Presisjons-tynnfilmteknologi

Denne artikkelen er ment å hjelpe kretsdesignere og komponentingeniører med å forbedre sin forståelse av tynnfilmteknologi. Denne artikkelen er en guide til å forstå bruken av tynnfilmteknologi og de betydelige fordelene den gir i pålitelighet, størrelse og ytelse.

Figur 1: tynnfilmteknologier som er tilgjengelige fra Vishay. (Bildekilde: Vishay)

Filmtype

Vanligvis katodeforstøves filmene på med en tykkelse på omtrent 500 Angstroms. Et utvalg av masker med en variasjon i linjebredde og linjeavstand brukes til å fremstille ulike ohmske verdier. Den spesifikke skiktmotstanden kan også variere fra 50 ohm per kvadrat til 2000 ohm per kvadrat. Hver film har et bestemt formål. Som en generell regel, jo lavere spesifikk skiktmotstand, desto bedre er den generelle elektriske ytelsen. Vishay er eneste leverandør og produsent av alle filmtyper.

Nichrome (NiCr) – Den mest populære av filmene har de beste elektriske spesifikasjonene når det gjelder absolutt-TCR. Vanlige spesifikk skiktmotstander er 50, 100 og 200 ohm per kvadratmeter.

Tamelox – En proprietær legering av Vishay Thin Film; kombinerer fordelene med Nichrome og Tantalum Nitride som forbedrer TCR linearitet.

Tantalnitrid (TaN2) – Når det avsettes og bearbeides riktig, produseres en legering som er ugjennomtrengelig for fuktighet. Elektrisk ytelse er ikke like bra som Nichrome. Brukes i bruksområder der motstandene opplever lav effekt (< 20 %), ingen selvoppheting og høy relativ fuktighet (80 %).

Silisiumkrom (SiCr) — Dette materialet har en svært høy spesifikk skiktmotstand (2000-3000) og brukes til å produsere høy motstand i et lite område. Elektriske spesifikasjoner som absolutt TCR-sporing, langsiktig stabilitet, og spenningskoeffisienter som er bedre enn tykkfilmteknologi.

Passivisering – SPM (Special Passivation Methods) gir nå mulighet for forbedret passiviseringskontroll under hard kondisjonering i tøffe omgivelser (referanse til Tech Note SPM).

Tynnfilm-integrert konstruksjon

En integrert krets er en gruppering av elementer som dannes og forbindes på et felles underlag for å danne et funksjonelt nettverk. Et integrert motstandsnettverk er tilsvarende definert som en gruppering av resistive elementer dannet og sammenkoblet på et felles underlag. Som i halvlederproduksjon, produseres elementene ved avsetning på, eller reaksjon med, substratet, og mønstrene produseres ved fotolitografisk avbildning, etterfulgt av selektiv fjerning av uønskede materialer. Motstandene i et gitt nett, som er ganske små og i umiddelbar nærhet, utsettes for nesten identiske forhold under behandling. På samme måte er hvert nettverk på wafer-en eller substratet utsatt for så godt som de samme forholdene. Fordi flere oblater behandles sammen på samme tid, og i samme utstyr, skjenkes enhetlighet til hele partiet – til hundrevis eller tusenvis av individuelle enheter. En ekstra fordel med integrert konstruksjon er integriteten til forbindelsene, som i seg selv er mer pålitelige enn individuelle forbindelser mellom separate komponenter.

Figur 2: Alumina-wafer (Al-oksid-wafer) med høy renhet som viser integrert konstruksjon med tynnfilm. (Bildekilde: Vishay)

Fordeler med tynnfilm-integrert konstruksjon

• Ekstremt tett matching av alle elementer i et nettverk, noe som sikrer tett sporing over temperatur og gjennom livet
• Svært små flerelementnettverk med høy tetthet som sparer plass på kretskortet
• Hermetisk konstruksjon er praktisk i en rekke standard moderne formater.
• Repeterbare og konsistente egenskaper, fra del til del og fra parti til parti
• Svært lav induktans
• Enestående pålitelighet – færre individuelle sammenkoblinger
• Ingen termoelektriske påvirkning
• Installert koster ikke mer enn frittstående (diskrete) – ofte mindre

Sammenkoblingspålitelighet

Pålitelighetsstudier utført av militære og andre instanser har vist at – alt annet er likt – påliteligheten til en samling er direkte proporsjonal med antall «menneskeskapte sammenkoblinger». Dette er grunnen til at den integrerte kretsen er mer pålitelig enn en samling av diskrete transistorer, og det samme gjelder et integrert motstandsnettverk kontra frittstående motstandsnettverk (diskret motstandsnettverk). Dette kalles noen ganger «iboende pålitelighet».

Motstandsområde

Tynnfilmteknologi bruker fotolitografiske presisjonsmønstre for å gi designeren et bredt spekter av motstandsverdier i det minste mulige område. Dette gir et valg mellom å minimere størrelsen på komponenten eller å øke antallet resistive elementer i samme rom. Den totale motstanden som kan oppnås i et gitt område, dikteres hovedsakelig av filmmaterialets og mønstringens motstandsdyktighet. I faktiske konstruksjoner reduseres imidlertid det maksimale arealet som brukes, på grunn av plassen som kreves for avslutningsputer, interne ledere, spesielle trimmefunksjoner og begrensninger med utbrytningspinner/pinnetilordning (pin-out).

Tynnfilmmotstandsmaterialer dekker et normalt motstandsområde på 50 til 2000 ohm/kvadrat som resulterer i et tilgjengelig motstandsområde for individuelle motstander fra noen få ohm til flere megaohm. Den høyeste presisjonen finnes normalt i området 250 ohm til 100 Kohm (kilohm).

Figur 3: Motstandsområdet bestemmes hovedsakelig av mønstergeometri på wafer-en. (Bildekilde: Vishay)

Veldig lav motstand

Når lavmotstandselementer inngår i presisjonsnett, må det tas hensyn til de små, men uunngåelige motstandene til ledningene og ledende mønstre på brikken og i kapslingen. Disse ledningspåvirkningene kan minimeres, men ikke elimineres helt, ved riktig design, prosessering, kapslingsvalg og montering. Det skal imidlertid legges særlig vekt på fastsettelsen av spesifikasjoner, særlig med hensyn til realistiske toleranser for motstand og sporing, og på målemetoden.

Figur 4: Innvendig ledningsmotstand kan ha stor innvirkning på totale motstandsverdier. (Bildekilde: Vishay)

Motstandstoleranse

Moderne lasersystemer er i stand til å justere motstander til svært nære toleranser på enten absolutt eller relativ basis: henholdsvis 0,01 % og 0,005 %. Videre vil den ansvarlige produsenten faktisk legge «sikkerhetsbånd» på trimmingen (skille to kanaler så de ikke påvirker hverandre), slik at den interne spesifikasjonen vil være tettere enn utgivelsesspesifikasjonen.

Jo nærmere den påkrevde toleransen er, desto mer nøye må motstanden utformes for å oppnå en stram fordeling, godt innenfor toleransegrensene, og med en kostnadseffektiv trimmingshastighet. En av måtene dette oppnås på, er å gi spesielle trimmingsgeometrier. Disse funksjonene reduserer motstandens følsomhet for mengden materiale som fjernes av laseren, slik at suksessivt høyere nøyaktighetsnivåer kan oppnås. Disse funksjonene utnytter ekstra substratområde, noe som noen ganger krever kompromisser mellom kostnad og ytelse. En av egenskapene som skiller moderne tynnfilmsteknologi for bruk i presisjonsnettverk er den elektriske og mekaniske stabiliteten til filmene. Dette er viktig fordi tett trimmede motstander må tåle de til tider belastende monteringsforholdene uten betydelig drift. Dette understreker igjen de iboende fordelene ved integrert konstruksjon i forhold til individuelle diskrete motstander, siden eventuelle endringer som skjer vil være felles for alle motstander i nettverket, og dermed bevare forholdet nøyaktig som trimmet.

Figur 5: Strengere toleransekrav kan føre til at ytterligere område brukes. (Bildekilde: Vishay)

Temperaturkoeffisient for motstand (TCR – Temperatur Coefficient of Resistance)

Temperaturkoeffisienten for motstand er målet for motstandsendring som en funksjon av omgivelsestemperaturen. Den er definert som enhetsendringen i motstand per enhetsendring i temperatur og er vanligvis uttrykt ppm/°C (parts per million per centigrade degree). Det er egenskapen som motstander oftest karakteriseres eller differensieres etter. Historisk ble diskrete motstander, inkludert de som er laget av filmer, gradert med partier i henhold til TCR-verdi. Den relativt nylige bruken av katodeforstøvning for å kontrollere filmsammensetningen, sammen med relaterte forbedringer i prosesseringen, har resultert i de såkalte «tredjegenerasjons» tynnfilmproduktene med TCR-er konsekvent mindre enn 10 ppm/°C, absolutt.

Figur 6: Temperaturmotstandskoeffisient er et mål på hastigheten der en motstand varierer med økende eller synkende temperatur. (Bildekilde: Vishay)

TCR bestemmes vanligvis eksperimentelt ved å måle motstanden ved flere temperaturer og beregne endringshastigheten over det aktuelle temperaturintervallet, f.eks. +25 °C til +125 °C. Hvis motstanden endres lineært med temperaturen, er TCR en konstant, uavhengig av temperaturintervallet. Når den imidlertid ikke er lineær, slik tilfellet er for de vanlige nikkel-/kromlegeringene, uttrykkes TCR som helningen på linjen som forbinder to punkter på motstands- versus temperaturkurven, f.eks. +25 °C og +125 °C. Med andre ord er det gjennomsnittlig TCR over intervallet. Jo mer ikke-lineært forholdet er, desto dårligere er tilnærmingen til gjennomsnittet.

Det er helt avgjørende for å angi TCR at temperaturintervallet også er klart angitt.

Prosedyren skissert i MIL-STD-202-metode 304 refereres ofte som en standard for måling av TCR. I denne metoden beregnes gjennomsnittlige TCR-verdier for en serie intervaller mellom +25 °C og -55 °C og mellom +25 °C og +125 °C. Den høyeste verdien registreres som TCR. Dette gjenspeiler hele det militære driftsområdet, men kan føre til overspesifikasjon for komponenter som har et annet eller smalere driftstemperaturintervall.

Figur 7: Eksempler på TCR-er for forskjellige resulterende skråninger. (Bildekilde: Vishay)

Gjennom forståelse av påvirkningene av legeringssammensetning og evnen til å kontrollere prosesseringen nøye, er det mulig å «skreddersy» motstandskurven kontra temperaturkurven for å produsere TCR-er som er a) negative i hele området, b) positive i hele området, eller c) negative i den lave enden, positive i den høye enden, med en relativt flat Jnull TCR»-sektor i et område om romtemperatur. Dette kan brukes til fordel for utstyr som opererer i nærheten av romtemperatur eller på annen måte krever temperaturkompensasjon.

Sporing

De fleste bruksområder der presisjonsnettverk for tynnfilm brukes, avhenger av å oppnå og opprettholde nære relative motstandsverdier. Dermed er relative endringer i motstand innenfor et nettverk, kalt «sporing», svært viktig. Tynnfilmnettverk utmerker seg ved sporing. Det er flere forskjellige aspekter av sporing som er viktige å forstå og differensiere.

TCR-sporing – TCR-sporing er definert som forskjellen mellom TCR-ene til et motstandspar over et gitt temperaturintervall. Det er vanskelig å oppnå nær TCR-sporing i diskrete motstander og legger store byrder på produksjonsprosessen for å produsere til en svært nær absolutt TCR-grense. Den integrerte konstruksjonen av tynnfilmnettverk sikrer derimot ekstremt nær TCR-sporing fordi motstandene produseres som en gruppe under nesten identiske prosessforhold. Dessuten er motstandene små og i nærheten av overflaten til et felles substrat med høy ledeevne for varme (varmekonduktivitet), som holder dem ved eller i nærheten av samme temperatur i drift.

Likevel kan det forekomme prosess- og materialvariasjoner som gir små, men målbare forskjeller i TCR-ene til nabomotstander på samme skive. Prosessvariabler som kan påvirke dette omfatter uensartet filmavsetning, substrat-defekter, termiske gradienter under gløding og uensartede spenninger. Design kan også spille en rolle. Men ved å bruke toppmoderne prosesskontroller, måleutstyr og teknikker, kan TCR-sporing styres innenfor noen tiendedeler av en del per million, per grad, gitt riktig krets- og brikkekonfigurasjon og emballasje.

En faktor som fører til at den tilsynelatende TCR-sporingen er høyere enn den «sanne» sporingen, er tilstedeværelsen av en felles tappekranledning som har en målbar motstand (r).

der TCR (r) er TCR for det vanlige ledningsmaterialet, vanligvis metallisk. For eksempel: en 1-kilohm motstand med en TCR på 8,9 ppm/°C koblet til en 2-Kohm (kilohm) motstand med en TCR på 8,5 ppm/°C og en delt utgangsledning med en motstand på 0,1 ohm med TCR (r) på 4000 ppm/°C vil vise TCR-sporing.

Det ytre bidraget fra den felles ledningen (0,2 i tilfellet ovenfor) forsvinner i tilfelle kritiske forhold angis og måles i henhold til spenningsinndeling snarere enn motstandsforhold.

Figur 8: Eksempler på sporingsfordelinger for motstander med stor og nær avstand. (Bildekilde: Vishay)

Figur 9: Tommelfingerregel for sporing av integrerte nettverk kontra diskrete motstander. (Bildekilde: Vishay)

Motstandssporing under strømbryting

Noen kretser opererer i en modus der strømmen slås av og på i én motstand, som samsvarer med en referansemotstand som bærer en konstant strøm. I dette tilfellet, selv om motstandene kan ha identiske TCR-er og substratet kan ha en ensartet omgivelsestemperatur, vil motstandene variere i verdi som følge av selvoppvarming. (Strengt tatt er dette ikke et sant «sporings»-krav i den grad de aktuelle motstandene utsettes for forskjellige påkjenninger.) Denne forskjellen vil styres av de absolutte TCR-ene til de to motstandene. I disse bruksområdene, som ikke er uvanlige, bør motstandene ha en så lav absolutt TCR som mulig i driftstemperaturområdet, og motstandene bør utformes så nær hverandre som mulig for å minimere temperaturforskjellene mellom dem.

Figur 10: Eksempel på ulik kraftproduksjon i matchede motstander. (Bildekilde: Vishay)

Spenningsforhold

Motstander brukes ofte som spenningsdelere. I dette tilfellet, og der det er involvert nøyaktige toleranser, er det mer hensiktsmessig å behandle spenningsforhold enn motstandsforhold. Det er tre viktige aspekter ved spenningsforhold som bør forstås i forhold til motstandsforhold. De er selve spenningsforholdet, toleransen til spenningsforholdet og spenningsforholdssporingen.

Figur 11: Spenningsforhold er uavhengig av vanlig ledningsmotstand. (Bildekilde: Vishay)

Ideelt sett bestemmes spenningsfallet over et motstandspar av forholdet mellom motstandsverdiene: R1/(R1 + R2). Når motstandsverdiene ikke er like, vil spenningsforholdet avvike fra det som er beregnet fra de tilsynelatende (målte) motstandsverdiene med en mengde som er styrt av motstanden til den felles ledningen. Dette avviket kan være ganske betydelig, spesielt med motstander med lav verdi.

For en 10-kilohm motstand i serie med en 1-kilohm motstand, med en felles «tappeledning» med 100 milliohms motstand, vil de to forholdene variere med 75 ppm:

For en 1-kilohm motstand i serie med en 100-ohm motstand, vil en 100-milliohms tappemotstand produsere en forskjell i de respektive forholdene på mer enn 800 ppm.

Dette illustrerer viktigheten av å angi riktig driftsparameter.

Figur 12: Spenningsforholdstoleranse og spenningsforholdsporingsligninger. (Bildekilde: Vishay)

Når den vanlige ledningsmotstanden (r) er målbar, er tilsynelatende TCR-sporing imidlertid høyere enn «sann» sporing, som vist tidligere, og spenningsforholdet sporing er lavere. Spenningsforholdet sporing er alltid mindre (bedre) enn TCR-sporing.

Stabilitet

Påvirkningene beskrevet i de foregående avsnittene er reversible: endringene er ikke permanente og vil forsvinne når temperaturen går tilbake til startpunktet. Det er imidlertid irreversible effekter. Som diskutert tidligere, brukes de fleste presisjonsmotstandsnettverk i en forholdsmodus. De er trimmet til stramme toleranser og nøye konstruert for å spore innenfor disse stramme innledende toleransene med hensyn til motstand eller spenningsforhold. Men dette er meningsløst med mindre disse toleransene kan opprettholdes gjennom hele nettverkets levetid. Dette krever maksimal filmstabilitet. Særlig har de siste fremskrittene i materialer og prosesser resultert i å forbedre stabiliteten til tynnfilmer til nivåer uten sidestykke, og nærmer seg dem som tidligere bare kunne oppnås med folie.

Omfattende langtidsstabilitetstesting av nikkel-/kromlegeringer har vist at endringshastigheten av motstand med tiden er en enkeltverdi av substrat-temperaturen. Dette er en matematisk måte å angi at temperaturen er den eneste variabelen – enten den er indusert av kraftbelastning eller bare av omgivelsene. Dessuten har det blitt bestemt eksperimentelt at stabiliteten målt ved en høyere temperatur kan ekstrapoleres trygt til lavere temperaturer og lengre tider i henhold til klassiske kinetiske ligninger.

Det er nyttig å tenke på de permanente endringene i et par matchende motstander som «stabilitetssporing». I motsetning til TCR-sporing, der tett sporing er uavhengig av den absolutte TCR, er stabilitetssporing noe avhengig av den absolutte stabiliteten. Jo mer stabilt et motstanspar er, jo mindre vil de forandre seg i absolutt verdi og i forhold til hverandre. Også her er fordelene ved integrert konstruksjon tydelige: Alle motstander i nettverket har en tendens til å ha lignende endringer i løpet av levetiden, og motstandsforholdene endres langt mindre enn absolutte verdier.

Figur 13: Stabiliteten påvirkes av komponentenes alder. (Bildekilde: Vishay)

Nominell effekt (effektklassifisering)

Fordi tynnfilm-presisjonsnettverk vanligvis ikke brukes i utrustninger med høy effekt, er metoder for å etablere maksimal effektverdier ikke like kritiske som i generelle nettverk. Grenseverdier må imidlertid fastsettes, og dette gjøres best ved å fastsette øvre temperaturgrenser.

Nulleffekttemperatur (noen ganger kalt maksimal driftstemperatur) er den maksimale temperaturen som delen kan betjenes ved, i en angitt tid (vanligvis 1000 timer), uten overdreven endring (vanligvis definert i forhold til den opprinnelige toleransen), uttrykt i prosent. For et tynnfilmnettverk som må opprettholde en toleranse på 0,1 %, vil denne nulleffekttemperaturen være +150 °C. Ved denne temperaturen kan en motstand vise en endring i størrelsesorden 500 ppm absolutt eller 100 ppm i forhold til andre i et nettverk. Hvis den maksimale opprinnelige toleransen som kreves var 0,01 %, ville en mer passende nulleffekttemperaturen være +125 °C. Disse nivåene er for hermetisk lukkede deler. Hvis de er ikke-hermetisk-kapslet, vil delene få en lavere temperaturklassifisering.

Figur 14: Typisk effektreduserende kurve. (Bildekilde: Vishay)

Full effektklassifisering – nominell effekt er generelt akseptert som den effekten som er nødvendig for å heve overflatetemperaturen til en del over noen omgivelsestemperatur, vanligvis +70 °C, til nulleffekttemperatur. Dette uttrykkes i antall fulleffekt-watt. En effektreduksjonskurve brukes til å bestemme grenser ved mellomliggende temperaturer.

Det må tas særlig hensyn til klassifiseringen av individuelle motstander i et nettverk, siden den endelige overflatetemperaturen for en enkelt motstand vil variere mye avhengig av om andre motstander i nettet er under strøm. Selv om det er vanskelig å generalisere, vil riktig nettutforming ta hensyn til disse potensielle variasjonene ved ordninger som gir ensartet effekttetthet.

Som angitt ovenfor, selv om effektnivåene i presisjonsnettverk med tettere toleranse vanligvis er satt lavere, fordi brikkedimensjonene er små, kan effekttettheten være høy. Et typisk konstruksjonsnivå er 25 W/in² for svært presise nettverk, men tynnfilmer er i stand til å opprettholde bemerkelsesverdig høye nivåer av effekttetthet — så mye som 200 W/in² – uten å sette integriteten deres i fare. Som en siste vurdering må det tas hensyn til det faktum at kapslingene varierer mye i varmemotstand.

Spenningskoeffisient for motstand og strømstøy

Disse to egenskapene, som kan være en ganske alvorlig ulempe i motstander laget av komposittmaterialer som sement eller polymerer, kan generelt ignoreres med tynnfilm-presisjonsnettverk fordi størrelsene er så små. Dette er en av de store fordelene med monolittiske tynnfilmmaterialer.

Spenningskoeffisient for motstand er enhetsendringen i motstand per enhetsendring i spenning uttrykt som ppm/volt. Det er et mål på den ikke-ohmiske atferden, og i tynnfilmer, når identifiserbare nivåer bare i megaohm-området, der det har blitt målt til omtrent 0,1 ppm/V.

Nåværende støy karakteriseres og måles ved hjelp av et standardinstrument utviklet av Quantek Company. For tynnfilmer vil en typisk verdi være mindre enn -35 dB.

Termoelektriske påvirkning

Termoelektriske spenninger kan genereres hvis motstandenes termineringer har forskjellige temperaturer. Dette kan være et betydelig problem med diskrete motstander, der termiske gradienter kan eksistere over de relativt store dimensjonene. I tynnfilmnettverk er alle motstander samme temperatur eller i nesten av samme temperatur, som et resultat av deres lille størrelse og varmespredningsvirkningene til det varmeledende substratet (termisk ledende). Termoelektriske påvirkning på tynnfilm er vanligvis < 0,1/°C.

Frekvensrespons for motstander

For frekvenser over 100 MHz må de fleste motstander tas i betraktning som en ekvivalent krets med parasittinduktans og kapasitans, se figur 15. En typisk impedans vises i figur 16. Impedansresponsen er avhengig av motstandens størrelse, trimmetode, deleverdi og termineringsstil.

Figure 15: For frekvenser over 100 MHz må de fleste motstander tas i betraktning som en ekvivalent krets med parasittinduktans og kapasitans større enn 100 MHz. (Bildekilde: Vishay)

Figur 16: Typisk intern impedansrespons for en 0402 flippflismotstand med spesiell kantføletrimming. (Bildekilde: Vishay)

Vurdering av størrelsen er av vesentlig betydning for reduksjon av parasittimpedans. Jo mindre størrelse, desto nærmere utfører delen en ideell motstand. Trimstiler har også stor betydning.

Tynnfilmmotstander kan trimmes med forskjellige geometriske utforminger, se figur 17. Ved å opprettholde en rektangulær design-sentrert (balansert) mellom kontaktputene kontra andre stiler som serpentin eller L-trim kan ytelsen til enheten forbedres.

Figur 17. Tynnfilmmotstander kan trimmes med forskjellige geometriske utforminger. (Bildekilde: Vishay)

Se lenker nedenfor for Vishays tynnfilmmotstander

Nett med ledere

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

Overflatemontert brikke (chip)

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

Hullmontering

• TSP-serien
• VTF-serien
• HD-serien