Leistungsbewertung von eingebetteten Dünnschichtwiderständen

Dünnfilm-Mikrostreifenschaltungen wurden in großem Umfang in der Mikrowellenkommunikation, bei elektronischen Gegenmaßnahmen (ECM), in der Luft- und Raumfahrtindustrie usw. eingesetzt. Bei der Herstellung von Dünnfilm-ICs (integrierten Schaltkreisen) ist es sehr wichtig, abgeschiedenes Dünnfilm-Widerstandsmaterial für die Herstellung aufzubringen hochpräzise und hochstabile eingebettete Dünnschichtwiderstände. Dünnschicht-ICs erfordern strenge Anforderungen an Dünnschichtwiderstände:

a.Quadratischer Widerstand sollte breit genug sein;
b.Temperaturkoeffizient des Widerstands sollte klein sein;
c.Die Haftkraft mit dem Substrat sollte stark genug sein;
d.Dünnschichtwiderstände sollten eine stabile und zuverlässige Leistung aufweisen;
e.Filmen sollte einfach und bequem sein;
f.Sollten in der Lage sein, Hochtemperaturverarbeitung zu ertragen, hoch Leistung und relativ breites Anwendungsspektrum.

Eine kurze Einführung in Embedded PCB

Bereits 1959 enthielt der erste von Jack Kilby erfundene IC nur zwei Transistoren und einen Widerstand. Heutzutage werden mehrere komplexe Techniken angewendet, um Millionen von Transistoren in einem einzigen PC-Chip zu kombinieren. Mit dem Schritt in Richtung Miniaturisierung und Multifunktion elektronischer Produkte entstand eine Art Embedded-Passiv-Component-Technologie, um den immer höheren Anforderungen gerecht zu werden. Das Verhältnis zwischen passiven Teilen und aktiven Teilen beträgt ungefähr 20:1, die Integrität ist mit steigendem Verhältnis allmählich gestiegen. Bei so vielen passiven Komponenten, die in Leiterplatten eingebettet sind, schrumpft die Fläche der durch SMT hergestellten Leiterplatten um 40 % im Vergleich zu durch eingebettete Technologie hergestellten Leiterplatten. Zu Beginn der 1980er Jahre begann die Technologie der eingebetteten passiven Komponenten, die normalerweise in planarer Form erreicht wird. Basierend auf der Klassifizierung passiver Komponenten können eingebettete PCBs weiter in eingebettete Widerstands-PCBs, eingebettete Kondensator-PCBs und eingebettete Induktor-PCBs eingeteilt werden. Widerstände, Kondensatoren und Induktoren sind fast in allen elektronischen Systemen zu sehen, sie stellen Impedanz bereit und speichern Energie für das System. Unter diesen eingebetteten passiven Bauelementen machen Kondensatoren und Widerstände den Großteil aus, insgesamt mindestens 80 %. Bisher wurden eingebettete passive Komponenten in zahlreichen Schaltungsbereichen wie Filtern, Dämpfungsgliedern, Baluns, Bluetooth, Leistungsverstärkern usw. weit verbreitet. Darüber hinaus gibt es einige Trends, darunter Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzentwicklung digitaler Signale, ständige Spannungsabnahme von passiven Komponenten, allmähliche Verstärkung von Funktionen und allmähliche Verdichtung von Signalübertragungen erfordern den Einsatz von kapazitätsärmeren Bypass-Kondensatoren, um elektromagnetische Kopplung und Signalübersprechen zu eliminieren. Daher hat die PCB-Technologie mit eingebetteten Kondensatoren eine breite Aufmerksamkeit der Industrie auf sich gezogen.

Vorteile eingebetteter Widerstände

Die Vorteile eingebetteter Widerstände liegen hauptsächlich in drei Aspekten:elektrische Leistung, PCB-Design und Zuverlässigkeit.

• Elektrische Vorteile

a. Es hilft, die Anpassung der Leitungsimpedanz zu verbessern.
b. Dies führt zu kürzeren Signalwegen und einer geringeren Reiheninduktivität.
c. Es bewirkt eine Reduzierung von Übersprechen, Rauschen und EMI (elektromagnetische Interferenz).

• Vorteile des PCB-Designs

a. Dies führt zu einer Verbesserung der Dichte der aktiven Komponenten und zu verringerten Formfaktoren.
b. Es erfordert keine Durchkontaktierungen, was zu einer Verbesserung des Routings führt.
c. Dies führt zu vereinfachten Platinen, schrumpfender Größe und/oder Verdichtung.

• Verbesserte Zuverlässigkeit

Die folgenden Tabellen zeigen die verbesserte Zuverlässigkeit eingebetteter Widerstände.

Gegenstände	Parameter
Niedrige RTC	<50 ppm
Lebenserprobung	100.000 Stunden; <2 % Drift bei 110 °C
Stabil über weite Frequenzen	Über 40 GHz getestet
Lötstellen	KEINE
Testphase	Innenschicht und unbestückte Platine

Faktoren, die die Leistung von Dünnschichten bestimmen

Bisher deckt Dünnschichtwiderstandsmaterial einen breiten Anwendungsbereich ab, der Chrommaterial, Tantalmaterial und Titanmaterial enthält. Im Vergleich zu Chrom-Dünnschichtwiderständen weisen Tantal-Dünnschichtwiderstände viele hervorragende Leistungen auf, wie z. B. hervorragende chemische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit, hohe Zuverlässigkeit, breiter Widerstandsbereich und hohe Stabilität, was sie zu einem idealen Dünnschichtwiderstandsmaterial mit einer breiten Anwendung macht Interessent.

Die Gleichmäßigkeit der Widerstandsdünnschicht bezieht sich auf die Situation, in der sich die auf dem Substrat hergestellten Widerstände ändern, wenn sich die Substratposition im Vakuumhohlraum ändert, und wie sich der Widerstand ändert, wenn sich dasselbe Substrat bewegt. Zu den führenden Faktoren, die die Gleichmäßigkeit von Dünnschichten vorantreiben, gehören:relative Position zwischen Substrat und Zielmaterial, Abscheidungsrate und Vakuumgrad. Tantalnitrid (TaN)-Filme, die auf Dünnschicht-ICs anwendbar sind, weisen eine ausgezeichnete Gleichmäßigkeit sowohl auf demselben Substrat als auch zwischen Substraten aus verschiedenen Positionen auf. Darüber hinaus bleibt der Widerstandsfehler zwischen verschiedenen Chargen bei ausgezeichneter Gleichmäßigkeit gering. Gegenwärtig sind zwei Herstellungsverfahren für die TaN-Filmherstellung verfügbar:physikalische Dampfabscheidung und chemische Dampfabscheidung. Stabilität und Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Gleichmäßigkeit des elektrischen Widerstands spielen eine wichtige Rolle bei der Herstellung von TaN-Filmen. Der Widerstand wird hauptsächlich durch Laser oder Oxidation modifiziert, um die Genauigkeit des Widerstands sicherzustellen. Beide Verfahren weisen jedoch einige Nachteile auf, da der Laser möglicherweise Widerstandsgrafiken mit der Stromfestigkeit durch den Widerstandsfilm beschädigt, während die Widerstandsmodifikation durch Oxidation unter einer niedrigen Rate und einer schlechten Zuverlässigkeit leidet.

Dieser Artikel nutzt das reaktive Magnetron-Sputtern zur Herstellung von TaN-Dünnfilmen und untersucht den Einfluss technischer Parameter wie gleichmäßige Plattenposition auf die Gleichmäßigkeit und Leistung von TaN-Dünnfilmen, um eine genau gesteuerte Technologie der Widerstandsrate zu bestimmen. Darüber hinaus untersucht und analysiert es die Abtastrate der Abscheidung und die Auswirkungen des Durchflussverhältnisses von N₂ auf TaN-Dünnschicht und Leistung.

Leistungsanalyse auf Dünnschicht

• Einheitlichkeitsanalyse

Unter der Bedingung einer festen Abtastgeschwindigkeit von 105 cm/min und 10 % Stickstoffströmungsverhältnis wird die Gleichmäßigkeit für den TaN-Dünnfilm analysiert. Die Gleichmäßigkeit der inneren Schicht kann durch die Formel ermittelt werden:.

Ein Widerstandsinstrument wird angewendet, um den Widerstand zu messen, und jedes Stück Basisfolie muss 60 Punkte für die Messung opfern, hier ist das Ergebnis:

Position	R□Max	R□Min	R□Durchschn.	Einheitlichkeit
	Ω•□ -1	Ω•□ -1	Ω•□ -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

Es zeigt die Widerstandsverteilung eines TaN-Dünnfilms auf einer Basisfolie, deren Größe 4 Zoll beträgt. Dementsprechend kann zusammengefasst werden, dass die Basisfolie mit der Position Nr. 2 die beste Gleichmäßigkeit der inneren Folie aufweist, während die Basisfolie nahe der Plattenkante oder der Kante des Zielmaterials eine relativ schlechte Schwankung des quadratischen Widerstands und die Gleichmäßigkeit der inneren Folie des Zielmaterials nahe der Kante des Zielmaterials aufweist ist das Schlimmste. TaN-Dünnschicht mit schlechter Gleichmäßigkeit führt zu enormen Auswirkungen auf die Herstellung von hochpräzisen Netzwerkwiderständen.

Um die Ungleichmäßigkeit des Dünnfilms in der Nähe der Kante des Zielmaterials zu beseitigen, kann eine gleichmäßige Platte installiert werden, um den abgeschiedenen Dünnfilm anzupassen, da sie in der Lage ist, den Abscheidungsbereich selektiv abzudecken, um die Gleichmäßigkeit des Films zu steuern.

• Analyse der Abscheidungs-Scangeschwindigkeit

Mit der Beschleunigung des Scannens zeigt der quadratische Widerstand des TaN-Dünnfilms einen Trend der Vergrößerung mit linearer Verbesserung. Je höher die Abtastgeschwindigkeit ist, desto kürzer wird die Abscheidungszeit und damit auch die Anzahl der Atome auf dem Dünnfilm. Folie wird auch dünner. Im Prozess der Dünnschichterzeugung sind drei Strukturen verfügbar:inselförmige Struktur, netzförmige Struktur und kontinuierliche Struktur. Die Eigenschaften des Dünnfilms hängen eng mit seiner Struktur und seinen Elementen zusammen. Wenn der Film relativ dünn ist, hat der Film eine Inselstruktur. Wenn der Film dicker wird, wandelt sich die Inselstruktur in eine Netzstruktur und eine durchgehende Struktur um. Bei Widerstandsdünnfilmen sind jedoch drei Arten von Phasenstrukturen verfügbar:leitfähige Phase, Halbleiterphase und Isolationsphase. In einer Inselstruktur sind leitfähige Phasenpartikel in einem dünnen Film wie Verschlussinseln verstreut, die von einer Isolationsphase umgeben sind. Daher ist der Flächenwiderstand des Films relativ hoch. Die netzförmige Struktur ist jedoch tatsächlich ein leitfähiges Netzwerk, das durch die Verbindung zwischen leitfähigen Partikeln gebildet wird. Isolationsphasen werden innerhalb des Netzwerks mit einem geringen quadratischen Widerstand gestreut. Kontinuierliche Struktur ist eine Art kontinuierlich dünner Film, der aus sich dicht ansammelnden leitfähigen Partikeln besteht und wenige Isolationselemente enthält. Infolgedessen schrumpft der Quadratwiderstand des Dünnfilms.

• Stickstoffflussanalyse

a. Einfluss des Stickstoffflusses auf den quadratischen Widerstand der TaN-Dünnschicht. Mit der Verbesserung des Stickstoffflussverhältnisses steigt der Quadratwiderstand des TaN-Dünnfilms allmählich an. Dieses Gesetz wirkt besonders dramatisch, wenn die Stickstoffdurchflussrate von 15 % auf 20 % ansteigt. Dies liegt daran, dass die Erhöhung des Stickstoffpartialdrucks zu einer Erhöhung der Ta-Hohlräume führt und ein leitfähiger Dünnfilm von elektronischer Leitung zu Hohlraumleitung umwandelt. Als Ergebnis wird der quadratische Widerstand schließlich steigen.

b. Einfluss der Stickstoffflussrate auf die TaN-Dünnschichtdicke. Die Erhöhung der Stickstoffflussrate führt zu einer allmählichen Verringerung der TaN-Dünnschichtdicke, was dem Änderungstrend des quadratischen Widerstands entgegengesetzt ist. Die Filmdicke hängt eng mit der mittleren freien Weglänge der gesputterten Partikel und der Sputterrate des Zielmaterials zusammen.

Kurz gesagt, Dünnfilm-Embedded-Widerstände weisen eine angenehme Gleichmäßigkeit auf, was zu erfolgreichen Anwendungen in einer Vielzahl von Branchen führt. Eine große Anzahl von Tests und Experimenten wurde durchgeführt, um die Zuverlässigkeit von eingebetteten Dünnschichtwiderständen zu demonstrieren. Daher ist zu erwarten, dass sich Dünnfilm-Embedded-Widerstände in zahlreichen elektronischen Anwendungen als hochgradig zuverlässig erweisen.

Artikel geschrieben von PCBCart-Redakteurin Dora Yang, ursprünglich veröffentlicht im PCB Design Magazine Juni 2017.

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