埋入式薄膜合金电阻的设计和制造

更新时间:2015-07-18

埋入式薄膜合金电阻的设计和制造

埋入电阻具有让设备尺寸大幅度减小的作用,广泛应用的手机,雷达,卫星等需要高可靠,体积要求严格的领域中。
 
  
    目前,国外埋置电阻技术主要以美国和日本为代表,尤其是日本已经可以进行小批量的生产,并且已经在消费类电子中广泛使用。而国内主要还处于研发的阶段,但是也有少量的产品已经使用了埋嵌电阻技术,如表1所示。
表1. 金属薄膜埋入式电阻的生产公司和产品
企业
商品名
电阻材料/载体
成膜工艺
加工工艺
阻值范围(Ω/□)
温度系数(ppm/℃)
推广阶段
Ohmega
Ohmege Ply
Ni-P/Cu
蚀刻
25~250
-50,+100
上市
Shipley
Insite
Pt/Cu
CCVD
蚀刻
1000
<100
开发中
Gould
TCR
Ni-Cr/Cu
溅射
蚀刻
25~100
<110
上市
Gould
TCR
Ni-Cr-Al-Si/Cu
溅射
蚀刻
50~250
<110
上市
Mac Dermid
M-Pass
Ni-P/None
化学镀
加成法
25~50
14
上市
Leadao
Mecart
Ni-P/Cu
化学镀
加成法
25~50
<100
开发中
1、薄膜电阻的性能参数
薄膜式埋入电阻最核心的参数是电阻率的温度系数。电阻温度系数(temperature coefficient of resistance,简称TCR),表示电阻当温度改变1度时,电阻值的相对变化,单位是(ppm/°C)。对于埋入式电阻希望这一参数的绝对值越小越好,可以保障电阻数值的稳定。
 
其中TCR的单位为ppm/°C, R1是室温下的电阻值,单位ohms, R2是控制点的电阻值,单位是ohms。T1是室温,单位为°C,T2是控制点温度,单位是°C。通常TCR用α代替。
测量一个材料的温度系数TCR数值是采用MIL-STD-202标准中的304方法。这种方法中,TCR测量范围在-55℃到25℃温度区间和25℃到125℃两个区间段,其中测试中最高的数值作为TCR的结果。
TaN
TaN薄膜技术采用自钝化氮化钽,能制造在高温下具有长期稳定性和准确性的电阻元件。美国TT电子公司IRC先进薄膜分公司开发的这项技术可以制造在电信、航天和联网等微波应用中性能远远高于其他钝化膜技术的薄膜电路和混合衬底。
  
Ni-P
镍-磷系电阻器是由Ohmega公司以层压板形式市售的。层压以后采用减成法形成电阻器。
Ni-Cr【英文:Nichrome】  
 
Nichrome 通常被埋入陶瓷内部,整体作为发热体,用于加热物体7】
 
 
Ni-Cu
Ni45Cu55镍铜合金线材的使用主要是利用它的中程电阻率和非常低的电阻温度系数。 其应用包括功率电阻器、分流器、热电偶和绕线精密电阻器,工作温度可高达400℃。
表2. 薄膜电阻器的合金成分,电阻率和温度系数
 
 
材料
成分
合金比例
wt%
电阻率ρ(10-8Ω·m) {20℃}
电阻温度系数α(ppm/°C)
温度区间T(℃)
Ag
100
1.586
3800
0~100
Cu
100
1.678
3930
0~100
Au
100
2.400
3240
0~100
Al
100
2.655
4290
0~100
Co
100
6.640
6040
0~100
Ni
100
6.840
6900
0~100
Cd
100
6.830
4200
0~100
Pt
100
2.660
3740
0~60
Cr
100
12.9
3000
0~100
康铜
Ni/Cu
40:60
48.0
50
0~100
新康铜
Mn/Cu
11:88
48.0
50
0~100
镍铬
Cr/Ni
22:78
109.0
70
0~100
镍铬铁
Cr/Ni/Fe
16:58:26
1120
150
0~100
镍铜
Cu/Ni
54:46
50
40
0~100
镍铬
Ni/Cr/Fe
60:15:25
110
160
0~100
锰铜
Cu/Mn/Ni
84:12:4
48
10
0~100
氮化钽
TaN
100
128
120
0~120
 
几种合金的晶型结构对其性能有直接的影响。其合金相图如下:
 
图1.薄膜埋入电阻合金的对应相图,相图来源于【2】。
其在薄膜电阻线路中均有广泛应用。
  
2、薄膜电阻的加工工艺
薄膜电阻的加工方式主要采用物理溅射和电化学沉积的方式形成。表3表示了相关薄膜电阻的加工方式和阻值影响因素。
表3. 典型薄膜电阻的加工方法和影响因素
合金类型
加工方法
厚度区间
影响阻值因素
示例
TaN
磁控溅射
10~2000nm
氮掺杂量,膜层厚度
 
Ni-Cr
磁控溅射
10~2000nm
铬掺杂量,膜层厚度
 
Ni-P
化学镀
<15μm
磷掺杂量,膜层厚度
 
Ni-Cu
电镀
<15μm
合金比例,膜层厚度
 
 
 
图2.电化学的方式加工埋入电阻,指定区域电镀。
3、激光调阻的设备和方法
为了提高厚膜电路的精度,必须进行阻值调整。由于厚膜丝网印刷操作固有的不准确性,基板表面的不均匀及烧结条件的不重复性,厚膜电阻常出现正负误差,如果阻值超过标称值将无法修正,但是,一般情况下印刷烧成后阻值低于目标值的大约30%,所以要通过激光调整达到目标值。
激光修调是把一束聚焦的相干光在微机的控制下定位到工件上,使工件待调部分的膜层气化切除以达到规定参数或阻值。调阻时局部温升使玻璃熔化,气化部分阻值槽边缘受到玻璃覆盖,可填平基体表面被切割的介质。先进的激光修调系统应用了大量的LSI、VLSI电路,以大部分的软件操作代替许多硬件功能。核心部分是通过硬件直接与激光器、光束定位、分步重复及测量等系统相连接。测量系统由采用精密电桥和矩阵组合的无源网络组成。先进的激光修调系统具有多种修调功能,可以修调混合集成电路、厚薄膜电阻器网络、电容网络、瓷基薄膜集成元件,还可以修调D/A和A/D转换器的精度,V/F转换器的频率,有源滤波器的零点频率及运算放大器的失调电压等。
表4以《创想激光公司的激光调阻机》为例,分析典型激光调阻的设备硬件对技术需求的匹配。
表4. 典型激光调阻的技术参数对技术需求的支持
满足需求
具体技术需求
硬件参数
数值
调阻精度高
1.先进的激光器提供了TEM00高光束质量和极细线宽的激光束
2.四线制高速测量系统,测量时间仅为25us
3.拥有软件预调误差补偿功能
激光频率
电阻测量精度
电阻调整范围
1KHz~20KHz
0.001%%
1Ω~10MΩ
调阻速度快
1.先进的激光器拥有极高的重复频率,在保证光斑重叠率的情况下能拥有很高速度
2.德国进口扫描振镜,扫描速度极快
3.高精度分步重复机构,空气轴承,移动速度及加速度快
工作方式
探针
 
激光扫描,自动/手动工装
自动上、下
 
可靠性高
1.整机配置核心器件均采用原装进口配置
2.采用花岗岩台座,稳定可靠
整机供电
单相220V±10% 50Hz 20A
功能强大
1.拥有温度实时补偿功能
2.同时具有激光划片和打标功能
激光器类型
激光波长
 
光纤/紫外
1064nm/355nm
 
运行及维护成本低廉
 
1.采用半导体端面泵浦或光纤激光器
2.使用寿命长,性能稳定
3.电光转换效率高,节约用电成本
4.采用风冷系统,无须外置冷却设备
5.操作简单,无须高额培训成本
 
 
 
 
图3.典型的激光调阻设备
 参考文献:
【1】OHMEGA美国公司网站:   http://www.ohmega.com/technology/
【2】SGTE相图:  http://www.factsage.cn/fact/documentation/SGTE/SGTE_Figs.htm
【3】Min-Ho PARK, Sang-Ho KIM,射频磁控溅射沉积TiAlN薄膜的电阻率温度系数,Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2013,23(2):433-438。
【4】司旭,低电阻温度系数TaN薄膜及微波功率匹配负载研究【D】,电子科技大学硕士论文,2011.
【5】王超杰,TaN薄膜材料及微波功率薄膜电阻器研究,D】,电子科技大学硕士论文,2010.
【7】Nichrome, https://en.wikipedia.org/wiki/Nichrome.