Évaluation des performances des résistances intégrées en couche mince pour applications micro-ondes et aérospatiales de haute précision

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

• a. La résistance surfacique doit être assez large ;
• b. Le coefficient de température de résistance doit être petit ;
• c. La force d'adhérence avec le substrat doit être assez forte ;
• d. Les résistances en couche mince doivent présenter une performance stable et fiable ;
• e. Le dépôt doit être facile et commode ;
• f. Doivent être capables de supporter le traitement à haute température, la haute puissance et une gamme d'application relativement large.

Brève introduction des PCB à composants intégrés

Dès 1959, le premier CI inventé par Jack Kilby ne contenait que deux transistors et une résistance. De nos jours, de multiples techniques complexes sont appliquées pour combiner des dizaines de millions de transistors en une seule puce PC. Avec les produits électroniques évoluant vers la miniaturisation et la multifonction, un type de technologie de composants passifs intégrés est apparu pour répondre aux demandes de plus en plus élevées. Le ratio entre les parties passives et actives est d'environ 20:1, l'intégrité a augmenté progressivement avec le ratio qui monte. Avec tant de composants passifs intégrés dans les PCB, la surface de la carte de circuit fabriquée par CMS diminue de 40 % par rapport à la carte fabriquée par la technologie intégrée. Le début des années 1980 a vu le démarrage de la technologie de composants passifs intégrés, qui est généralement réalisée sous une forme plane. Basé sur la classification des composants passifs, les PCB à composants intégrés peuvent être classifiés davantage en PCB à résistances intégrées, PCB à condensateurs intégrés et PCB à inductances intégrées. Les résistances, condensateurs et inductances peuvent être vus dans presque tous les systèmes électroniques, fournissant l'impédance et stockant 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. De plus, certaines tendances incluant le développement haute vitesse et haute fréquence des signaux numériques, la diminution constante de la tension des composants passifs, le renforcement progressif des fonctions et la densification progressive des transmissions de signal exigent la participation de plus de condensateurs de dérivation à faible capacitance pour éliminer le couplage électromagnétique et le diaxtalk de signal. Par conséquent, la technologie de PCB à condensateurs intégrés a attiré une large attention de l'industrie.

Mérites des résistances intégrées

Les avantages des résistances intégrées viennent principalement en trois aspects : performance électrique, conception PCB et fiabilité.

Avantages électriques

• a. Elles aident à améliorer l'adaptation d'impédance de ligne.
• b. Elles conduisent à des chemins de signal plus courts et une inductance série diminuée.
• c. Elles causent une réduction du diaxtalk, du bruit et des EMI (interférences électromagnétiques).

Avantages de conception PCB

• a. Elles conduisent à une amélioration de la densité de composants actifs et une diminution des facteurs de forme.
• b. Elles n'exigent aucune exigence de vias, menant à une amélioration du routage.
• c. Elles résultent en des cartes simplifiées, réduisant la taille et/ou la densification.

Fiabilité améliorée

Le tableau ci-dessous montre la fiabilité améliorée des résistances intégrées.

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

Facteurs déterminant la performance de la couche mince

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

L'uniformité de la couche mince de résistance fait référence à la situation dans laquelle les résistances fabriquées sur le substrat changent au fur et à mesure que la position du substrat change dans la cavité sous vide et comment la résistance se modifie lorsque le même substrat se déplace. Les facteurs principaux conduisant l'uniformité de la couche mince incluent : la position relative entre le substrat et le matériau cible, le taux de dépôt et le degré de vide. Le film de nitrure de tantale (TaN) applicable aux CI en couche mince présente une excellente uniformité tant sur le même substrat qu'entre les substrats de différentes positions. De plus, l'erreur de résistance entre différents lots reste faible avec une excellente uniformité. Actuellement, il y a 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 par oxydation pour assurer la précision de la résistance. Les deux méthodes, cependant, présentent certains inconvénients : le laser peut éventuellement endommager 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 taux faible et d'une mauvaise fiabilité.

Cet article tire parti du pulvérisation cathodique réactive magnétron pour préparer le film mince TaN et étudie l'influence des paramètres techniques tels que la position de la plaque uniforme sur l'uniformité et la performance du film mince TaN, déterminant la technologie de contrôle précis du taux de résistance. De plus, il étudie et analyse le taux de balayage de dépôt et les effets du ratio de débit de N₂ sur le film mince TaN et la performance.

Analyse de performance sur la couche mince

Analyse d'uniformité

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

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

Position	R□Max	R□Min	R□Avg	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

Cela 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 feuille interne, tandis que la feuille de base proche du bord de la plaque ou du bord du matériau cible présente une variation de résistance surfacique relativement mauvaise et l'uniformité de feuille interne du matériau cible proche du bord du matériau cible est la pire. Le film mince TaN avec une mauvaise uniformité entraîne un effet énorme sur la fabrication de résistances de réseau de haute précision.

Pour vaincre la non-uniformité du film mince proche 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 de dépôt

Avec l'accélération du balayage, la résistance surfacique 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 le sera aussi. Le film sera plus mince également. Trois structures sont disponibles dans le processus de génération de film mince : structure en îles, structure en réseau et structure continue. Les propriétés du film mince sont étroitement liées à sa structure et à ses éléments. Lorsque le film est relativement mince, le film se présente sous une structure d'îles. À mesure que le film devient épais, la structure d'îles se transforme en structure de réseau et structure continue. Quand il s'agit du film mince de résistance, cependant, trois types de structures de phase sont disponibles : phase conductrice, phase semi-conductrice et phase d'isolation. Dans une structure d'îles, les particules de phase conductrice sont dispersées dans le film mince comme des îlots d'obturateur entourés par la phase d'isolation. Par conséquent, la résistance surfacique du film est relativement élevée. La structure de réseau, cependant, est en fait un réseau conductif composé par l'interconnexion entre les particules conductrices. Les phases d'isolation sont dispersées à l'intérieur du réseau avec une faible résistance surfacique. La structure continue est un type de film mince continu composé de l'accumulation dense de particules conductrices, contenant peu d'éléments d'isolation. En résultat, la résistance surfacique du film mince diminue.

Analyse du débit d'azote

a. Influence du débit d'azote sur la résistance surfacique du film mince TaN. Avec l'amélioration du ratio de débit d'azote, la résistance surfacique du film mince TaN augmente progressivement. Cette loi fonctionne dramatiquement, surtout lorsque le taux de débit d'azote augmente de 15 % à 20 %. C'est parce que l'augmentation de la pression partielle d'azote conduit à l'augmentation des cavités de Ta et le type de conduction du film mince se convertira de la conduction électronique à la conduction par cavités. En résultat, la résistance surfacique montera finalement.

b. Influence du taux de débit d'azote sur l'épaisseur du film mince TaN. L'augmentation du taux de 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 surfacique. 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 en couche mince présentent une uniformité agreeable, menant à leurs applications réussies dans une large gamme d'industries. Un grand nombre de tests et d'expériences ont été effectués pour démontrer la fiabilité des résistances intégrées en couche mince. Par conséquent, on peut s'attendre à ce que les résistances intégrées en couche mince puissent être hautement fiables dans de nombreuses applications électroniques.

Article écrit par l'éditeur de PCBCart, Dora Yang, originellement publié sur PCB Design Magazine, Juin 2017.

Ressources utiles

• Technologie intégrée et procédure d'assemblage PCB à composants intégrés
• Technologie de fabrication PCB à composants intégrés
• Recherche sur la conception PCB haute vitesse dans les systèmes embarqués
• Service de fabrication PCB complet de PCBCart - Options à valeur ajoutée multiples
• Service d'assemblage PCB avancé de PCBCart - À partir de 1 pièce