Evaluación del rendimiento de resistencias empotradas de película fina para aplicaciones de microondas de alta precisión y aeroespaciales

Los circuitos microstrip de película fina se han aplicado ampliamente en comunicaciones de microondas, contramedidas electrónicas (ECM), industria aeroespacial, etc. Al fabricar ICs de película fina (Circuitos Integrados), es muy importante aplicar material de resistencia de película fina depositada para fabricar resistencias empotradas de película fina de alta precisión y alta estabilidad. Los ICs de película fina exigen requisitos estrictos en las resistencias de película fina:

• La resistencia cuadrada debe ser lo suficientemente amplia;
• El coeficiente de temperatura de la resistencia debe ser pequeño;
• La fuerza adhesiva con el sustrato debe ser lo suficientemente fuerte;
• Las resistencias de película fina deben presentar un rendimiento estable y fiable;
• El filmado debe ser fácil y conveniente;
• Deben ser capaces de soportar procesamiento de alta temperatura, alta potencia y un rango de aplicación relativamente amplio.

Breve introducción del PCB empotrado

Ya en 1959, el primer IC inventado por Jack Kilby contenía solo dos transistores y una resistencia. Hoy en día, múltiples técnicas complejas se aplican para combinar decenas de millones de transistores en un solo chip de PC. Con los productos electrónicos avanzando hacia la miniaturización y multifunción, ocurrió un tipo de tecnología de componentes pasivos empotrados para cumplir con las demandas cada vez más altas. La relación entre partes pasivas y activas es aproximadamente 20:1, la integridad ha ido aumentando gradualmente con el aumento de la relación. Con tantos componentes pasivos empotrados en los PCBs, el área de la placa de circuito fabricada a través de SMT se reduce en un 40% comparado con la placa fabricada a través de tecnología empotrada. Principios de los años 80 vieron el inicio de la tecnología de componentes pasivos empotrados que usualmente se logra en una forma planar. Basándose en la clasificación de componentes pasivos, los PCBs empotrados pueden clasificarse further en PCBs de resistencia empotrada, PCBs de capacitor empotrado y PCBs de inductor empotrado. Resistencias, capacitores e inductores pueden verse en casi todos los sistemas electrónicos, proporcionando impedancia y almacenando energía para el sistema. Entre esos componentes pasivos empotrados, los capacitores y resistencias representan la mayoría, al menos el 80% de todos en conjunto. Hasta ahora, los componentes pasivos empotrados se han aplicado ampliamente en numerosos campos de circuitos como filtros, atenuadores, baluns, Bluetooth, amplificadores de potencia, etc. Además, algunas tendencias, incluyendo el desarrollo de alta velocidad y alta frecuencia de señales digitales, la disminución constante del voltaje de componentes pasivos, el fortalecimiento gradual de funciones y la densificación gradual de transmisiones de señal, requieren la participación de más capacitores de bypass de baja capacitancia para eliminar el acoplamiento electromagnético y el crosstalk de señal. Por tanto, la tecnología de PCB de capacitor empotrado ha atraído una amplia gama de atención por la industria.

Mérito de las resistencias empotradas

Las ventajas de las resistencias empotradas vienen principalmente en tres aspectos: rendimiento eléctrico, diseño de PCB y fiabilidad.

Ventajas eléctricas

• Ayuda a mejorar el matching de impedancia de línea.
• Conduce a caminos de señal más cortos e inductancia en serie disminuida.
• Causa reducción de crosstalk, ruido y EMI (Interferencia Electromagnética).

Ventajas de diseño de PCB

• Conduce a mejora de densidad de componentes activos y factores de forma disminuidos.
• No requiere requisito de vías, llevando a mejora del enrutado.
• Resulta en placas simplificadas, reduciendo tamaño y/o densificación.

Fiabilidad mejorada

La siguiente tabla muestra la fiabilidad mejorada de las resistencias empotradas.

Elementos	Parámetros
Bajo TCR	<50 PPM
Prueba de vida	100.000 horas; <2% deriva a 110°C
Estable en amplias frecuencias	Probado más allá de 40 GHz
Uniones de soldadura	NINGUNA
Etapa de prueba	Capa interna y placa desnuda

Factores que determinan el rendimiento de la película fina

Hasta ahora, el material de resistencia de película fina cubre un amplio rango de aplicación que contiene material de cromo, material de tantalio y material de titanio. Comparado con las resistencias de película fina de cromo, las resistencias de película fina de tantalio presentan muchos rendimientos excelentes, como excelente estabilidad química y resistencia a la corrosión, alta fiabilidad, amplio rango de resistencia y alta estabilidad, lo que lo convierte en un material ideal de resistencia de película fina con una amplia perspectiva de aplicación.

La uniformidad de la película fina de resistencia se refiere a la situación en la que cómo cambian las resistencias fabricadas en el sustrato a medida que la posición del sustrato cambia en la cavidad de vacío y cómo la resistencia se modifica a medida que el mismo sustrato se mueve. Los factores principales que impulsan la uniformidad de la película fina incluyen: posición relativa entre el sustrato y el material objetivo, tasa de deposición y grado de vacío. La película de nitruro de tantalio (TaN) aplicable a ICs de película fina presenta una excelente uniformidad tanto en el mismo sustrato como entre sustratos de diferentes posiciones. Además, el error de resistencia entre diferentes lotes se mantiene bajo con excelente uniformidad. Actualmente hay dos métodos de preparación disponibles para la preparación de película de TaN: deposición de vapor físico y deposición de vapor químico. La estabilidad y fiabilidad, precisión y uniformidad de la resistividad eléctrica juegan un papel importante en la fabricación de película de TaN. La resistencia se modifica principalmente a través de láser u oxidación para asegurar la precisión de la resistencia. Ambos métodos, sin embargo, presentan algunos inconvenientes: el láser posiblemente daña los gráficos de resistencia con la potencia soportada por la película de resistencia, mientras que la modificación de resistencia a través de oxidación sufre de una tasa baja y mala fiabilidad.

Este artículo aprovecha el sputtering reactivo de magnetrón para preparar la película fina de TaN y estudia la influencia de parámetros técnicos como la posición de la placa uniforme en la uniformidad y rendimiento de la película fina de TaN, determinando la tecnología de control preciso de la tasa de resistencia. Además, estudia y analiza la tasa de escaneo de deposición y los efectos de la relación de flujo de N₂ en la película fina de TaN y su rendimiento.

Análisis de rendimiento en la película fina

Análisis de uniformidad

Bajo la condición de velocidad de escaneo fija de 105 cm/min y 10% de relación de flujo de nitrógeno, se analiza la uniformidad para la película fina de TaN. La uniformidad de hoja interna puede calcularse a través de la fórmula: .

Se aplica un instrumento de resistencia para medir la resistencia y cada pieza de hoja base tiene que sacrificar 60 puntos para medición, aquí está el resultado:

Posición	R□Max	R□Min	R□Avg	Uniformidad
	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 la distribución de resistencia de la película fina de TaN en una hoja base cuyo tamaño es 4 pulgadas. En consecuencia, se puede resumir que la hoja base con posición Nº 2 presenta la mejor uniformidad de hoja interna, mientras que la hoja base cerca del borde de la placa o del borde del material objetivo presenta una variación relativamente mala de la resistencia cuadrada y la uniformidad de la hoja interna del material objetivo cerca del borde del objetivo es la peor. La película fina de TaN con mala uniformidad conduce a un enorme efecto en la fabricación de resistencias de red de alta precisión.

Para vencer la no uniformidad de la película fina cerca del borde del material objetivo, se puede instalar una placa uniforme para ajustar la película fina depositada, porque es capaz de cubrir selectivamente el área de deposición para controlar la uniformidad de la película.

Análisis de velocidad de escaneo de deposición

Con la aceleración del escaneo, la resistencia cuadrada de la película fina de TaN muestra una tendencia de agrandamiento con mejora lineal. Cuanto mayor es la velocidad de escaneo, menor será el tiempo de deposición y también lo será el número de átomos en la película fina. La película será más fina también. Tres estructuras están disponibles en el proceso de generación de la película fina: estructura en forma de isla, estructura en forma de red y estructura continua. Las propiedades de la película fina están estrechamente relacionadas con su estructura y elementos. Cuando la película es relativamente fina, la película viene en una estructura de isla. A medida que la película se vuelve gruesa, la estructura de isla se transforma en estructura de red y estructura continua. Cuando se trata de película fina de resistencia, sin embargo, tres tipos de estructuras de fase están disponibles: fase conductora, fase semiconductora y fase de aislamiento. En una estructura de isla, las partículas de fase conductora están dispersas en la película fina como islas de obturador que están rodeadas por la fase de aislamiento. Por tanto, la resistencia cuadrada de la película es relativamente alta. La estructura en forma de red, sin embargo, es en realidad una red conductora compuesta por la interconexión entre partículas conductoras. Las fases de aislamiento están dispersas dentro de la red con una baja resistencia cuadrada. La estructura continua es un tipo de película fina continua compuesta por la acumulación densa de partículas conductoras, conteniendo pocos elementos de aislamiento. Como resultado, la resistencia cuadrada de la película fina se reduce.

Análisis de flujo de nitrógeno

a. Influencia del flujo de nitrógeno en la resistencia cuadrada de la película fina de TaN

Con la mejora de la relación de flujo de nitrógeno, la resistencia cuadrada de la película fina de TaN sube gradualmente. Esta ley funciona dramáticamente, especialmente cuando la tasa de flujo de nitrógeno aumenta del 15% al 20%. Eso es porque el aumento de la presión parcial de nitrógeno conduce al aumento de cavidades de Ta y el tipo conductivo de la película fina se convertirá de conducción electrónica a conducción por cavidades. Como resultado, la resistencia cuadrada subirá finalmente.

b. Influencia de la tasa de flujo de nitrógeno en el espesor de la película fina de TaN

El aumento de la tasa de flujo de nitrógeno conduce a la reducción gradual del espesor de la película fina de TaN, lo cual es opuesto a la tendencia de cambio de la resistencia cuadrada. El espesor de la película está estrechamente asociado con el camino libre medio de las partículas pulverizadas y la tasa de pulverización del material objetivo.

En una palabra, las resistencias empotradas de película fina presentan una uniformidad aceptable, lo que conduce a sus aplicaciones exitosas en una amplia gama de industrias. Un gran número de pruebas y experimentos se han realizado para demostrar la fiabilidad de las resistencias empotradas de película fina. Por tanto, se puede esperar que las resistencias empotradas de película fina puedan confiarse altamente en numerosas aplicaciones electrónicas.

Artículo escrito por el editor de PCBCart Dora Yang, publicado originalmente en PCB Design Magazine, Junio 2017.

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