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精密薄膜技术
2021-08-24
本文旨在帮助电路设计者和元器件工程师提高对薄膜技术的理解。本文将介绍薄膜技术的使用及其在可靠性、尺寸和性能方面的显著优势。
图 1：Vishay 可提供薄膜技术。（图片来源：Vishay）
薄膜类型
通常情况下，溅射薄膜厚度大约 500 埃。采用线宽和线间距不同的各种掩膜制造出一系列电阻值。片材的电阻率也可在每平方 50 Ω 到每平方 2000 Ω 之间变化。每种薄膜都有特定的用途。一般来说，片材的电阻率越低，其整体电气性能就越好。Vishay 是所有类型薄膜产品领域的唯一供应商和制造商。
镍铬 (NiCr)——最受欢迎的薄膜在绝对 TCR 方面具有最好的电气规格。常见的片材电阻率为每平方 50、100 和 200 Ω。
Tamelox——Vishay 薄膜采用的专有合金；结合了镍铬和氮化钽的优点，提高了 TCR 的线性度。
氮化钽 (TaN2)——当沉积和加工方法正确时，会产生一种不受潮的合金。电气性能不如镍铬合金。用于电阻器功耗低 (<20%)、无自热且相对湿度高 (80%) 的应用中。
硅铬 (SiCr)——这种材料具有非常高的片材电阻率 (2000 - 3000)，用于在小面积内产生高电阻。诸如绝对 TCR 跟踪，长期稳定性以及电压系数等电气规格均优于厚膜技术。
钝化——SPM（特殊钝化方法）现可在恶劣的环境条件下增强钝化控制（参考 SPM 技术说明）。
薄膜的集成结构
集成电路是一组元件。这组元件在一个共同基底上形成并互连，从而形成一个功能性网络。集成电阻网络同样被定义为在共同基底上形成并互连的阻性元件组合。如同在半导体制造中，通过在基底上沉积或与基底反应形成元件，利用光刻成像产生图案，然后有选择地去除不需要的材料。对于给定网络中的电阻，由于各个电阻相当小且彼此接近，在加工过程中暴露在几乎相同的条件下。同样，晶圆或基底上的每个网络都暴露在几乎相同的条件下。由于几个晶圆在同一时间、同一设备中一起加工，使得整个批次中的几百或几千个独立单元实现了均匀性。集成结构的另一个优势在于互连完整性，其本身就比分立元件之间的单独连接更可靠。
图 2：说明薄膜集成结构的高纯度氧化铝晶圆。（图片来源：Vishay）
薄膜集成结构的优势
- 网络中所有元件具有极高的匹配度，确保了在温度和整个生命周期可以内密切跟踪
- 非常小的高密度、多元件网络可以节省印刷电路板空间
- 在各种标准的当代格式中，密封结构是一种实用结构
- 部件与部件之间和批次与批次之间具有一致的可重复特性
- 超低电感
- 出色的可靠性——几乎没有单独互连
- 无热电效应
- 安装成本低于分立式器件——通常会更低
互连可靠性
军方和其他机构的可靠性研究表明，在所有其他条件都相同的情况下，组件的可靠性与 “人为互连”的数量成正比。这就是为什么集成电路比分立晶体管的组装更可靠，同样也适用于集成电阻网络和分立器件之间的对比。这种特性有时被称为“固有可靠性”。
电阻范围
薄膜技术采用了光刻精密图案，让设计者能在尽可能小的面积上获得广泛的电阻值。这样就多了一种选择，即在同一空间内尽量缩小元件尺寸或增加阻性元件的数量。在给定面积内可实现的总电阻主要是由薄膜材料的片状电阻和图案决定的。然而在实际设计中，由于端接焊盘、内部导体、特定修调功能和引脚布局限制需要一定的空间，因此最大利用面积会减少。
薄膜电阻材料涵盖的正常片状电阻范围为 50 至 2000 欧姆/平方，这使得单个电阻器的可用电阻范围为从几欧姆到几兆欧姆。最高的精度通常是在 250 欧姆到 100 千欧姆之间。
图 3：电阻范围主要由晶圆片上的几何图案决定。（图片来源：Vishay）
超低 DC 电阻
当低电阻元件被纳入精密网络时，必须考虑芯片上和封装中的引线和导电图案的电阻，这种电阻虽然小，但不可避免。通过适当的设计、加工、包装选择和装配，可使这些引线效应最小化，但不能完全消除。然而，在制定规格时必须特别注意，尤其涉及到电阻和跟踪的实际公差，以及它们的测量方法时。
图 4：内部引线电阻会对总电阻值产生很大影响。（图片来源：Vishay）
电阻容差
现代激光系统能够在绝对或相对基础上将电阻的紧公差调整至非常接近：分别为 0.01% 和 0.005%。此外，负责任的制造商实际上会在修调时实施“间距保护 (guard band)”，以使内部规格会比发布规格更严格。
要求的公差越严格，就必须更仔细地设计电阻，以实现充分满足公差限值范围要求的紧密分布，并具有成本效益的修调速度。实现这一目标的方法之一是提供特殊的修调几何形状。这些特点降低了电阻对用激光除去的材料数量的敏感度，从而可以连续获得更高的精度水平。这些功能利用了额外的基底面积，这有时需要在成本和性能之间进行权衡。让精密网络中使用的现代薄膜技术独树一帜的特点之一就是其电气和机械稳定性。这点很重要，因为经过紧密修调的电阻有时必须耐受存在应力的装配条件而不发生明显的漂移。这再次强调了集成结构相对于单个分立电阻的固有优势，因为发生的任何变化都将是网络中所有电阻所共有的，从而准确地保持了修调前后的比率。
图 5：更严格的公差会使得可用面积增加。（图片来源：Vishay）
电阻温度系数 (TCR)
电阻温度系数作为环境温度的函数来测量电阻值的变化。该系数被定义为每单位温度变化的单位电阻变化，通常表示为每百万分之一摄氏度 (ppm/℃)。该系数是电阻最常被描述或区分的特性。历史上，包括那些由薄膜制成的电阻器在内的分立电阻器是根据 TCR 值按批次分级的。相对而言，最近使用溅射沉积技术来控制薄膜成分以及加工过程中的相关改进，已经产生了所谓的“第三代”薄膜产品，其 TCR 值始终低于 10ppm/°C（绝对值）。
图 6：电阻温度系数用来测量电阻随温度升高或降低而变化的速率。（图片来源：Vishay）
TCR 通常是通过实验来确定，在几个温度下测量电阻，并计算在适当的温度区间内的变化率，例如 +25℃ 至 +125℃。如果电阻随温度发生线性变化，则 TCR 是一个常数，与温度区间无关。但是，当这一变化非线性关系时，如常用的镍/铬合金，其 TCR 表示为连接电阻与温度曲线上两点的直线斜率，例如 +25°C 和 +125°C。换句话说，该系数是该区间内的平均 TCR。非线性化越严重，平均数的近似度就越差。
在规定 TCR 时，绝对关键的是规定的温度间隔必须明确。
MIL-STD-202 的 304 方法中概述的程序经常作为测量 TCR 的参考标准。在这种方法中，对 +25°C 和 -55°C 之间以及 +25°C 和 +125°C 之间的一系列温度间隔计算平均 TCR。将其中的最高值记为 TCR。这反映了全部的军规工作范围，但它可能会导致具有不同或更窄工作温度区间的组件出现超规格的情况。
图 7：不同斜率的 TCR 示例。（图片来源：Vishay）
通过了解合金成分的影响以及精心控制工艺的能力，就有可能“定制”电阻温度曲线，以产生 TCR：a) 在整个范围内为负，b) 在整个范围内为正，或 c) 在低端为负，高端为正，且在大致室温的范围内有一个相对平坦的“0 TCR”区。对于在室温附近运行的设备或其他需要温度补偿的设备，这是一个优势。
跟踪
采用精密薄膜网络的大多数应用取决于实现和保持相对接近的电阻值。因此，被称作“跟踪”的网络内电阻的相对变化是至关重要的。薄膜网络在跟踪方面表现出色。跟踪包括几个不同的方面，我们必须理解和区分它们，这点很重要。
TCR 跟踪— TCR 跟踪被定义为一对电阻的 TCR 在给定温度区间内的差异。在分立电阻中实现接近的 TCR 跟踪是很困难的，而且为了达到非常接近的绝对 TCR 极限值而进行接近 TCR 跟踪会对制造工艺造成严重的负担。相比之下，薄膜网络的集成结构能够保证极其密切的 TCR 跟踪，因为这些电阻是在几乎相同的工艺条件下作为一个整体生产的。此外，这些电阻不仅体积很小，而且在具有高导热率的共同基底表面上相距很近，这使得其在工作期间保持相同或接近的温度。
然而，工艺和材料可能会发生变化，从而使得同一晶圆上相邻电阻的 TCR 产生微小但可测量的差异。造成该影响的可变工艺因素可能包括非均匀薄膜沉积、基底缺陷、退火期间热不均匀和非均匀应力。设计也是一个影响因素。然而，通过采用最先进的工艺控制、测量设备和技术，在适当的电路和芯片配置以及封装条件下，TCR 跟踪可以控制在每度百万分之一的十分之几以内。
导致表观 TCR 跟踪高于“真实”跟踪的一个原因是，存在一个具有可测量的电阻 (r) 的公共抽头引线。
其中 TCR (r) 是普通引线材料的 TCR，通常是金属。例如：通过一个 TCR 为 8.9ppm/°C 的 1 千欧姆电阻与一个 TCR 为 8.5ppm/°C 的 2 千欧姆电阻和一个 TCR (r) 为 4000ppm/°C 的 0.1 欧姆公用输出引线相连接，来展示 TCR 跟踪。
如果临界比率是根据电压划分而不是电阻比率来指定和测量的，那么引线导线的额外贡献值（上述情况为 0.2）就会消失。
图 8：广义和狭义电阻的跟踪分布示例。（图片来源：Vishay）
图 9：跟踪集成网络与分立电阻的经验法则。（图片来源：Vishay）
电源开关下的电阻跟踪
有些电路的工作模式是电流在一个电阻中切断和接通，该电阻与一个承载恒定电流的参考电阻相匹配。在这种情况下，即使电阻可能具有相同的 TCR 并且基底可能处于统一的环境温度下，但由于自发热现象其电阻值会有所不同。（严格地说，这不是一个真正的“跟踪”要求，因为所讨论的电阻会受到不同的应力影响）。这种差异将由两个电阻的绝对 TCR 来决定。在这些并不罕见的应用中，电阻器在工作温度区域内应具有尽可能低的绝对 TCR，而且电阻器应尽可能设计在一起，以减少它们之间的温差。
图 10：匹配电阻中的不平等发电示例。（图片来源：Vishay）
电压比
电阻经常被用作分压器。在这种情况下，如果涉及到精确公差，则使用电压比来处理比使用电阻比更合适。与电阻比相比，需要了解电压比的三个重要方面。这三个方面是电压比本身、电压比公差和电压比的跟踪。
图 11：电压比与公共引线电阻无关。（图片来源：Vishay）
理想情况下，一对电阻上的电压降是由电阻值的比率决定的：R1/(R1 + R2)。当电阻值不相等时，电压比会与按照表观（测量）电阻值计算出来的电压比存在一定的差异，这个差异由公共引线的电阻决定。这种偏差可能相当大，对于低值电阻来说尤其如此。
当一个 10 千欧电阻和一个 1 千欧电阻串联时，会共用一根“抽头”引线，电阻为 100 毫欧，两个比率将相差 75ppm；
当一个 1 千欧的电阻与一个 100 欧的电阻串联时，一个 100 毫欧的抽头电阻将产生超过 800ppm 的比率差异。
这表明规定适当运行参数的重要性。
图 12：电压比公差和电压比跟踪等式。（图片来源：Vishay）
然而，当公共导线电阻 (r) 可测时，表观 TCR 跟踪要高于“真实”的跟踪，如上所示，电压比跟踪要小。电压比跟踪总是小于（优于） TCR 跟踪。
稳定性
前面几部分描述的影响是可逆的：这些变化非永久性，当温度恢复到起点时，这些变化就会消失。然而，也有不可逆的影响。正如上文所讨论的，大多数精密电阻网络是以其比率模式使用的。这些电阻已修调至紧公差并经过精心设计，可以在这些严格的初始公差范围内针对电阻或者电压比进行跟踪。但这毫无意义，除非这些公差能在电阻网络的整个生命周期内得以保留。这需要尽可能高的薄膜稳定性。值得注意的是，材料和工艺方面的最新发展已使得薄膜稳定性提高到前所未有的水平，已接近以前只能用金属箔获得的效果。
对镍/铬合金进行的广泛的长期稳定性测试已明确表明，电阻随时间的变化率是基底温度的单值函数。这是一种说明温度是唯一变量的数学方法——无论它是由功率负载引起，还是仅仅由环境造成。而且，已通过实验判定，根据经典动力学方程可以有把握地推断出，在较低温度和较长时间条件下也具有较高温度下测得的稳定性。
将一对匹配电阻的永久变化视为“稳定性跟踪”是很有用的。与 TCR 跟踪相比，密切跟踪与绝对 TCR 无关，稳定性跟踪则在一定程度上取决于绝对稳定性。一对电阻越稳定，它们在绝对值和相互关系方面的变化就越小。在这里，集成结构的优势再次凸显：电阻网络中的所有电阻在使用期间往往有类似的变化，电阻率的变化远远小于绝对值。
图 13：部件年限会稳定性。（图片来源：Vishay）
功率等级
由于薄膜精密网络一般不用于高功率应用，因此建立最高额定功率的方法不像通用网络那样关键。然而，必须设定限值，而这种设置最好通过设定温度上限值来实现。
零功率温度（有时称为最高工作温度）是指零件在规定时间内（通常为 1000 小时）运行而不发生过度变化的最高温度（定义时通常涉及初始公差），以百分比表示。对于需要保持 0.1% 容差的薄膜网络，零功率温度将是 +150°C。在该温度下，电阻可能表现出 500ppm 绝对值或 100ppm 相对于网络中其他电阻的变化。如果要求的最大初始公差是 0.01%，那么更合适的零功率温度是 +125℃。这种水平适用于密封性好的零件。如果采用非封闭式封装，会为零件指定较低温度等级。
图 14：典型功率降额曲线。（图片来源：Vishay）
额定功率— 额定功率通常被认为是将零件的表面温度从某个环境温度（通常是+70℃）提高到零功率温度所需的功率。这种功率用“瓦特全功率”表示。使用功率降额曲线来确定中间温度下的限值。
必须特别考虑网络内单个电阻的额定值，因为单个电阻的最终表面温度会因网络中的其他电阻是否处于供电状态而有很大差异。虽然很难将其一般化，但适当的网络设计将通过具有统一功率密度的布局来考虑这些变化。
如上所述，尽管公差更严格的精密网络的功率水平通常设置得较低，但由于芯片尺寸较小，因此功率密度就可以很高。对于非常精密的网络，典型的设计水平是 25 W/in2，但薄膜能够维持非常高的功率密度水平——高达 200 W/in2，而不损害其完整性。最后，必须考虑封装的热阻差异很大这一事实。
电阻的电压系数和电流噪声
在采用诸如金属陶瓷或聚合物等复合材料制成的电阻器中，这两个特性可能是相当严重的缺点；但对于薄膜精密网络来说，这两种特性一般情况下可以忽略，因为其幅度非常小。这是单晶片式薄膜材料的主要优势之一。
电阻的电压系数是指每单位电压变化的单位电阻变化，用 ppm/V 表示。电阻系数是对非欧姆特性的测量，且在薄膜中，只有在兆欧姆范围内才达到可识别的水平，这种情况下的测量值约 0.1 ppm/V。
使用 Quantek Company 开发的标准仪器对电流噪声进行表征和测量。对于薄膜来说，典型数值将小于 -35 dB。
热电效应
如果电阻的端子处于不同温度下，就可能会产生热电电压。这可能是分立电阻器的一个重要问题，因为在相对较大的尺寸范围内可能存在热梯度。在薄膜网络中，所有电阻的温度相同或接近，这是由于这些电阻体积小和导热基底的热扩散效应的结果。薄膜上的热电效应通常 < 0.1 µV/℃。
电阻的频率响应
对于频率大于 100 兆赫的情况，大多数电阻需要考虑带有寄生电感和寄生电容的等效电路，见图 15。图 16 所示为典型的阻抗响应特性。阻抗响应取决于电阻的尺寸、修调方法、零件值和端子样式。
图 15：对于频率超过 100 兆赫的情况，大多数电阻需要考虑具有寄生电感和寄生电容的等效电路。（图片来源：Vishay）
图 16：具有特殊边缘感测修调的 0402 倒装片式电阻的典型内部阻抗响应。（图片来源：Vishay）
考虑尺寸对减少寄生阻抗具有重要意义。尺寸越小，零件的性能就越接近理想电阻。修调样式也很重要。
薄膜电阻可以采用各种几何设计进行修调，见图 17。通过保持触头焊盘之间以矩形设计为中心（平衡），与如蛇形或 L 形修调等其他样式相比，可以提升器件的性能。
图 17：薄膜电阻可以用各种几何设计进行修调。（图片来源：Vishay）
请参阅以下关于 Vishay 薄膜电阻器的链接
引线型网络
表面贴装片式
通孔
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