Performance-Evaluation dünnfilmiger Einbauwiderstände für hochpräzise Mikrowellen- & Aerospace-Anwendungen

Dünnfilm-Mikrostreifen-Schaltungen finden breite Anwendung in Mikrowellenkommunikation, Elektronischer Gegenmaßnahmen (ECM), Luft- und Raumfahrt. Bei der Fertigung von Dünnfilm-ICs (Integrated Circuits) ist der Einsatz abgeschiedener Dünnfilm-Widerstandsmaterialien für hochgenaue, hochstabile eingebettete Dünnfilmwiderstände entscheidend. Dünnfilm-ICs stellen strenge Anforderungen an Dünnfilmwiderstände:

• Flächenwiderstand (Sheet Resistance) ausreichend breit einstellbar
• Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) minimal
• Starke Haftung auf Substrat
• Stabile, zuverlässige Performance
• Einfache, reproduzierbare Abscheidung
• Beständigkeit gegen Hochtemperaturprozesse, hohe Leistung, breiter Anwendungsbereich

Kurze Einführung in Embedded PCBs

1959 enthielt Jack Kilbys erster IC nur zwei Transistoren und einen Widerstand. Heute integrieren Prozessoren zig Millionen Transistoren. Mit Miniaturisierung und Multifunktionalität elektronischer Produkte entstand Embedded-Passive-Technologie für steigende Anforderungen. Verhältnis passiv/aktiv ≈ 20:1, Integrationsdichte steigt. Einbetten passiver Bauelemente in PCBs reduziert SMT-Platinenfläche um ~40 %. Frühe 1980er: Start Embedded-Passive-Technologie (planar). Klassifikation: Embedded-Resistor-PCBs, Embedded-Capacitor-PCBs, Embedded-Inductor-PCBs. Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten in fast allen elektronischen Systemen – Impedanzbereitstellung, Energiespeicherung. Eingebettete Kondensatoren und Widerstände dominieren (≥ 80 %). Anwendungen: Filter, Dämpfungsglieder, Baluns, Bluetooth, Leistungsverstärker etc. Trends: High-Speed/High-Frequency DigitalSignale, sinkende Passivbauteilspannungen, steigende Funktionsdichte, dichtere Signalübertragung → Bedarf an Low-C-Bypass-Kondensatoren zur EM-Kopplungs-/Crosstalk-Unterdrückung → Embedded-Capacitor-PCB-Technologie im Fokus der Industrie.

Vorteile eingebetteter Widerstände

Vorteile in drei Dimensionen: elektrische Performance, PCB-Design, Zuverlässigkeit.

Elektrische Vorteile

• Verbesserte Leitungsimpedanzanpassung
• Kürzere Signalpfade, reduzierte Serieninduktivität
• Reduktion von Crosstalk, Rauschen, EMI (elektromagnetische Störung)

PCB-Design-Vorteile

• Höhere Aktive-Bauteile-Dichte, geringere Formfaktoren
• Keine Vias nötig → verbessertes Routing
• Vereinfachte Boards, Größenreduktion und/oder Dichtungssteigerung

Verbesserte Zuverlässigkeit

Nachfolgende Tabelle zeigt Zuverlässigkeitskennwerte eingebetteter Widerstände.

Parameter	Wert
Niedriger TCR	< 50 ppm/°C
Lebensdauertest	100.000 h; < 2 % Drift bei 110 °C
Stabil über breite Frequenzen	Getestet > 40 GHz
Lötstellen	KEINE
Teststufe	Inner Layer & Bare Board

Faktoren, die die Dünnfilm-Performance bestimmen

Bisherige Dünnfilm-Widerstandsmaterialien: Chrom, Tantal, Titan. Gegenüber Chrom-Dünnfilmwiderständen bieten Tantal-Dünnfilmwiderstände exzellente chemische Stabilität, Korrosionsbeständigkeit, breiten Widerstandsbereich, hohe Stabilität – ideales Material mit breitem Anwendungspotenzial.

Uniformität des Widerstandsdünnfilms: Änderung des Widerstands bei Positionsänderung des Substrats im Vakuumbehälter bzw. bei Bewegung desselben Substrats. Einflussfaktoren: Relative Position Substrat/Target, Abscheiderate, Vakuumgrad. Tantalnitrid (TaN)-Filme für Dünnfilm-ICs zeigen exzellente Uniformität – auf demselben Substrat und zwischen Substraten verschiedener Positionen. Chargenübergreifender Widerstandsfehler bleibt niedrig. Zwei Herstellverfahren für TaN: Physical Vapor Deposition (PVD) und Chemical Vapor Deposition (CVD). Stabilität, Zuverlässigkeit, Genauigkeit, Uniformität des spezifischen Widerstands sind kritisch. Widerstandseinstellung primär per Laser oder Oxidation. Nachteile: Laser kann Widerstandsgrafiken beschädigen (Leistungsbelastung); Oxidation: niedrige Rate, schlechte Zuverlässigkeit.

Dieser Artikel nutzt Magnetron-Reaktivsputtern zur TaN-Dünnfilmherstellung und untersucht Einfluss technologischer Parameter (Uniformierplattenposition) auf TaN-Uniformität und Performance; bestimmt präzise Steuerungstechnik des Flächenwiderstands. Analysiert weiterhin Abscheide-Scan-Geschwindigkeit und N₂-Flussverhältnis-Einfluss auf TaN-Dünnfilm und Performance.

Performance-Analyse des Dünnfilms

Uniformitätsanalyse

Bei fixierter Scan-Geschwindigkeit 105 cm/min und 10 % N₂-Flussverhältnis: Inner-Sheet-Uniformität per Formel U = (R_□Max - R_□Min) / R_□Avg × 100 %.

Widerstandsmessgerät, 60 Messpunkte pro Basisscheibe. Ergebnisse:

Position	Ergebnisse
	R□Max (Ω/□)	R□Min (Ω/□)	R□Avg (Ω/□)	Uniformität (%)
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

Widerstandsverteilung von TaN-Dünnfilm auf 4-inch-Basisscheibe. Position 2 zeigt beste Inner-Sheet-Uniformität; randnahe Positionen (Plattenrand/Targetrand) weisen schlechtere Quadratwiderstandsvariation und Uniformität auf. Schlechte Uniformität beeinträchtigt hochgenaue Netzwerkwiderstandsfertigung massiv.

Gegenmaßnahme: Uniformierplatte (Uniformity Plate) zur selektiven Abdeckung des Abscheidebereichs – kontrolliert Filmuniformität randnah.

Abscheide-Scan-Geschwindigkeitsanalyse

Mit steigender Scan-Geschwindigkeit: Quadratwiderstand von TaN nimmt linear zu. Höhere Geschwindigkeit → kürzere Abscheidezeit → weniger Atome im Film → dünnerer Film. Drei Strukturtypen bei Dünnfilmbildung: Insel-, Netzwerk-, kontinuierliche Struktur. Filmeigenschaften korrelieren stark mit Struktur. Dünne Filme: Inselstruktur. Mit Dickenzunahme: Insel → Netzwerk → kontinuierlich. Bei Widerstandsdünnfilmen drei Phasenstrukturen: leitende, halbleitende, isolierende Phase. Inselstruktur: leitende Partikel wie Schotten in isolierender Matrix → hoher Flächenwiderstand. Netzwerkstruktur: leitendes Netzwerk aus vernetzten leitenden Partikeln, isolierende Phasen im Netz → niedrigerer Widerstand. Kontinuierliche Struktur: dicht akkumulierte leitende Partikel, wenige Isolationsanteile → minimaler Flächenwiderstand.

Stickstofffluss-Analyse

• Einfluss N₂-Fluss auf TaN-Quadratwiderstand: Mit steigendem N₂-Flussverhältnis steigt Quadratwiderstand graduell. Besonders deutlich bei Anstieg 15 % → 20 %. Ursache: Erhöhter N₂-Partialdruck → mehr Ta-Lücken → Leitungsmechanismus wechselt von Elektronen- zu Lückenleitung → Widerstand steigt.
• Einfluss N₂-Flussrate auf TaN-Schichtdicke: Steigender N₂-Fluss → graduell abnehmende Schichtdicke (gegenläufig zum Widerstand). Dicke korreliert mit mittlerem freien Weg gesputterter Partikel und Sputterrate des Targets.

Zusammenfassend: Dünnfilm-Einbauwiderstände überzeugen durch gute Uniformität und ermöglichen breite industrielle Anwendung. Zahlreiche Tests belegen Zuverlässigkeit. Erwartung: Dünnfilm-Einbauwiderstände werden in zahlreichen elektronischen Anwendungen hochverlässlich einsetzbar sein.

Artikel von PCBCart-Redakteurin Dora Yang, ursprünglich in PCB Design Magazine, Juni 2017.

Weiterführende Ressourcen

• Embedded-Technology und Component-Embedded-PCB-Bestückungsverfahren
• Component-Embedded-PCB-Fertigungstechnologie
• Forschung zu High-Speed-PCB-Design in Embedded-Application-Systemen
• Full-Feature PCB-Fertigungsservice von PCBCart – Mehrwertoptionen
• Advanced PCB Assembly Service von PCBCart – ab 1 Stück