Оценка производительности тонкопленочных встроенных резисторов для высокоточных микроволновых и авиационных приложений

Тонкопленочные микрополосковые цепи широко применялись в микроволновых коммуникациях, радиоэлектронной борьбе (РЭБ), авиационной промышленности и др. При производстве тонкопленочных ИС (интегральных схем) очень важно применять материал тонкопленочного резистора для изготовления высокоточных и высокостабильных тонкопленочных встроенных резисторов. Тонкопленочные ИС предъявляют строгие требования к тонкопленочным резисторам:

1. Квадратичное сопротивление должно быть достаточно широким;
2. Температурный коэффициент сопротивления должен быть малым;
3. Прилипающая сила с подложкой должна быть достаточно сильной;
4. Тонкопленочные резисторы должны обладать стабильной и надежной производительностью;
5. Пленообразование должно быть легким и удобным;
6. Должны быть способны выдерживать высокотемпературную обработку, высокую мощность и относительно широкий диапазон применения.

Краткое введение в встроенные печатные платы

Еще в 1959 году первая ИС, изобретенная Джеком Килби, содержала только два транзистора и резистор. В настоящее время множественные сложные техники применяются для объединения десятков миллионов транзисторов в один чип ПК. С электронными продуктами, идущими к миниатюризации и многофункциональности, возник тип технологии встроенных пассивных компонентов для удовлетворения все более высоких требований. Соотношение между пассивными частями и активными частями составляет приблизительно 20:1, интеграция постепенно возрастает с ростом соотношения. С таким количеством пассивных компонентов, встроенных в печатные платы, площадь печатной платы, произведенной через SMT, сокращается на 40% по сравнению с платой, изготовленной через встроенную технологию. Начало 1980-х годов увидело старт технологии встроенных пассивных компонентов, которая обычно достигается в планарной форме. На основе классификации пассивных компонентов, встроенные печатные платы могут быть дополнительно классифицированы на печатные платы с встроенными резисторами, печатные платы с встроенными конденсаторами и печатные платы с встроенными катушками индуктивности. Резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности можно увидеть почти во всех электронных системах, обеспечивающие импеданс и накопление энергии для системы. Среди этих встроенных пассивных компонентов конденсаторы и резисторы составляют большинство, не менее 80% всех вместе. До сих пор встроенные пассивные компоненты широко применялись во множестве цепевых областей, таких как фильтры, аттенюаторы, балюны, Bluetooth, усилители мощности и т.д. Более того, некоторые тренды, включая высокоскоростное и высокочастотное развитие цифровых сигналов, постоянное снижение напряжения пассивных компонентов, постепенное усиление функций и постепенная уплотнение сигнальных передач, требуют участия большего количества конденсаторов обхода малой емкости для устранения электромагнитной связности и сигнальных перекрестных помех. Поэтому технология печатных плат с встроенными конденсаторами привлекла широкое внимание отрасли.

Преимущества встроенных резисторов

Преимущества встроенных резисторов главным образом проявляются в трех аспектах: электрическая производительность, проектирование печатных плат и надежность.

Электрические преимущества

1. Помогает улучшить согласование импеданса линий.
2. Приводит к более коротким сигнальным путям и сниженной последовательной индуктивности.
3. Вызывает снижение перекрестных помех, шума и ЭМИ (электромагнитных помех).

Преимущества проектирования печатных плат

1. Приводит к улучшению плотности активных компонентов и снижению форм-факторов.
2. Не требует требования металлизированных отверстий, ведущее к улучшению трассировки.
3. Результатирует в упрощенных платах, сокращении размера и/или уплотнении.

Повышенная надежность

Ниже таблица показывает повышенную надежность встроенных резисторов.

Параметры	Значения
Низкий ТКС (TCR)	<50 PPM
Испытания на срок службы	100 000 часов; <2% дрейф при 110 °C
Стабильность на широких частотах	Протестировано выше 40 ГГц
Паяльные соединения	ОТСУТСТВУЮТ
Стадия тестирования	Внутренний слой и голая плата

Факторы, определяющие производительность тонкой пленки

До сих пор материал тонкопленочного резистора охватывает широкий диапазон применения, содержащий хромовый материал, танталовый материал и титановый материал. По сравнению с хромовыми тонкопленочными резисторами, танталовые тонкопленочные резисторы обладают множеством отличных характеристик, таких как отличная химическая стабильность и коррозионная стойкость, высокая надежность, широкий диапазон сопротивления и высокая стабильность, что делает их идеальным материалом тонкопленочного резистора с широкой перспективой применения.

Равномерность резистивной тонкой пленки относится к ситуации, в которой резисторы, изготовленные на подложке, меняются при изменении позиции подложки в вакуумной камере и как сопротивление модифицируется при движении той же подложки. Ведущие факторы, управляющие равномерностью тонкой пленки, включают: относительную позицию между подложкой и мишенью, скорость осаждения и степень вакуума. Пленка нитрида тантала (TaN), применимая к тонкопленочным ИС, обладает отличной равномерностью как на одной подложке, так и между подложками из разных позиций. Более того, ошибка сопротивления между разными партиями сохраняется низкой с отличной равномерностью. В настоящее время доступны два метода приготовления для подготовки пленки TaN: физическое парообразование и химическое парообразование. Стабильность и надежность, точность и равномерность удельного сопротивления играют важную роль в производстве пленки TaN. Сопротивление модифицируется главным образом через лазер или оксидацию для обеспечения точности сопротивления. Оба метода, однако, имеют некоторые недостатки: лазер может повредить резистивную графику с выдерживаемой мощностью резистивной пленки, тогда как модификация сопротивления через оксидацию страдает от низкой скорости и плохой надежности.

В статье используется магнетронное реактивное распыление для подготовки тонкой пленки TaN и изучается влияние технических параметров, таких как позиция униформирующей пластины, на равномерность и производительность тонкой пленки TaN, определяя точную контролируемую технологию удельного сопротивления. Кроме того, изучаются и анализируются скорость сканирования осаждения и эффекты соотношения потока N₂ на тонкую пленку TaN и производительность.

Анализ производительности тонкой пленки

Анализ равномерности

При условии фиксированной скорости сканирования 105 см/мин и 10% соотношения потока азота, равномерность анализируется для тонкой пленки TaN. Внутрилистовая равномерность может быть вычислена через формулу: .

Прибор сопротивления применяется для измерения сопротивления, и каждый лист основы должен жертвовать 60 точками для измерения, вот результат:

Позиция	R□Max	R□Min	R□Avg	Равномерность
	Ом·□-1	Ом·□-1	Ом·□-1	%
1	55,70	53,51	54,86	2,00
2	48,04	47,08	47,66	1,01
3	53,96	51,91	52,78	1,94

Это указывает на распределение сопротивления тонкой пленки TaN на основном листе размером 4 дюйма. Соответственно, можно резюмировать, что основной лист с позицией №2 обладает лучшей внутрилистовой равномерностью, в то время как основной лист, близкий к краю пластины или краю мишени, обладает относительно плохой вариацией квадратичного сопротивления и внутрилистовой равномерностью мишени, близкой к краю мишени, является худшей. Тонкая пленка TaN с плохой равномерностью приводит к огромному эффекту на производство высокоточных сетевых резисторов.

Для победы над неравномерностью тонкой пленки близко к краю мишени, униформирующая пластина может быть установлена для корректировки осаждаемой тонкой пленки, потому что она способна селективно покрывать область осаждения для контроля равномерности пленки.

Анализ скорости сканирования осаждения

С ускорением сканирования квадратичное сопротивление тонкой пленки TaN демонстрирует тренд увеличения с линейным улучшением. Чем выше скорость сканирования, тем короче время осаждения будет и тем меньше будет количество атомов на тонкой пленке. Пленка станет тоньше. В процессе генерации тонкой пленки доступны три структуры: островковая структура, сеточная структура и непрерывная структура. Свойства тонкой пленки тесно связаны со ее структурой и элементами. Когда пленка относительно тонкая, пленка приходит в структуре острова. С тем, как пленка становится толстой, островковая структура трансформируется в сеточную структуру и непрерывную структуру. Когда речь идет о резистивной тонкой пленке, однако, доступны три типа фазовых структур: проводимая фаза, полупроводниковая фаза и изоляционная фаза. В островковой структуре проводимые фазовые частицы рассеяны в тонкой пленке как затворные острова, окруженные изоляционной фазой. Поэтому квадратичное сопротивление пленки относительно высоко. Сеточная структура, однако, фактически является проводимой сетью, составленной взаимосвязью между проводимыми частицами. Изоляционные фазы рассеяны внутри сети с низким квадратичным сопротивлением. Непрерывная структура — это тип непрерывной тонкой пленки, составленной накоплением проводимых частиц плотно, содержащей мало изоляционных элементов. В результате квадратичное сопротивление пленки сокращается.

Анализ потока азота

а. Влияние потока азота на квадратичное сопротивление тонкой пленки TaN. С улучшением соотношения потока азота, квадратичное сопротивление тонкой пленки TaN постепенно возрастает. Этот закон работает драматически, особенно когда скорость потока азота увеличивается от 15% до 20%. Это потому, что увеличение парциального давления азота приводит к увеличению полостей Ta и проводимый тип тонкой пленки конвертируется от электронной проводимости к полостной проводимости. В результате квадратичное сопротивление окончательно возрастает.

б. Влияние скорости потока азота на толщину тонкой пленки TaN. Увеличение скорости потока азота приводит к постепенному снижению толщины тонкой пленки TaN, что противоположно тренду изменения квадратичного сопротивления. Толщина пленки тесно ассоциирована со средним свободным путем распыляемых частиц и скоростью распыления материала мишени.

В целом, тонкопленочные встроенные резисторы обладают приятной равномерностью, ведущей к их успешным применениям в широком диапазоне отраслей. Большое количество тестов и экспериментов было выполнено для демонстрации надежности тонкопленочных встроенных резисторов. Поэтому можно ожидать, что тонкопленочные встроенные резисторы могут быть высоко надежны во множестве электронных применений.

Статья написана редактором PCBCart Дорой Ян, первоначально опубликована в журнале PCB Design Magazine, июнь 2017.

Полезные ресурсы

• Встроенные технологии и процедура монтажа печатных плат со встроенными компонентами
• Технология производства печатных плат со встроенными компонентами
• Исследование высокоскоростного проектирования печатных плат во встроенных прикладных системах
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество ценностных опций
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart — от 1 штуки