Tecnologia a film sottile di precisione

Questo articolo si prefigge di aiutare i progettisti di circuiti e gli ingegneri dei componenti a capire meglio la tecnologia a film sottile. L'articolo è una guida per comprendere l'uso della tecnologia a film sottile e i vantaggi che fornisce in termini di affidabilità, dimensioni e prestazioni.

Figura 1: Tecnologie a film sottile disponibili da Vishay. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Tipi di film

Tipicamente i film sono polverizzati su uno spessore di circa 500 angstrom. Si usa una selezione di maschere con una variazione della larghezza delle linee e della spaziatura per produrre l'intervallo di valori ohmici. La resistività del foglio può anche variare da 50 a 2000 ohm per quadrato. Ogni film ha uno scopo specifico. Come regola generale, più bassa è la resistività del foglio, migliori sono le prestazioni elettriche complessive. Vishay è l'unico fornitore e produttore di tutti i tipi di film.

Nichelcromo (NiCr) - Il più popolare tra i film, ha le migliori specifiche elettriche in termini di TCR assoluto. Le resistività comuni dei fogli sono di 50, 100 e 200 ohm al quadrato.

Tamelox - Una lega proprietaria di Vishay/Thin Film; combina i vantaggi del nichelcromo e del nitruro di tantalio per migliorare la linearità del TCR.

Nitruro di tantalio (TaN2) - Se depositato e lavorato correttamente, produce una lega impermeabile all'umidità. Le prestazioni elettriche non sono buone come quelle del nichelcromo. Usato in applicazioni con resistori soggetti a una bassa potenza (< 20%), non presenta autoriscaldamento e ha un'elevata umidità relativa (80%).

Cromo al silicio (SiCr) - Questo materiale ha una resistività del foglio molto alta (2000-3000) ed è usato per produrre alte resistenze in un'area piccola. Specifiche elettriche come il tracciamento del TCR assoluto, stabilità a lungo termine e coefficienti di tensione superiori alla tecnologia a film spesso.

Passivazione - SPM (metodi di passivazione speciali) permette ora di migliorare il controllo della passivazione in ambienti difficili (riferimento: Nota tecnica SPM).

Costruzione integrata a film sottile

Un circuito integrato è un gruppo di elementi formati e interconnessi su un substrato comune per formare una rete funzionale. Una rete resistiva integrata è definita in modo simile, come un gruppo di elementi resistivi formati e interconnessi su un substrato comune. Come nella fabbricazione dei semiconduttori, gli elementi sono prodotti per deposizione sul substrato o per reazione con il substrato e i modelli sono prodotti tramite fotolitografia, seguita dalla rimozione selettiva dei materiali indesiderati. I resistori di una data rete, essendo abbastanza piccoli e vicini, sono esposti a condizioni quasi identiche durante la lavorazione. Analogamente, ogni rete sul wafer o sul substrato è esposta praticamente alle stesse condizioni. Poiché diversi wafer vengono lavorati insieme, nello stesso momento e nella stessa apparecchiatura, l'uniformità viene conferita all'intero lotto - a centinaia o migliaia di unità individuali. Un ulteriore vantaggio della costruzione integrata è l'integrità delle interconnessioni, intrinsecamente più affidabili dei collegamenti individuali tra componenti discreti.

Figura 2: Wafer di allumina ad alta purezza che mostra la costruzione integrata a film sottile. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Vantaggi della costruzione integrata a film sottile

• Adattamento preciso di tutti gli elementi di una rete, per assicurare un tracciamento rigido sulla temperatura e per tutta la durata
• Reti multielemento molto piccole e ad alta densità che permettono di risparmiare spazio sulla scheda a circuiti stampati
• Costruzione ermetica pratica in una varietà di formati standard contemporanei
• Caratteristiche ripetibili e coerenti, da prodotto a prodotto e da lotto a lotto
• Bassissima induttanza
• Affidabilità eccezionale - meno interconnessioni individuali
• Nessun effetto termoelettrico
• L'installato non costa più dei discreti - spesso meno

Affidabilità dell'interconnessione

Gli studi di affidabilità da parte dell'esercito e di altre agenzie hanno dimostrato che - a parità di altre condizioni - l'affidabilità di un gruppo è direttamente proporzionale al numero di "interconnessioni artificiali". Questo è il motivo per cui il circuito integrato è più affidabile di un assemblaggio di transistor discreti e lo stesso vale per una rete resistiva integrata rispetto ai componenti discreti. A volte si parla di "affidabilità intrinseca".

Intervallo di resistenza

La tecnologia a film sottile impiega un patterning fotolitografico di precisione per dare al progettista un ampio intervallo di valori di resistenza nell'area più piccola possibile. Questo permette di scegliere se minimizzare le dimensioni del componente o aumentare il numero di elementi resistivi nello stesso spazio. La resistenza totale ottenibile in una data area è dettata principalmente dalla resistenza del foglio del materiale del film e dal patterning. Nei progetti reali, tuttavia, l'area massima utilizzata è ridotta a causa dello spazio richiesto per le piazzole di terminazione, i conduttori interni, le caratteristiche di taglio speciali e i vincoli della piedinatura.

I materiali resistivi a film sottile coprono un intervallo normale di resistenza del foglio da 50 a 2000 ohm/quadrato che si traduce in un intervallo di resistenza disponibile per singoli resistori da pochi ohm a diversi megaohm. La massima precisione si trova normalmente nell'intervallo da 250 ohm a 100 kiloohm.

Figura 3: L'intervallo di resistenza è determinato principalmente dalla geometria del modello sul foglio di wafer. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Resistenza molto bassa

Quando si incorporano elementi a bassa resistenza in reti di precisione, bisogna tener conto delle piccole ma inevitabili resistenze dei cavi e dei modelli conduttivi sul chip e nel contenitore. Questi effetti possono essere minimizzati, ma non completamente eliminati, con una corretta progettazione, elaborazione, selezione del contenitore e assemblaggio. Tuttavia, si deve prestare speciale attenzione alla definizione delle specifiche, soprattutto per quanto riguarda le tolleranze realistiche sulla resistenza e il tracciamento e sul metodo di misurazione.

Figura 4: La resistenza interna dei conduttori può avere un forte impatto sui valori di resistenza totale. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Tolleranza di resistenza

I moderni sistemi laser sono in grado di regolare i resistori con tolleranze molto strette sia su base assoluta che relativa: 0,01% e 0,005% rispettivamente. Inoltre, il produttore responsabile in realtà avrà una "banda di guardia" per il taglio, in modo che la specifica interna sia più stretta della specifica al rilascio.

Più vicina è la tolleranza richiesta, più attentamente si deve progettare il resistore per ottenere una distribuzione stretta ben entro i limiti di tolleranza e con una velocità di taglio conveniente. Uno dei modi per farlo sta nel fornire geometrie di taglio speciali. Queste caratteristiche riducono la sensibilità del resistore alla quantità di materiale rimosso dal laser, per livelli di precisione sempre più alti. Queste caratteristiche utilizzano un'area aggiuntiva del substrato, il che a volte richiede dei compromessi tra costi e prestazioni. Una delle caratteristiche che distinguono la moderna tecnologia dei film sottili per l'uso nelle reti di precisione è la stabilità elettrica e meccanica dei film. Questo è importante perché i resistori tagliati vicini devono sopportare le condizioni a volte stressanti dell'assemblaggio senza derive significative. Ciò enfatizza ancora una volta i vantaggi intrinseci della costruzione integrata rispetto ai singoli resistori discreti, poiché qualsiasi cambiamento sarà comune a tutti i resistori della rete, conservando così i rapporti esattamente come tagliati.

Figura 5: Requisiti di tolleranza più stretti possono comportare l'utilizzo di un'area aggiuntiva. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Coefficiente di temperatura della resistenza (TCR)

Il coefficiente di temperatura della resistenza è la misura del cambiamento di resistenza in funzione della temperatura ambiente. È definito come la variazione unitaria della resistenza per variazione unitaria della temperatura ed è comunemente espresso in parti per milione per grado Celsius (ppm/°C). È la proprietà con cui sono più spesso caratterizzati o differenziati i resistori. Storicamente, i resistori discreti, compresi quelli a film, erano classificati per lotti in base al valore di TCR. L'uso relativamente recente della deposizione per polverizzazione per controllare la composizione del film, insieme ai relativi miglioramenti nella lavorazione, hanno portato ai cosiddetti prodotti a film sottile di "terza generazione" con TCR costantemente inferiori a 10 ppm/°C, in assoluto.

Figura 6: Il coefficiente di temperatura della resistenza è una misura della velocità con cui un resistore varia con l'aumentare o il diminuire della temperatura. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Il TCR è solitamente determinato sperimentalmente misurando la resistenza a diverse temperature e calcolando la velocità di variazione nell'intervallo di temperatura appropriato, ad esempio da +25 °C a +125 °C. Se la resistenza cambia linearmente con la temperatura, il TCR è una costante, indipendentemente dall'intervallo di temperatura. Tuttavia, se non è lineare, come nel caso delle leghe di nichel/cromo di uso comune, il TCR è espresso come la pendenza della linea che collega due punti sulla curva resistenza/temperatura, ad esempio +25 °C e +125 °C. In altre parole, è il TCR medio nell'intervallo. Più la relazione non è lineare, più è scarsa l'approssimazione della media.

Nella specifica del TCR è assolutamente cruciale specificare anche chiaramente l'intervallo di temperatura.

La procedura delineata in MIL-STD-202 Method 304 è spesso indicata come lo standard per la misurazione del TCR. In questo metodo, i TCR medi sono calcolati per una serie di intervalli tra +25 °C e -55 °C e tra +25 °C e +125 °C. Il valore più alto viene registrato come TCR. Questo riflette l'intero intervallo di funzionamento militare, ma può risultare in una sovraspecificazione per i componenti che hanno un intervallo di temperatura di funzionamento diverso o più ridotto.

Figura 7: Esempi di TCR per diverse pendenze risultanti. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Solo conoscendo gli effetti della composizione della lega e sapendo controllare attentamente l'elaborazione è possibile "adattare" la curva di resistenza rispetto alla temperatura per produrre TCR a) negativi nell'intero intervallo, b) positivi nell'intero intervallo o c) negativi nella parte bassa, positivi nella parte alta, con un settore relativamente piatto "TCR zero" in un intervallo attorno alla temperatura ambiente. Questo può essere usato a vantaggio di apparecchiature che operano vicine alla temperatura ambiente o che comunque richiedono la compensazione della temperatura.

Monitoraggio

La maggior parte delle applicazioni in cui sono impiegate reti di precisione a film sottile dipende dal raggiungimento e dal mantenimento di valori di resistenza relativi molto vicini. Così, i cambiamenti relativi di resistenza all'interno di una rete, chiamati "tracciamento", sono molto importanti. Le reti a film sottile eccellono nel tracciamento. Diversi aspetti del tracciamento sono importanti da capire e differenziare.

Tracciamento del TCR - Il tracciamento del TCR è definito come la differenza tra i TCR di una coppia di resistori in un determinato intervallo di temperatura. Ottenere un tracciamento rigido del TCR nei resistori discreti è difficile e aggiunge gravi oneri al processo di fabbricazione per produrre ad un limite assoluto di TCR molto vicino. Invece, la costruzione integrata di reti a film sottile assicura un tracciamento del TCR estremamente stretto, perché i resistori sono prodotti in gruppo in condizioni di processo quasi identiche. Inoltre, i resistori sono piccoli e vicini sulla superficie di un substrato comune ad alta conducibilità termica, e questo li mantiene alla stessa temperatura o quasi durante il funzionamento.

Tuttavia, possono verificarsi variazioni di processo e di materiale che producono piccole ma misurabili differenze nei TCR di resistori vicini sullo stesso wafer. Le variabili di processo che possono influenzare tutto questo includono la deposizione non uniforme del film, difetti del substrato, gradienti termici durante la ricottura e le sollecitazioni non uniformi. Anche il design può avere un ruolo. Tuttavia, impiegando controlli di processo all'avanguardia, apparecchiature e tecniche di misurazione, il tracciamento del TCR può essere controllato entro pochi decimi di una parte per milione, per grado, data la configurazione e il confezionamento adeguati del circuito e del chip.

Un fattore che fa sì che il tracciamento apparente del TCR sia più alto di quello "vero" è la presenza di un conduttore di derivazione comune con una resistenza misurabile (r).

dove TCR (r) è il TCR del materiale del conduttore comune, tipicamente metallico. Ad esempio: un resistore da 1 kiloohm con un TCR di 8,9 ppm/°C collegato a un resistore da 2 kiloohm con un TCR di 8,5 ppm/°C e un conduttore di uscita condiviso di resistenza 0,1 ohm con TCR (r) di 4000 ppm/°C presenterà un tracciamento del TCR.

Il contributo estraneo del conduttore comune (0,2 nel caso precedente) scompare nel caso in cui i rapporti critici siano specificati e misurati in base alla divisione della tensione e non al rapporto di resistenza.

Figura 8: Esempi di distribuzioni del tracciamento per resistori ampiamente e strettamente distanziati. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Figura 9: Regola empirica per il tracciamento delle reti integrate rispetto ai resistori discreti. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Tracciamento della resistenza sotto commutazione di potenza

Alcuni circuiti funzionano con un resistore che attiva e disattiva la corrente, abbinato a un resistore di riferimento che trasporta una corrente costante. In questo caso, anche se i resistori possono avere TCR identici e il substrato può essere a una temperatura ambiente uniforme, le resistenze differiranno in valore a causa dell'autoriscaldamento. (In senso stretto, questo non è un vero requisito di "tracciamento" in quanto i resistori di interesse sono soggetti a sollecitazioni diverse.) Questa differenza sarà dettata dai TCR assoluti dei due resistori. In queste applicazioni, che non sono rare, i resistori dovrebbero avere un TCR assoluto il più basso possibile nella regione della temperatura di funzionamento e dovrebbero essere progettati il più vicini possibile tra loro per minimizzare le differenze di temperatura.

Figura 10: Esempio di generazione di potenza difforme in resistori accordati. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Rapporti di tensione

I resistori sono spesso impiegati come divisori di tensione. In questo caso, e quando si tratta di tolleranze precise, è più appropriato trattare con i rapporti di tensione che con i rapporti di resistenza. Ci sono tre aspetti importanti da capire sui rapporti di tensione rispetto ai rapporti di resistenza. Sono il rapporto di tensione stesso, la tolleranza del rapporto di tensione e il tracciamento del rapporto di tensione.

Figura 11: I rapporti di tensione sono indipendenti dalla resistenza del conduttore comune. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Nel caso ideale, la caduta di tensione attraverso una coppia di resistori è determinata dal rapporto dei valori di resistenza: R1/(R1 + R2). Quando i valori di resistenza non sono uguali, il rapporto di tensione differirà da quello calcolato dai valori di resistenza apparente (misurata) di una quantità che è dettata dalla resistenza del conduttore comune. Questa deviazione può essere abbastanza significativa, specialmente con resistori di basso valore.

Per un resistore da 10 kiloohm in serie con un resistore da 1 kiloohm, avendo un conduttore di derivazione comune con 100 milliohm di resistenza, i due rapporti differiranno di 75 ppm:

Per un resistore da 1 kiloohm in serie con un resistore da 100 ohm, una resistenza di 100 milliohm produrrà una differenza nei rispettivi rapporti di più di 800 ppm.

Questo illustra l'importanza di specificare il parametro di funzionamento corretto.

Figura 12: Tolleranza del rapporto di tensione ed equazioni di tracciamento del rapporto di tensione. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Tuttavia, quando la resistenza del conduttore comune (r) è misurabile, il tracciamento apparente del TCR è più alto del tracciamento "reale", come mostrato prima e il tracciamento del rapporto di tensione è più basso. Il tracciamento del rapporto di tensione è sempre inferiore (migliore) al tracciamento del TCR.

Stabilità

Gli effetti descritti nelle sezioni precedenti sono reversibili: i cambiamenti non sono permanenti e scompariranno quando la temperatura tornerà al punto di partenza. Ci sono, tuttavia, effetti irreversibili. Come discusso in precedenza, la maggior parte delle reti resistive di precisione è utilizzata in una modalità di rapporto. I resistori sono stati tagliati con tolleranze strette e accuratamente progettati per seguire queste strette tolleranze iniziali per quanto riguarda i rapporti di resistenza o di tensione. Ma questo non ha senso se le tolleranze non possono essere conservate per tutta la durata della rete. Per questo è necessaria la massima stabilità del film. In particolare, i recenti progressi nei materiali e nei processi hanno portato a migliorare la stabilità dei film sottili a livelli senza precedenti, avvicinandosi a quelli precedentemente ottenibili solo con le lamine.

Ampi test di stabilità a lungo termine delle leghe di nichel/cromo hanno dimostrato in modo conclusivo che la velocità di variazione della resistenza nel tempo è una funzione a valore singolo della temperatura del substrato. Questo è un modo matematico per affermare che la temperatura è l'unica variabile - che sia indotta dal carico di potenza o semplicemente dall'ambiente. Inoltre, è stato determinato sperimentalmente che la stabilità misurata a una temperatura più alta può essere estrapolata con fiducia a temperature più basse e tempi più lunghi sulla base delle equazioni cinetiche classiche.

È utile pensare alle variazioni permanenti in una coppia di resistori accordata come "tracciamento della stabilità" In contrasto con il tracciamento del TCR, dove il tracciamento vicino è indipendente dal TCR assoluto, il tracciamento della stabilità è in qualche modo dipendente dalla stabilità assoluta. Più stabile è una coppia di resistori, meno cambieranno in termini di valore assoluto e in relazione l'uno all'altro. Anche qui, i vantaggi della costruzione integrata sono evidenti: tutti i resistori nella rete tendono a subire variazioni simili durante la vita e i rapporti di resistenza cambiano molto meno dei valori assoluti.

Figura 13: La stabilità è influenzata dall'età dei componenti. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Potenza nominale

Poiché le reti di precisione a film sottile non sono generalmente utilizzate in applicazioni ad alta potenza, i metodi per stabilire le potenze nominali massime non sono così critici come nelle reti per uso generale. Tuttavia, i limiti devono essere fissati ed è meglio farlo stabilendo i limiti superiori delle temperature.

La temperatura a potenza zero (a volte chiamata temperatura massima di funzionamento) è la temperatura massima alla quale un componente può essere usato, per un tempo specificato (di solito 1000 ore), senza variazioni eccessive (di solito definite in relazione alla tolleranza iniziale), espressa in percentuale. Per una rete a film sottile che deve mantenere una tolleranza dello 0,1%, questa temperatura di potenza zero sarebbe di +150 °C. A questa temperatura, un resistore potrebbe mostrare una variazione nell'ordine di 500 ppm assoluti o 100 ppm relativi ad altri in una rete. Se la massima tolleranza iniziale richiesta fosse dello 0,01%, una temperatura di potenza zero più appropriata sarebbe pari a +125 °C. Questi livelli si riferiscono a componenti a telaio chiuso ermeticamente. Se confezionati in modo non ermetico, i componenti avrebbero una classificazione di temperatura inferiore.

Figura 14: Tipica curva di riduzione delle prestazioni della potenza. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Potenza nominale a pieno regime - La potenza nominale è generalmente definita come la potenza richiesta per aumentare la temperatura superficiale di una parte oltre una certa temperatura ambiente, di solito +70 °C, alla temperatura di potenza zero. Questo valore è espresso in watt-potenza a pieno regime. Una curva di riduzione delle prestazioni potenza è usata per determinare i limiti alle temperature intermedie.

Prestare attenzione ai valori nominali dei singoli resistori all'interno di una rete, poiché la temperatura superficiale finale di un singolo resistore sarà molto diversa a seconda se altri resistori nella rete sono o meno sotto tensione. Anche se è difficile generalizzare, una corretta progettazione della rete terrà conto di queste potenziali variazioni con disposizioni che forniscono una densità di potenza uniforme.

Come indicato prima, anche se i livelli di potenza nelle reti di precisione a tolleranza più stretta sono di solito più bassi, perché le dimensioni del chip sono piccole, la densità di potenza può essere alta. Un tipico livello di progettazione è di 25 W/in² per reti molto precise, ma i film sottili sono in grado di sostenere livelli molto alti di densità di potenza - fino a 200 W/in² - senza compromettere l'integrità. Come considerazione finale, si deve tener conto del fatto che i contenitori variano ampiamente in termini di resistenza termica.

Coefficiente di tensione della resistenza e rumore elettrico

Queste due caratteristiche, che possono essere uno svantaggio abbastanza importante nei resistori in materiali compositi come metalloceramica o polimeri, possono essere generalmente ignorate con le reti di precisione a film sottile perché le grandezze sono irrisorie. Questo è uno dei principali vantaggi dei materiali monolitici a film sottile.

Il coefficiente di tensione della resistenza è la variazione unitaria della resistenza per variazione unitaria della tensione espressa in ppm/volt. È una misura del comportamento non ohmico e, nei film sottili, raggiunge livelli identificabili solo nell'intervallo dei megaohm, dove è stato misurato a circa 0,1 ppm/V.

Il rumore elettrico è caratterizzato e misurato utilizzando uno strumento standard sviluppato da Quantek Company. Per i film sottili, un valore tipico sarebbe pari a meno di -35 dB.

Effetti termoelettrici

Le tensioni termoelettriche possono generarsi se le terminazioni dei resistori sono a temperature diverse. Questo può essere un problema significativo con i resistori discreti, che possono presentare gradienti termici su dimensioni relativamente grandi. Nelle reti a film sottile, tutti i resistori sono alla stessa temperatura o quasi, come risultato delle loro piccole dimensioni e degli effetti di diffusione del calore del substrato termoconduttivo. Gli effetti termoelettrici sui film sottili sono tipicamente di <0,1 µV/°C.

Risposta in frequenza dei resistori

Per frequenze superiori a 100 MHz, la maggior parte dei resistori deve essere considerata in termini di un circuito equivalente con induttanza e capacità parassita (Figura 15). Una tipica risposta di impedenza è illustrata nella Figura 16. La risposta di impedenza dipende dalla dimensione del resistore, dal metodo di taglio, dal valore del componente e dallo stile di terminazione.

Figura 15: La maggior parte dei resistori deve essere considerata in termini di un circuito equivalente con induttanza e capacità parassita per frequenze superiori a 100 MHz. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Figura 16: Tipica risposta di impedenza interna per un resistore flip-chip 0402 con taglio speciale di rilevamento dei bordi. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

La considerazione delle dimensioni è di notevole importanza per la riduzione dell'impedenza parassita. Più contenute sono le dimensioni, più il componente si avvicina a un resistore ideale. Anche gli stili di taglio sono importanti.

I resistori a film sottile possono essere tagliati con vari disegni geometrici (Figura 17). Mantenendo un design rettangolare centrato (bilanciato) tra le piazzole di contatto rispetto ad altri stili come quello a serpentina o a L, le prestazioni del dispositivo possono migliorare.

Figura 17: I resistori a film sottile possono essere tagliati con vari disegni geometrici. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Ai link seguenti sono riportati i resistori a film sottile di Vishay

Rete con conduttori

• Serie MP
• Serie MPM
• Serie OSOP
• Serie VSSR
• Serie ORN
• Serie NOMC
• Serie VSOR
• Serie CSO

Chip a montaggio superficiale

• Serie M55342
• Serie PTN
• Serie FC
• Serie M

A foro passante

• Serie TSP
• Serie VTF
• Serie HD