薄膜嵌入式电阻器的性能评估

薄膜微带电路已广泛应用于微波通信、电子对抗（ECM）、航空航天等领域。在制造薄膜集成电路（Integrated Circuits）时，应用沉积薄膜电阻材料来制造是非常重要的。高精度和高稳定性薄膜嵌入式电阻器。薄膜IC对薄膜电阻要求严格：

a.方阻要足够宽；
b.电阻温度系数要小；
c.与基材的附着力要足够强；
d.薄膜电阻性能稳定可靠；
e.成膜简单方便；
f.耐高温加工，耐高温功率大，应用范围比较广。

嵌入式PCB简介

早在 1959 年，Jack Kilby 发明的第一个 IC 就只包含两个晶体管和一个电阻器。如今，应用多种复杂技术将数以千万计的晶体管组合成一个单一的 PC 芯片。随着电子产品向小型化、多功能化迈进，一种嵌入式无源元件技术应运而生，以满足越来越高的需求。被动部分与主动部分的比例约为20：1，随着比例的提高，整体性逐渐提高。由于 PCB 中嵌入了如此多的无源元件，与通过嵌入式技术制造的电路板相比，通过 SMT 制造的电路板面积缩小了 40%。 1980 年代初期，嵌入式无源元件技术开始出现，通常以平面形式实现。根据无源元件分类，嵌入式PCB可进一步分为嵌入式电阻PCB、嵌入式电容PCB和嵌入式电感PCB。电阻器、电容器和电感器几乎可以在所有电子系统中看到，它们为系统提供阻抗和存储能量。在这些嵌入式无源元件中，电容器和电阻器占大多数，至少占总数的 80%。截至目前，嵌入式无源器件已广泛应用于滤波器、衰减器、平衡不平衡转换器、蓝牙、功率放大器等众多电路领域。此外，数字信号高速化、高频化、电压不断下降等趋势无源元件的逐步加强、功能的逐渐加强和信号传输的逐渐密集化，需要更多的低电容旁路电容参与，以消除电磁耦合和信号串扰。因此，嵌入式电容PCB技术受到了业界的广泛关注。

嵌入式电阻的优点

嵌入式电阻的优势主要体现在三个方面：电气性能、PCB设计和可靠性。

• 电气优势

一个。它有助于改善线路阻抗匹配。
b．它导致更短的信号路径和减小的串联电感。
c．它可以减少串扰、噪声和 EMI（电磁干扰）。

• PCB设计优势

一个。它导致有源元件密度的提高和外形尺寸的减小。
b．它要求不需要过孔，从而改善布线。
c．它会导致电路板简化、尺寸缩小和/或致密化。

• 提高可靠性

下表显示了嵌入式电阻器的可靠性提高。

项目	参数
低 RTC	<50PPM
寿命测试	100,000 小时； 110°C 时 <2% 漂移
宽频稳定	测试超过 40GHz
焊点	无
测试阶段	内层和裸板

决定薄膜性能的因素

到目前为止，薄膜电阻材料的应用范围很广，包括铬材料、钽材料和钛材料。与铬薄膜电阻器相比，钽薄膜电阻器具有优异的化学稳定性和耐腐蚀性、高可靠性、宽阻值范围和高稳定性等诸多优异性能，是应用广泛的理想薄膜电阻器材料。前景。

电阻薄膜的均匀性是指制作在基板上的电阻如何随着基板在真空腔中的位置变化而变化，以及电阻如何随着同一基板的移动而改变。驱动薄膜均匀性的主要因素包括：基板与靶材的相对位置、沉积速率和真空度。适用于薄膜集成电路的氮化钽（TaN）薄膜在同一基板上和不同位置的基板之间均具有优异的均匀性。此外，不同批次之间的电阻误差保持在较低的水平，具有出色的均匀性。目前可用于制备TaN薄膜的制备方法有两种：物理气相沉积和化学气相沉积。稳定性和可靠性、电阻率的准确性和均匀性在TaN薄膜制造中起着重要作用。电阻主要通过激光或氧化修饰，以保证电阻的准确性。然而，这两种方法都存在一些缺点，即激光可能会损坏电阻膜具有功率承受能力的电阻图形，而通过氧化修改电阻则存在速率低和可靠性差的问题。

本文利用磁控反应溅射制备TaN薄膜，研究了均匀板位等技术参数对TaN薄膜均匀性和性能的影响，确定了电阻率的精确控制技术。此外，还研究分析了沉积扫描速率、N2流量比对TaN薄膜及其性能的影响。

薄膜性能分析

• 均匀度分析

在105cm/min的固定扫描速度和10%的氮气流量条件下，对TaN薄膜进行均匀性分析。内片均匀度可通过公式计算： 。

采用电阻仪测量电阻，每片基片要牺牲60个点进行测量，结果如下：

位置	R□Max	R□Min	R□Avg	均匀度
	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

它表示在尺寸为 4 英寸的基片上 TaN 薄膜的电阻分布。综上所述，2号位的基片内层均匀性最好，而靠近板边或靶材边的基片具有较差的方形电阻变化和靠近靶材边缘的靶材内层均匀度。是最坏的。均匀性差的TaN薄膜对高精度网络电阻制造影响巨大。

为了克服靠近靶材边缘的薄膜不均匀性，可以安装均匀板来调整沉积薄膜，因为它能够选择性地覆盖沉积区域以控制薄膜均匀性。

• 沉积扫描速度分析

随着扫描速度的加快，TaN薄膜的方阻呈线性增大的增大趋势。扫描速度越高，沉积时间越短，薄膜上的原子数也就越少。薄膜也会更薄。薄膜生成过程中存在三种结构：岛状结构、网状结构和连续结构。薄膜的性质与其结构和元素密切相关。当薄膜较薄时，薄膜呈岛状结构。随着薄膜变厚，岛状结构转变为网状结构和连续结构。然而，当谈到电阻薄膜时，可以使用三种类型的相结构：导电相、半导体相和绝缘相。在岛状结构中，导电相颗粒分散在薄膜状的快门岛中，被绝缘相包围。因此，薄膜方阻比较高。然而，网状结构实际上是由导电粒子之间相互连接构成的导电网络。绝缘相分散在网络内部，具有低平方电阻。连续结构是一种由导电粒子密集堆积而成的连续薄膜，含有很少的绝缘元素。结果，薄膜方阻不断缩小。

• 氮气流分析

一个。氮气流对 TaN 薄膜方形电阻的影响。随着氮气流量比的提高，TaN薄膜的方阻逐渐升高。该定律非常有效，尤其是当氮气流量从 15% 增加到 20% 时。这是因为氮分压的增加导致Ta空穴的增加，薄膜的导电类型将从电子传导转变为空穴传导。结果，方阻最终会上升。

湾。氮气流速对 TaN 薄膜厚度的影响。氮气流量的增加导致TaN薄膜厚度逐渐减小，这与方阻的变化趋势相反。薄膜厚度与溅射粒子的平均自由程和靶材的溅射速率密切相关。

总之，薄膜嵌入式电阻器具有良好的均匀性，使其在广泛的行业中得到成功应用。已经进行了大量的测试和实验来证明薄膜嵌入式电阻器的可靠性。因此，可以期待薄膜嵌入式电阻器在众多电子应用中得到高度依赖。

文章由 PCBCart 编辑 Dora Yang 撰写，最初发表于 PCB Design Magazine 2017 年 6 月。

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