Prestatie-evaluatie van in dunne film ingebouwde weerstanden

Dunne-film microstrip-circuits zijn op grote schaal toegepast in microgolfcommunicatie, elektronische tegenmaatregelen (ECM), lucht- en ruimtevaartindustrie, enz. Bij het vervaardigen van dunnefilm-IC's (Integrated Circuits) is het erg belangrijk om afgezet dunne-filmweerstandsmateriaal aan te brengen zeer nauwkeurige en zeer stabiele dunne-film ingebedde weerstanden. Dunne-film-IC's vereisen strenge eisen aan dunne-filmweerstanden:

a.Vierkante weerstand moet breed genoeg zijn;
b.Temperatuurweerstandscoëfficiënt moet klein zijn;
c.Kleefkracht met substraat moet sterk genoeg zijn;
D.Thin-film weerstanden moeten stabiele en betrouwbare prestaties leveren;
e.Filming moet gemakkelijk en gemakkelijk zijn;
f.Moet bestand zijn tegen verwerking bij hoge temperaturen, hoge kracht en relatief breed toepassingsgebied.

Een korte introductie van embedded PCB

Al in 1959 bevatte het eerste door Jack Kilby uitgevonden IC slechts twee transistoren en een weerstand. Tegenwoordig worden meerdere complexe technieken toegepast om tientallen miljoenen transistors te combineren tot één enkele pc-chip. Met elektronische producten die op weg waren naar miniaturisatie en multifunctioneel, ontstond er een soort ingebedde passieve componenttechnologie om aan de steeds hogere eisen te voldoen. De verhouding tussen passieve delen en actieve delen is ongeveer 20:1, de integriteit is geleidelijk gestegen naarmate de verhouding stijgt. Met zoveel passieve componenten ingebed in PCB's, krimpt het gebied van printplaten die zijn vervaardigd via SMT met 40% in vergelijking met printplaten die zijn vervaardigd via embedded technologie. Het begin van de jaren tachtig zag de start van embedded passieve componenttechnologie die meestal in een vlakke vorm wordt bereikt. Op basis van passieve componentclassificatie kunnen embedded PCB's verder worden geclassificeerd in embedded weerstands-PCB's, embedded condensator-PCB's en embedded inductor-PCB's. Weerstanden, condensatoren en inductoren zijn bijna in alle elektronische systemen te zien, ze bieden impedantie en slaan energie op voor het systeem. Van die ingebouwde passieve componenten zijn condensatoren en weerstanden verantwoordelijk voor de meerderheid, minstens 80% van allemaal. Tot nu toe zijn ingebedde passieve componenten op grote schaal toegepast in tal van circuitgebieden zoals filters, verzwakkers, baluns, Bluetooth, eindversterkers enz. Bovendien zijn enkele trends, waaronder de snelle en hoogfrequente ontwikkeling van digitale signalen, het voortdurend afnemende voltage van passieve componenten, geleidelijke versterking van functies en geleidelijke verdichting van signaaltransmissies vragen om deelname van meer bypass-condensatoren met een lage capaciteit om elektromagnetische koppeling en signaaloverspraak te elimineren. Daarom heeft de PCB-technologie met ingebedde condensatoren veel aandacht van de industrie getrokken.

Verdiensten van ingebouwde weerstanden

Voordelen van ingebedde weerstanden hebben voornamelijk drie aspecten:elektrische prestaties, PCB-ontwerp en betrouwbaarheid.

• Elektrische voordelen

a. Het helpt de lijnimpedantie-matching te verbeteren.
b. Het leidt tot kortere signaalpaden en verminderde serie-inductantie.
c. Het veroorzaakt vermindering van overspraak, ruis en EMI (elektromagnetische interferentie).

• Voordelen van PCB-ontwerp

a. Het leidt tot actieve verbetering van de componentdichtheid en verminderde vormfactoren.
b. Er zijn geen via's vereist, waardoor routering naar verbetering leidt.
c. Het resulteert in vereenvoudigde platen, krimpende afmetingen en/of verdichting.

• Verbeterde betrouwbaarheid

Onderstaande tabellen tonen verbeterde betrouwbaarheid van ingebouwde weerstanden.

Artikelen	Parameters
Lage RTC	<50PPM
Levenstest	100.000 uur; <2% drift bij 110°C
Stabiel over brede frequenties	Getest boven 40GHz
Soldeerverbindingen	GEEN
Testfase	Binnenste laag en bloot bord

Factoren die de prestaties van dunne film bepalen

Tot nu toe bestrijkt dunnefilmweerstandsmateriaal een breed toepassingsgebied met chroommateriaal, tantaalmateriaal en titaniummateriaal. In vergelijking met dunne-filmweerstanden van chroom, hebben dunne-filmweerstanden van tantaal vele uitstekende prestaties, zoals uitstekende chemische stabiliteit en corrosieweerstand, hoge betrouwbaarheid, breed weerstandsbereik en hoge stabiliteit, waardoor het een ideaal dunnefilmweerstandsmateriaal is met een brede toepassing prospect.

Uniformiteit van dunne weerstandfilm verwijst naar de situatie waarin weerstanden die op het substraat zijn gefabriceerd, veranderen als de substraatpositie verandert in de vacuümholte en hoe de weerstand verandert als hetzelfde substraat beweegt. Leidende factoren die de uniformiteit van dunne film stimuleren, zijn onder meer:​​relatieve positie tussen substraat en doelmateriaal, depositiesnelheid en vacuümgraad. Tantaalnitride (TaN) film die toepasbaar is op dunne film IC's heeft een uitstekende uniformiteit, zowel op hetzelfde substraat als tussen substraten vanuit verschillende posities. Bovendien blijft de weerstandsfout tussen verschillende batches laag met een uitstekende uniformiteit. Momenteel zijn er twee bereidingsmethoden beschikbaar voor TaN-filmbereiding:fysieke dampafzetting en chemische dampafzetting. Stabiliteit en betrouwbaarheid, nauwkeurigheid en uniformiteit van elektrische weerstand spelen een belangrijke rol bij de productie van TaN-films. De weerstand wordt voornamelijk gewijzigd door laser of oxidatie om de nauwkeurigheid van de weerstand te garanderen. Beide methoden hebben echter enkele nadelen dat laser mogelijk weerstandsafbeeldingen beschadigt met vermogen dat bestand is tegen weerstandsfilm, terwijl weerstandsmodificatie door oxidatie lijdt aan een lage snelheid en slechte betrouwbaarheid.

Dit artikel maakt gebruik van reactief sputteren met magnetron om dunne TaN-film te bereiden en bestudeert de invloed van technische parameters zoals uniforme plaatpositie op TaN-dunne-filmuniformiteit en prestaties, waardoor nauwkeurig gecontroleerde technologie van weerstandssnelheid wordt bepaald. Verder bestudeert en analyseert het de depositie-scansnelheid en effecten van de stroomverhouding van N₂ over TaN dunne film en prestaties.

Prestatieanalyse op dunne film

• Uniformiteitsanalyse

Onder de voorwaarde van een vaste scansnelheid van 105 cm/min en 10% stikstofstroomverhouding, wordt de uniformiteit geanalyseerd voor dunne TaN-film. De uniformiteit van het binnenblad kan worden bepaald door middel van de formule:.

Er wordt een weerstandsinstrument gebruikt om de weerstand te meten en elk stuk basisvel moet 60 meetpunten opofferen, hier is het resultaat:

Positie	R□Max	R□Min	R□Gem	Uniformiteit
	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

Het geeft de weerstandsverdeling van dunne TaN-film aan op een basisvel met een afmeting van 4 inch. Dienovereenkomstig kan worden samengevat dat het basisvel met de nr. 2-positie de beste uniformiteit van het binnenvel heeft, terwijl het basisvel dicht bij de plaatrand of de rand van het doelmateriaal een relatief slechte vierkante weerstandsvariatie heeft en de uniformiteit van het binnenvel van het doelmateriaal dicht bij de rand van het doelmateriaal. is het ergste. Dunne TaN-film met slechte uniformiteit leidt tot een enorm effect op de productie van zeer nauwkeurige netwerkweerstanden.

Om niet-uniformiteit van dunne film dicht bij de rand van het doelmateriaal te voorkomen, kan een uniforme plaat worden geïnstalleerd om de afgezette dunne film aan te passen, omdat deze in staat is om het afzettingsgebied selectief te bedekken om de uniformiteit van de film te regelen.

• Analyse scansnelheid depositie

Met de versnelling van het scannen vertoont de vierkante weerstand van dunne TaN-film een ​​trend van vergroting met lineaire verbetering. Hoe hoger de scansnelheid, hoe korter de depositietijd en ook het aantal atomen op dunne film. Film zal ook dunner zijn. Er zijn drie structuren beschikbaar in het proces van het genereren van dunne films:eilandvormige structuur, netvormige structuur en continue structuur. Eigenschappen van dunne film hangen nauw samen met zijn structuur en elementen. Wanneer de film relatief dun is, komt de film in een eilandstructuur. Als de film dik wordt, verandert de eilandstructuur in een netstructuur en een doorlopende structuur. Als het echter om dunne filmweerstand gaat, zijn er drie soorten fasestructuren beschikbaar:geleidende fase, halfgeleiderfase en isolatiefase. In een eilandstructuur worden geleidende fasedeeltjes verstrooid in dunne filmachtige sluitereilanden die worden omgeven door een isolatiefase. Daarom is de weerstand van het filmvierkant relatief hoog. Netvormstructuur is echter eigenlijk een geleidend netwerk dat bestaat uit de onderlinge verbinding tussen geleidende deeltjes. Isolatiefasen zijn verspreid in het netwerk met een lage vierkante weerstand. Continue structuur is een soort continu dunne film die bestaat uit dicht opeenhopende geleidende deeltjes, die weinig isolatie-elementen bevatten. Als gevolg hiervan neemt de vierkante weerstand van dunne film af.

• Stikstofstroomanalyse

a. Invloed van stikstofstroom op TaN Thin Film Square-weerstand. Met de verbetering van de stikstofstroomverhouding gaat de vierkante weerstand van TaN-dunne film geleidelijk omhoog. Deze wet werkt dramatisch, vooral wanneer de stikstofstroomsnelheid toeneemt van 15% naar 20%. Dat komt omdat de toename van de partiële stikstofdruk leidt tot de toename van Ta-holtes en geleidende dunne film zal worden omgezet van elektronische geleiding naar holtegeleiding. Als gevolg hiervan zal de vierkante weerstand uiteindelijk stijgen.

b. Invloed van de stikstofstroomsnelheid op de dunne laagdikte van TaN. De toename van de stikstofstroomsnelheid leidt tot een geleidelijke vermindering van de dunne laagdikte van TaN, wat tegengesteld is aan de veranderingstrend van vierkante weerstand. De filmdikte hangt nauw samen met het gemiddelde vrije pad van gesputterde deeltjes en de sputtersnelheid van het doelmateriaal.

Kortom, in dunne film ingebedde weerstanden hebben een aangename uniformiteit, wat leidt tot succesvolle toepassingen in een breed scala van industrieën. Er is een groot aantal tests en experimenten uitgevoerd om de betrouwbaarheid van ingebedde dunne-filmweerstanden aan te tonen. Daarom kan worden verwacht dat ingebedde dunne-filmweerstanden zeer betrouwbaar kunnen zijn in tal van elektronische toepassingen.

Artikel geschreven door PCBCart-redacteur Dora Yang, oorspronkelijk gepost op PCB Design Magazine juni 2017.

Nuttige bronnen:
• Geïntegreerde technologie en assemblageprocedure voor componenten ingebedde PCB's
• Fabricagetechnologie voor componenten ingebedde PCB's
• Onderzoek naar high-speed PCB-ontwerp in ingebed applicatiesysteem
• Full-feature PCB Productieservice van PCBCart - Meerdere opties met toegevoegde waarde
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Start vanaf 1 stuk