Термоопору: Виробничий процес

Серед ідеально-зелених швейцарських лугів, по сусідству з корівником, стоїть сучасне мінімалістичне будинок з панорамними вікнами. Тут розташовані головний офіс і основні виробничі потужності швейцарської компанії IST-AG.

Більшу частину продукції, яку випускає IST-AG, складають тонкоплівкові датчики температури, вони ж термоопору (RTD). Зі статті "Термоопору: теорія" можна дізнатися що це таке і як воно працює.



Сьогодні розповім про основні етапи виробничого процесу. Як і на виробництві напівпровідників, все починається з керамічної підкладки…


Типова структура тонкоплівкового сенсора

Нагадаю, що тонкоплівковий датчик являє собою резистор, виконаний на базі платини, нікелю або міді.

Технологія виготовлення тонкоплівкових датчиків бере початок в напівпровідникової промисловості: на керамічну підкладку напилюється тонкий шар металу, з якого формується струмопровідна доріжка, яку часто називають меандром. Металевий меандр покривається зверху ізолюючим (пассивационным) шаром з скла, стійкого до температурного і хімічного впливу. Спеціально підібраний склад скла також використовується для фіксації висновків.



Виробничий процес

Таким чином, перший етап виробництва — це нанесення платини на керамічну підкладку.
Тут і далі я буду говорити про виробництві саме платинових датчиків. По-перше, переважна частина сучасних термоопорів — це платинові елементи з характеристикою 3850 ppm/K (докладніше це питання висвітлено в попередній статті), а по-друге, виробництво нікелевих і мідних термоопорів мало чим відрізняється.
Для датчиків температури використовують підкладку з оксиду алюмінію (99.6% Al2O3), але при виробництві інших тонкоплівкових датчиків можуть використовуватися інші матеріали — сапфір, цирконій, поліімід, скло, кремній і т. д.



Стандартна товщина керамічної підкладки — 0.63 мм, але іноді виготовляються спеціальні датчики з підкладкою товщиною 0.З8 і навіть 0.25 мм. Зменшення товщини підкладки дозволяє скоротити час відгуку датчика, тонкі підкладки також використовуються при виготовленні датчиків з високим номінальним опором, наприклад 10кОм.

Керамічні пластини піддаються хімічному очищенню і труїть. Природно, ці операції виконуються в чистому приміщенні на сучасному обладнанні. Про чистій кімнаті в IST треба сказати дві речі: вона сертифікована за стандартом ISO-5 і звідти відкривається чудовий вид на альпійські луки.

На очищену керамічну пластину напилюється шар металу. Склад металу визначає вид залежності опору датчика від вимірюваної температури — різних видів платини відповідають різні коефіцієнти A, B і C полінома R(T), про це попередня стаття.


Пластина з напыленной платиною

На очищену керамічну пластину наноситься фоторезист — світлочутливий матеріал, який використовується як маска для формування провідних структур і при виготовленні напівпровідників, і на виробництві друкованих плат та інших процесах. Фоторезист наноситься центрифугуванням.



Фоторезист чутливий до ультрафіолетового спектру, тому цей етап робіт проводиться при неактиничном (жовтому) освітленні.


Платина, покрита фоторезистом

Пластина з фоторезистом поєднується з маскою, яка і визначає структуру меандру, а значить і важливі параметри майбутнього датчика — номінальний опір R0 і розмір.



Далі проводиться експонування — пластина з накладеним маскою засвічується, таким чином незакриті маскою ділянки фоторезисту закріплюються на пластині.



Після травлення — видалення фоторезисту з незасвічених ділянок — на керамічній пластинці залишаються струмопровідні доріжки.



В залежності від використаної маски на пластині міститься різна кількість датчиків, в середньому близько 2000 штук. Легко здогадатися, що використання «непопулярною» маски, тобто виготовлення датчиків з рідкісними характеристиками, невигідно для невеликих замовлень.

На цьому ж етапі виробництва на пластину наносяться металеві площадки для кріплення висновків, для цього використовується трафаретний друк.



Геометрія меандру, нанесеного по одній з стандартних масок, може бути скоригована за допомогою лазерної підгонки. У минулій статті згадувався той факт, що крім стандартних R0 — 50, 100, 500, 1000 Ом, термоопір може мати номінальний опір, зміщена відносно стандартного значення. Зсув R0 можна зробити як раз за рахунок лазерної підгонки.

Після того як меандр сформований, пластина покривається пассивационным шаром скла. Далі пластина розрізається, а заготовки датчиків переміщуються з чистої кімнати в звичайні приміщення.



Тут можна простежити цікаву взаємозв'язок між розміром датчика і його ціною. Існує близько 15 стандартних розмірів вивідних датчиків: 1.6 × 1.2 мм, 2 × 2 мм, 2.3 × 2 мм, 2.5 × 1.6 мм, 3 × 0.8 мм, 3 × 2.5 мм, 4 × 2 мм, 5 × 5 мм, 5 × 1.6 мм, 5 × 2 мм, 5 × 2.5 мм, 5 × 3.8 мм, 10 × 2 мм і т. д.

Логічно, що при інших рівних найбільші за площею датчики будуть дорожче — для їх виробництва потрібно більше матеріалів. Однак є й інша обставина — датчики розміром менше двох міліметрів теж коштують дорожче, це пов'язано з методом розрізання пластин.

У більшості випадків для розділення пластин на окремі датчики використовується размалываниеоднак для відносно маленьких датчиків цей метод непридатний, тому при виготовленні мініатюрних датчиків на пластину алмазним різцем попередньо наносяться ризики. Зайва операція — додаткова вартість. Таким чином, оптимальними за ціною є датчики розміром 2 x 2, 2.3 × 2 або 5 × 2 мм
Коли пластини розрізані, до датчиків додають висновки — автоматичні машини приварюють висновки на контактні площадки, після чого місце кріплення покривається захисним шаром із скла.



На цьому виробництво датчиків завершується. Далі проводяться процедури перевірки точності кожного елемента та упаковка продукції.

Перевірка точності виявляє якого класу допуску (тут знову посилаюся на попередню статтю відповідає кожен елемент. За дуже приблизною оцінкою з кожної пластини виходить близько третини датчиків кожного класу (B, A, AA). Звідси різниця в ціні — клас B найдешевший, аналогічний датчик класу A буде коштувати відсотків на 20 дорожче, а датчик класу AA ще відсотків на 20-30 дорожче — найбільш точні датчики піддаються додатковим контрольним вимірюванням.

Про вивідних датчиках
Повернемося до висновків датчиків. Висновки виконуються з різних матеріалів, можуть мати різну довжину та форму (круглі / плоскі). Доступні датчики з багатожильними висновками, датчики з емальованими і ізольованими висновками. Більшість датчиків має два висновки, але є й елементи для 3 — і 4-провідної схеми включення.

Тип висновків залежить в першу чергу від температурного діапазону датчика. Наприклад, мідні емальовані дроти терплять тільки температури до +150°C, висновки із сплавів срібла і нікелю витримують більш високі температури. Для температур до +600°C необхідні дроти з платиновим покриттям, а для роботи з температурами до +750 або до +850°C потрібні вже повністю платинові висновки.



До речі про довжині висновків. Найчастіше якщо датчику потрібні довгі висновки, то контакти нарощуються до потрібної довжини — додатковий провід приварюється або припаюється. Однак є завдання, в яких вимоги до надійності настільки високі, що додаткове з'єднання неприпустимо і висновки потрібної довжини повинні бути встановлені спочатку. Так при виготовленні датчиків для CERN до контактним майданчикам датчика були приварені висновки довжиною цілих 35 метрів.

ПРО SMD датчиках
Більшість термометрів опору — це вивідні компоненти, проте саме завдяки тонкоплівкової технології з'явилися термомсопротивления для поверхневого монтажу (не втомлююся посилатися на попередню статтю).

Випускаються як класичні SMD-компоненти, так і датчики для монтажу Flip-Chip. Для установки компонентів Flip-Chip потрібно більш складне устаткування (точне позиціонування, контроль зусилля по осі Z, додатковий захист від пилу). З іншого боку, датчики Flip-Chip дешевше, вони займають менше місця, і взагалі майбутнє за ними.



Датчики для поверхневого монтажу випускаються зі стандартними розмірами — 1206, 0805 і 0603.

Спеціальні корпусу

Взагалі кажучи, різноманіття корпусів — це одна з головних фішок компанії IST. Тут роблять різні датчики, причому нестандартні рішення доступні не тільки для великих клієнтів, але і для среднесерийных виробництв.

Заміна намотувальних датчиків
Наприклад, для прямої заміни намотувальних датчиків на тонкоплівкові виробляються термоопору в спеціальному циліндричному корпусі. Мініатюрний прямокутний датчик розміщується всередині керамічного корпусу, який повторює класичний форм-фактор намотувальних датчиків.



Такий корпус не виконує ніяких захисних функцій, його єдиний сенс — безболісний перехід c намотувальних термоопорів на тонкоплівкові.

Металеві гільзи
Дуже популярні термоопору, виконані у вигляді зондів — гільз з нержавійки, які опускаються в рідку середу. Зазвичай такі датчики виготовляються таким чином: чутливий елемент — тонкоплівковий або намоточный сенсор — вміщується в металевий корпус, після чого гільза заповнюється чим-небудь на зразок оксиду магнію (висока теплопровідність плюс хороші електроізолюючі властивості).

При використанні тонкоплівкових технологій можна вдосконалити цю конструкцію: оскільки тонкоплівкові датчики плоскі і мають відносно невеликий розмір, сенсор можна встановити прямо на дно гільзи.



Таким чином досягається два позитивних ефекту. По-перше, значно скорочується час відгуку (датчик виходить на робочий режим менш ніж за півтори секунди). По-друге, гільзу можна опускати у вимірюване середовище не повністю, а лише на 10 мм майже без втрати точності.

Виконані таким чином датчики випускаються під назвою RealProbeTemp [datasheet].

Графіки, які закрутять вам голову

При виготовленні RealProbeTemp використовуються чутливі елементи, у яких висновки кріпляться не стандартним способом, а перпендикулярно площині датчика. Такі елементи доступні і окремо, їх застосовують в задачах, коли датчик повинен бути встановлений у вузький отвір або в трубку.



Контакт з поверхнею об'єкта вимірювань
Той факт, що тонкоплівкові датчики є плоскими, дозволяє випускати різні спеціальні рішення для найкращого контакту з поверхнею об'єкта вимірювань. Щоб скоротити час відгуку і забезпечити максимальну достовірність вимірювань, у самого сенсора метализируется тильна сторона. Металізовані датчики доступні для замовлення окремо, але частіше їх виготовляють відразу закріпленими на контактній площадці. Контактні майданчики можуть мати різні форми і розміри, залежно від завдання.

Наприклад, для кращого контакту при вимірюванні температури труби потрібна гнучка майданчик, а при вимірюванні температури невеликий деталі простіше взяти окремий датчик і кріпити його на саму деталь.



Кілька датчиків з контактними майданчиками також можна розглянути на фотографії вище.

Асортимент, ціни, корівник

Всього за свою історію IST випустили більше 4000 різних моделей датчиків і переважно це платинові датчики температури. Більша частина виробничих потужностей компанії розташовані в Швейцарії, але деякі найменш технологічні операції виконуються на фабриці в Чехії. Звичайно, такий розклад наштовхує на думку про дорожнечу датчиків IST.

Ціни на термоопору IST дійсно вище ніж ціни на аналогічні noname-рішення з Китаю, однак таке порівняння саме по собі не коректно. Термоопору IST — це певні гарантії якості та надійності. Існує безліч завдань, де такі гарантії важливіше, ніж мінімальна ціна. Щоб говорити про якість і надійність не голослівно, зауважу що датчик температури від IST, наприклад, літав на «Розетту» на комету Чурюмова-Герасимченко.

При цьому ціни на швейцарські термоопору складно назвати космічними — Pt100 класу А в SMD-корпусі я віддаю зі складу в РФ по 2 євро за штучку, Pt100 класу B в корпуси Flip-Chip — 0.98 євро, а ціни на вивідні датчики для температур від -200 до +300°C починаються з 3.68 євро. Це роздріб з ПДВ, якщо що.

Завершуючи розповідь про виробництві IST-AG, додаю пруф сусідства штаб-квартири IST з корівником. Дякую за увагу.





Висновок

У висновку традиційно дякую за увагу читача і нагадую, що питання щодо застосування продукції, про яку ми пишемо на хабре, можна також задавати на email, вказаний в моєму профілі.
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.