Prestatie-evaluatie van dunne-film ingebouwde weerstanden voor high-precisie microgolf en luchtvaarttoepassingen

Dunne-film microstrip circuits zijn wijd toegepast in microgolfcommunicatie, elektronische tegenmaatregelen (ECM), luchtvaartindustrie etc. Bij het fabriceren van dunne-film IC's (Geïntegreerde Circuits), is het zeer belangrijk om gedeponeerd dunne-film weerstandsmateriaal toe te passen om hoge-nauwkeurigheid en hoge-stabiliteit dunne-film ingebouwde weerstanden te fabriceren. Dunne-film IC's eisen strikte vereisten aan dunne-film weerstanden:

• a. Vierkante weerstand moet breed genoeg zijn;
• b. Temperatuurcoëfficiënt van weerstand moet klein zijn;
• c. Hechtkracht met substraat moet sterk genoeg zijn;
• d. Dunne-film weerstanden moeten een stabiele en betrouwbare prestatie hebben;
• e. Filmen moet makkelijk en gemakkelijk zijn;
• f. Moet in staat zijn hoge-temperatuurverwerking, hoog vermogen en relatief wijd toepassingsbereik te weerstaan.

Een Korte Inleiding van Ingebouwde PCB

Zo vroeg als 1959, bevatte de eerste IC uitgevonden door Jack Kilby slechts twee transistors en een weerstand. Tegenwoordig worden meerdere complexe technieken toegepast om tientallen miljoenen transistors in één enkele PC-chip te combineren. Met elektronische producten stappend in de richting van miniatuurisatie en multifunctionaliteit, trad een type ingebouwde passieve componententechnologie op om de steeds hogere eisen te voldoen. Verhouding tussen passieve onderdelen en actieve onderdelen is ongeveer 20:1, integriteit is geleidelijk gegaan met de verhouding stijgend. Met zoveel passieve componenten ingebouwd in PCB's, krimpt het oppervlak van printplaat gefabriceerd door SMT met 40% vergeleken met printplaat gefabriceerd door ingebouwde technologie. De vroege beginjaren van de jaren '80 zagen het begin van ingebouwde passieve componententechnologie die meestal in een planaire vorm wordt bereikt. Gebaseerd op passieve componentclassificatie, kunnen ingebouwde PCB's verder worden geclassificeerd in ingebouwde weerstand PCB's, ingebouwde condensator PCB's en ingebouwde spoel PCB's. Weerstanden, condensatoren en spoelen kunnen bijna in alle elektronische systemen worden gezien, die impedantie leveren en energie opslaan voor het systeem. Onder die ingebouwde passieve componenten, tellen condensatoren en weerstanden voor het merendeel, ten minste 80% van allen tezamen. Tot nu toe zijn ingebouwde passieve componenten wijd toegepast in talloze circuitvelden zoals filters, attenuators, baluns, Bluetooth, vermogensversterkers etc. Bovendien roepen sommige trends waaronder high-speed en high-frequentie ontwikkeling van digitale signalen, constant dalend van spanning van passieve componenten, geleidelijke versterking van functies en geleidelijke verdichting van signaaltransmissies om deelname van meer lage-capaciteit bypass condensatoren om elektromagnetische koppeling en signaalcrosstalk te elimineren. Daarom heeft ingebouwde condensator PCB-technologie een wijd bereik van aandacht getrokken door de industrie.

Voordelen van Ingebouwde Weerstanden

Voordelen van ingebouwde weerstanden komen voornamelijk in drie aspecten: elektrische prestaties, PCB-ontwerp en betrouwbaarheid.

• Elektrische Voordelen

• a. Het helpt lijnimpedantiematching te verbeteren.
• b. Het leidt tot kortere signaalpaden en verminderde serie-inductie.
• c. Het veroorzaakt reductie van crosstalk, ruis en EMI (Elektromagnetische Interferentie).

• PCB-ontwerp Voordelen

• a. Het leidt tot actieve componentendichtheidsverbetering en verminderde vormfactoren.
• b. Het vraagt geen vereiste van via's, leidend tot routingverbetering.
• c. Het resulteert in vereenvoudigde printplaten, krimpende grootte en/of verdichting.

• Verbeterde Betrouwbaarheid

Onderstaande tabel toont verbeterde betrouwbaarheid van ingebouwde weerstanden.

Factoren die Prestaties van Dunne Film Bepalen

Tot nu toe dekt dunne-film weerstandsmateriaal een wijd toepassingsbereik met chroommateriaal, tantalmateriaal en titaniummateriaal. In vergelijking met chroom dunne-film weerstanden, hebben tantal dunne-film weerstanden veel uitstekende prestaties zoals uitstekende chemische stabiliteit en corrosiebestendigheid, hoge betrouwbaarheid, wijd weerstandsbereik en hoge stabiliteit, wat het een ideaal dunne-film weerstandsmateriaal maakt met een brede toepassingsvooruitzicht.

Uniformiteit van weerstand dunne film verwijst naar de situatie waarin hoe weerstanden gefabriceerd op het substraat veranderen als substraatpositie verandert in vacuümkamer en hoe weerstand wijzigt als hetzelfde substraat beweegt. Leidende factoren die uniformiteit van dunne film drijven omvatten: relatieve positie tussen substraat en doelwitmateriaal, depositietempo en vacuümgraad. Tantalnitride (TaN) film toepasbaar op dunne-film IC's heeft uitstekende uniformiteit zowel op hetzelfde substraat als tussen substraten van verschillende posities. Bovendien behoudt weerstandsfout tussen verschillende batches laag met uitstekende uniformiteit. Op dit moment zijn er twee bereidingsmethoden beschikbaar voor TaN filmbereiding: fysieke dampdepositie en chemische dampdepositie. Stabiliteit en betrouwbaarheid, nauwkeurigheid en uniformiteit van elektrisch resistiviteit spelen een belangrijke rol in TaN filmfabricage. Weerstand wordt voornamelijk gewijzigd door laser of oxidatie om de nauwkeurigheid van weerstand te garanderen. Beide methoden hebben echter enkele nadelen dat laser mogelijk weerstandsgrafieken beschadigt met vermogen weerstaan door weerstandfilm terwijl weerstandswijziging door oxidatie lijdt aan een laag tempo en slechte betrouwbaarheid.

Dit artikel maakt gebruik van magnetron reactieve sputteren om TaN dunne film te bereiden en bestudeert de invloed van technische parameters zoals uniformiteitsplaatpositie op TaN dunne film uniformiteit en prestaties, nauwkeurige gecontroleerde technologie van weerstandssnelheid bepalend. Bovendien bestudeert en analyseert het depositie-scansnelheid en effecten van stroomverhouding van N₂ op TaN dunne film en prestaties.

Prestatieanalyse op Dunne Film

• Uniformiteitsanalyse

Onder de voorwaarde van vaste scansnelheid van 105cm/min en 10% van stikstofstroomverhouding, wordt uniformiteit geanalyseerd voor TaN dunne film. Binnenbladuniformiteit kan worden uitgevonden door formule: .

Een weerstandsinstrument wordt toegepast om weerstand te meten en elk stuk basisblad moet 60 punten offeren voor meting, hier is het resultaat:

Het geeft weerstandsverdeling van TaN dunne film op een basisblad wiens grootte 4 inch is. Dienovereenkomstig kan worden samengevat dat basisblad met Nr.2 positie de beste uniformiteit van binnenblad heeft terwijl basisblad dicht bij plaatrand of doelwitmateriaalrand relatief slechte vierkante weerstandsvariatie en binnenbladuniformiteit van doelwitmateriaal dicht bij doelwitmateriaalrand de ergste is. TaN dunne film met slechte uniformiteit leidt tot groot effect op hoge-nauwkeurigheid netwerkweerstandfabricage.

Om non-uniformiteit van dunne film dicht bij doelwitmateriaalrand te verslaan, kan een uniformiteitsplaat worden geïnstalleerd om gedeponeerde dunne film aan te passen omdat het in staat is selectief de depositiegebied te bedekken om filmuniformiteit te controleren.

• Depositie Scansnelheid Analyse

Met de versnelling van scannen, toont vierkante weerstand van TaN dunne film een trend van vergroting met lineaire verbetering. Hoe hoger scansnelheid is, hoe korter de depositietijd zal zijn en zo zal het aantal atomen op dunne film. Film zal dunner zijn ook. Drie structuren zijn beschikbaar in het proces van dunne film generatie: eiland-structuur, net-structuur en continue structuur. Eigenschappen van dunne film zijn nauw gerelateerd aan zijn structuur en elementen. Wanneer de film relatief dun is, komt de film in een structuur van eiland. Met de film dik wordt, transformeert de eilandstructuur in netstructuur en continue structuur. Bij weerstandsdunne film zijn echter drie typen fasestructuren beschikbaar: geleidende fase, halfgeleidende fase en isolerende fase. In een eilandstructuur, zijn geleidende fase deeltjes verstrooid in dunne film als luikereilanden die omringd zijn door isolerende fase. Daarom is de film vierkante weerstand relatief hoog. Net-structuur is eigenlijk een geleidend netwerk samengesteld door de interconnectie tussen geleidende deeltjes. Isolerende fasen zijn verstrooid binnen het netwerk met een lage vierkante weerstand. Continue structuur is een type continu dunne film samengesteld door accumulatie van geleidende deeltjes dicht, bevattende weinig isolerende elementen. Als resultaat, krimpt dunne film vierkante weerstand.

• Stikstofstroom Analyse

1. Invloed van Stikstofstroom op TaN Dunne Film Vierkante Weerstand. Met de verbetering van stikstofstroomverhouding, stijgt vierkante weerstand van TaN dunne film geleidelijk. Deze wet werkt dramatisch met name wanneer stikstofstroomsnelheid stijgt van 15% tot 20%. Dat is omdat de toename van stikstofdeeltijdspanning leidt tot de toename van Ta-kaviteiten en geleidend type van dunne film zal converteren van elektronische geleiding tot kaviteitleiding. Als resultaat, zal vierkante weerstand uiteindelijk stijgen.
2. Invloed van Stikstofstroomsnelheid op TaN Dunne Film Dikte. De toename van stikstofstroomsnelheid leidt tot geleidelijke reductie van TaN dunne film dikte, wat tegenovergesteld is aan de veranderingstrend van vierkante weerstand. Filmdikte is nauw geassocieerd met gemiddelde vrije baan van gesputterde deeltjes en sputteringsnelheid van doelwitmateriaal.

Kortom, dunne-film ingebouwde weerstanden hebben aangename uniformiteit, wat leidt tot hun succesvolle toepassingen in een wijd bereik van industrieën. Een groot aantal tests en experimenten zijn uitgevoerd om de betrouwbaarheid van dunne-film ingebouwde weerstanden te demonstreren. Daarom kan worden verwacht dat dunne-film ingebouwde weerstanden hoog kunnen worden vertrouwd in talloze elektronische toepassingen.

Artikel geschreven door PCBCart redacteur Dora Yang, oorspronkelijk geplaatst op PCB Design Magazine Juni, 2017.

Nuttige bronnen

• Ingebouwde Technologie en Component Ingebouwde PCB Assemblage Procedure
• Component Ingebouwde PCB Fabricage Technologie
• Onderzoek naar High-speed PCB-ontwerp in Ingebouwd Applicatiesysteem
• Volledige PCB-fabricageservice van PCBCart - Meerdere waardevolgende opties
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Vanaf 1 stuk