Teknik för precisionstunnfilm

Denna artikel är avsedd att hjälpa kretskonstruktörer och komponentingenjörer att förbättra sin förståelse för tunnfilmsteknik. Artikeln är en guide för att förstå användningen av tunnfilmsteknik och de betydande fördelar den ger i fråga om tillförlitlighet, dimensioner och prestanda.

Figur 1: tunnfilmsteknologier tillgängliga från Vishay. (Bildkälla: Vishay)

Filmtyper

Vanligtvis sprutas filmerna på, med en tjocklek på cirka 500 Ångström. Ett urval av masker med varierande linjebredd och radavstånd används för att framställa olika resistansvärden. Plattans resistivitet kan också variera från 50 ohm per kvadrat till 2000 ohm per kvadrat. Varje film har ett specifikt syfte. Som en allmän regel gäller att ju lägre arkets resistivitet är, desto bättre är den övergripande elektriska prestandan. Vishay är den enda leverantören och tillverkaren av alla filmtyper.

Nichrome (NiCr) - Den mest populära filmen har de bästa elektriska specifikationerna när det gäller absolut TCR. Vanliga resistivitetsvärden per ark är 50, 100 och 200 ohm per kvadrat.

Tamelox - En egen legering från Vishay Thin Film som kombinerar fördelarna med nichrom och tantalnitrid och förbättrar TCR-linjäriteten.

Tantalnitrid (TaN2 ) - När denna appliceras och bearbetas på rätt sätt får man en legering som är ogenomtränglig för fukt. Den elektriska prestandan är inte lika bra som för nichrome. Används i tillämpningar där motstånden tar upp låg effekt (< 20 %), inte har någon självuppvärmning och hög relativ fuktighet (80 %).

Kiselkrom (SiCr) - Detta material har en mycket hög arkresistivitet (2000-3000) och används för att producera höga resistanser på en liten yta. Elektriska specifikationer som absolut TCR-följning, långtidsstabilitet och spänningskoefficienter som är bättre än tjockfilmsteknik.

Passivering - SPM (Special Passivation Methods) ger nu möjlighet till förbättrad passiveringskontroll i tuffa miljöer (se Tech Note SPM).

Integrerad konstruktion med tunnfilm

En integrerad krets är en gruppering av element som är formade och sammankopplade på ett gemensamt substrat för att bilda ett funktionellt nätverk. Ett integrerat motståndsnät definieras på samma sätt som en gruppering av resistiva element som formas och sammankopplas på ett gemensamt substrat. Precis som vid tillverkning av halvledare, framställs elementen genom applicering på, eller reaktion med, substratet, och mönstren framställs fotolitografiskt, följt av selektivt avlägsnande av oönskat material. Motstånden i ett visst nät är ganska små och ligger nära varandra och utsätts för nästan identiska förhållanden under processningen. På samma sätt utsätts varje nät på wafern eller substratet för praktiskt taget samma förhållanden. Eftersom flera wafers bearbetas tillsammans, samtidigt och i samma utrustning, blir hela batchen enhetlig - till hundratals eller tusentals enskilda enheter. En ytterligare fördel med integrerad konstruktion är integriteten hos sammankopplingarna, som i sig är mer tillförlitliga än enskilda anslutningar mellan separata komponenter.

Figur 2: Aluminiumoxidwafer med hög renhet som visar den integrerade tunnfilmskonstruktionen. (Bildkälla: Vishay)

Fördelarna med tunnfilmsintegrerad konstruktion

• Extremt nära matchning av alla element i ett nät, vilket säkerställer nära följning över ett temperaturintervall och under hela livslängden
• Mycket små nät med flera element och hög täthet som sparar utrymme på kretskortet
• Hermetisk konstruktion som är praktisk i en mängd olika moderna standardformat
• Repeterbar och konsekvent karakteristik, från del till del och från batch till batch
• Mycket låg induktans
• Utmärkt tillförlitlighet - färre individuella sammankopplingar
• Inga termoelektriska effekter
• Installerad kostnad inte högre än för diskreta komponenter - och ofta lägre

Tillförlitlighet i hopkopplingen

Tillförlitlighetsstudier som gjorts av militären och andra organ har visat att - allt annat lika - tillförlitligheten hos en komponent är direkt proportionell mot antalet "människoskapade hopkopplingar" Därför är den integrerade kretsen mer tillförlitlig än en sammansättning av diskreta transistorer, och detsamma gäller för ett integrerat motståndsnät jämfört med diskreta komponenter. Detta kallas ibland "inherent tillförlitlighet"

Resistansomfång

Tunnfilmsteknik använder fotolitografisk precisionsmönstring för att ge konstruktören ett brett omfång av motståndsvärden på minsta möjliga yta. Detta ger dig möjlighet att välja mellan att minimera komponentens storlek eller öka antalet resistiva element på samma yta. Den totala resistansen som kan uppnås på en given yta bestäms främst av filmmaterialets arkresistans och mönsterbildningen. I verkliga konstruktioner är dock den maximala ytan mindre på grund av det utrymme som krävs för termineringspaddar, interna ledare, speciella trimningsfunktioner och begränsningar i pin-out-konfigurationen.

Resistiva tunnfilmsmaterial täcker ett normalt arkresistansintervall på 50-2000 ohm/kvadrat, vilket resulterar i ett tillgängligt resistansintervall för enskilda motstånd från några få ohm till åtskilliga Mohm. Den högsta precisionen finns normalt i intervallet 250 ohm till 100 Kohm.

Figur 3: Resistansintervallet avgörs främst av mönstergeometrin på wafern. (Bildkälla: Vishay)

Mycket låg resistans

När element med låg resistans ingår i precisionsnät måste man ta hänsyn till de små men oundvikliga resistanserna hos anslutningsledningarna och de ledande mönstren på chipet och i förpackningen. Dessa ledningseffekter kan minimeras, men inte helt elimineras, genom korrekt konstruktion, processning, val av kapsling och montering. Särskild uppmärksamhet måste dock ägnas åt att fastställa specifikationerna, särskilt när det gäller realistiska toleranser för resistans och följning, och åt metoden för att mäta dessa.

Figur 4: Den interna ledningsresistansen kan ha stor inverkan på de totala resistansvärdena. (Bildkälla: Vishay)

Resistanstolerans

Moderna lasersystem kan justera motstånd till mycket snäva toleranser, antingen absolut eller relativt: 0,01 % respektive 0,005 %. Dessutom kommer den ansvariga tillverkaren faktiskt att lägga "marginaler" på intrimningen, så att den interna specifikationen blir snävare än specifikationerna för frisläppande av produkten.

Ju snävare toleranskravet är, desto noggrannare måste motståndet konstrueras för att uppnå en snäv distribution, tydligt inom toleransgränserna och med en kostnadseffektiv intrimningshastighet. Ett av sätten att uppnå detta är att tillhandahålla speciella trimningsgeometrier. Detta upplägg minskar motståndets känslighet för mängden material som avlägsnas av lasern, vilket gör det möjligt att uppnå allt högre precisionsnivåer. Metoden använder mer substratyta, vilket ibland kräver en avvägning mellan kostnad och prestanda. En egenskap som utmärker modern tunnfilmsteknik för användning i precisionsnät, är filmernas elektriska och mekaniska stabilitet. Detta är viktigt eftersom noggrant intrimmade motstånd måste klara de ibland tuffa förhållandena vid montering utan att avvika i någon större utsträckning. Detta understryker återigen de inneboende fördelarna med en integrerad konstruktion jämfört med separata diskreta motstånd, eftersom alla förändringar som sker kommer att vara gemensamma för alla motstånd i nätet, vilket gör att förhållandena bevaras exakt som de trimmats in.

Figur 5: Striktare toleranskrav kan leda till att större yta i tas i anspråk. (Bildkälla: Vishay)

Resistansens temperaturkoefficient (TCR)

Resistansens temperaturkoefficient är måttet på resistansförändringen som en funktion av den omgivande temperaturen. Den definieras som enhet resistansförändring per enhet temperaturförändring och uttrycks vanligen som ppm/°C (parts per million per Celsius). Det är den egenskap som oftast karakteriserar eller särskiljer motstånd. Historiskt sett sorterades diskreta motstånd, även de som tillverkades av filmer, i partier enligt TCR-värde. Den relativt nya användningen av stänkapplicering för att styra filmens sammansättning, tillsammans med relaterade förbättringar av processningen, har resulterat i den så kallade "tredje generationens" tunnfilmsprodukter med en TCR som konsekvent är mindre än 10 ppm/°C i absoluta tal.

Figur 6: Temperatur-resistans-koefficienten är ett mått på hur snabbt ett motstånd varierar med stigande eller sjunkande temperatur. (Bildkälla: Vishay)

TCR avgörs vanligen experimentellt genom att mäta motståndet vid flera temperaturer och beräkna förändringsgraden över det lämpliga temperaturintervallet, t.ex. +25 °C till +125 °C. Om motståndet förändras linjärt med temperaturen är TCR en konstant, oavsett temperaturintervall. När den inte är linjär, vilket är fallet för de vanligaste nickel/krom-legeringarna, uttrycks TCR som lutningen på den linje som förbinder två punkter på kurvan resistans mot temperatur, t.ex. +25 °C och +125 °C. Med andra ord betyder det genomsnittligt TCR-värde över intervallet. Ju mer olinjärt sambandet är, desto sämre blir approximationen av genomsnittet.

Det är absolut avgörande när man specificerar TCR att temperaturintervallet också specificeras tydligt.

Det förfarande som beskrivs i MIL-STD-202 metod 304 hänvisas ofta till som standard för att mäta TCR. Med denna metod beräknas genomsnittligt TCR för en serie intervaller mellan +25 °C och -55 °C och mellan +25 °C och +125 °C. Det högsta värdet registreras som TCR. Detta återspeglar hela det militära driftsintervallet, men kan leda till överspecifikation för komponenter som har ett annat eller smalare driftstemperaturintervall.

Figur 7: Exempel på TCR för olika resulterande lutningar. (Bildkälla: Vishay)

Genom att förstå effekterna av legeringens sammansättning och förmågan att noggrant kontrollera bearbetningen är det möjligt att "skräddarsy" kurvan resistans mot temperatur för att producera en TCR som är a) negativ över hela området, b) positiv över hela området eller c) negativ i den låga delen och positiv i den höga delen, med en relativt platt "noll-TCR"-sektor i ett område som ligger nära rumstemperaturen. Detta kan med fördel utnyttjas för utrustning som används i närheten av rumstemperatur eller som på annat sätt kräver temperaturkompensation.

Följning

De flesta tillämpningar där precisionsnät av tunnfilm används, är beroende av att man uppnår och bibehåller snäva relativa motståndsvärden. Därför är relativa förändringar i motståndet inom ett nät, vilket kallas "följning", mycket viktiga. Tunnfilmsnätverk är utmärkta för följning. Det finns flera olika aspekter av följning som det är viktigt att förstå och kunna skilja på.

TCR-följning - TCR-följning definieras som skillnaden mellan TCR-värdena för ett motståndspar under ett givet temperaturintervall. Det är svårt att uppnå en nära TCR-följning i diskreta motstånd, och det innebär en stor belastning i tillverkningsprocessen att producera till en mycket nära absolut TCR-gräns. Den integrerade konstruktionen av tunnfilmsnät garanterar däremot en extremt nära TCR-följning eftersom motstånden tillverkas som en grupp under nästan identiska processförhållanden. Dessutom är motstånden små och ligger nära varandra på ytan av ett gemensamt substrat med hög värmeledningsförmåga, vilket gör att de håller samma temperatur eller nästan samma temperatur under drift.

Trots detta kan process- och materialvariationer förekomma som ger små men mätbara skillnader i TCR för närliggande motstånd på samma wafer. Processvariabler som kan påverka detta är bland annat ojämn filmbildning, defekter i substratet, termiska gradienter under uppvärmningen och ojämna mekaniska påfrestningar. Utformningen kan också spela roll. Genom att använda toppmodern processtyrning, -mätutrustning och -tekniker, kan TCR-följningen kontrolleras med några tiondels ppm per grad, med rätt krets- och chipkonfiguration och kapsling.

En faktor som leder till att den skenbara TCR-följningen är högre än den "sanna" följningen är närvaron av en gemensam matarledning som har ett mätbart motstånd (r).

där TCR (r) är TCR för det gemensamma ledningsmaterialet, vilket vanligtvis är metalliskt. Till exempel: ett motstånd på 1 kiloohm med ett TCR på 8,9 ppm/°C som är anslutet till ett motstånd på 2 kiloohm med ett TCR på 8,5 ppm/°C och en gemensam utgångsledning med en resistans på 0,1 ohm med ett TCR(r) på 4000 ppm/°C kommer att uppvisa TCR-följning.

Det främmande bidraget från den gemensamma ledningen (0,2 i fallet ovan) försvinner om de kritiska kvoterna specificeras och mäts utifrån spänningsdelning snarare än resistanskvot.

Figur 8: Exempel på följningsfördelningar för motstånd med stort och litet inbördes avstånd. (Bildkälla: Vishay)

Figur 9: Tumregel för följning i integrerade nät jämfört med diskreta motstånd. (Bildkälla: Vishay)

Resistansföljning vid effektomkoppling

Vissa kretsar används i ett funktionsläge där strömmen slås av och på i ett motstånd, vilket matchas till ett referensmotstånd med konstant ström. Även om motstånden har samma TCR och substratet har en likformig omgivningstemperatur, kommer motståndens värden att skilja sig åt på grund av självuppvärmningen. (Strängt taget är detta inte ett verkligt krav för "följning" eftersom de berörda motstånden utsätts för olika påfrestningar.) Denna skillnad styrs av de två motståndens absoluta TCR. I dessa tillämpningar, som inte är ovanliga, bör motstånden ha en så låg absolut TCR som möjligt i drifttemperaturområdet, och motstånden bör konstrueras så att de är placerade så nära varandra som möjligt för att minimera temperaturskillnaderna mellan dem.

Figur 10: Exempel på ojämn effektutveckling i matchade motstånd. (Bildkälla: Vishay)

Spänningsförhållanden

Motstånd används ofta som spänningsdelare. I detta fall, och när det gäller exakta toleranser, är det lämpligare att hantera spänningsförhållanden än resistansförhållanden. Det finns tre viktiga aspekter av spänningsförhållanden som måste förstås i jämförelse med resistansförhållanden. Dessa är spänningsförhållandet i sig självt, toleransen för spänningsförhållandet och följningen av spänningsförhållandet.

Figur 11: Spänningsförhållandena är oberoende av motståndet i den gemensamma ledningen. (Bildkälla: Vishay)

I idealfallet bestäms spänningsfallet över ett motståndspar av förhållandet mellan motståndsvärdena: R1/(R1 + R2). När motståndsvärdena inte är lika kommer spänningsförhållandet att skilja sig från det beräknade värdet från de skenbara (uppmätta) motståndsvärdena med en mängd som styrs av motståndet hos den gemensamma ledningen. Denna avvikelse kan vara ganska stor, särskilt med motstånd med lågt värde.

För ett motstånd på 10 kilohm i serie med ett motstånd på 1 kilohm, som har en gemensam "tappledning" med ett motstånd på 100 milliohm, kommer de två förhållandena att skilja sig med 75 ppm:

För ett 1-kilohmsmotstånd i serie med ett 100-ohmsmotstånd kommer ett 100-milliohmigt avstängningsmotstånd att ge en skillnad i respektive förhållande på mer än 800 ppm.

Detta visar hur viktigt det är att ange rätt driftsparameter.

Figur 12: Ekvationer för spänningsförhållandetolerans och för spänningsförhållandeföljning. (Bildkälla: Vishay)

När motståndet i den gemensamma ledaren (r) är mätbart, är dock den skenbara TCR-följningen högre än den "sanna" följningen, vilket visats tidigare, och spänningsförhållandeföljningen är lägre. Spänningsförhållandeföljningen är alltid mindre (bättre) än TCR-följningen.

Stabilitet

De effekter som beskrivs i de föregående avsnitten är reversibla: förändringarna är inte permanenta och försvinner när temperaturen återgår till utgångspunkten. Det finns dock oåterkalleliga effekter. Som vi nämnde tidigare, används de flesta precisionsmotståndsnät i ett funktionsläge byggt på kvoter. De har trimmats till snäva toleranser och noggrant konstruerats för att hålla sig inom dessa snäva initiala toleranser när det gäller resistans eller spänningsförhållanden. Men detta är meningslöst om inte dessa toleranser kan bibehållas under hela nätets livslängd. Detta kräver maximal filmstabilitet. Framsteg inom material och processer har resulterat i att stabiliteten hos tunnfilmer har förbättrats till tidigare oöverträffade nivåer som närmar sig de nivåer som tidigare endast kunde uppnås med folier.

Omfattande långtidsstabilitetstester av nickel/krom-legeringar har entydigt visat att motståndets grad av förändring med tiden entydigt är en funktion av substratets temperatur. Detta är ett matematiskt sätt att säga att temperaturen är den enda variabeln - oavsett om den orsakas av effektbelastning eller helt enkelt av omgivningen. Dessutom har det experimentellt fastslagits att den stabilitet som uppmätts vid en högre temperatur med säkerhet kan extrapoleras till lägre temperaturer och längre tidsperioder i enlighet med klassiska kinetiska ekvationer.

Det är behändigt att tänka på de permanenta förändringarna i ett matchat motståndspar som "stabilitetsföljning" I motsats till TCR-följning, där nära följning är oberoende av den absoluta TCR-nivån, är stabilitetsföljning i viss mån beroende av den absoluta stabiliteten. Ju stabilare ett motståndspar är, desto mindre förändras de i absolut värde och i relation till varandra. Även här är fördelarna med en integrerad konstruktion uppenbara: alla motstånd i nätet tenderar att ha liknande förändringar under sin livslängd, och resistansförhållandena förändras mycket mindre än de absoluta värdena.

Figur 13: Stabiliteten påverkas av komponenternas ålder. (Bildkälla: Vishay)

Effektvärde

Eftersom precisionsnät med tunnfilm i allmänhet inte används i tillämpningar med hög effekt, är metoderna för att fastställa den maximala effekten inte lika kritiska som för nät för allmänna ändamål. Det måste dock fastställas gränser, och detta görs bäst genom att fastställa övre temperaturgränser.

Nolleffekttemperatur (ibland kallad maximal drifttemperatur) är den maximala temperatur vid vilken komponenten kan användas under en viss tid (vanligen 1000 timmar) utan alltför stora förändringar (vanligen definierad i förhållande till den ursprungliga toleransen), uttryckt i procent. För ett tunnfilmsnät som måste hålla en tolerans på 0,1 % skulle denna nolleffekttemperatur vara +150 °C. Vid denna temperatur kan ett motstånd uppvisa en förändring i storleksordningen 500 ppm i absoluta tal eller 100 ppm i förhållande till andra motstånd i ett nät. Om den maximala initiala toleransen som krävs är 0,01 %, skulle en lämpligare nolleffekttemperatur vara +125 °C. Dessa nivåer gäller för hermetiskt förslutna komponenter. Om förpackningen är icke-hermetisk, får delarna en lägre temperaturklassificering.

Figur 14: Typisk kurva för effektminskning. (Bildkälla: Vishay)

Full effekt - Nominell effekt accepteras i allmänhet som den effekt som krävs för att höja yttemperaturen på en komponent över en viss omgivningstemperatur, vanligen +70 °C, till nolleffekttemperaturen. Detta uttrycks i antal fulleffekt-watt. En effektminskningskurva används för att fastställa gränsvärden vid mellanliggande temperaturer.

Särskild hänsyn måste tas till klassningen av enskilda motstånd i ett nät, eftersom den slutliga yttemperaturen för ett enskilt motstånd kommer att skilja sig mycket beroende på om andra motstånd i nätet är strömsatta eller inte. Även om det är svårt att generalisera, kommer en korrekt utformning av nätet att ta hänsyn till dessa potentiella variationer, genom arrangemang som ger en enhetlig effekttäthet.

Såsom angavs ovan är effektnivåerna i precisionsnät med snävare toleranser vanligtvis lägre, men eftersom chipdimensionerna är små kan effekttätheten vara hög. En typisk konstruktionsnivå är 25 W/in2 för mycket exakta nätverk, men tunna filmer kan klara anmärkningsvärt höga nivåer av effekttäthet - så mycket som 200 W/in2 - utan att äventyra deras integritet. Slutligen måste man ta hänsyn till det faktum att förpackningar har mycket varierande termiskt isolation.

Spänningskoefficient för resistans och strömbrus

Dessa två egenskaper, som kan vara en allvarlig nackdel för motstånd tillverkade av kompositmaterial som cermeter eller polymerer, kan i allmänhet ignoreras med precisionsnät av tunnfilm eftersom värdena är så små. Detta är en av de stora fördelarna med monolitiska tunnfilmsmaterial.

Spänning-resistans-koefficienten är enhet förändring av resistans per enhet förändring av spänning, uttryckt som ppm/volt. Det är ett mått på det icke-resistiva beteendet, och i tunnfilmer når det mätbara nivåer endast i megaohm-området, där det har uppmätts till cirka 0,1 ppm/V.

Strömbrus karakteriseras och mäts med hjälp av ett standardinstrument som utvecklats av Quantek Company. För tunnfilmer är ett typiskt värde mindre än -35 dB.

Termoelektriska effekter

Termoelektriska spänningar kan genereras om motståndets olika ändar har olika temperaturer. Detta kan vara ett stort problem vid diskreta motstånd, där termiska gradienter kan förekomma i de relativt stora dimensionerna. I tunnfilmsnätverk har alla motstånd samma temperatur eller nästan samma temperatur, vilket beror på deras ringa storlek och den värmespridande effekten av det värmeledande substratet. De termoelektriska effekterna i tunnfilmer är vanligtvis < 0,1 µV/°C.

Motstånds frekvensrespons

För frekvenser över 100 MHz måste de flesta motstånd betraktas som en ekvivalent krets med parasitär induktans och kapacitans. Se figur 15. Ett typiskt impedanssvar visas i figur 16. Impedansresponsen beror på motståndets storlek, intrimningsmetod, komponentvärde och kontakteringssätt.

Figur 15: De flesta motstånd måste betraktas som en ekvivalent krets med parasitär induktans och kapacitans för frekvenser över 100 MHz. (Bildkälla: Vishay)

Figur 16: Typiskt internt impedanssvar för ett 0402 flip-chip-motstånd med särskild kantkänningstrimning. (Bildkälla: Vishay)

Dimensionerna är av stor betydelse för att minska den parasitära impedansen. Ju mindre dimensioner, desto närmare ett idealiskt motstånd ligger komponenten. Typen av intrimning är också viktig.

Tunnfilmsmotstånd kan intrimmas med olika geometriska mönster, se figur 17. Genom att bibehålla en rektangulär design - centrerad (balanserad) mellan kontaktytorna jämfört med andra typer som serpentiner eller L-trim - kan komponentens prestanda förbättras.

Figur 17: Tunnfilmsmotstånd kan trimmas med olika geometriska mönster. (Bildkälla: Vishay)

Se länkarna nedan för Vishays tunnfilmsmotstånd

Nät med ledare

• MP-serien
• MPM-serien
• OSOP-serien
• VSSR-serien
• ORN-serien
• NOMC-serien
• VSOR-serien
• CSO-serien

Ytmonterade chipkomponenter

• M55342-serien
• PTN-serien
• FC-serien
• M-serien

Hålmonterade komponenter

• TSP-serien
• VTF-serien
• HD-serien