Avaliação de Desempenho de Resistores Embutidos de Filme Fino para Aplicações de Micro-ondas de Alta Precisão e Aeroespaciais

Circuitos microstrip de filme fino têm sido amplamente aplicados em comunicações de micro-ondas, contramedidas eletrônicas (ECM), indústria aeroespacial, etc. Ao fabricar CIs de filme fino (Circuitos Integrados), é muito importante aplicar material de resistor de filme fino depositado para fabricar resistores embutidos de filme fino de alta precisão e alta estabilidade. CIs de filme fino exigem requisitos rigorosos em resistores de filme fino:

• a. Resistência quadrada deve ser ampla o suficiente;
• b. Coeficiente de temperatura de resistência deve ser pequeno;
• c. Força adesiva com substrato deve ser forte o suficiente;
• d. Resistores de filme fino devem apresentar desempenho estável e confiável;
• e. Filmagem deve ser fácil e conveniente;
• f. Deve ser capaz de suportar processamento de alta temperatura, alta potência e faixa de aplicação relativamente ampla.

Uma Breve Introdução de PCB Embutido

Desde 1959, o primeiro CI inventado por Jack Kilby continha apenas dois transistores e um resistor. Hoje em dia, múltiplas técnicas complexas são aplicadas para combinar dezenas de milhões de transistores em um único chip de PC. Com produtos eletrônicos caminhando em direção a miniaturização e multifuncionalidade, um tipo de tecnologia de componente passivo embutido ocorreu para atender às demandas cada vez mais altas. A razão entre partes passivas e ativas é aproximadamente 20:1, a integridade tem aumentado gradualmente com a razão subindo. Com tantos componentes passivos embutidos em PCBs, a área de placa de circuito fabricada através de SMT encolhe em 40% comparada à placa fabricada através de tecnologia embutida. O início dos anos 1980 viu o início da tecnologia de componente passivo embutido que geralmente é alcançada em forma planar. Baseado na classificação de componente passivo, PCBs embutidos podem ser classificados em PCBs de resistor embutido, PCBs de capacitor embutido e PCBs de indutor embutido. Resistores, capacitores e indutores podem ser vistos em quase todos os sistemas eletrônicos, fornecendo impedância e armazenando energia para o sistema. Entre esses componentes passivos embutidos, capacitores e resistores respondem pela maioria, pelo menos 80% de todos juntos. Até agora, componentes passivos embutidos têm sido amplamente aplicados em numerosos campos de circuito como filtros, atenuadores, baluns, Bluetooth, amplificadores de potência, etc. Além disso, algumas tendências, incluindo desenvolvimento de alta velocidade e alta frequência de sinais digitais, diminuição constante de tensão de componentes passivos, fortalecimento gradual de funções e densificação gradual de transmissões de sinal, exigem a participação de mais capacitores de bypass de baixa capacitância para eliminar acoplamento eletromagnético e crosstalk de sinal. Portanto, a tecnologia de PCB de capacitor embutido atraiu uma ampla gama de atenção pela indústria.

Méritos de Resistores Embutidos

Vantagens de resistores embutidos vêm principalmente em três aspectos: desempenho elétrico, projeto de PCB e confiabilidade.

Vantagens Elétricas

• a. Ajuda a melhorar o matching de impedância de linha.
• b. Leva a caminhos de sinal mais curtos e indutância série diminuída.
• c. Causa redução de crosstalk, ruído e EMI (Interferência Eletromagnética).

Vantagens de Projeto de PCB

• a. Leva a melhoria de densidade de componente ativo e fatores de forma diminuídos.
• b. Não exige requisito de vias, levando o roteamento a melhoria.
• c. Resulta em placas simplificadas, encolhendo tamanho e/ou densificação.

Confiabilidade Melhorada

A tabela abaixo mostra a confiabilidade melhorada de resistores embutidos.

Itens	Parâmetros
Baixo RTC	<50PPM
Teste de vida	100.000 horas; <2% drift a 110°C
Estável em amplas frequências	Testado além de 40GHz
Juntas de solda	NENHUMA
Estágio de teste	Camada interna e placa nua

Fatores Determinando o Desempenho de Filme Fino

Até agora, material de resistor de filme fino cobre uma ampla faixa de aplicação contendo material de cromo, material de tântalo e material de titânio. Comparado com resistores de filme fino de cromo, resistores de filme fino de tântalo apresentam muitos desempenhos excelentes, como excelente estabilidade química e resistência à corrosão, alta confiabilidade, ampla faixa de resistência e alta estabilidade, o que o torna um material ideal de resistor de filme fino com uma ampla perspectiva de aplicação.

Uniformidade de filme fino de resistor refere-se à situação em que como resistores fabricados no substrato mudam conforme a posição do substrato muda na cavidade de vácuo e como a resistência modifica conforme o mesmo substrato se move. Fatores líderes que impulsionam a uniformidade de filme fino incluem: posição relativa entre substrato e material alvo, taxa de deposição e grau de vácuo. Filme de nitreto de tântalo (TaN) aplicável a CIs de filme fino apresenta excelente uniformidade tanto no mesmo substrato quanto entre substratos de diferentes posições. Além disso, erro de resistência entre diferentes lotes mantém-se baixo com excelente uniformidade. Atualmente, existem dois métodos de preparação disponíveis para preparação de filme TaN: deposição de vapor físico e deposição de vapor químico. Estabilidade e confiabilidade, precisão e uniformidade de resistividade elétrica desempenham papel importante na fabricação de filme TaN. A resistência é modificada principalmente através de laser ou oxidação para garantir a precisão da resistência. Ambos os métodos, porém, apresentam alguns inconvenientes: o laser possivelmente danifica gráficos de resistência com potência suportada pelo filme de resistor, enquanto a modificação de resistência através de oxidação sofre de uma taxa baixa e má confiabilidade.

Este artigo tira vantagem de sputtering reativo de magnetron para preparar filme fino de TaN e estuda a influência de parâmetros técnicos como posição de placa uniforme na uniformidade e desempenho de filme fino de TaN, determinando tecnologia de controle preciso de taxa de resistência. Além disso, estuda e analisa taxa de varredura de deposição e efeitos da razão de fluxo de N₂ em filme fino de TaN e desempenho.

Análise de Desempenho em Filme Fino

Análise de Uniformidade

Sob a condição de velocidade de varredura fixa de 105cm/min e 10% de razão de fluxo de nitrogênio, a uniformidade é analisada para filme fino de TaN. A uniformidade de folha interna pode ser calculada através da fórmula: .

Um instrumento de resistência é aplicado para medir a resistência e cada peça de folha base tem que sacrificar 60 pontos para medição, aqui está o resultado:

Posição	R□Max	R□Min	R□Avg	Uniformidade
	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

Indica a distribuição de resistência de filme fino de TaN em uma folha base cujo tamanho é 4 polegadas. Consequentemente, pode-se resumir que a folha base com posição No.2 apresenta a melhor uniformidade de folha interna, enquanto a folha base próxima à borda da placa ou borda do material alvo apresenta variação de resistência quadrada relativamente ruim e a uniformidade de folha interna do material alvo próximo à borda do material alvo é a pior. Filme fino de TaN com má uniformidade leva a enorme efeito na fabricação de resistor de rede de alta precisão.

Para derrotar a não-uniformidade de filme fino próximo à borda do material alvo, uma placa uniforme pode ser instalada para ajustar filme fino depositado, pois é capaz de cobrir seletivamente a área de deposição para controlar a uniformidade do filme.

Análise de Velocidade de Varredura de Deposição

Com a aceleração da varredura, a resistência quadrada do filme fino de TaN exibe uma tendência de aumento com melhoria linear. Quanto maior a velocidade de varredura, menor o tempo de deposição será e assim será o número de átomos no filme fino. O filme será mais fino também. Três estruturas estão disponíveis no processo de geração de filme fino: estrutura em forma de ilha, estrutura em forma de rede e estrutura contínua. Propriedades do filme fino são estreitamente relacionadas com sua estrutura e elementos. Quando o filme é relativamente fino, o filme vem em uma estrutura de ilha. Com o filme se tornando espesso, a estrutura de ilha se transforma em estrutura de rede e estrutura contínua. Quando se trata de filme fino de resistor, porém, três tipos de estruturas de fase estão disponíveis: fase condutiva, fase semicondutora e fase de isolamento. Em uma estrutura de ilha, partículas de fase condutiva são espalhadas no filme fino como ilhas de obturador que são cercadas por fase de isolamento. Portanto, a resistência quadrada do filme é relativamente alta. Estrutura em forma de rede, porém, é na verdade uma rede condutiva composta pela interconexão entre partículas condutivas. Fases de isolamento são espalhadas dentro da rede com uma baixa resistência quadrada. Estrutura contínua é um tipo de filme fino continuamente composto por acúmulo denso de partículas condutivas, contendo poucos elementos de isolamento. Como resultado, a resistência quadrada do filme fino está encolhendo.

Análise de Fluxo de Nitrogênio

a. Influência do Fluxo de Nitrogênio na Resistência Quadrada de Filme Fino de TaN.

Com a melhoria da razão de fluxo de nitrogênio, a resistência quadrada do filme fino de TaN gradualmente sobe. Esta lei funciona dramaticamente, especialmente quando a taxa de fluxo de nitrogênio aumenta de 15% para 20%. Isso é porque o aumento da pressão parcial de nitrogênio leva ao aumento de cavidades de Ta e o tipo de condução do filme fino converterá de condução eletrônica para condução de cavidade. Como resultado, a resistência quadrada finalmente subirá.

b. Influência da Taxa de Fluxo de Nitrogênio na Espessura de Filme Fino de TaN.

O aumento da taxa de fluxo de nitrogênio leva à redução gradual da espessura do filme fino de TaN, o que é oposto à tendência de mudança da resistência quadrada. A espessura do filme está estreitamente associada ao caminho livre médio de partículas sputtered e taxa de sputtering do material alvo.

Em uma palavra, resistores embutidos de filme fino apresentam uniformidade agradável, levando às suas aplicações bem-sucedidas em uma ampla gama de indústrias. Um grande número de testes e experimentos foram realizados para demonstrar a confiabilidade de resistores embutidos de filme fino. Portanto, pode-se esperar que resistores embutidos de filme fino possam ser altamente confiados em numerosas aplicações eletrônicas.

Artigo escrito pelo editor da PCBCart Dora Yang, originalmente postado na Revista PCB Design Junho, 2017.

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