Præcisionsteknologi til tyndfilm

Denne artikel har til formål at hjælpe kredsløbsdesignere og komponentingeniører med at forbedre deres forståelse af tyndfilmteknologi. Artiklen er en guide til at forstå brugen af tyndfilmsteknologi og de betydelige fordele, den giver med hensyn til pålidelighed, størrelse og ydeevne.

Figur 1: Tyndfilmsteknologier, der er tilgængelig fra Vishay. (Billedkilde: Vishay)

Filmtyper

Typisk benyttes spruttering af filmene til en tykkelse på ca. 500 Angström. Der anvendes et udvalg af masker med variation i linjebredde og linjeafstand til fremstilling af området af ohmske værdier. Pladens resistivitet kan også variere fra 50 ohm pr. kvadrat til 2000 ohm pr. kvadrat. Hver film har et bestemt formål. Som en generel regel gælder, at jo lavere plademodstand, jo bedre er den samlede elektriske ydeevne. Vishay er den eneste leverandør og producent af alle filmtyper.

Nichrome (NiCr) - Den mest populære film har de bedste elektriske specifikationer med hensyn til absolut TCR. Almindelige plademodstande er 50, 100 og 200 ohm pr. kvadrat.

Tamelox - En proprietær legering fra Vishay Thin Film; kombinerer fordelene ved nichrom og tantalnitrid, der forbedrer TCR-lineariteten.

Tantalnitrid (TaN2) - Når det er aflejret og behandlet korrekt, giver det en legering, der er uigennemtrængelig for fugt. Den elektriske ydeevne er ikke så god som Nichrome. Anvendes i applikationer, hvor modstanden har lav effekt (< 20 %), ingen selvopvarmning og høj relativ luftfugtighed (80 %).

Siliciumkrom (SiCr) - Dette materiale har en meget høj plademodstand (2000 - 3000) og anvendes til at producere høje modstande på et lille område. Elektriske specifikationer som f.eks. absolut TCR-tracking, langtidsstabilitet og spændingskoefficienter, der er bedre end tykfilmteknologi.

Passivering - SPM (Special Passivation Methods) giver mulighed for forbedret passiveringskontrol under barske miljøforhold (se Tech Note SPM).

Tyndfilm integreret konstruktion

Et integreret kredsløb er en gruppe af elementer, som er dannet og forbundet på et fælles substrat for at danne et funktionelt netværk. Et integreret modstandsnetværk er ligeledes defineret som en gruppe af modstandselementer, der er dannet og forbundet på et fælles substrat. Som ved halvlederfremstilling fremstilles elementerne ved udfældning på eller reaktion med substratet, og mønstrene fremstilles ved fotolitografisk billeddannelse efterfulgt af selektiv fjernelse af uønskede materialer. Modstandene i et givet netværk er ret små og ligger tæt på hinanden og udsættes for næsten identiske betingelser under behandlingen. På samme måde udsættes hvert netværk på waferen eller substratet for stort set de samme betingelser. Fordi flere wafers behandles sammen, på samme tid og i samme udstyr, opnås ensartethed for hele partiet - til hundredvis eller tusindvis af individuelle enheder. En ekstra fordel ved integreret konstruktion er integriteten af forbindelserne, som i sagens natur er mere pålidelige end individuelle forbindelser mellem diskrete komponenter.

Figur 2: Aluminiumoxidskive af høj renhed med integreret tyndfilmkonstruktion. (Billedkilde: Vishay)

Fordele ved integreret konstruktion med tyndfilm

• Ekstremt tæt matching af alle elementer i et netværk, hvilket sikrer tæt tracking over temperatur og i hele levetiden
• Meget små netværk med mange elementer med høj tæthed, der sparer plads på printpladerne
• Hermetisk konstruktion, praktisk i en række moderne standardformater
• Gentagelige og ensartede egenskaber, fra del til del og fra parti til parti
• Meget lav induktans
• Fremragende pålidelighed - færre individuelle sammenkoblinger
• Ingen termoelektriske virkninger
• Pris for installation er ikke mere end en for diskret komponenter - ofte mindre

Pålidelighed af sammenkobling

Undersøgelser af pålideligheden foretaget af militæret og andre myndigheder har vist, at - alt andet lige - er pålideligheden af en enhed direkte proportional med antallet af "menneskeskabte sammenkoblinger" Derfor er det integrerede kredsløb mere pålideligt end en samling af diskrete transistorer, og det samme gælder for et integreret modstandsnetværk i forhold til diskrete modstande. Dette kaldes undertiden for "iboende pålidelighed"

Modstandsområde

Tyndfilmteknologien anvender fotolitografisk præcisionsmønstering for at give designeren et bredt udvalg af modstandsværdier på det mindst mulige areal. Dette giver mulighed for at vælge mellem at minimere komponentens størrelse eller at øge antallet af modstandselementer på samme plads. Den samlede modstand, der kan opnås på et givet område, er primært dikteret af filmmaterialets modstand i laget og mønsteret. I faktiske konstruktioner er det maksimale areal dog reduceret på grund af pladsbehov til termineringspuder, interne ledere, særlige trimningsfunktioner og pin-out begrænsninger.

Tyndfilmsmodstandenes materialer dækker normalt et modstandsområde på 50 til 2000 ohm/kvadrat, hvilket resulterer i et tilgængeligt modstandsområde for individuelle modstande fra nogle få ohm til flere megohms. Den højeste præcision findes normalt i intervallet 250 ohm til 100 kilohms.

Figur 3: Modstandsområdet bestemmes primært af mønstergeometrien på waferpladen. (Billedkilde: Vishay)

Meget lav modstand

Når der indgår lavmodstandselementer i præcisionsnetværk, skal der tages hensyn til de små, men uundgåelige modstande i ledningerne og de ledende mønstre på chippen og i indpakningen. Disse leder-virkninger kan minimeres, men ikke helt elimineres, ved korrekt design, forarbejdning, valg af pakning og samling. Der skal dog lægges særlig vægt på fastsættelsen af specifikationerne, især med hensyn til realistiske tolerancer for modstand og tracking, og på målemetoderne for disse.

Figur 4: Den interne ledermodstand kan have stor indflydelse på den samlede modstandsværdi. (Billedkilde: Vishay)

Modstandstolerance

Moderne lasersystemer er i stand til at justere modstande til meget snævre tolerancer på enten absolut eller relativ basis: 0.01 % og 0,005 %. Desuden vil den ansvarlige producent faktisk "beskytte" trimningen, så den interne specifikation bliver strammere end specifikationen ved frigivelsen.

Jo tættere den krævede tolerance er, jo mere omhyggeligt skal modstanden konstrueres for at opnå en tæt fordeling, der ligger inden for tolerancegrænserne, og med en omkostningseffektiv trimningshastighed. En af måderne at opnå dette på er ved at levere særlige trimningsgeometrier. Disse funktioner reducerer modstandens følsomhed over for den mængde materiale, der fjernes af laseren, hvilket gør det muligt at opnå stadigt højere nøjagtighedsniveauer. Disse funktioner bruger yderligere substratareal, hvilket nogle gange kræver afvejninger mellem omkostninger og ydeevne. En af de egenskaber, der kendetegner moderne tyndfilmsteknologi til brug i præcisionsnetværk, er filmens elektriske og mekaniske stabilitet. Dette er vigtigt, fordi tæt trimmede modstande skal kunne klare de til tider stressende betingelser ved montering uden væsentlig afvigelse. Dette understreger igen de iboende fordele ved integreret konstruktion i forhold til individuelle diskrete modstande, da eventuelle ændringer, der forekommer, vil være fælles for alle modstande i netværket, hvorved forholdet bevares præcist som trimmet.

Figur 5: Strammere tolerancekrav kan resultere i, at der anvendes yderligere areal. (Billedkilde: Vishay)

Temperaturkoefficient for modstand (TCR)

Modstandens temperaturkoefficient er et mål for modstandsændringen som en funktion af den omgivende temperatur. Den er defineret som enhedsændringen af modstand pr. enhedsændring i temperatur og udtrykkes almindeligvis som ppm/°C (parts per million per celsius). Det er den egenskab, som modstande oftest karakteriseres eller adskilles ved. Historisk set blev diskrete modstande, herunder modstande fremstillet af film, sorteret i partier efter TCR-værdi. Den relativt nye anvendelse af sputtering til at kontrollere filmens sammensætning har sammen med relaterede forbedringer i forarbejdningen resulteret i den såkaldte "tredje generations" tyndfilmprodukter med TCR'er, der konsekvent er mindre end 10 ppm/°C i absolutte tal.

Figur 6: Temperaturmodstandskoefficienten er et mål for den hastighed, hvormed en modstand varierer med stigende eller faldende temperatur. (Billedkilde: Vishay)

TCR bestemmes normalt eksperimentelt ved at måle modstanden ved flere temperaturer og beregne ændringshastigheden over det relevante temperaturinterval, f.eks. +25 °C til +125 °C. Hvis modstanden ændrer sig lineært med temperaturen, er TCR en konstant, uanset temperaturintervallet. Når den imidlertid ikke er lineær, som det er tilfældet for de almindeligt anvendte nikkel/krom-legeringer, udtrykkes TCR som hældningen af den linje, der forbinder to punkter på kurven modstand vs. temperatur, f.eks. +25 °C og +125 °C. Med andre ord er det den gennemsnitlige TCR i intervallet. Jo mere ikke-lineær sammenhængen er, jo dårligere er tilnærmelsen af gennemsnittet.

Det er helt afgørende, at temperaturintervallet også angives klart ved specifikation af TCR.

Den procedure, der er beskrevet i MIL-STD-202 Metode 304, er ofte refereret som en standard for måling af TCR. Ved denne metode beregnes de gennemsnitlige TCR'er for en række intervaller mellem +25 °C og -55 °C og mellem +25 °C og +125 °C. Den højeste værdi registreres som TCR. Dette afspejler det fulde militære driftsområde, men kan resultere i overspecifikation for komponenter med et andet eller snævrere driftstemperaturinterval.

Figur 7: Eksempler på TCR'er for forskellige resulterende hældninger. (Billedkilde: Vishay)

Gennem en forståelse af virkningerne af legeringssammensætningen og evnen til omhyggeligt at kontrollere behandlingen er det muligt at "skræddersy" modstands-/temperaturkurven til at producere TCR'er, der er a) negative i hele området, b) positive i hele området eller c) negative i den lave ende og positive i den høje ende med en relativt flad "nul-TCR"-sektor i et område omkring stuetemperatur. Dette kan med fordel anvendes til udstyr, der arbejder i nærheden af stuetemperatur eller på anden måde kræver temperaturkompensation.

Tracking

De fleste anvendelser, hvor der anvendes præcisionstyndfilmnetværk, afhænger af, at der opnås og opretholdes tætte relative modstandsværdier. Derfor er de relative ændringer i modstanden inden for et netværk, kaldet "tracking", meget vigtige. Tyndfilmnetværk udmærker sig ved tracking. Der er flere forskellige aspekter af tracking, som det er vigtigt at forstå og skelne mellem.

TCR-tracking - TCR-tracking er defineret som forskellen mellem TCR'erne for et par modstande over et givet temperaturinterval. Det er vanskeligt at opnå en tæt TCR-tracking i diskrete modstande, og det er en stor belastning for fremstillingsprocessen at producere til en meget tæt absolut TCR-grænse. Derimod sikrer den integrerede konstruktion af tyndfilmnetværk en ekstremt tæt TCR-tracking, fordi modstandene fremstilles som en gruppe under næsten identiske procesbetingelser. Desuden er modstandene små og tæt på hinanden på overfladen af et fælles substrat med høj varmeledningsevne, hvilket holder dem på eller tæt på samme temperatur under drift.

Ikke desto mindre kan der forekomme proces- og materialevariationer, som giver små, men målbare forskelle i TCR'erne for nabomodstande på samme wafer. Procesvariabler, der kan påvirke dette, omfatter uensartet filmudfældning, defekter i substratet, termiske gradienter under udglødning og uensartede spændinger. Design kan også spille en rolle. Ved at anvende de nyeste proceskontroller, måleudstyr og teknikker kan TCR-tracking imidlertid kontrolleres med en nøjagtighed på få tiendedele af en del pr. million pr. grad, hvis kredsløbet og chipkonfigurationen og emballagen er korrekt.

En faktor, der resulterer i, at den tilsyneladende TCR-tracking er højere end den "sande" tracking, er tilstedeværelsen af en fælles tapledning med en målbar modstand (r).

hvor TCR (r) er TCR for det almindelige ledningsmateriale, typisk metal, og hvor TCR er TCR for det almindelige ledningsmateriale, typisk metal. F.eks. vil en modstand på 1 kOhm med en TCR på 8,9 ppm/°C, der er forbundet med en modstand på 2 kOhm med en TCR på 8,5 ppm/°C og en fælles udgangsledning med en modstand på 0,1 ohm med en TCR (r) på 4000 ppm/°C, udvise TCR-tracking.

Det uvedkommende bidrag fra den fælles ledning (0,2 i ovenstående tilfælde) forsvinder, hvis de kritiske forhold specificeres og måles i henhold til spændingsdeling snarere end modstandsforholdet.

Figur 8: Eksempler på trackingfordelinger for modstande med stor og lille afstand mellem modstande. (Billedkilde: Vishay)

Figur 9: Tommelfingerregel for tracking af integrerede netværk i forhold til diskrete modstande. (Billedkilde: Vishay)

Modstandstracking under strømskift

Nogle kredsløb fungerer i en tilstand, hvor strømmen slukkes og tændes i en modstand, som er tilpasset en referencemodstand med en konstant strøm. I dette tilfælde vil modstandenes værdi afvige fra hinanden som følge af selvopvarmning, selv om modstandenes TCR er identisk, og substratet har en ensartet omgivelsestemperatur. (Strengt taget er der ikke tale om et egentligt "trackingskrav", da de pågældende modstande udsættes for forskellige belastninger.) Denne forskel afhænger af de to modstandenes absolutte TCR'er. I disse anvendelser, som ikke er ualmindelige, bør modstandene have en så lav absolut TCR som muligt i driftstemperaturområdet, og modstandene bør konstrueres så tæt på hinanden som muligt for at minimere temperaturforskellene mellem dem.

Figur 10: Eksempel på ulige strømproduktion i matchede modstande. (Billedkilde: Vishay)

Spændingsforhold

Modstande anvendes ofte som spændingsdelere. I dette tilfælde, og når der er tale om præcise tolerancer, er det mere hensigtsmæssigt at anvende spændingsforhold end modstandsforhold. Der er tre vigtige aspekter af spændingsforhold, som skal forstås i forhold til modstandskvotienter. Det drejer sig om selve spændingsforholdet, tolerancen for spændingsforholdet og spændingsforholdets tracking.

Figur 11: Spændingsforholdet er uafhængigt af den fælles ledningsmodstand. (Billedkilde: Vishay)

Ideelt set bestemmes spændingsfaldet over et par modstande af forholdet mellem modstandsværdierne: R1/(R1 + R2). Når modstandsværdierne ikke er ens, vil spændingsforholdet afvige fra det beregnede forhold ud fra de tilsyneladende (målte) modstandsværdier med et beløb, som afhænger af modstanden af den fælles ledning. Denne afvigelse kan være ret betydelig, især med modstande med lav værdi.

For en 10-kilohms modstand i serie med en 1-kilohms modstand, der har en fælles "tap"-ledning med 100 milliohm modstand, vil de to forhold afvige med 75 ppm:

For en 1-kilohms modstand i serie med en 100-ohm modstand vil en 100-milliohm afgangsmodstand give en forskel i de respektive forhold på mere end 800 ppm.

Dette viser, hvor vigtigt det er at angive den korrekte driftsparameter.

Figur 12: Ligninger for tolerance af spændingsforhold og tracking af spændingsforhold. (Billedkilde: Vishay)

Når den fælles ledningsmodstand (r) kan måles, er den tilsyneladende TCR-tracking imidlertid højere end den "sande" tracking, som vist tidligere, og spændingsforholdstrackingen er lavere. Spændingsforholdet er altid mindre (bedre) end TCR-tracking.

Stabilitet

De virkninger, der er beskrevet i de foregående afsnit, er reversible: Ændringerne er ikke permanente og vil forsvinde, når temperaturen vender tilbage til udgangspunktet. Der er dog irreversible virkninger. Som tidligere nævnt anvendes de fleste netværk af præcisionsmodstande i en forholds-tilstand. De er blevet trimmet til snævre tolerancer og omhyggeligt udviklet til at holde sig inden for disse snævre oprindelige tolerancer med hensyn til modstands- eller spændingsforhold. Men det er meningsløst, medmindre disse tolerancer kan opretholdes i hele netværkets levetid. Dette kræver maksimal filmstabilitet. Især har de seneste fremskridt inden for materialer og processer resulteret i en forbedring af stabiliteten af tynde film til et hidtil uset niveau, der nærmer sig det niveau, der tidligere kun kunne opnås med folier.

Omfattende langtidsstabilitetsundersøgelser af nikkel/chrom-legeringer har entydigt vist, at modstandens ændringshastighed med tiden er en enkeltværdifunktion af substratets temperatur. Dette er en matematisk måde at sige, at temperaturen er den eneste variabel - uanset om den er forårsaget af belastning eller blot af omgivelserne. Desuden er det eksperimentelt blevet fastslået, at den stabilitet, der er målt ved en højere temperatur, med sikkerhed kan ekstrapoleres til lavere temperaturer og længere tid i henhold til klassiske kinetiske ligninger.

Det er nyttigt at betragte de permanente ændringer i et par matchede modstande som "stabilitetstracking" I modsætning til TCR-tracking, hvor tæt tracking er uafhængig af den absolutte TCR, er stabilitetstracking i nogen grad afhængig af den absolutte stabilitet. Jo mere stabilt et modstandspar er, jo mindre vil de ændre sig i absolut værdi og i forhold til hinanden. Også her er fordelene ved integreret konstruktion tydelig: Alle modstande i netværket har tendens til at ændre sig på samme måde i løbet af deres levetid, og modstandsforholdet ændrer sig langt mindre end de absolutte værdier.

Figur 13: Stabiliteten påvirkes af komponenternes alder. (Billedkilde: Vishay)

Effektvurdering

Da tyndfilmspræcisionsnetværk generelt ikke anvendes til høj-effekt-applikationer, er metoderne til fastlæggelse af den maksimale effekt ikke så kritiske som i generelle netværk. Der skal dog fastsættes grænser, og det gøres bedst ved at fastsætte øvre temperaturgrænser.

Nuleffektstemperatur (undertiden kaldet maksimal driftstemperatur) er den maksimale temperatur, ved hvilken delen kan fungere i et bestemt tidsrum (normalt 1000 timer) uden for store ændringer (normalt defineret i forhold til den oprindelige tolerance), udtrykt i procent. For et tyndfilmnetværk, der skal opretholde en tolerance på 0,1 %, vil denne drifttemperatur være +150 °C. Ved denne temperatur kan en modstand udvise en ændring i størrelsesordenen 500 ppm absolut eller 100 ppm i forhold til andre modstande i et netværk. Hvis den krævede maksimale udgangstolerance var 0,01 %, ville en mere hensigtsmæssig nulstrømstemperatur være +125 °C. Disse niveauer gælder for hermetisk lukkede dele. Hvis de er pakket ikke-hermetisk, vil delene få en lavere temperaturklassificering.

Figur 14: Typisk effektreduktionskurve. (Billedkilde: Vishay)

Fuld effekt - Nominel effekt accepteres generelt som den effekt, der er nødvendig for at hæve overfladetemperaturen på en del over en bestemt omgivelsestemperatur, normalt +70 °C, til nuleffekttemperaturen. Dette udtrykkes i watt ved fuld effekt. Der anvendes en effektreduktionskurve til at bestemme grænserne ved mellemliggende temperaturer.

Der skal tages særligt hensyn til de enkelte modstande i et netværk, da den endelige overfladetemperatur for en enkelt modstand vil være meget forskellig, afhængigt af om andre modstande i netværket er under spænding. Selv om det er vanskeligt at generalisere, vil et korrekt netdesign tage højde for disse potentielle variationer ved at sørge for en ensartet effekttæthed.

Som anført ovenfor er effektniveauerne i præcisionsnetværk med tættere tolerance normalt lavere, men fordi chipdimensionerne er små, kan effekttætheden være høj, selv om de normalt er lavere. Et typisk designniveau er 25 W/in² for meget præcise netværk, men tynde film kan klare bemærkelsesværdigt høje niveauer af effekttæthed - helt op til 200 W/in² - uden at bringe deres integritet i fare. Endelig skal der tages hensyn til, at pakninger har meget forskellig termisk resistens.

Spændingskoefficient for modstand og strømstøj

Disse to egenskaber, som kan være en alvorlig ulempe ved modstande fremstillet af kompositmaterialer som f.eks. cermet eller polymer, kan generelt ignoreres med tyndfilmspræcisionsnetværk, fordi størrelserne er så små. Dette er en af de store fordele ved monolitiske tyndfilmsmaterialer.

Spændingskoefficienten for modstand er enhedsændringen i modstand pr. enhedsændring i spænding udtrykt som ppm/volt. Det er et mål for den ikke-ohmske opførsel og når i tynde film kun identificerbare niveauer i megohmområdet, hvor det er blevet målt til ca. 0,1 ppm/V.

Strømstøj karakteriseres og måles ved hjælp af et standardinstrument, der er udviklet af Quantek Company. For tynde film vil en typisk værdi være mindre end -35 dB.

Termoelektriske virkninger

Der kan opstå termoelektriske spændinger, hvis modstandenes afslutninger har forskellige temperaturer. Dette kan være et stort problem med diskrete modstande, hvor der kan være termiske gradienter over de relativt store dimensioner. I tyndfilmnetværk har alle modstande samme temperatur eller næsten samme temperatur som følge af deres lille størrelse og det termisk ledende substrats varmeudbredende effekt. De termoelektriske virkninger på tynde film er typisk < 0,1 µV/°C.

Frekvensrespons for modstande

Ved frekvenser på over 100 MHz skal de fleste modstande betragtes som et ækvivalent kredsløb med parasitær induktans og kapacitet, se figur 15. Et typisk impedansrespons er vist i figur 16. Impedansresponsen afhænger af modstandsstørrelse, trimmetode, komponentværdi og termineringsstil.

Figur 15: De fleste modstande skal betragtes i form af et ækvivalent kredsløb med parasitær induktans og kapacitet for frekvenser over 100 MHz. (Billedkilde: Vishay)

Figur 16: Typisk intern impedansrespons for en 0402 flip chip-modstand med særlig trimning af kantfølelse. (Billedkilde: Vishay)

Det er vigtigt at tage hensyn til størrelsen for at reducere den parasitære impedans. Jo mindre størrelsen er, jo tættere er delen på en ideel modstand. Trim stilarter er også af betydning.

Tyndfilmsmodstande kan trimmes med forskellige geometriske udformninger, se figur 17. Ved at opretholde et rektangulært design - centreret (afbalanceret) mellem kontaktpladerne i forhold til andre stilarter som f.eks. slangeformet eller L-trim kan enhedens ydeevne forbedres.

Figur 17: Tyndfilmsmodstande kan trimmes med forskellige geometriske udformninger. (Billedkilde: Vishay)

Se nedenstående links til Vishay tyndfilmsmodstande

Leder-netværk

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

Overflademonterede chips

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

Gennemgående hul

• TSP-serien
• VTF-serien
• HD-serien