Пленочные резисторы
Конструкция пленочных резисторов должна учитывать особенности топологической структуры функционального пленочного узла (размеры подложки, количество и расположение выводов и т.д.), величину номинала, характеристики используемых материалов, технологию производства, требуемую и возможную точность воспроизведения номинала, условия эксплуатации микросхем.
На рисунке представлена конструкция тонкопленочного резистора.
Введем конструктивные размеры резисторов: l – длина, b – ширина, d – толщина, δ – величина перекрытия пленочных слоев, которая, в свою очередь, зависит от технологии изготовления (в работе примем δ=0,2 мм).
Тогда сопротивление резистора равно
Так как материал одновременно напыляемых резисторов и время напыления одинаковы (толщина пленки), для упрощения расчетов обозначим
и назовем этот параметр удельным поверхностным сопротивлением пленочного резистора.
Введем понятие коэффициента формы пленочного резистора kф
Тогда, с учетом введенных обозначений, формулу сопротивления пленочного резистора запишем в виде
Отсюда следует
Если резистор квадратной формы, то kф = l и R = ρ□. Таким образом получается, что размерность ρ□ есть [Ом] или [Ом/□, читается «Ом на квадрат»]. Последнее выражение размерности показывает, что ρ□ численно равно сопротивлению резистора квадратной формы и не зависит от размера квадрата.
Основными электрическими параметрами пленочного резистора являются: R, ρ□, kф, ∆R.
Важными параметрами являются также максимальная удельная мощность рассеяния W₀ – это максимальная мощность, которую может рассеять резистор размером 1×1см² , не разрушаясь и W – это максимальная мощность которую может рассеять резистор, оставаясь в пределах ∆R.
Электрические характеристики и величины номинала зависят от конструкции резистора, материала подложки, резистивной пленки и контактных площадок, а также в сильной степени от технологии изготовления
При получении тонких пленок тугоплавких металлов, сплавов и окислов используются такие способы как катодное ионно-плазменное распыление, осаждение из газовой и паровой фазы. Широкий диапазон изменения номиналов резисторов, используемых в пленочных микросхемах, вызывает необходимость применять материалы резистивных пленок с различными удельными поверхностными сопротивлениями, которые могут обеспечить хорошую адгезию к подложке, ТКЛР, близкий к ТКЛР подложки, относительно низкую температуру испарения, высокую температурную и временную стабильность пленочных резисторов, постоянство химического состава (стехиометрию), отсутствие взаимодействия резистивной пленки с подложкой и пленками других материалов таблица «Основные параметры материалов тонкопленочных резисторов».
Каждый резистор кроме резистивной пленки содержит контактные площадки. Конструкция и техпроцесс изготовления контактных площадок должны обеспечивать:
- минимальное переходное сопротивление между резистивными пленками и контактами
- хорошую адгезию контактной площадки к подложке
- равномерное распределение линий тока в контактном переходе
- отсутствие выпрямляющего контакта между материалами резистивной пленки и контактной площадкой
- химическую инертность материалов друг к другу
- хорошие условия для присоединения навесных проводников к тонкой пленке контактной площадки.
Перечисленным требованиям лучше всего удовлетворяют многослойные контактные площадки. В качестве первого слоя, называемого подслоем, способного образовывать прочное сцепление с подложкой и последующими слоями, используются очень тонкие (100 – 200 Ǻ) металлические пленки, чаще всего пленки хрома, нихрома, марганца. Основной слой контактной площадки напыляется из материала с высокой проводимостью (алюминий, медь, золото) на подслой и имеет толщину в несколько тысяч Ангстрем. Выбор подслоя и слоя зависит от используемого материала резистивной пленки.
Пленочные резисторы могут быть разных форм, таких как:
В зависимости от коэффициента формы выбирается сама форма резистора. Так, для резисторов с коэффициентом формы до 10, рекомендуется прямоугольная форма. А для резисторов с коэффициентов больше 10 – меандр или проводящие перемычки.
При условии отрицательного значения погрешности, резисторы необходимо подгонять. Однако, иногда проще выбрать другой материал.
Некоторые конструкции подгоняемых тонкопленочных резисторов приведены на картинке
Подгонка величины сопротивления может производиться либо скачками – путем удаления заранее предусмотренных шунтирующих перемычек из проводящей (а, б) или резистивной (в) пленки, либо плавно – путем постепенного удаления части резистивной пленки. В обоих случаях изменить сопротивление можно лишь в сторону его увеличения.
В настоящее время известны различные способы подгонки сопротивления пленочных резисторов: лучом лазера, иглой микроманипулятора, электрической искрой.