Основы толстопленочной технологии

Таблица 7.6. Электрофизические свойства резистивных металлосилицндных сплавов

Тонкопленочные резисторы

Тонкопленочные резисторы являются элементами гибридных тонкоп­леночных МС, а также согласующими элементами в микросборках, где они присутствуют в виде резистивных матриц (резистивных «сборок») на от­дельной миниатюрной подложке, представляющей собой компонент микро­сборки. В обоих случаях резисторы изготавливаются на основе общей рези-стивной пленки одновременно, т. е. по интегральной технологии.

Для осаждения тонких резистивных пленок используют стандартные резистивные сплавы в виде порошков (для термовакуумного напыления) или дисков-мишеней (для распыления ионной бомбардировкой). Сплавы

представляют собой силициды хрома, никеля, железа и двойные или трой­ные системы на их основе. Содержание кремния в них от 15 до 95 % обеспе­чивает широкий диапазон удельных сопротивлений. Конкретные марки ре-зистивных сплавов характеризуются рекомендуемыми значениями удельного поверхностного сопротивления R^, Ом, допустимой удельной мощностью рассеивания Р₀, Вт/см², температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) а, К'¹ и коэффициентом старения у_ст. Параметры некоторых сплавов для получения тонкопленочных резисторов приведены в табл. 7.6.

Марка сплава	Лея, ОМ	а • 10"4, КГ1	Рь Вт/см2	Необратимые изменения за 1000 ч при 85 °С при на­грузке 1 Вт/см2, не более
РС5006 РС5402 РС5406К РС5406Н РС3710 РС4800 РС1714 РС4206 РС4400 РС1004 РС2310 РС2005	3...20 5...100 10...500 50...500 50... 3000 100...1000 300...500 1000 1000...5000 3000... 50000 10000...80000 80000... 500000	0,5 0,5 0,5 0,3 1 2 2 0,5 3 15 12 12	5 2 2 2 5 5 5 2 10 5 5 5	0,02 0,01 0,01 0,01 0,005 0,01 0,01 0,005 0,02 0,02 0,02

Марка Лея» Ом а-КГ⁴, pq, Необратимые изменения за

сплава К"¹ Вт/см² 1000 ч при 85 °С при на-

грузке 1 Вт/см², не более

РС5006 3...20 03 5 ОД2

РС5402 5...100 0,5 2 0,01

РС5406К 10...500 0,5 2 0,01

РС5406Н 50...500 0,3 2 0,01

РС3710 50...3000 1 5 0,005

РС4800 100...1000 2 5 0,01

РС1714 300...500 2 5 0,01

РС4206 1000 0,5 2 0,005

РС4400 1000...5000 3 10 —

РС1004 3000...50000 15 5 0,02

РС2310 10000...80000 12 5 0,02

РС2005 I 80000...500000 [ 12 | 5.1_______ 0,02 ________

С учетом выводов резисторов из электропроводящей тонкой пленки структуру резистора можно рассматривать как двухслойную. При этом воз­можны три технологических способа формирования резисторов (рис. 7.24):

фотолитографический — напыление сплошной резистивной пленки, напыление сплошной проводящей пленки, фотолитография по проводящей пленке, фотолитография по резистивной nm»w (пае- i ~>а. к\-

трафаретный — напыление ре­зистивных элементов через трафарет, напыление проводящих элементов через трафарет (рис. 7.24, а);

комбинированный — напыле­ние сплошной резистивной пленки, напыление проводящих элементов

Рис. 7.24. Структура и топология тон­копленочных резисторов

через трафарет, фотолитография по р_ис. 7.24. Структура и топология тон-
резистивной пленке. копленочных резисторов

Трафаретный способ более производителен, но заметно уступает фо­толитографическому по разрешающей способности (а^ и точности (Д„):

Параметр, мм a_min ±А„ В (//й)т«

Фотолитографический способ.... 0,1 ±0,005 0,1 Не ограничено

Трафаретный способ................ 0,3 ±0,02 0,2 10

Уширение проводящего вывода на величину В с каждой стороны при­звано не допустить изменение сопротивления резистора из-за погрешности совмещения резистивного и проводящего рисунков.

Для приближения выводов высокоомного резистора друг к другу и сокращения длины связей в МС конструктор может отступить от прямоли­нейной конфигурации резистора и ввести в нее два или более изгибов под прямым углом (рис. 7.25). При этом следует учитывать два обстоятельства.

Рис.7.25. Конфигурация резистора типа «меандр»: а — параметры меандра; б — участки изгиба

1. При любой конфигурации резистора входной и выходной токи
должны быть ориентированы в одну сторону. В противном случае преду­
смотренные уширения выводов не будут выполнять своих функций и по­
грешность совмещения проводящего и резистивного слоев вызовут допол­
нительную погрешность сопротивления. Следует отметить, что для полу­
проводниковых резисторов указанное правило не имеет смысла.

2. Участок изгиба имеет пониженное сопротивление в сравнении с
линейным участком той же длины (по средней линии), что требует коррек­
тировки длины резистора в сторону ее увеличения. Так, Г-образный участок,

включающий три квадрата (см. рис. 7.25, б), вместо 3/^ имеет сопротивле­ние 2,55/?а„ а П-образный, включающий пять квадратов, вместо 5/^, имеет сопротивление 4/^ (R^, — удельное поверхностное сопротивление). Это явление объясняется тем, что плотность тока на изгибах оказывается более высокой у внутреннего контура резистора, в результате чего электрическая длина резистора (по средней плотности тока) уменьшается.

Наиболее сложную конфигурацию имеет меандр, который использу­ется для уменьшения габаритов резистора и упрощения последующей ком­мутации, хотя занимаемая резистором площадь при этом возрастает. Как следует из рис. 7.25, а, геометрическими параметрами резистора-меандра являются: ширина резистивной полоски а, шаг звеньев меандра t (под зве­ном подразумевается Г-образная часть меандра), ширина резистора В и дли­на L. Поскольку L = nt, где п — число звеньев, В = l/п, где / — длина исход­ного прямолинейного резистора,

(7.15)

Для получения однозначного решения обычно принимают t = 2auL = B, т. е. меандр вписывают в квадрат, что обеспечивает минимальные габарит­ные размеры. Тогда

(7.16)

где / и а — длина и ширина предварительно спроектированного резистора линейной конфигурации.

Далее сопротивление резистора-меандра представляют в виде суммы сопротивлений П-образных, Г-образных и линейных участков, из которой затем определяют необходимую длину линейных участков /₍. Например, для резистора, представленного на рис. 7.25,

где R — заданное сопротивление резистора.

Толстые пленки толщиной в несколько десятков микрометров приме-

ляют для изготовления пассивных элементов (резисторов, конденсаторов,

проводников и контактов) в гибридных толстопленочных МС, а также про-

Рис. 7.26. Структурная схема цикла толстопленочной технологии

Рис. 7.26. Структурная схема цикла толстопленочной технологии

водников и изолирующих слоев в некоторых типах многоуровневых комму­тационных микроплат микросборок.

В основе толстопленочной технологии лежит использование дешевых и высокопроизводительных процессов, требующих небольших единовре­менных затрат на подготовку производства, благодаря чему она оказывается экономически целесообразной и в условиях мелкосерийного производства. Высокая надежность толстопленочных элементов обусловлена прочным (свыше 5 МПа) сцеплением с керамической подложкой, которое достигается процессом вжигания пасты в поверхностный слой керамики.

В целом толстопленочная технология состоит из ряда последователь­ных идентичных циклов, структурная схема которых приведена на рис. 7.26. При формировании каждого слоя (резистивного, проводящего, диэлектриче­ского и т. п.) используют соответствующие пасты, которые через сетчатый трафарет наносят на подложку, подвергают сушке и вжиганию. По заверше­нии формирования всех слоев все резисторы и конденсаторы проходят под­гонку (обычно лазерную) до заданной точности.

Толстопленочные пасты

В готовом (вожженном) состоянии толстопленочный элемент состоит из мелких функциональных частиц, находящихся в массовом контакте друг с другом (рис. 7.27) и «склеенных» стеклом с невысокой (400...500 °С) тем-

Рис.7.27. Структура толстопленоч­ных элементов: 1 — частицы металла; 2 — конструкци­онная связка; 3 — частицы окисла металла

пературой плавления. Для проводящих элементов используют порошки сереб­ра, палладия и других металлов с высо­кой электропроводностью. Для рези-стивных — смесь порошков проводя­щих частиц и частиц окислов металлов в различных пропорциях, что позволяет варьировать удельное поверхностное сопротивление в широких пределах. Диэлектрические слои конденсаторов содержат порошки сегнетоэлектриков, которые, обладая большим значением

относительной диэлектрической проницаемости е, обеспечивают большие значения удельной электрической емкости Со, Ф/см². Изолирующие слои, наоборот, создаются на основе порошков стекол с малыми е и С₀. Функцио­нальные частицы в процессе вжигания должны сохранять твердое состояние и массовый контакт, т. е. иметь температуру плавления более 900 °С.

Дня приготовления паст в смесь порошков функциональных частиц и низкотемпературного стекла добавляют технологическую связку, обычно органические масла. В процессе вжигания нанесенных элементов она долж­на разлагаться и полностью удаляться из слоя.

Особую группу паст представляют лудящие пасты. Они состоят из частиц припоя, смоченных раствором флюса (например, канифоль в спирте). После нанесения пасты через сетчатый трафарет на толстопленочные мон­тажные площадки и сушки покрытие подвергается оплавлению (-230 °С).

Марки и свойства различных сплавов и паст приведены в табл. 7.8—7.11.

Таблица 7.8. Характеристики диэлектрических паст

Марка пасты	Толщина, мкм	Удельная емкость, пФ/см2	Тангенс угла диэлектриче­ских потерь на частоте 1,5 МГц	Применение
ПК- 1000-30 ПК-12 ПД-1 ПД-2 ПД-3 ПД-4	40... 60 40... 60 60... 70 50... 60 30...50 30...50	10000 160	0,0035 0,0035 0,002 .0,003 0,002 0,003	Диэлектрик конден­саторов, изоляция пересекающихся про­водников Диэлектрик конден­саторов Межслойная изоля­ция в двухуровневых соединениях Межслойная изоля­ция в многоуровне­вых соединениях Верхний защитный слой при использова­нии пасты ПД-1 Верхний защитный слой при использова­нии пасты ПД-2

Примечания. 1. Температурный коэффициент емкости для различных марок ±3,5-Ю~⁴ КГ¹. 2. Напряжение пробоя равно 150 В для конденсаторов и 500 В для межслойной изоляции.