Évaluation des performances des résistances intégrées à couche mince

Les circuits micro-ruban à couche mince ont été largement appliqués dans les communications micro-ondes, les contre-mesures électroniques (ECM), l'industrie aérospatiale, etc. Lors de la fabrication de circuits intégrés à couche mince (circuits intégrés), il est très important d'appliquer un matériau de résistance à couche mince déposé pour fabriquer résistances intégrées à couche mince de haute précision et de haute stabilité. Les circuits intégrés à couches minces exigent des exigences strictes sur les résistances à couches minces :

a.La résistance carrée doit être suffisamment large ;
b.Le coefficient de résistance à la température doit être faible ;
c.La force d'adhérence avec le substrat doit être suffisamment forte ;
d.Les résistances à couches minces doivent présenter des performances stables et fiables ;
e.Le tournage doit être facile et pratique ;
f.Devrait être capable de supporter un traitement à haute température, une puissance et plage d'application relativement large.

Une brève introduction du PCB intégré

Dès 1959, le premier circuit intégré inventé par Jack Kilby ne contenait que deux transistors et une résistance. De nos jours, plusieurs techniques complexes sont appliquées pour combiner des dizaines de millions de transistors en une seule puce PC. Les produits électroniques progressant vers la miniaturisation et la multifonction, un type de technologie de composants passifs intégrés est apparu pour répondre aux exigences de plus en plus élevées. Le rapport entre les parties passives et les parties actives est d'environ 20:1, l'intégrité a progressivement augmenté avec l'augmentation du rapport. Avec autant de composants passifs intégrés dans les PCB, la surface de la carte de circuit imprimé fabriquée par SMT se réduit de 40 % par rapport à la carte fabriquée par la technologie embarquée. Le début des années 1980 a vu le démarrage de la technologie des composants passifs embarqués qui est généralement réalisé sous une forme planaire. Sur la base de la classification des composants passifs, les PCB intégrés peuvent être classés en PCB à résistance intégrée, PCB à condensateur intégré et PCB à inducteur intégré. Les résistances, les condensateurs et les inductances sont presque visibles dans tous les systèmes électroniques, fournissant une impédance et stockant de l'énergie pour le système. Parmi ces composants passifs intégrés, les condensateurs et les résistances représentent la majorité, au moins 80 % de l'ensemble. Jusqu'à présent, les composants passifs intégrés ont été largement appliqués dans de nombreux domaines de circuits tels que les filtres, les atténuateurs, les baluns, le Bluetooth, les amplificateurs de puissance, etc. des composants passifs, le renforcement progressif des fonctions et la densification progressive des transmissions de signaux nécessitent la participation de davantage de condensateurs de dérivation à faible capacité pour éliminer le couplage électromagnétique et la diaphonie des signaux. Par conséquent, la technologie des circuits imprimés à condensateur intégré a suscité une grande attention de la part de l'industrie.

Les mérites des résistances intégrées

Les avantages des résistances intégrées se présentent principalement sous trois aspects :les performances électriques, la conception du circuit imprimé et la fiabilité.

• Avantages électriques

un. Il permet d'améliorer l'adaptation de l'impédance de ligne.
b. Cela conduit à des trajets de signal plus courts et à une inductance série réduite.
c. Il provoque une réduction de la diaphonie, du bruit et des EMI (interférences électromagnétiques).

• Avantages de conception de circuits imprimés

un. Cela conduit à une amélioration de la densité des composants actifs et à une diminution des facteurs de forme.
b. Il ne nécessite aucune exigence de vias, ce qui conduit à l'amélioration du routage.
c. Il en résulte des planches simplifiées, un rétrécissement et/ou une densification.

• Fiabilité améliorée

Les tableaux ci-dessous montrent une fiabilité améliorée des résistances intégrées.

Articles	Paramètres
RTC faible	<50PPM
Test de durée de vie	100 000 heures ; <2 % de dérive à 110 °C
Stable sur de larges fréquences	Testé au-delà de 40 GHz
Joints de soudure	AUCUN
Étape de test	Couche intérieure et carte nue

Facteurs déterminant les performances des couches minces

Jusqu'à présent, le matériau de résistance à couche mince couvre une large gamme d'applications contenant du chrome, du tantale et du titane. Par rapport aux résistances à couche mince en chrome, les résistances à couche mince en tantale présentent de nombreuses excellentes performances telles qu'une excellente stabilité chimique et une résistance à la corrosion, une fiabilité élevée, une large plage de résistance et une stabilité élevée, ce qui en fait un matériau de résistance à couche mince idéal avec une large application prospect.

L'uniformité du film mince de résistance fait référence à la situation dans laquelle la façon dont les résistances fabriquées sur le substrat changent lorsque la position du substrat change dans la cavité sous vide et comment la résistance se modifie lorsque le même substrat se déplace. Les principaux facteurs déterminant l'uniformité du film mince comprennent :la position relative entre le substrat et le matériau cible, la vitesse de dépôt et le degré de vide. Le film de nitrure de tantale (TaN) applicable aux circuits intégrés à couches minces présente une excellente uniformité à la fois sur le même substrat et entre les substrats de différentes positions. De plus, l'erreur de résistance entre les différents lots reste faible avec une excellente uniformité. Actuellement, il existe deux méthodes de préparation disponibles pour la préparation du film TaN :le dépôt physique en phase vapeur et le dépôt chimique en phase vapeur. La stabilité et la fiabilité, la précision et l'uniformité de la résistivité électrique jouent un rôle important dans la fabrication du film TaN. La résistance est modifiée principalement par laser ou oxydation pour assurer la précision de la résistance. Les deux méthodes, cependant, présentent certains inconvénients que le laser endommage éventuellement les graphiques de résistance avec la puissance supportée par le film de résistance, tandis que la modification de la résistance par oxydation souffre d'un faible taux et d'une mauvaise fiabilité.

Cet article tire parti de la pulvérisation réactive magnétron pour préparer un film mince TaN et étudie l'influence de paramètres techniques tels que la position uniforme de la plaque sur l'uniformité et les performances du film mince TaN, en déterminant une technologie contrôlée précise du taux de résistance. En outre, il étudie et analyse le taux de balayage des dépôts et les effets du rapport d'écoulement de N₂ sur les couches minces TaN et les performances.

Analyse des performances sur couches minces

• Analyse d'uniformité

Sous la condition d'une vitesse de balayage fixe de 105 cm/min et d'un rapport de débit d'azote de 10 %, l'uniformité est analysée pour le film mince TaN. L'uniformité de la feuille intérieure peut être déterminée par la formule :.

Un instrument de résistance est appliqué pour mesurer la résistance et chaque morceau de feuille de base doit sacrifier 60 points pour la mesure, voici le résultat :

Position	R□Max	R□Min	R□Moy	Uniformité
	Ω•□ -1	Ω•□ -1	Ω•□ -1	%
1	55,70	53.51	54,86	2.00
2	48.04	47.08	47.66	1.01
3	53,96	51.91	52,78	1.94

Il indique la distribution de résistance du film mince TaN sur une feuille de base dont la taille est de 4 pouces. En conséquence, on peut résumer que la feuille de base avec la position n ° 2 présente la meilleure uniformité de la feuille intérieure tandis que la feuille de base près du bord de la plaque ou du bord du matériau cible présente une variation de résistance carrée relativement mauvaise et une uniformité de la feuille intérieure du matériau cible près du bord du matériau cible est le pire. Un film mince TaN avec une mauvaise uniformité a un effet énorme sur la fabrication de résistances réseau de haute précision.

Pour vaincre la non-uniformité du film mince près du bord du matériau cible, une plaque uniforme peut être installée pour ajuster le film mince déposé car elle est capable de couvrir sélectivement la zone de dépôt pour contrôler l'uniformité du film.

• Analyse de la vitesse de balayage des dépôts

Avec l'accélération du balayage, la résistance carrée du film mince TaN affiche une tendance à l'agrandissement avec une amélioration linéaire. Plus la vitesse de balayage est élevée, plus le temps de dépôt sera court et le nombre d'atomes sur le film mince également. Le film sera également plus fin. Trois structures sont disponibles dans le processus de génération de couches minces :structure en forme d'îlot, structure en forme de filet et structure continue. Les propriétés du film mince sont étroitement liées à sa structure et à ses éléments. Lorsque le film est relativement fin, le film se présente sous une structure en îlot. Avec le film devient épais, la structure de l'île se transforme en structure nette et en structure continue. Cependant, lorsqu'il s'agit de couches minces de résistance, trois types de structures de phase sont disponibles :la phase conductrice, la phase semi-conductrice et la phase d'isolation. Dans une structure en îlot, les particules de phase conductrice sont dispersées dans un film mince comme des îlots d'obturation qui sont entourés d'une phase d'isolation. Par conséquent, la résistance carrée du film est relativement élevée. La structure en forme de filet, cependant, est en fait un réseau conducteur composé par l'interconnexion entre des particules conductrices. Les phases d'isolement sont dispersées à l'intérieur du réseau avec une faible résistance carrée. La structure continue est un type de film mince continu composé de particules conductrices qui s'accumulent de manière dense, contenant peu d'éléments isolants. En conséquence, la résistance carrée du film mince diminue.

• Analyse du flux d'azote

un. Influence du flux d'azote sur la résistance carrée des couches minces TaN. Avec l'amélioration du rapport de débit d'azote, la résistance carrée du film mince TaN augmente progressivement. Cette loi fonctionne de manière spectaculaire surtout lorsque le débit d'azote passe de 15% à 20%. En effet, l'augmentation de la pression partielle d'azote entraîne l'augmentation des cavités Ta et le type conducteur de film mince passera de la conduction électronique à la conduction de la cavité. En conséquence, la résistance carrée va enfin augmenter.

b. Influence du débit d'azote sur l'épaisseur de la couche mince de TaN. L'augmentation du débit d'azote conduit à une réduction progressive de l'épaisseur du film mince TaN, ce qui est opposé à la tendance de changement de la résistance carrée. L'épaisseur du film est étroitement associée au libre parcours moyen des particules pulvérisées et au taux de pulvérisation du matériau cible.

En un mot, les résistances intégrées à couche mince présentent une uniformité agréable, ce qui conduit à ses applications réussies dans un large éventail d'industries. Un grand nombre de tests et d'expériences ont été effectués pour démontrer la fiabilité des résistances intégrées à couche mince. Par conséquent, on peut s'attendre à ce que les résistances intégrées à couche mince soient hautement fiables dans de nombreuses applications électroniques.

Article rédigé par Dora Yang, rédactrice en chef de PCBCart, initialement publié sur PCB Design Magazine en juin 2017.

Ressources utiles :
• Technologie embarquée et procédure d'assemblage de circuits imprimés à composants intégrés
• Technologie de fabrication de circuits imprimés à composants intégrés
• Recherche sur la conception de circuits imprimés à grande vitesse dans un système d'application embarqué
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