Конструкции пленочных резисторов

Подложки.

Подложки служат диэлектрическим и механическим основанием для пленочных и навесных элементов, а также теплоотводом. Поэтому к подложкам предъявляются следующие требования:

1. высокий коэффициент теплопроводности;

2. высокая механическая прочность, обеспечивающая целостность подложки, как при производстве, так и при эксплуатации;

3. высокая химическая инертность к реактивам и осаждаемым материалам;

4. стойкость к высоким температурам;

5. способность к хорошей механической обработке.

Для маломощных ГИС в качестве подложки применяются бесщелочные боросиликатные стекла С41-1 и С48-3 и ситаллы. Ситаллы по сравнению со стеклами имеют более высокую теплопроводность и механическую прочность.

Для мощных ГИС применяют керамику (поликор), а для особо мощных бериллиевую керамику.

Подложки должны иметь высокую чистоту поверхности, большая шероховатость приводит к значительному снижению надежности тонкопленочных элементов. Поэтому шероховатость должна отвечать 14 классу.

Керамика имеет значительную шероховатость, что снижает надежность и воспроизводимость пленочных элементов. Поэтому для повышения класса чистоты применяют глазурирование керамики слоем бесщелочного стекла, однако, это приводит к значительному снижению теплопроводности.

Если требуется обеспечить очень хороший теплоотвод, то применяют алюминиевые подложки, покрытые слоем диэлектрика или эмалированные стальные подложки.

Габаритные размеры подложек стандартизованы: 60х48 мм, 100х100мм или 50х50мм. Толщина подложки 0,35…1,6мм. Размеры имеют только минусовые допуски – приблизительно 0,1…0,3мм.

Пленочные резисторы располагаются на поверхности диэлектрической подложки или полупроводникового кристалла, покрытого слоем диэлектрика. Конструктивно они состоят из резистивной пленки, имеющей определенные конфигурацию и контактных площадок. Наиболее распространенными являются следующие конфигурации резисторов.

С учетом требований автоматизации проектирования во всех конфигурациях отсутствуют пересечения не под прямым углом и криволинейные контуры. К пленочным резисторам предъявляются следующие требования:

1. высокая стабильность сопротивления во времени и интервале температур;

2. низкий уровень шумов;

3. малые значения паразитных параметров;

4. требуемая мощность рассеяния;

5. минимальная занимаемая площадь.

Значение сопротивления полоскового резистора определяется как:

,

где - удельное объемное сопротивление;

- переходное сопротивление областей контактов.

В высокоомных резисторах сопротивление контактной области обычно значительно меньше сопротивления резистивного слоя, поэтому:

,

где - удельное поверхностное сопротивление (Ом/), т.е сопротивление квадрата пленки толщиной ;

- коэффициент формы резистора.

Использование понятия удельного поверхностного сопротивление удобно для расчета сопротивления пленочных элементов произвольной формы. Для этого необходимо разбить резистор на квадраты со стороной " b " по всей длине резистора и умножить число квадратов на .

Удельное поверхностное сопротивление тонких пленок =(100 - 100000) Ом/, а =(0,1 - 100). Для высокоомных резисторов необходимы большие значение . Повышение возможно увеличением l и уменьшением b. Значение " b " ограничено минимальными возможностями технологии, требованиями к точности и рассеиваемой мощности. Значение " l " ограничено по максимуму, как возможностями технологии, так и приемлемыми размерами резистора. Например, при применение масок большую роль начинает играть жесткость масок, которая снижается при большой длине полосковых резисторов или при небольшой величине " a " и большой " B " в меандрах.

Размеры контактной области должны выбираться такими, чтобы при наихудших сочетаниях геометрических размеров резистивного слоя и контактных площадок всегда было обеспечено их перекрытие с малым контактным сопротивлением. Особенно это важно в низкоомных резисторах с R<10 Ом

Величина определяется по формуле, полученной в результате анализа электрической модели переходной области контакта в виде структуры с распределенными параметрами и с учетом того, что обычно .

,

где - сопротивление квадрата переходного контактного слоя току, протекающего перпендикулярно его поверхности (= 0,25 Ом*мм²), , l_k – длина области контакта.

При увеличении величина стремиться к единице, следовательно, минимальное значение переходного сопротивления:

.

Если за отсчет взять разброс сопротивления относительно минимума 10%, то можно дать рекомендации по выбору длины области взаимного перекрытия резистивного и проводящего слоев:

Из этого выражения видно, что с повышением удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки длина области контакта уменьшается.

Резисторы обладают следующими характеристиками:

1. Температурный коэффициент сопротивления ТКR – определяется в основном нестабильностью . Коэффициент формы К_ф меняется с температурой мало в силу жесткого сцепления пленки с подложкой, которая имеет малый температурный коэффициент линейного расширения. Таким образом ТКR пленочного резистора: и относительная погрешность сопротивления:

,

где Т_Н - нормальная температура (20 ^оС)

2. Коэффициент старения, определяет временную нестабильность сопротивления. Он также практически определяется коэффициентом старения удельного поверхностного сопротивления:

со временем меняется, вследствие постепенного изменения структуры пленки и ее окисления. С увеличением нагрузки (мощности) и повышением рабочей температуры интенсивность старения материала значительно увеличивается.

3. Нагрузочная способность. Она определяется удельной мощностью рассеивания:

.

Для уменьшения размеров резистора желательно выбирать резистивный материал с большой удельной мощностью рассеивания . Значение ограничено максимальной рабочей температурой резистивной пленки. Для тонкопленочных резисторов =(10 – 30) ^мВт/_мм².

4. Паразитные параметры резистора. Паразитная индуктивность L_R и емкость C_R определяют частотные свойства пленочных резисторов. Паразитная индуктивность резистора определяется по формуле:

.

Влияние индуктивного сопротивления на полное определяется по формуле:

.

Это сопротивление особо сильно проявляется в низкоомных резисторах на достаточно высоких частотах: .

Паразитная емкость пленочного резистора в основном возникает в мете контакта резистивного материала и металла контактной площадки. Наибольшее влияние паразитной емкости на полное сопротивление проявляется в высокоомных резисторах.

Приведенные выше примеры резисторов определяются не только свойствами применяемых резистивных материалов, но и толщиной пленки и условиями ее формирования.

Чем меньше толщина пленок, тем выше , но и, одновременно, повышается и ТКR, а также ухудшаются временные и температурные параметры пленок.

В качестве резистивных пленок используются чистые металлы, сплавы и керметы.

Тугоплавкие металлы (хром, тантал, рений, молибден и вольфрам) позволяют получать высоковоспроизводимые пленки малой толщины с =(50…7000) Ом/. Для повышения температурной и временной стабильности металлических пленок на них напыляют защитный слой окисла кремния. Изменением толщины пленок тантала можно формировать как резисторы, так и коммутационные изделия и обкладки конденсаторов.

Для повышения удельного сопротивления и стабильности резисторов используются многокомпонентные сплавы РС и МЛТ на основе хром – кремния легированных микрокомпозициями других металлов. При сравнительно малом ТКR и высокой стабильности и воспроизводимости можно получить пленки с от 0,05 кОм/ до 50 кОм/.

Керметы представляют собой микрокомпозицию из металла и диэлектрика. Чаще всего используется система хром – моноокись кремния. В зависимости от содержания хрома можно получить пленки с = (100 – 10000) Ом/, обладающие высокой стабильностью. Однако керметовые пленки имеют худшую воспроизводимость и большую ТКR по сравнению с другими материалами.

Дата добавления: 2014-01-11