薄膜埋入电阻在高精度微波与航天应用中的性能评估

薄膜微带电路广泛应用于微波通信、电子对抗(ECM)、航天工业等领域。制造薄膜集成电路(IC)时，采用沉积薄膜电阻材料制备高精度、高稳定性薄膜埋入电阻至关重要。薄膜IC对薄膜电阻要求严苛：

• a. 方阻范围足够宽；
• b. 电阻温度系数小；
• c. 与基板粘结力强；
• d. 性能稳定可靠；
• e. 沉积工艺简便；
• f. 耐高温加工、高功率、宽应用范围。

埋入式PCB简介

1959年Jack Kilby发明首个IC仅含两晶体管一电阻。如今复杂技术将数千万晶体管集成单芯片。电子产品向微型化多功能演进，埋入式无源元件技术应运而生以满足更高需求。无源/有源元件比约20:1，集成度提升比例上升。埋入无源元件使SMT制板面积较埋入技术缩减40%。80年代初埋入无源技术起步，通常以平面形式实现。按无源分类，埋入式PCB分埋入电阻/电容/电感板。RCL几乎存在于所有电子系统，提供阻抗储存能量。埋入无源中电容电阻占比≥80%。至今埋入无源广泛应用于滤波器、衰减器、巴伦、蓝牙、功放等领域。数字信号高速高频化、无源元件电压降低、功能增强、信号传输致密化趋势，呼唤更多低容旁路电容消除电磁耦合与信号串扰，推动埋入电容PCB技术备受关注。

埋入电阻优势

埋入电阻优势主要体现三方面：电气性能、PCB设计、可靠性。

电气优势

• a. 改善线路阻抗匹配；
• b. 缩短信号路径、降低串联电感；
• c. 减少串扰、噪声、EMI(电磁干扰)。

PCB设计优势

• a. 提升有源元件密度、减小形态因子；
• b. 无需过孔、改善走线；
• c. 简化板卡、缩小尺寸/高密化。

可靠性提升

下表展示埋入电阻可靠性提升数据：

薄膜性能决定因素

目前薄膜电阻材料涵盖铬、钽、钛系。相较铬薄膜电阻，钽薄膜电阻具化学稳定性强、耐腐蚀、高可靠、阻值范围宽、稳定性高等优势，是应用前景广阔的理想薄膜电阻材料。

电阻薄膜均匀性指电阻随基板在真空腔内位置变化、同一基板移动时阻值变化情况。驱动均匀性主导因素：基板与靶材相对位置、沉积速率、真空度。钽氮化物(TaN)薄膜适用于薄膜IC，同一基板上及不同位置基板间均匀性优异，不同批次阻值误差低、均匀性好。目前TaN薄膜制备有物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两法。电阻率稳定性可靠性、精度、均匀性在TaN制备中关键。阻值调整主要靠激光或氧化，但激光可能损伤电阻图形、功率承受受限；氧化法调整速率低、可靠性差。

本文采用磁控反应溅射制备TaN薄膜，研究均匀板位置等工艺参数对TaN薄膜均匀性能的影响，确定精确电阻率控制技术；并研究沉积扫描速率、N₂流量比对TaN薄膜性能的影响。

薄膜性能分析

均匀性分析

固定扫描速度105cm/min、氮流比10%条件下分析TaN薄膜均匀性。基板内均匀性计算公式：。用电阻仪测量，每片基板测60点，结果如下：

结果显示4英寸基板上TaN薄膜电阻分布。2号位置基板基板内均匀性最佳；靠近板边或靶材边缘基板方阻变差、靶材边缘附近基板内均匀性最差。TaN薄膜均匀性差将严重影响高精度网络电阻制造。

为克服靶材边缘薄膜非均匀性，可安装均匀板调节沉积薄膜，因其能选择性覆盖沉积区域控制薄膜均匀性。

沉积扫描速度分析

扫描加速时，TaN薄膜方阻呈线性增大趋势。扫描越快沉积时间越短、薄膜原子数越少、膜层越薄。薄膜生长有岛状、网状、连续三结构，性能与结构元素紧密相关。膜薄时呈岛状结构；增厚时岛状→网状→连续结构。电阻薄膜有导电相、半导体相、绝缘相三相结构。岛状结构中导电相颗粒像窗台岛散布在绝缘相包围中，方阻较高。网状结构实为导电颗粒互联导电网络，绝缘相散布网内，方阻较低。连续结构为导电颗粒致密堆积连续薄膜，绝缘成分少，方阻收缩。

氮气流量分析

a. 氮流比对TaN薄膜方阻影响

氮流比提高，TaN方阻逐渐上升。特别是15%→20%时规律显著。因氮分压增加导致钽空腔增加，导电类型从电子传导转为空腔传导，方阻最终上升。

b. 氮流比对TaN薄膜厚度影响

氮流比增加导致TaN薄膜厚度逐渐减薄，与方阻变化趋势相反。膜厚与溅射粒子平均自由程、靶材溅射率密切相关。

总之，薄膜埋入电阻具备良好均匀性，成功应用于广泛工业领域。大量测试实验验证其可靠性。可期待薄膜埋入电阻在众多电子应用中高度可靠。

本文由PCBCart编辑Dora Yang撰写，原载《PCB Design Magazine》2017年6月。