Основные параметры тонкопленочных резисторов

Материал		Параметры
резистивной пленки	контакт-ных площадок	Удельное поверхност-ное сопротивле-ние пленки , Ом/	Диапазон номиналь-ных значений сопротивле-ний, Ом	Допусти-мая удельная мощность , мВт/мм2	Температур-ный коэффициент сопротивле-ния х 10 4, °C-1
Хром (ГОСТ 5905-67)	Медь (луженая)	500	50-30000	10	0,6
Нихром, проволока ГОСТ 8803	Золото с подслоем хрома	10	1-10000	20	-2,25
Нихром, проволо­ка Х20Н80 ГОСТ 12766-67	Медь	300	5-50000	20	-2,25
Сплав МЛТ-ЗМ (бК0.028.005ТУ)	Медь с подслоем ванадия (луженая), с подслоем нихрома (защи-щенная никелем)	500	50-50000	20	2,0
Сплав РС-3001 (ЕТ0.021.019.ТУ)	Золото с подслоем хрома (нихрома)	1000 2000	100-50000 200-100000	20	-2,0
Сплав PC-3710 (ЕТО.021.034.ТУ)		3000	1000-200000	20	-3.0
Кермет К-50С	Золото с подслоем хрома (нихрома)	3000 5000 10000	100-10000 500-200000 10000-10000000	20	3,0 -4,0 -5,0

Таблица 4.36

Параметры многокомпонентных систем проводников и контактных площадок тонкопленочных ГИС

Материалы подслоя, слоя и покрытия	Толщина слоев, мкм	Удельное поверхностное сопротивление. , Ом/	Рекомендуемый способ контактирования внешних выводов
Подслой-нихром Х20Н80 ГОСТ 2238-58 Слой – золото Зл999,9 (ГОСТ7222-54)	0,01-0.03 0.6-0,8	0,03-0,05	Пайка микропаяль­ником или сварка импульсным косвенным нагревом
Подслой-нихром Х20Н80 Слой – медь МВ (Вакуумноплавленная – МРТУ 14-14-42-б5) Покрытие – никель (МРТУ 14-14-46-65)	0,01 – 0,03 0,6-0,8 0,8 – 0,12	0,02-0,04	Сварка импульсным косвенным нагревом
Подслой – нихром Х20Н80 Слой – медь МВ Покрытие – золото Зл. 999,9	0,01-0,03 0,6-0,8 0,05 –0,06	0,02-0,04	Пайка и микропаяль-ником или сварка им­пульсным косвенным нагревом
Подслой-нихром Х20Н80 Слой – алюминий А-97 (ГОСТ 11069-64)	0,01-0,03 0,3-0,5	0,06-0,1	Сварка сдвоенным электродом
Подслой-нихром Х20Н80 Слой-алюминий А99 Покрытие-никель	0,04-0,05 0,25-0,35 0,05	0,1-0,2	Сварка импульсным косвенным нагревом

Таблица 4.37

Основные параметры диэлектрических материалов тонкопленочных

конденсаторов

Материал		Параметры
диэлектрика	обкладок	Удельное поверхност-ное сопротивле-ние пленки, обкладок , Ом/	Удельная емкость С0, пФ/см2	Рабочее напряжение Up, B	Диэлектри-ческая проницае-мость при f = 1кГц	Тангенс угла диэлектри-ческих потерь при f = 1 кГц	Электрическая прочность Епр, В/мкм	Температурный коэффициент емкости х 104,0С-1
Моноокись кремния (ГОСТ 5.634 –70)	Алюми-ний А-99 (ГОСТ 11069-64)	0,2	5000 10000	60 30	5,0-6,0	0,01 0,02	200 300	2
Моноокись германия (ГОСТ 19602-74)		0,2	5000 10000 15000	10 7 5	11- 12	0,005 - 0,007	100	3
Боросиликатное cтекло (ЕТ0.035.015ТУ)		0,2.	2500;5000 10000; 15000	24;15 10; 8	4	0,001- 0,0015		0,35
Стекло электро-вакуумное С41-1 (НПО.027.600)		0,2	15000; 20000 30000; 40000	12,6; 10-12.6; 6,3-10; 6,3	5 2	0,002- 0,003		1.5

Нанесение паст можно производить бесконтактным и контактным способами.

При бесконтактном способе сетчатый трафарет и подложка уста-навливаются с некоторым зазором, пасту подают поверх трафарета и передвижением ракеля через отверстия в трафарете продавливают на подложку. Качество трафаретной печати зависит от скорости перемещения и давления ракеля, зазора между трафаретом и подложкой, натяжения трафарета и свойств пасты. Для устранения неравномерности толщины толстопленочных резисторов рекомендуется составлять топологию так, чтобы все резисторы размещались по длине в одном направлении по движению ракеля.

При контактном способе трафарет плотно прижимают к подложке, отделение подложки от трафарета осуществляется вертикальным перемещением без скольжения во избежание размазывания отпечатка пасты. Точность отпечатка при контактном способе выше, чем при бесконтактном.

После нанесения каждого слоя пасты он подвергается термообработке - сушке и вжиганию, в результате чего происходит выгорание органической связки (температура 300-400 ⁰С) и соединение (спекание) частиц основного материала со стеклом и с подложкой (температура 500-1000 °С). Первыми наносят пасты, имеющие наибольшую температуру вжигания. Интервал температур вжигания между слоями составляет 50…100 ⁰С. Резистивные пасты вжигают последними, а диэлектрические - в два слоя для исключения сквозных пор в диэлектрике.

Таблица 4.38

Характеристики проводящих паст (ПП)

Обозначение пасты	Удельное поверхностное сопротивление , Ом/	Область применения
ПП- 1	0,05	Проводники, нижние обкладки конденсаторов и контактные площадки первого слоя
ПП - 2	5,0	Верхние обкладки конденсаторов, несмачиваемые припоем при лужении
ПП - 3	0,05	Проводники, нижние обкладки конденсаторов и контактные площадки
ПП - 4	0,05	Проводящие элементы, наносимые на слой диэлектрика

Таблица 4.39

Удельное поверхностное сопротивление резистивных паст (ПР)

Обозначение пасты	ПР-5	ПР-100	ПР-500	ПР-1к	ПР-Зк	ПР-6к	ПР-20к	ПР-50к	ПР-100к
Удельное поверхностное сопротивление , Ом/	5	100	500	1000	3000	6000	20000	50000	100000

Таблица 4.40

Характеристики паст для диэлектрика конденсаторов (ПК) и

межслойного диэлектрика (ПЛ)

Обозначение пасты	Толщина пленки, мкм	Удельная емкость, С0, пФ/см 2	Область применения
ПК 1000-30	40-60	3700	Диалектрик конденсаторов, изоля­ции пересекающихся проводников
ПК 12	40-60	10000	Диэлектрик конденсаторов
ПД-1	60-70	160	Межслойная изоляция при двух уровнях проводников
ПД-2	50-60	220	Межслойная изоляция при трех и более уровнях
ПД-3	30-50	-	Верхний защитный слой при использовании ПД-1
ПД-4	30-50	-	Верхний защитный слой при использовании ПД-2

Последовательность технологических операций формирования слоев толстопленочной ГИС следующая: формирование проводников, контактных площадок и нижних обкладок конденсаторов; формирование слоя диэлектрика; формирование верхних обкладок конденсаторов; формирование резисторов.

Исходными данными для конструирования пленочного резистора являются: номинал резистора R , Ом ; допуск на номинал (точность) , % ; мощность рассеяния Р , мВт. Процесс конструирования пленочного резистора включает выбор его формы, материала и расчет его геометрических размеров с учетом конструктивно-технологических ограничений. Наиболее предпочтительна прямоугольная форма резистора (рис.4.36, а,б,в), где и - длина и ширина резистора;- величина перекрытия контактного перехода. Высокоомные резисторы, у которых, выполняются в виде меандра с контактными площадками (рис.4.36,г) или регулярного меандра (рис.4.36,д). Низкоомные резисторы изготавливают в виде замкнутого контура (рис.4.36,е).

Расчет геометрических размеров резистора проводится в следующей последовательности.

1. Определяют оптимальное с точки зрения минимума площади под резисторами ГИС сопротивление квадрата резистивной пленки

,

где : - число резисторов;- номинал-го резистора.

2. По табл.4.39 выбирают материал резистивной пленки с удельным сопротивлением, ближайшим по значению к вычисленному . При этом необходимо, чтобыTKС материала был минимальным, а удельная мощность рассеяния - максимальная.

3. Производят проверку правильности выбранного материала с точки зрения точности изготовления резистора.

Полная относительная погрешность изготовления пленочного резистора

состоит из суммы погрешностей

где - погрешность коэффициента формы; - погрешность воспроизведения величины резистивной пленки; - температурная погрешность; - погрешность переходных сопротивлений контактов; - погрешность, обусловленная старением пленки.

Погрешность коэффициента формы зависит от погрешностей геометрических размеров резистора - длиныи ширины

Погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления зависит от условий напыления и материала резистивной пленки. В условиях серийного производства ее значение не превышает 5%.

Температурная погрешность зависит от ТКС материала пленки

где - температурный коэффициент сопротивления материала пленки 1/°С.Погрешность , обусловленная старением пленки, вызвана медленным изменением структуры пленки во времени и ее окисления. Она зависит от материала пленки и эффективности защиты, а также от условий

хранения и эксплуатации. Обычно для ГИС не превышает 3%.

Погрешность переходных сопротивления контактов зависит от технологических условий напыления пленок, удельного сопротивления резистивной пленки и геометрических размеров контактного перехода. Обычно = 1 - 2 %. Если материал контактных площадок выбран в соответствии с табл.4.38, то этой погрешностью можно пренебречь.

Допустимая погрешность коэффициента формы

Если значение отрицательно, то изготовление резистора заданной точности из выбранного материала невозможно. В этом случае необходимо выбрать другой материал с меньшим ТКС либо использовать подгонку резисторов, если позволяет технологическое оборудование.

4. Определяют конструкцию резисторов по значение коэффициента формы

Из экономии площади стараются избегать значений более 50 и менее 0,1.

При рекомендуется конструировать резистор прямоугольной формы (см. рис.4.36,а,б), при - резистор типа меандр (см. рис.4.36, г,д), при - резистор замк­нутой формы (см. рис.4.36,е) или как исключение прямоугольной формы (рис. 4.36,в).

Рис. 4.36. Конструкции пленочных резисторов

Если в одной схеме содержатся низкоомные и высокоомные резисторы, можно использовать два и более резистивных материала. Однако следует помнить, что чем больше слоев, тем сложнее технологический процесс ее изготовления.

5. Дальнейший расчет проводят в зависимости от формы резисторов.

Расчет резисторов прямоугольной формы. Сначала определяет

ширину резистора из выражения

где - минимальная ширина резистора, определяемая воз­можностями технологического процесса; - ширина резистора, определяемая точностью изготовления

( - погрешности изготовления ширины и длины резистора, зависящие от метода изготовления; для масочного метода - + 0,01мм, для фотолитографии - + 0,005мм, для трафаретной печати + 0,1 мм);

• минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная мощность

За ширину резистора принимают ближайшее значение к кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии. Основным является шаг координатной сетки 0,1 мм, допускается - 0,05. 0,025 и 0,01мм.

Определяют длину резистора

Длину резистора также округляют до значения , кратного шагу координатной сетки.

При этом следует оценить получающуюся погрешность и при необходимости выбрать большее значение ширины резистора, при котором округление дает приемлемую погрешность.

Площадь резистора равна

Для резисторов, имеющих (см. рис.4.36,в), расчетные соотношения аналогичны, только сначала определяют длину, а затем ширину резистора:

Для проверки находят действительную удельную мощность и погрешность резистора. Очевидно, что резистор спроектирован удовлетворительно, если:

-удельная мощность рассеяния не превышает допустимого значения

- погрешность коэффициента формы не превышает допустимого значения

- суммарная погрешность не превышает допуска

Расчет резистора типа "меандр". Расчет проводят из условия минимальной занимаемой площади после определения ширины резистора в следующей последовательности.

Определяют ширину средней линий "меандра"

Задают расстояние между резистивными полосками с учетом технологических ограничений: при масочном методе мкм, при фотолитографии мкм (обычно выбирают ).

Определяют шаг звена "меандр''

Определяют оптимальное число звеньев "меандра"

Величину округляют до ближайшего целого - .

Определяют длину "меандра"

и ширину

Расчет резистора замкнутой формы. Сначала определяют ширину внутренней контактной площадки. Расчетное значение ширины внутрен­ней контактной площадки должно быть не менее наибольшего значения одной из трех величин

где - ширина внутренней контактной площадки резистора, определяемая заданной точностью изготовления

- минимальный размер ширины внутренней контактной площадки, определяемый из условий рассеиваемой мощности по формуле

Исходя из заданных значений и по номограмме (рис. 4.37) определяют отношение , из которого определяют расстояние между контактными площадками . Длина резистора должна удовлетворять соотношению , где - минимальная длина резистора в зависимости от технологического метода изготовления. Для масочного метода = 300 мкм, для метода фотолитографии = 100 мкм.

Рис. 4.37. Номограмма для определения параметров резистора

Расчет дискретно-подгоняемого резистора. Для резисторов повышенной точности (единицы процента), а также в тех случаях.) когда заданную точность резистора невозможно обеспечить за счет его ширины (меньше 0,1 или даже отрицательна), используются конструкции, которые позволяют обеспечивать их дискретную или плавную подгонку. Наибольшее распространение для дискретно-подго­няемых резисторов получила подгонка с переменным шагом (рис. 4.38).

Расчет дискретно-подгоняемого резистора проводят в следующем порядке.

Определяют сопротивление основной части резистора

где - относительная погрешность изготовления резистора без подгонки.

Определяют геометрические размеры основной части резистора и и по формулам расчета резистора прямоугольной формы, исходя из величины без учета .

Определяют число подстроечных секций по формуле

Найденное, значение округляют до ближайшего целого. Определяют геометрические размеры подгоняемой части резистора.

Определяют длину наименьшей секции

Рис. 4.38. Дискретно-подгоняемый резистор

где - сопротивление наименьшей секции.

За длину секции принимают ближайшее значение, кратное шагу координатной сетки. Проверяют соотношение . При

невыполнении условия за принимаюти определяют ширину резистивной полоски секции

Определяют ширину перемычки , стремясь получить минимальное переходное сопротивление пары перемычка-резистивная пленка

где - технологический запас на перекрытие (принимают 100 мкм); - минимальная ширина перемычки.

Определяют длину подгоняемой части резистора по формуле

Определяет ширину подгоняемой части резистора

где

Расчет резисторов_с плавной подгонкой. Такие резисторы конструируются, когда требуется более высокая точность изготовления (порядка десятых долей процента), а также практически все толстопленочные резисторы, у которых из-за особенностей толстопленочной технологии отклонение от номинала в условиях массового производства может достигать 50%. Подгонка таких резисторов обычно производится изменением их конфигурации с помощью лазерного луча (рис. 4.39).

Расчет резистора на точность в этом случае не производится и ширина резистора выбирается из условия