Разработка математической модели для анализа резов различной формы 78
2.3.3 Определение влияния резов различной формы на показатели электроискровой подгонки 82
2.4 Повышение производительности для многорезистивных изделий за счёт расширения технологических возможностей оборудования 83
2.5 Выводы по главе 2 86
3. Разработка и реализация основных требований к оборудованию электроискровой подгонки 88
3.1 Основные требования к автоматизированному оборудованию электроискровой подгонки резисторов 88
3.2 Регистрация динамики изменения сопротивления резистора 92
3.3 Возможные варианты построения комплекса ЭИП 96
3.3.1 Определение состава комплекса
и структурной схемы установки ЭИП 96
3.3.2 Измерение величины сопротивления 100
3.3.2.1 Определение параметров масштабирующей матрицы 105
3.3.3 Управление параметрами процесса 111
3.3.4 Реализация алгоритмов адаптации 113
3.3.5 Реализация алгоритмов оптимизации 117
3.4 Выводы по главе 3 120
4. Исследование влияния процесса электроискровой подгонки на выходные показатели резистивных элементов 123
4.1 Исследование кинетики подгонки 123
4.2 Исследование влияния электроискровой подгонки на ТКС и стабильность толстоплёночных резисторов 132
4.3 Исследование способов формирования высоковольтных разрядных импульсов на кинетику подгонки 144
4.4 Выводы по главе 4 149
Заключение 150
Литература
- Механизм изменения сопротивления в результате воздействия электроискрового разряда на резистивный материал
- Методы повышения точности и производительности за счет изменения положения разрядного электрода
- Повышение точности подгонки за счет уменьшения длительности разрядного импульса
- Регистрация динамики изменения сопротивления резистора
Введение к работе
Существующие на настоящий момент методы изготовления тонко- и толстопленочных резисторов, как правило, не обеспечивают достаточной для современных требований воспроизводимости их номиналов. В лучшем случае удается обеспечить точность тонкопленочных резисторов ±5%, толстопленочных ±10%. Поэтому в зависимости от цели использования резисторов некоторая их часть подвергается операции корректировки сопротивления, именуемой часто термином «подгонка резисторов».
Существуют различные методы изменения величины сопротивления резисторов: механический, электронно-лучевой и лазерный, основанные на изменении геометрических размеров резистивной пленки, а также термический, электротермический и электрохимический методы, применяя которые можно изменять сопротивление за счет структурных изменений в пленке.
У каждого из перечисленных методов есть свои достоинства и недостатки. Так, наиболее распространенный метод лазерной подгонки, который обеспечивает точность порядка 0,01%, в связи с возникающими тепловыми нагрузками на резистивный материал приводит к его структурным изменениям, что выражается в дрейфовом изменении величины сопротивления после подгонки, возрастанием шумов резистора из-за неровности реза и трещин на кромке после подгонки. Значительной является также стоимость и энергопотребление лазерного оборудования. Таким образом, существует потребность в методах и оборудовании, которые явились бы альтернативой существующим методам и позволяли получать аналогичные или лучшие результаты при меньших аппаратных и финансовых затратах.
Одним из перспективных методов является электроискровая подгонка (ЭИП), заключающаяся в воздействии на резистор электроискрового разряда. На электроды, один из которых фиксируется на выводе резистора, а другой устанавливается на некотором расстоянии от резистивной пленки, подаются импульсы напряжения, достаточного для пробоя разрядного промежутка. Электроискровой разряд приводит либо к эрозии участков резистивной пленки, либо к ее структурным изменениям. Это обеспечивает изменение сопротивления резистора. Электроискровая подгонка имеет свою область применения в технологии производства пленочных резисторов, где применение других методов является либо экономически невыгодным, либо принципиально невозможным. Основными преимуществами данного метода являются: достаточно высокая точность подгонки - до 0,1%, возможность вести подгонку, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения номинала (для толстопленочных резисторов), отсутствие изменения геометрических размеров при подгонке в сторону уменьшения номинала, малые энергоемкость и стоимость оборудования. Наибольшее применение ЭИП находит при единичном и мелкосерийном производстве, когда приобретение более дорогостоящего, например лазерного, оборудования экономически нецелесообразно. Такие важные преимущества электроискровой подгонки не были оставлены без внимания, что воплотилось в разработку соответствующих методов и средств.
Физические процессы при электроискровой подгонке исследовались в работах Yoshiaki Т., Haradome М., Игумнова В.Н., Стерховой Л.А., Демакова Ю.П., Жаркова П.И. и других. Вопросы, посвященные прикладным задачам, разработке аппаратуры электроискровой подгонки развивались в работах Одинцова М.А., Леухина В.Н., Гауса П.О., Зотова А.А., однако созданное оборудование реализовано в основном на дискретной элементной базе и отстает от уровня современной техники. Это сдерживает дальнейшее совершенствование метода и повышение показателей технологического процесса.
Существующее оборудование электроискровой подгонки разрабатывалось 10-20 лет назад, в основном с использованием аналоговых схем и дискретной логики. Оно нашло свое применение на таких ведущих предприятиях электронной и радиотехнической промышленности, как ПО «Эркон» (г.Нижний Новгород), Бердский радиозавод, Ижевский механический завод, Сарапульский радиозавод, ЦНИТИ (г. Москва) и ряда других. Данное оборудование и технология его использования разрабатывались в основном несколькими коллективами, работающими в г. Йошкар-Оле, г. Ижевске, г. Томске. Оно уже не в полной мере отвечает требованиям современного производства по таким показателям как производительность, точность, автоматизация процесса подгонки. Существует также необходимость в дополнительных исследованиях процессов электроискровой подгонки, связанных с выбором оптимальных режимов, апробацией новых методов подгонки, применимости метода к новым группам резистивных материалов (например, бездрагметалльных толстопленочных композиций) и т.д. Специализированного оборудования для исследований процессов ЭИП, позволяющего эффективно использовать возможности современной вычислительной техники, до настоящего момента не разрабатывалось. Особо следует отметить проблему выбора оптимальных параметров подгонки. Основные показатели процесса - точность и производительность в сильной степени зависят от режима подгонки: амплитуды и частоты следования разрядных импульсов, их длительности и полярности, соотношения длительности циклов измерения и подгонки, а также от формы и расположения электрода. Ввиду большого количества параметров подгонки, процесс нахождения их оптимальных значений становится очень трудоемким и может состоять из нескольких десятков или сотен экспериментов. Разработанное ранее оборудование, которое реализовано на жесткой логике, в слабой мере позволяет автоматизировать процессы поиска оптимальных параметров и определение влияния электроискровой подгонки на характеристики резисторов. В связи с этим существует потребность в разработке средств и методов, которые позволяли бы при небольших аппаратных затратах значительно ускорить процесс поиска оптимальных параметров, оценить достоверность полученных результатов. Таким образом, является актуальным проведение работ в перечисленных направлениях, что позволит повысить эффективность применения метода электроискровой подгонки в технологии производства пленочных резисторов.
Целью данной работы является разработка комплекса средств и методов для технологии производства пленочных резисторов, позволяющих автоматизировать процесс электроискровой подгонки резисторов, увеличить производительность и точность подгонки не менее чем в 2 раза, снизить трудоемкость и увеличить информативность исследовательских работ в этой области, определить влияние факторов электроискровой подгонки на ее выходные показатели.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: анализ существующих методов подгонки и характеристик имеющегося оборудования электроискровой подгонки, определение области проведенных исследований с целью выяснения возможности улучшить выходные параметры подгонки; проведение теоретических исследований, разработка методов и алгоритмов, повышающих показатели электроискровой подгонки; разработка требований к автоматизированному оборудованию для электроискровой подгонки и проведения исследований в этой области, разработка соответствующего оборудования и программного обеспечения; проведение исследований по влиянию параметров процесса подгонки на его выходные показатели и свойства резисторов, в том числе на ТКС толстопленочных рутениевых резисторов после подгонки.
Поставленные задачи решались путем сочетания теоретических и экспериментальных исследований, с использованием методов планирования эксперимента и статистического анализа. Экспериментальные исследования проводились с использованием разработанного оборудования электроискровой подгонки, оригинального контрольно-измерительного оборудования и универсального измерительного оборудования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработан новый метод реализации электроискровой подгонки, обеспечивающий повышение производительности до 2-х раз, по сравнению с существующими методами, за счет уменьшения общего времени измерения сопротивления между циклами подгонки.
Впервые предложены способы повышения точности подгонки в 2 и более раз за счет изменения длительности разрядных импульсов и перемещения электрода вдоль резистора.
Разработана математическая модель резистивной пленки, позволяющая определить зависимость изменения сопротивления от расположения, формы и размеров подгоночного реза и распределение плотности тока по площади резистивной пленки.
Разработан новый программно аппаратный комплекс, позволяющий реализовывать адаптивные алгоритмы подгонки резисторов и выполнять оптимизацию параметров процесса подгонки.
Установлены закономерности влияния параметров высоковольтных разрядных импульсов на кинетику подгонки толстопленочных рутениевых резисторов, на основе которых сформулированы требования к аппаратному и программному обеспечению комплекса электроискровой подгонки.
Практическая значимость работы. Разработан, изготовлен и апробирован программно-аппаратный комплекс для использования в производстве изделий с пленочными резистивными элементами и для исследований процессов электроискровой подгонки, позволивший увеличить производительность подгонки резисторов и автоматизировать процесс исследований. Разработана математическая модель подгоночных резов различной конфигурации и программа для ее расчета, дающая возможность оценить влияние формы реза на скорость и точность подгонки, и получить распределение плотности тока по площади резистивнои пленки. Разработана установка экспресс оценки ТКС резисторов. Даны рекомендации по выбору параметров разрядных импульсов для различных режимов подгонки, позволяющие совершенствовать технологию производства и параметры изготавливаемых резисторов.
Внедрение результатов работы. Разработанные методики и устройства подгонки резисторов защищены патентами РФ, внедрены в технологический процесс изготовления микросборок в ОАО «ЦНИТИ ТЕХНОМАШ» (г. Москва), использованы в опытном производстве микросборок на ФГУП «Завод полупроводниковых приборов» (г. Йошкар-Ола). Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Конструирования и производства радиоаппаратуры» Марийского государственного технического университета по дисциплине «Технология радиоэлектронных средств», использованы в дипломном и курсовом проектировании.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения» (г. Новочеркасск, 2000г.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2000)» (г. Саратов, 2000г.), международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация (ИКИ-2000)» (г. Барнаул, 2000г.), международной научно-технической конференции «Тонкие пленки в электронике» (г. Йошкар-Ола, 2000 г.), международном симпозиуме «Тонкие пленки в электронике» (г. Харьков, ХФТИ 22-27 апреля 2002 г.), конференциях профессорско-преподавательского состава МарГТУ по итогам НИР (г. Йошкар-Ола, 1999, 2000, 2001 г.г.).
По результатам. завершенных и полностью опубликованных теоретических и экспериментальных исследований на защиту выносятся следующие полоэ/сения:
Программно-аппаратный комплекс, позволяющий реализовывать адаптивные алгоритмы подгонки резисторов, исследовать кинетику подгонки, отрабатывать новые алгоритмы подгонки, проводить оптимизацию параметров процесса подгонки.
Методы электроискровой подгонки, обеспечивающие улучшение показателей скорости и точности не менее чем в 2 раза по сравнению с существующими методами.
Математическая модель резистивной пленки, позволяющая определить зависимость изменения сопротивления от формы и размеров подгоночного реза и распределение плотности тока по площади резистивной пленки.
Результаты экспериментальных исследований, позволившие установить влияние набора параметров высоковольтных разрядных импульсов на величину приращения сопротивления резистора и качество подгоночного реза для толстопленочных рутениевых резисторов.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 20 публикациях. Структура публикаций: патенты - 4, статьи в центральных реферируемых изданиях - 1 , статьи в сборниках трудов - 8, доклады на международных конференциях и симпозиумах - 4, тезисы докладов - 2, методические указания к выполнению лабораторной работы - 1.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 137 названий и приложения. Она изложена на 168 страницах и содержит 53 рисунка, 10 таблиц.
В первой главе рассмотрены общие сведения по электроискровой подгонке, механизмах изменения сопротивления в процессе подгонки. Проанализированы входные и выходные показатели процесса подгонки и определена область проведения исследований. Выполнен анализ информационных источников по методам повышения точности и производительности электроискровой подгонки. Проведен анализ алгоритмов адаптации с целью использования их в алгоритмах подгонки. Рассмотрено оборудование для подгонки резисторов электрическим разрядом и определены тенденции его развития.
Вторая глава посвящена разработке методов, повышающих выходные показатели процесса электроискровой подгонки по сравнению с существующими, в частности повышения производительности и точности подгонки, разработке математической модели резистивной пленки для оценки влияния формы подгоночных резов на показатели подгонки. Рассмотрены также вопросы повышения производительности подгонки для многорезистивных изделий за счет расширения технологических возможностей оборудования (сокращения времени операций настройки параметров установки, позиционирования контактных приспособлений, разбраковки изделий, реализуемых с помощью хранения в памяти установки значений оптимальных параметров, требуемых номиналов резисторов и их допусков).
В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой и реализацией основных требований к автоматизированному оборудованию электроискровой подгонки. Определены требования к аппаратуре данного класса, разработаны структурные и принципиальные схемы устройств, разработаны алгоритмическое и программное обеспечение комплекса для исследований процессов электроискровой подгонки резисторов.
Разработанные схемные решения, программное обеспечение и алгоритмы реализованы в автоматизированном исследовательском комплексе, использованном при проведении экспериментальных исследований.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию параметров разрядных импульсов на кинетику подгонки и ТКС рутениевых резисторов, влиянию способов формирования разрядных импульсов на параметры подгонки.
Основной целью исследований по влиянию параметров импульсов на кинетику подгонки было определение и выбор тех параметров, управление которыми дает наиболее предсказуемый и точный результат по выходным параметрам подгонки, а также уточнение ранее полученных результатов.
Основные результаты работы:
Разработаны новые методы повышения производительности подгонки до 2-х раз и точности подгонки в 2 и более раз, по сравнению с существующими методами, за счет регулирования параметров высоковольтных разрядных импульсов и управления положением разрядного электрода. Предложены варианты увеличения производительности подгонки за счет расширения технологических возможностей оборудования, например хранения в памяти установки оптимальных параметров импульсов для конкретных резистивных материалов и номиналов подгоняемых резисторов.
Разработана математическая модель резистивной пленки для определения зависимости скорости подгонки от формы и размеров подгоночного реза и распределения плотности тока по площади резистивной пленки. На основе модели показано, что для увеличения скорости подгонки следует использовать треугольную форму подгоночного реза, а для минимизации локальной перегрузки по мощности резистивной пленки использовать рез полукруглой формы.
Сформулированы требования к оборудованию для исследований процессов электроискровой подгонки и подгонке резисторов в условиях производства. Разработаны структурные и принципиальные схемы установки, входящей в состав комплекса для исследований ЭИП, изготовлен и апробирован опытный образец. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение комплекса, включающее процедуры оптимизации входных параметров подгонки.
Исследовано влияние разрядных импульсов на кинетику подгонки и показано, что такие параметры, как количество импульсов в пачке и длительность импульса позволяют гибко и с высокой точностью управлять процессом подгонки.
Исследовано влияние электроискровой подгонки на ТКС толстопленочных рутениевых резисторов. Показано, что ТКС в большинстве случаев смещается в сторону отрицательных значений и в целом остается в пределах диапазона заданного техническими условиями на изделия.
Определено влияние способов формирования разрядных импульсов на выходные параметры процесса подгонки. Наибольшая скорость подгонки получена для электрода с прямым включением выпрямительных диодов и положительной полярностью импульсов.
Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
Сухов A.M., Леухин В.Н. Автоматизированная система подгонки пленочных резисторов // Проектирование и технология электронных средств. -2002. - №2-С. 55-61.
Сухов A.M. Результаты исследования электроискровой обработки рутениевых резистивных пленок // Тонкие пленки в электронике и оптике. Ч. 1: Сборник докладов 14-го Междунар. симпозиума. - Харьков: ННЦ ХФТИ, ИПЦ «Контраст», 2002. -С.256.
Сухов A.M. Автоматизированный комплекс для электроискровой подгонки пленочных резисторов. //Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения: Материалы междунар. науч.-практ. конф.: В 2 ч. /Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: НАБЛА, 2001. - С. 40.
Пат. 2190274 РФ, МКИ НО 1С. Способ электроискровой подгонки пленочных резисторов / А.М.Сухов.
Пат. 2190273 РФ, МКИ НО 1С. Способ подгонки величины сопротивления пленочных резисторов / В.Н Леухин, А.М Сухов.
Сухов A.M., Леухин В.Н., Ахматаев А.В. Исследование влияния параметров электроискровой подгонки на стабильность сопротивления толстопленочных подстроечных резисторов // Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП-2000: Международная научно-техническая конференция. - Саратов, 2000. - С.355-361.
Сухов A.M., Ахматаев А.В. Программно-аппаратный комплекс для измерения температурного коэффициента сопротивления резисторов. // Измерение, контроль, информатизация: Материалы междунар. науч.-техн. конф. - Барнаул: АГТУ, 2000. - С. 205.
Сухов A.M. Автоматизированная установка экспресс-оценки ТКС резисторов // Труды научно-методической конф. МарГТУ, 2001. -С. 27-29. - Деп. в ВИНИТИ 29.11.01 №163-235/2001.
Сухов A.M. Способы повышения производительности и точности подгонки резисторов электроискровым методом / Марийск. гос. техн. ун-т. -Йошкар-Ола, 2002. -11с: ил. -Деп. в ВИНИТИ 28.01.02, №149-В2002.
Ю.Сухов A.M. Опыт применения автоматизированной системы для исследования режимов электроискровой подгонки // Труды науч.-метод, конф. МарГТУ, 2001.-С. 60-67.-Деп. в ВИНИТИ 29.11.01 №163-235/2001.
П.Сухов A.M., Леухин В.Н. Повышение показателей электроискровой подгонки пленочных резисторов // Труды науч.-метод, конф. МарГТУ, 2001. -С. 68-78. - Деп. в ВИНИТИ 29.11.01 №163-235/2001.
Пат. 2185674 РФ МКИ НО 1С. Способ подгонки величины сопротивления толстопленочных резисторов и устройство для его осуществления / В.Н Леухин, А.М Сухов.
Леухин В.Н., Сухов A.M., Ахматаев А.В. Влияние электроискровой подгонки на ТКС толстопленочных резисторов //Труды науч. конф. Map. гос. техн. ун-т. Йошкар-Ола, 2000.- С. 7-14. - Деп. в ВИНИТИ 28.10.00 № 3205В99.
Леухин В.Н., Сухов A.M. Исследование возможности применения электроискровой подгонки для тонкопленочных резистивных элементов //
Тонкие пленки в электронике: 11 междунар. науч.-техн. конф.. - Йошкар-Ола, 2000.-С. 39-40.
Леухин В.Н., Сухов A.M. Основные закономерности электроискровой подгонки резисторов. //Тр. науч. конф. по итогам науч.-исслед. работ Map. гос. техн. ун-та. Map. гос. техн. ун-т. Йошкар-Ола, 1999. - С. 7-14. - Деп. в ВИНИТИ 28.10.99 №3205В99.
Леухин В.Н., Сухов A.M. Установка электроискровой подгонки резисторов'Искра-5М": Инф. лист. №19-00. МарЦНТИ, 2000.
Леухин В.Н., Сухов A.M. Основные требования к автоматизации процессов электроискровой подгонки резисторов и возможные варианты реализации. // Тр. науч. конф. по итогам н.-и. работ Map. техн. ун-та. Map. гос. техн. ун-т. Йошкар-Ола, 1999 .-С. 7-14.-Деп. в ВИНИТИ 28.10.99 № 3205В99.
Сухов A.M., Грачев А.В. Исследование процессов электроискровой подгонки резисторов // Материалы 54-й межвузовской студенческой науч.-технич. конф. (Йошкар-Ола, 16-26 апр 2001 г.). Труды Марийск. гос. технич. университета, выпуск 9. - С. 325.
Пат. 2199756 РФ, МКИ НО 1С Способ корректировки характеристики датчика угла поворота резисторного типа /В.Н.Леухин, А.М.Сухов, А.В.Ахматаев.
Исследование процесса электроискровой подгонки резисторов. Методические указания к выполнению лабораторной работы /Сост. В.Н.Леухин, А.М.Сухов. - Йошкар-Ола, МарГТУ, 2002. - 15 с.
Механизм изменения сопротивления в результате воздействия электроискрового разряда на резистивный материал
Физические процессы, происходящие в материале резистивной пленки под воздействием электроискровой обработки достаточно сложны и, в общем случае зависят как от параметров процесса подгонки, так и от состава резистивного материала. Известно, что сопротивление резистивного элемента определяется величиной электропроводности материала, которая имеет три основных составляющих: металлическую, туннельно-барьерную и прыжковую [10,11]. Воздействие электрического разряда на резистивный материал изменяет соотношение этих механизмов электропроводности и приводит к структурным преобразованиям в резистивной пленке. На основе анализа результатов исследований [5,10-15] можно сделать следующие выводы о преобладающих механизмах изменения сопротивления толстопленочных резисторов:
а) увеличение сопротивления: - окисление и нарушение точечных контактов; - плавление и испарение резистивного материала (при значительной энергии разрядных импульсов);
б) уменьшение сопротивления - восстановление свободных металлов из их окислов; - пробои изолирующих мостиков между проводящими зернами резистивной композиции; - увеличение размеров зерен и увеличение площади контактов; - диффузия проводящего материала в стекло; - размягчение изоляционной прослойки стекла и седиментация (осаждение) частиц проводящей фазы; - уплотнение резистивного материала и уменьшение его толщины AR R AR R
Рисунок 1.2. Кинетика подгонки при обработке электроискровым разрядом (частичное испарение стекла), увеличение концентрации токопроводящей фазы в зоне обработки.
На рисунке 1.2 показаны типичные графики подгонки резисторов с помощью обработки электроискровым разрядом [5]. Ось абсцисс соответствует времени обработки, а ось ординат - относительному приращению , где R - текущее AR R-R, R сопротивления подгоняемого резистора: R, значение сопротивления резистора; Ro - начальное значение сопротивления резистора. Кривая 1 соответствует случаю, когда состав пасты и параметры процесса таковы, преобладают процессы, приводящие к увеличению сопротивления, и подгонка идет только в сторону приращения сопротивления резистора. Кривая 2 соответствует случаю, когда вначале преобладают процессы, уменьшающие сопротивление резистивной композиции, а с увеличением времени обработки происходит возрастание действия механизмов, увеличивающих сопротивление резистора. Поэтому на первом этапе подгонки происходит уменьшение сопротивления до некоторого значения ——min, а R затем его увеличение. В зависимости от требуемого направления подгонки Щ может потребоваться либо уменьшение, либо увеличение значения —— min . Так R при подгонке в сторону увеличения сопротивления желательно минимизировать AR min R , тем самым сократится время подгонки, следовательно и травмирующее воздействие на резистивную пленку. При подгонке в сторону уменьшения сопротивления может потребоваться AR увеличение min с целью увеличения коэффициента подгонки. R Входные и выходные показатели процесса подгонки
Процесс электроискровой подгонки характеризуется большим количеством факторов, которые влияют на его выходные показатели [18]. Высоковольтные разрядные импульсы описываются следующими параметрами: - частотой f (Гц) или периодом следования импульсов Т (мкс); . - скважностью импульсов Q или их длительностью т (мкс); - амплитудой импульсов А (кВ); - разрядным током импульса I (мА); - количеством импульсов в пачке N или длительностью пачки (мс); - полярностью импульсов.
Следующая группа факторов определяет параметры, связанные с разрядным электродом: - форма электрода; 0 - расстояние электрод - резистор; - характер и скорость перемещения электрода; - материал электрода. Кроме того, на выходные показатели подгонки будут также влиять среда, в которой осуществляется подгонка, и длительность обработки электроискровым разрядом. Нужно отметить, что выбор оптимальных параметров является весьма сложной оптимизационной задачей и обычно предваряется комплексом исследовательских работ, позволяющих выбрать наиболее приемлемые значения параметров для требуемых выходных показателей подгонки.
Процесс подгонки характеризуется также достаточно большим количеством выходных показателей (параметров) [17,19]. Ниже приведем наиболее часто используемые выходные параметры.
1. Скорость подгонки характеризует процентное приращение величины (Rn"Rx) сопротивления в единицу времени: V=—— х]00%, где Кп - величина Rx xt сопротивления после подгонки; Rx - величина исходного сопротивления; t -время подгонки.
2. Точность подгонки выражается через относительное отклонение 5 сопротивления подогнанного резистора от номинального значения RH в R - R процентах: 5= п" н х100%. RH
3. Коэффициент подгонки Кп характеризует степень изменения сопротивления в результате подгонки: =-11. С целью уменьшения перегрева резистора при эксплуатации и уменьшения деградационных процессов эта величина обычно берется не более 1,4, т.е. допустимым является изменение величины сопротивления резистора в процессе подгонки на 40%.
Методы повышения точности и производительности за счет изменения положения разрядного электрода
По результатам вышеуказанных работ можно сделать вывод, что управлять основными выходными показателями процесса, такими как скорость, точность, коэффициент подгонки, можно изменяя входные параметры процесса. Причем, оптимальные значения параметров могут значительно отличаться для резистивных паст разного состава. И здесь можно выделить две задачи:
а) выбрать для управления процессом такие параметры, изменение которых в процессе подгонки даст наиболее предсказуемый и точный результат;
б) определить оптимальные значения совокупности входных параметров для получения экстремума выходного показателя качества (например, скорости и точности подгонки, величины дрейфа сопротивления после подгонки).
Впервые сведения об оборудовании электроискровой подгонки появились около 30 лет назад. Чаще всего оно представляло собой установки, собранные из готовых электронных блоков (генераторов, источников питания, омметров и др.), которые имели ручное управление. В основном такие установки использовались в исследовательских целях. В конце 80-х, начале 90-х годов разрабатываются установки подгонки резисторов, пригодные для промышленного применения [24]. Данные установки характеризуются ручным заданием параметров разрядных импульсов, автоматическим завершением процесса подгонки при достижении требуемого значения сопротивления. Отечественные установки электроискровой подгонки выполнены с использованием аналоговой техники и имеют низкий уровень автоматизации технологических операций, требуют подключения дополнительного оборудования для контроля сопротивления резисторов и времени подгонки. Ниже приведены характеристики установки «Искра-5» [25,26]: - диапазон номиналов сопротивлений подгоняемых резисторов: ЮОм.ЛОМОм; - точность подгонки резисторов в диапазоне: 100 Ом - 10 кОм не хуже ± 0,1 % 10 кОм - 100 кОм не хуже ±0,25% 100 кОм - 10 МОм не хуже ±0,5%; - диапазон корректировки поля допуска от -0,1% до +0,1 %; - диапазон частот низкочастотного генератора: 10..2500 Гц; - амплитуда разрядных импульсов 0,5.. ЮкВ; - мощность, потребляемая установкой от сети в режиме подгонки: не более 50Вт.
Из приведенных данных видно, что установка имеет хорошие параметры по точности подгонки и диапазону номиналов подгоняемых резисторов. Поэтому основным направлением совершенствования оборудования подгонки видится уменьшение времени технологической операции подгонки за счет сокращения собственно времени подгонки и сокращения времени промежуточных операций за счет повышения степени автоматизации установки.
Дополнительного увеличения производительности можно получить в результате применения многоканальных установок подгонки [24], что может рассматриваться как отдельное направление в развитии оборудования ЗИП.
Попытки автоматизировать процесс ЗИП освещались в работах как зарубежных, так и отечественных авторов. В зарубежных источниках [27-29] сообщается об установках ЗИП, управление которыми осуществляется вычислительными блоками на основе микропроцессорных комплектов распространенных в соответствующий период времени (М6800, І8080). В основном автоматизированы операции позиционирования электродов, сведения об используемых алгоритмах подгонки не представлены. В работе [107] дается описание установки ЗИП на базе отечественной ЭВМ ДВК. Естественно, что использование в промышленных условиях установки на базе ЭВМ проблематично из-за их громоздкости, дороговизны и низкой помехоустойчивости.
Необходимо отметить, что метод ЗИП не может в полной мере заменить метод лазерной подгонки, поскольку существенно уступает по производительности, но в тоже время способен вернуть из брака некоторые достаточно сложные и дорогостоящие резисторосодержащие изделия, такие как микросборки, путем уменьшения величины сопротивления, что принципиально невозможно при лазерной подгонке. Поэтому вторым важным направлением совершенствования оборудования следует считать возможность отражения кинетики подгонки с целью получения богатого фактографического материала.
Еще одним направлением совершенствования оборудования ЗИП является наделение его адаптивными свойствами, то есть возможностью оперативно менять входные параметры подгонки с целью получения требуемого направления подгонки, максимальной скорости и точности подгонки.
Повышение точности подгонки за счет уменьшения длительности разрядного импульса
Как указывалось выше, в существующих способах, а также в способе, разработанном и представленном в п. 2.1.2, для повышения точности в основном уменьшают длительность пачек импульсов, либо на протяжении всей подгонки, либо на ее конечной стадии. Дополнительного повышения точности подгонки по результатам проведенных экспериментов и на основе аналитической зависимости (1.1) можно достичь за счет варьирования параметров разрядного импульса. Установлено, что увеличение длительности импульса приводит к увеличению величины приращения сопротивления в случае подгонки в сторону увеличения сопротивления. В связи с этим было предложено следующее.
Так как уменьшение длительности разрядного импульса уменьшает количество энергии выделяемой при электроискровом разряде, то соответственно происходят меньшие изменения сопротивления за один разрядный импульс. Величину Ds выбирают достаточно малой, например 0,01, чтобы общее время подгонки увеличивалось незначительно. Таким образом, при Ds =0,01, т.е. когда отклонение сопротивления составит \%, длительность разрядного импульса будет уменьшаться прямо пропорционально отклонению сопротивления. Теоретически достижимая точность в этом случае обусловлена минимально возможной длительностью импульса, при которой еще происходит электроискровой разряд и зависит от многих факторов: схемного решения высоковольтного преобразователя, расстояния от разрядного электрода до поверхности резистора, амплитуды разрядного импульса, параметров разрядной среды, свойств резистивного материала и пр. На рисунке 2.9 приведен пример, демонстрирующий процесс подгонки при совместном применении двух методов: с изменяющейся длительностью пачек по формуле 2.1 и изменяющейся длительностью импульсов. Образцами служили толстопленочные резисторы на основе RuCb с ps = 1 кОм/3 В таблице 2.2 приведены данные по изменению параметров на каждом цикле подгонки.
Во-первых, с уменьшением амплитуды возможно прекращение искрового разряда, и в этом случае (изменяя амплитуду) процессом управлять более сложно, по сравнению с варьированием длительностью импульса. Во-вторых, процесс подгонки достаточно быстропротекаюший, а схемотехнически реализовать изменение амплитуды разрядных импульсов с высокой скоростью и точностью весьма затруднительно.
С совместным применением двух методов, метода с изменением длительности пачки импульсов и с изменением длительности импульсов, подгонялось 20 резисторов. Средняя точность подгонки составила 8=0,04%, что в 1,5 раза лучше, чем при подгонке с использованием только одного метода с изменением длительности пачки импульсов. Разработанный способ защищен патентом РФ 2190274 [135]. 2.2.2. Повышение точности подгонки за счет реза специальной формы
Повышение точности подгонки можно обеспечить так же за счет изменения формы реза (Г-образные, F-образные резы), что широко практикуется при других видах подгонки, например лазерной [48]. В случае ЭИП зона разрушений при неподвижном электроде чаще всего имеет форму круга. С увеличением коэффициента подгонки Кп=К.н/Ко где RM - требуемое номинальное сопротивление резистора; RQ - начальное сопротивление подгоняемого резистора, возрастает размер зоны разрушений, что приводит к увеличению градиента изменения сопротивления при уменьшении ширины резистора. Эта зависимость для реза круглой формы будет иметь вид [61]: f = r2G2, (2.3) где — - относительное приращение сопротивления; г - радиус зоны R _.? 1-+4Ь , , разрушения; 0" =— —, 1 и b - соответственно длина и ширина резистора. \--ъ При увеличении градиента сопротивления происходит снижение точности подгонки вследствие увеличения приращения сопротивления за один цикл подгонки.
Для повышения точности подгонки разработан способ (патент РФ 2190273) [134], согласно которому процесс подгонки осуществляется в два этапа. На первом этапе электрод неподвижен и подгонку осуществляют до значения 0,99RH. На втором этапе электрод перемещают вдоль резистора на расстояние равное радиусу зоны разрушения, который может быть определен из выражения (2.3): г = f(0,99RH -R0)lV RH(l2+4b2)
Дальнейшую окончательную подгонку осуществляют в теневой зоне реза, что снижает градиент изменения величины сопротивления, и соответственно, улучшает точность подгонки. Коэффициент 0,99 выбран по причине достаточно малых относительных приращений, получаемых после сдвига разрядного электрода, в пределах изменения сопротивления AR/R 1%. На рисунке 2.10а изображено изменение относительного отклонения сопротивления от требуемого значения при подгонке по вышеописанному способу. Пунктирной линией показан вариант графика в случае неподвижного электрода. На рисунке 2.106 изображен увеличенный фрагмент графика, изображенного на рисунке 2.10а. Данные для приведенного примера получены на установке электроискровой подгонки, сопряженной с компьютером. Фиксация результатов подгонки осуществлялась в реальном масштабе времени после каждого цикла подгонки.
На рисунке 2.11 показан вид подгоночного реза по разработанному способу подгонки, где радиус rl соответствует зоне разрушений на первом этапе подгонки до смещения электрода, а г2 - после смещения электрода. В качестве образцов использовались тонкопленочные резисторы на основе резистивного сплава РС5406К. Скорость (градиент) изменения величины сопротивления можно записать как V=d5/dT, где d8=52-6i - относительное приращение сопротивления в процентах; dT= Т2- Т, - время в циклах подгонки. В приведенном примере электрод был смещен при достижении отклонения 0,99R, что соответствует на рисунке 2.106 392 циклу подгонки (точка А). По рисунку 2.106 видно, что до момента смещения электрода средняя скорость подгонки равна: V, = —- = —— = 0,09 %/цикл.
Регистрация динамики изменения сопротивления резистора
С использованием разработанной системы моделирования был проведен анализ влияния формы подгоночного реза на скорость и точность подгонки, и на степень перегрузки по выделяемой мощности. Под перегрузкой по мощности будем понимать отношение выделяемой мощности на элементе резистивнои матрицы резистора после подгонки к мощности выделяемой на элементе недеформированного резистора.
Рассматривалось три формы реза, которые наиболее часто используются при электроискровой подгонке: круг, полукруг и рез треугольной формы (см. рисунок 2.12). Анализ проводился из того предположения, что в процессе подгонки, независимо от формы реза за каждую пачку импульсов с одинаковыми параметрами в среднем удаляется одинаковое количество резистивного материала. Тогда при одинаковом коэффициенте подгонки количество удаленных резисторов матрицы будет пропорционально времени и соответственно обратно пропорционально скорости подгонки.
Из таблицы видно, что резы круглой и полукруглой формы имеют примерно одинаковое количество удаленных ячеек и соответственно одинаковую скорость подгонки. В случае реза полукруглой формы максимальная перегрузка по мощности меньше. Рез треугольной формы обеспечит более высокую скорость подгонки, но и более высокую перегрузку по мощности. Заметим, что высокие значения перегрузки не приводят к локальному перегреву резистивнои пленки, так как тепло отводится через подложку резистора.
Таким образом, по результатам моделирования можно сделать вывод, что для увеличения скорости подгонки следует использовать треугольную форму подгоночного реза, а для минимизации локальной перегрузки по мощности резистивнои пленки использовать рез полукруглой формы.
Существенного повышения производительности при подгонке резисторов можно добиться не только за счет использования оригинальных способов управления входными параметрами (параметры разрядных импульсов, расположение электрода и его форма, и др.), но и за счет автоматизации подготовительных и промежуточных операций технологического процесса подгонки. Так, например, при подгонке резисторов в составе многорезистивной гибридной интегральной схемы можно выделить ряд задач, автоматизация которых позволит повысить производительность технологических операций, снизить вероятность ошибки операторов установки.
Первая проблема - это возможность быстрой перестройки параметров электроискрового разряда в зависимости от номинала резистора и требуемого направления подгонки. Обсуждение этой темы частично проведено в первой главе диссертационной работы. В существующей аппаратуре подгонки [67-70] установка необходимых значений параметров разрядных импульсов производится с помощью внешних органов управления, что требует определенных знаний от оператора и определенного времени для изменения положений управляющих органов. В общем случае здесь видится два возможных пути решения. Первый путь предполагает создание алгоритмов подгонки с использованием элементов адаптации параметров разряда к характеристикам резистивного элемента. Второй путь предполагает хранение в базе данных прибора требуемых значений параметров подгонки для каждого из резистивных элементов микросборки. В этом случае, возможно, потребуется предварительное проведение экспериментов для выяснения таких параметров, на тестовых микросхемах, с последующим занесением их в память установки. В этом варианте, конечно, потребуется больше времени для того, чтобы определить параметры импульсов и занести их в память, что при достаточно большом объеме подгоняемых изделий становится не существенным, но определение оптимальных значений входных параметров при тестовых испытаниях возможно с более высокой точностью.
Следующая проблема - это возможность быстрой перестройки требуемых значений сопротивлений подгоняемых резисторов. В существующем оборудовании электроискровой подгонки эта проблема решалась в основном с использованием магазина сопротивлений, подключаемого к внешним разъемам прибора [69]. При реализации установки подгонки с использованием микропроцессорных средств, становится возможным хранение значений сопротивлений в энергонезависимой памяти установки. В этом случае смена значений сопротивлений может идти в полуавтоматическом режиме, что сократит время необходимое для установки очередного значения сопротивления.
Точное и быстрое позиционирование разрядного электрода и контактных приспособлений для измерения сопротивления в пределах обрабатываемой микросборки также является важной проблемой, эффективное решение которой позволило бы значительно повысить производительность проведения технологических операций. В общем случае можно предложить достаточно много способов решения этой проблемы, конкретная реализация которых будет зависеть от цели использования установки подгонки. При подгонке единичных
разнотипных образцов проще и удобнее использовать электрод и контактные приспособления, позиционируемые вручную. Такого типа приспособления использовались в установках электроискровой подгонки типа «Искра-5» [25]. В условиях среднесерийного производства можно предложить систему из автоматически перемещаемых контактных приспособлений и разрядного электрода. Нужно отметить, что реализация такой системы достаточно трудоемка, а перед настройкой на новое изделие будет необходима операция программирования устройства. Еще одно возможное решение состоит в реализации многоконтактного приспособления с коммутацией каналов измерения и разрядных электродов, например, с помощью электромагнитных реле. Затраты на разработку и изготовление такой системы меньше, чем в предыдущем случае. При переходе на новое изделие может потребоваться изготовление (перенастройка) нового шаблона для позиционирования контактных приспособлений и электродов. Возможны и другие варианты реализации системы позиционирования, например с подвижным координатным столом.
И, наконец, еще одна проблема - разбраковка изделий после подгонки. В существующих установках подгонки эта задача решается с помощью визуального контроля значения сопротивления по показаниям омметра, который автоматически подключается к сопротивлению после окончания подгонки. При хранении значений сопротивлений в энергонезависимой памяти установки такой контроль легко автоматизировать и выдавать сообщение оператору звуковым сигналом и на дисплей установки.
