Тонкопленочных резисторов

В качестве материалов тонкопленочных проводников применяются алюминий, медь, тантал, титан, молибден, золото. В случае, когда необходимо гарантировать высокую надежность микросхем, почти всегда применяют золото. Оно имеет плохую адгезию (слабое сцепление пленки с основанием, на которое эта пленка наносится). Поэтому перед осаждением золота и многих других материалов на подложку наносится подслой из хрома, титана, нихрома или марганца толщиной 200...500 А. Эти материалы имеют хорошую адгезию к подложке и играют роль промежуточного слоя, обеспечивающего хорошее сцепление между основным проводящим слоем и подложкой.

Для коммутации чаще всего применяют материалы тонкопленочных проводников А1, Аи, Си, Та, Ag и ком-

Для измерения электрических параметров тонкопленочных элементов используют следующие измерительные приборы: одинарные равновесные мосты постоянного тока с ручным и автоматическим уравновешиванием и омметры для измерения сопротивлений тонкопленочных проводников, резисторов и изоляции; равновесные мосты переменного тока и приборы на основе резонансного метода для измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь тонкопленочных конденсаторов.

Основным источником внезапных отказов ИМС (табл. 4.2) является нарушение электрической цепи. Причинами обрывов электрических цепей являются недостаточная прочность сварных соединений в местах контактов разнородных материалов, химическое, электрическое, механическое разрушение металлических тонкопленочных проводников, дефекты сборки микросхем.

3) контактные, обусловленные нарушением контактных соединений и обрывом тонкопленочных проводников.

Обрыв тонкопленочных проводников и резисторов

Электрофизические свойства коммутационных проводников и контактных площадок в значительной степени определяются свойствами применяемых материалов, к которым предъявляются следующие требования: высокая электропроводность; хорошая адгезия к подложке; высокая коррозионная стойкость; обеспечение низкого и воспроизводимого переходного сопротивления контактов; возможность пайки или сварки выводов навесных компонентов и проволочных перемычек, используемых для электрического соединения контактных площадок платы с выводами корпуса; совместимость технологии нанесения пленочных коммутационных проводников и контактных площадок с технологией изготовления других элементов микросхем. Самым распространенным материалом тонкопленочных проводников и контактных площадок в ГИС повышенной надежности является золото с подслоем хрома, нихрома или титана. Подслой обеспечивает высокую адгезию, а золото — нужную электропроводность, высокую коррозионную стойкость, возможность пайки и сварки. Толщина пленочного проводника обычно составляет 0,5—1,0 мкм.

1.15. Двуслойная гибкая коммутационная плата на поли-имидной пленке с системой тонкопленочных проводников

Характеристики многокомпонентных систем тонкопленочных проводников и контактных площадок

Для получения коммутационных плат с большим числом слоев (до шести) применяют технологию на основе многослойной керамики. Отдельно изготовляют диэлектрические пластины с толстопленочными проводниками и изоляционные пластины с переходными отверстиями, а затем собирают их в пакет и спекают. Распространена также технология на основе полиимидной пленки. При этом достигается трехуровневая разводка тонкопленочных проводников. Первый уровень формируют на ситалловой подложке, второй и третий — с помощью фотолитографии с обеих сторон полиимидной пленки. Для коммутации между ними в пленке предварительно создают металлизированные отверстия. Затем полии-мидную пленку с помощью жестких балочных выводов монтируют на подложку, чем достигается коммутация между первым и вторым слоями проводников

На 4.4,6 дана конфигурация в плане эмиттерной (граница 4) и базовой (граница 5) областей, а также тонкопленочных проводников 5 и 6 (заштрихованы) и обозначены геометрические размеры: 6Э, «э —длина и ширина эмиттера, о-Э5 расстояние от границы эмиттерной области до базового контакта. На 4.4, в приведены распределения концентраций примесей в вертикальном направлении для сечения, проходящего через эмиттерную область: координата х отсчитывается от эмиттерного контакта ( 4.4,а). Распределения концентраций доноров Ng3 и акцепторов Маъ получены в результате операций легирова-

В табл. 5 приведены основные характеристики материалов тонкопленочных резисторов.

В отличие от гибридных интегральных микросхем, которые состоят из двух различных типов элементов: тонкопленочных резисторов, конденсаторов, соединительных проводников и навесных транзисторов, дросселей, конденсаторов большой емкости,—• полупроводниковые интегральные микросхемы (ПИМС) обычно состоят из отдельных областей кристалла, каждая из которых выполняет функцию транзистора, диода, резистора или конденсатора.

Нестабильность и деградация электрических параметров; обрывы и короткие замыкания металлизации ИМС; нарушение проводимости тонкопленочных резисторов; пробой диэлектриков в тонкопленочных конденсаторах; коррозия выводов, корпуса, металлизации и внутренних проволочных соединений; повреждение лакокрасочных покрытий

Структура материала подложки и состояние ее поверхности влияют на параметры пленочных элементов. Большая шероховатость поверхности подложки снижает надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов, так как микронеровности уменьшают толщину резистивных и диэлектрических пленок. При толщине пленок около 100 нм допускается высота микронеровностей примерно 25 нм. Следовательно, обработка поверхности подложки для тонкопленочных микросхем должна соответствовать 14-му классу чистоты. Толстые пленки имеют толщину 10—50 мкм, поэтому подложки для тостопленочных ИМС могут иметь микронеровности до 1—2 мкм, что соответствует 8—10-му классам чистоты. Для обеспечения хорошей адгезии пасты к подложке высота микронеровностей должна быть 50—200 нм.

Коэффициент формы прямоугольных резисторов Кф = = 0,1ч-100. Для высокоомных резисторов необходимы большие значения /Сф. Повышение /Сф возможно при уменьшении b и увеличении /. Минимальные значения Ъ ограничены возможностями технологии, требованиями к точности сопротивления и рассеиваемой мощностью, а максимальные значения / — как возможностями технологии, так и габаритными размерами резисторов. Например, при формировании тонкопленочных резисторов с помощью масок не рекомендуется /Сф > 10, так как длинные щели в маске снижают жесткость ее конструкции. Низкие значения /Сф в основном лимитируются технологическими ограничениями на минимальные расстояния между контактными площадками резисторов.

где Р = IZR — мощность, рассеиваемая пленочным резистором; / — ток резистора. Рекомендуется для тонкопленочных резисторов Р0 — Юч-30 мВт/мм2, для толстопленочных Р0 = 40-i-80 мВт/мм2.

В качестве резистивных материалов тонкопленочных резисторов используют чистые металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением, а также специальные материалы — керметы, которые состоят из частиц металла и диэлектрика (например, Сг и SiO). Широко распространены пленки хрома и тантала. Сплавы, из которых наиболее часто используют нихром, имеют большее значение ps по сравнению с пленками чистых металлов. На основе керметов, в состав которых входят хром и монооксид кремния, получают высокоомные резисторы. В зависимости от содержания хрома можно получить резистивные пленки, обладающие высокой стабильностью с удельным сопротивлением от сотен ом на квадрат до десятков килоом на квадрат. Однако в связи с тем что свойства керметных пленок в сильной степени зависят от технологических факторов, резисторы имеют худшую воспроизводимость номиналов и больший ТЮ? по сравнению с металлическими. В настоящее время промышленностью освоена большая группа металлосилицид-ных сплавов системы Сг — Si, легированных небольшими добавками железа, никеля, кобальта, вольфрама (РС-3001, РС-3710, РС-5404К, МЛТ-ЗМ, РС-5405Н). При сравнительно малом TKjR и высокой стабильности воспроизведения удельных поверхностных сопротивлений диапазон номиналов сплавов PC достаточно широк: 0,5—50 кОм/П. Наиболее часто используют сплавы РС-3001, РС-3710 (37,9% Сг, 9,4 % Ni, 52,7 % Si), МЛТ-ЗМ (43,6 % Si, 17,6% Сг, 14,1 %Fe, 24, 7% W).

Плавную подгонку сопротивления тонкопленочных резисторов осуществляют, изменяя или удельное поверхностное сопротивление, или форму резистивной пленки. Удельное поверхностное сопротивление изменяют путем термического, химического или механического воздействия на материал пленки. Форму резистивной пленки корректируют путем удаления части резистивного материала. Конструкции плавно подгоняемых резисторов даны на 1.3.

Тонкие пленки наносят на подложку с использованием различных технологических методов, которые в сочетании с методом фотолитографии позволяют получить резисторы требуемой конфигурации и размеров. Наиболее широко применяются методы вакуумного напыления и катодного или ионно-плазменного распыления. Диапазон номинальных значений тонкопленочных резисторов при приемлемых размерах составляет от 100 Ом до 50 кОм при номинальной мощности 0,2 Вт.

Пленочными называют схемы, нанесенные в виде тонких пленок на изоляционную подложку из стекла или керамики. Термин «тонкие пленки» относится к проводящим, полупроводниковым и непроводящим покрытиям толщиной до нескольких микрометров. В зависимости от назначения тонких пленок и от материала тонкопленочного покрытия применяют методы вакуумного напыления, катодного распыления, электролиза, фотохимического покрытия, печатного, диффузионного, термического окисления и др. В состав пленочных схем входят как пассивные элементы — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, так и активные элементы — диоды, транзисторы, тиристоры. Для изготовления тонкопленочных резисторов применяют металлы и сплавы металлов с высоким удельным сопротивлением: нихром, никель, тантал. Изменяя площадь тонкопленочного резистора и соотношение его сторон, можно при неизменной толщине пленки получить сопротивление от десятков ом до нескольких килоом с точностью ±2%. Материалом для обкладок конденсаторов в тонкопленочном исполнении служит алюминий или медь, в качестве диэлектрика применяют микропленки из фтористого магния, имеющие диэлектрическую проницаемость около 6,5 при пробивном напряжении ~2-10" в/см.

Отметим, что проволочные резисторы значительно дороже тонкопленочных и применять их следует в тех случаях, когда характеристики тонкопленочных резисторов не удовлетворяют предъявляемым требованиям.