Tecnologia de filme fino de precisão

Este artigo destina-se a ajudar os projetistas de circuitos e engenheiros de componentes a melhorar seu entendimento da tecnologia de filmes finos. Este artigo é um guia para entender o uso da tecnologia de filme fino e os benefícios significativos que ela proporciona em confiabilidade, tamanho e desempenho.

Figura 1: Tecnologias de filmes finos disponíveis na Vishay. (Fonte da imagem: Vishay)

Tipos de filmes

Normalmente os filmes são depositados em uma espessura de aproximadamente 500 Angstroms. Uma seleção de máscaras com uma variação na largura e espaçamento de linha é utilizada para fabricar a faixa de valores ôhmicos. A resistividade da folha também pode variar de 50 ohms por quadrado a 2000 ohms por quadrado. Cada filme tem uma finalidade específica. Como regra geral, quanto menor a resistividade da folha, melhor será o desempenho elétrico geral. A Vishay é o único fornecedor e fabricante de todos os tipos de filmes.

Nicromo (NiCr) - O mais popular dos filmes tem as melhores especificações elétricas em termos de TCR absoluto. As resistividades de folha comuns são 50, 100 e 200 ohms por quadrado.

Tamelox - Uma liga patenteada de filme fino Vishay; combina as vantagens do Nicromo e Nitreto de Tântalo que melhora a linearidade do TCR.

Nitreto de Tântalo (TaN2) - Quando depositado e processado corretamente, produz uma liga que é impermeável à umidade. O desempenho elétrico não é tão bom quanto o do Nicromo. Utilizado em aplicações onde os resistores apresentam baixa potência (< 20%), sem auto-aquecimento e alta umidade relativa (80%).

Silício-Cromo (SiCr) - Este material tem uma resistividade de folha muito alta (2000-3000) e é usado para produzir altas resistências em uma área pequena. Especificações elétricas tais como rastreamento de TCR absoluto, estabilidade a longo prazo e coeficientes de tensão superiores à tecnologia de filme espesso.

Passivação - Os Métodos Especiais de Passivação (SPM) agora permitem um controle de passivação melhorado sob condições ambientais severas (Nota Técnica de Referência SPM).

Construção integrada de filmes finos

Um circuito integrado é um agrupamento de elementos que são formados e interligados em um substrato comum para formar uma rede funcional. Uma rede integrada de resistores é igualmente definida como um agrupamento de elementos resistivos formados e interligados em um substrato comum. Como na fabricação de semicondutores, os elementos são produzidos por deposição ou reação com o substrato, e os padrões são produzidos por imagens fotolitográficas, seguidos pela remoção seletiva de materiais indesejados. Os resistores em uma determinada rede, sendo bastante pequenos e próximos, são expostos a condições quase idênticas durante o processamento. Da mesma forma, cada rede na pastilha ou no substrato está exposta virtualmente às mesmas condições. Como várias pastilhas são processadas juntas, ao mesmo tempo, e no mesmo equipamento, a uniformidade é conferida ao lote inteiro — a centenas ou milhares de unidades individuais. Um benefício adicional da construção integrada é a integridade das interconexões, que são intrinsecamente mais confiáveis do que as conexões individuais entre componentes discretos.

Figura 2: Pastilha de alumina de alta pureza mostrando uma construção integrada do filme fino. (Fonte da imagem: Vishay)

Vantagens da construção integrada de filme fino

• Combinação extremamente próxima de todos os elementos em uma rede, garantindo um rastreamento próximo ao longo da temperatura e da vida
• Redes muito pequenas, de alta densidade e multielementos que poupam os bens das placas de circuito impresso
• Construção hermética prática em uma variedade de formatos contemporâneos padrões
• Características repetíveis e consistentes, parte a parte e lote a lote
• Indutância muito baixa
• Confiabilidade excepcional — menos interconexões individuais
• Sem efeitos termoelétricos
• Custos instalados não mais do que componentes discretos — muitas vezes menos

Confiabilidade da interconexão

Estudos de confiabilidade realizados pelos militares e outras agências mostraram que — tudo mais sendo igual — a confiabilidade de uma montagem é diretamente proporcional ao número de "interconexões feitas pelo homem". É por isso que o circuito integrado é mais confiável que um conjunto de transistores discretos, e o mesmo se aplica a uma rede de resistores integrados versus discretos. Isto é às vezes referido como "confiabilidade inerente".

Faixa de resistência

A tecnologia de filme fino emprega padrões fotolitográficos de precisão para dar ao projetista uma ampla gama de valores de resistência na menor área possível. Isto proporciona a opção de minimizar o tamanho do componente ou aumentar o número de elementos resistivos no mesmo espaço. A resistência total equivalente em uma determinada área é ditada principalmente pela resistência de folha do material do filme e do padrão. Em projetos reais, entretanto, a área máxima utilizada é reduzida devido ao espaço necessário para os eletrodos terminais, condutores internos, características especiais de ajuste fino e restrições de pinagem.

Os materiais resistivos de filme fino cobrem uma faixa normal de resistência de folha de 50 a 2000 ohms/quadrado, que resulta em uma faixa de resistência disponível para resistores individuais de alguns ohms a vários mega-ohms. A mais alta precisão é normalmente encontrada na faixa de 250 ohms a 100 kohms.

Figura 3: A faixa de resistência é determinada principalmente pela geometria do padrão sobre a folha da pastilha. (Fonte da imagem: Vishay)

Resistência muito baixa

Quando elementos de baixa resistência são incorporados em redes de precisão, as pequenas mas inevitáveis resistências dos terminais e padrões condutores no chip e no invólucro devem ser levadas em consideração. Estes efeitos dos terminais condutores podem ser minimizados, mas não completamente eliminados, através do projeto, processamento, seleção do invólucro e montagem adequados. Entretanto, deve ser dada atenção especial ao estabelecimento de especificações, particularmente no que diz respeito às tolerâncias realistas de resistência e rastreamento, e ao método de sua medição.

Figura 4: A resistência interna do terminal pode ter um grande efeito sobre os valores de resistência total. (Fonte da imagem: Vishay)

Tolerância da resistência

Os modernos sistemas a laser são capazes de ajustar os resistores a tolerâncias muito próximas, seja de forma absoluta ou relativa: 0,01% e 0,005% respectivamente. Além disso, o fabricante responsável irá realmente "guardar" a faixa de ajuste para que a especificação interna seja mais próxima do que a especificação de liberação.

Quanto mais próxima a tolerância necessária, mais cuidadosamente o resistor deve ser projetado para alcançar uma distribuição próxima, bem dentro dos limites de tolerância, e com uma velocidade de ajuste fino econômica. Uma das maneiras de se conseguir isso é fornecendo geometrias especiais de ajuste fino. Estas características reduzem a sensibilidade do resistor à quantidade de material a ser removida pelo laser, permitindo a obtenção de níveis sucessivamente maiores de precisão. Estas características utilizam uma área de substrato adicional, o que às vezes exige compensações entre custo e desempenho. Uma das características que distinguem a moderna tecnologia de filme fino para uso em redes de precisão é a estabilidade elétrica e mecânica dos filmes. Isto é importante porque os resistores ajustados à laser com valores próximos devem suportar as condições às vezes estressantes da montagem sem desvios significativos. Isto novamente enfatiza as vantagens inerentes da construção integrada sobre os resistores discretos individuais, já que quaisquer mudanças que ocorram serão comuns a todos os resistores da rede, preservando assim as relações de forma precisa conforme ajustadas.

Figura 5: Requisitos de tolerância mais próximos podem resultar na utilização de uma área adicional. (Fonte da imagem: Vishay)

Coeficiente de temperatura da resistência (TCR)

O coeficiente de temperatura da resistência é a medida da mudança de resistência em função da temperatura ambiente. É definido como a mudança unitária de resistência por unidade de mudança de temperatura e é comumente expresso como partes por milhão por grau centigrado (ppm/°C). É a propriedade pela qual os resistores são mais frequentemente caracterizados ou diferenciados. Historicamente, os resistores discretos, incluindo aqueles feitos de filmes, eram classificados por lotes de acordo com o valor do TCR. O uso relativamente recente da deposição por sputter para controlar a composição do filme, juntamente com as melhorias relacionadas ao processamento, resultou nos chamados produtos de filme fino de "terceira geração" com TCRs consistentemente inferiores a 10 ppm/°C, absoluto.

Figura 6: o Coeficiente de Temperatura da Resistência é uma medida da taxa na qual um resistor varia com o aumento ou diminuição da temperatura. (Fonte da imagem: Vishay)

O TCR é normalmente determinado experimentalmente medindo a resistência a várias temperaturas e calculando a taxa de mudança no intervalo de temperatura apropriado, por exemplo, de +25 °C a +125 °C. Se a resistência muda linearmente com a temperatura, o TCR é uma constante, independentemente do intervalo de temperatura. Entretanto, quando não é linear, como é o caso das ligas de níquel/cromo comumente usadas, o TCR é expresso como a inclinação da linha que liga dois pontos na curva de resistência versus temperatura, por exemplo, +25 °C e +125 °C. Em outras palavras, é o TCR médio durante o intervalo. Quanto mais não-linear for a relação, pior será a aproximação da média.

É absolutamente crucial na especificação do TCR que o intervalo de temperatura também seja claramente especificado.

O procedimento descrito no Método 304 MIL-STD-202 é frequentemente referenciado como uma norma para a medição do TCR. Neste método, os TCRs médios são calculados para uma série de intervalos entre +25 °C e -55 °C e entre +25 °C e +125 °C. O valor mais alto é registrado como o TCR. Isto reflete toda a gama operacional militar, mas pode resultar em superdimensionamento da especificação para componentes com um intervalo de temperatura operacional diferente ou mais estreito.

Figura 7: Exemplos de TCRs para diferentes inclinações resultantes. (Fonte da imagem: Vishay)

Através da compreensão dos efeitos da composição da liga e da capacidade de controlar cuidadosamente o processamento, é possível "costurar" a curva de resistência versus temperatura para produzir TCRs que são a) negativos em toda a faixa, b) positivos em toda a faixa, ou c) negativos na extremidade baixa, positivos na extremidade alta, com um setor "TCR zero" relativamente plano em uma faixa sobre a temperatura ambiente. Isto pode ser usado para aproveitar os equipamentos que operam nas proximidades da temperatura ambiente ou que requerem compensação de temperatura.

Rastreamento

A maioria das aplicações nas quais são empregadas redes de filmes finos de precisão depende da obtenção e manutenção de valores próximos de resistência relativa. Assim, as mudanças relativas na resistência dentro de uma rede, chamada de "rastreamento", são muito importantes. As redes de filmes finos são excelentes no rastreamento. Há vários aspectos diferentes de rastreamento que são importantes para entender e diferenciar.

Rastreamento de TCR - O rastreamento de TCR é definido como a diferença entre os TCRs de um par de resistores em um dado intervalo de temperatura. Conseguir um rastreamento próximo de TCR em resistores discretos é difícil e coloca cargas severas sobre o processo de fabricação para produzir até um limite de TCR absoluto muito próximo. Em contraste, a construção integrada de redes de filmes finos assegura um rastreamento de TCR extremamente próximo, pois os resistores são produzidos como um grupo sob condições de processo quase idênticas. Além disso, os resistores são pequenos e estão muito próximos na superfície de um substrato comum de alta condutividade térmica, o que os mantém à mesma temperatura ou perto dela em operação.

Entretanto, podem ocorrer variações de processo e material que produzem pequenas mas mensuráveis diferenças nos TCRs dos resistores vizinhos sobre a mesma pastilha. As variáveis de processo que podem afetar isto incluem deposição de filme não uniforme, defeitos no substrato, gradientes térmicos durante o recozimento e tensões não uniformes. O design também pode ter um papel importante. Entretanto, empregando controles de processo, equipamentos de medição e técnicas de última geração, o rastreamento de TCR pode ser controlado até alguns décimos de uma parte por milhão, por grau, dada a configuração adequada do circuito, do chip e invólucro.

Um fator que faz com que o rastreamento de TCR aparente seja maior do que o "verdadeiro" rastreamento é a presença de um terminal de derivação comum com uma resistência mensurável (r).

onde o TCR (r) é o TCR do material de terminal condutor comum, tipicamente metálico. Por exemplo: um resistor de 1 kOhm com um TCR de 8,9 ppm/°C conectado a um resistor de 2 kOhm com um TCR de 8,5 ppm/°C e um terminal de saída compartilhado de resistência 0,1 ohm com TCR (r) de 4000 ppm/°C exibirá um rastreamento de TCR.

A contribuição extra do terminal comum (0,2 no caso acima) desaparece caso as relações críticas sejam especificadas e medidas de acordo com a divisão de tensão e não com a relação de resistência.

Figura 8: Exemplos de distribuições de rastreamento para resistores bem e pouco espaçados. (Fonte da imagem: Vishay)

Figura 9: Regra básica para rastrear redes integradas versus resistores discretos. (Fonte da imagem: Vishay)

Rastreamento de resistência sob chaveamento de potência

Alguns circuitos operam em um modo em que a corrente é desligada e ligada em um resistor, que é combinado com um resistor de referência que carrega uma corrente constante. Neste caso, mesmo que os resistores possam ter TCRs idênticos e o substrato possa estar a uma temperatura ambiente uniforme, as resistências terão valores diferentes como resultado do auto-aquecimento. (A rigor, isto não é um verdadeiro requisito de "rastreamento" na medida em que os resistores de interesse estão sujeitos a diferentes fadigas). Esta diferença será regida pelos TCRs absolutos dos dois resistores. Nestas aplicações, que não são incomuns, os resistores devem ter um TCR tão baixo quanto possível na região da temperatura de operação, e eles devem ser projetados o mais próximo possível para minimizar as diferenças de temperatura entre eles.

Figura 10: Exemplo da geração desigual de potência em resistores combinados. (Fonte da imagem: Vishay)

Relações de tensão

Os resistores são frequentemente empregados como divisores de tensão. Neste caso, e onde tolerâncias precisas estão envolvidas, é mais apropriado lidar com relações de tensão do que com relações de resistência. Há três aspectos importantes das relações de tensão que devem ser entendidos em comparação com as relações de resistência. Elas são a própria relação de tensão, a tolerância da relação de tensão e o rastreamento da relação de tensão.

Figura 11: As relações de tensão são independentes da resistência do terminal comum. (Fonte da imagem: Vishay)

O ideal é que a queda de tensão através de um par de resistores seja determinada pela relação dos valores de resistência: R1/(R1 + R2). Quando os valores de resistência não são iguais, a relação de tensão será diferente da calculada a partir dos valores de resistência aparente (medida) por uma quantidade que é governada pela resistência do terminal condutor comum. Este desvio pode ser bastante significativo, especialmente com resistores de baixo valor.

Para um resistor de 10 kOhm em série com um resistor de 1 kOhm, tendo um terminal de "derivação" comum com 100 miliohms de resistência, as duas relações serão diferentes em 75 ppm:

Para um resistor de 1 kOhm em série com um resistor de 100 ohm, uma resistência de derivação de 100 miliohms produzirá uma diferença nas respectivas relações de mais de 800 ppm.

Isto ilustra a importância de especificar o parâmetro de operação adequado.

Figura 12: Tolerância da relação de tensão e equações de rastreamento da relação de tensão. (Fonte da imagem: Vishay)

Entretanto, quando a resistência do terminal comum (r) for mensurável, o rastreamento de TCR aparente será maior que o "verdadeiro", como mostrado anteriormente, e o rastreamento da relação de tensão será menor. O rastreamento da relação de tensão é sempre menor (melhor) do que o rastreamento de TCR.

Estabilidade

Os efeitos descritos nas seções anteriores são reversíveis: as mudanças não são permanentes e desaparecerão quando a temperatura voltar ao ponto de partida. Há, no entanto, efeitos irreversíveis. Como discutido anteriormente, a maioria das redes de resistores de precisão são usadas em um modo de proporção. Foram ajustadas a tolerâncias próximas e cuidadosamente projetadas para seguir dentro dessas tolerâncias iniciais restritas no que diz respeito a relações de resistência ou tensão. Mas isto não tem sentido, a menos que estas tolerâncias possam ser preservadas durante toda a vida útil da rede. Isto requer a máxima estabilidade do filme. Notavelmente, os recentes avanços em materiais e processos resultaram na melhoria da estabilidade de filmes finos para níveis sem precedentes, aproximando-se daqueles anteriormente obtidos apenas com resistores de folha.

Testes extensivos de estabilidade a longo prazo das ligas de níquel/cromo mostraram conclusivamente que a taxa de mudança de resistência com o tempo é uma função com valor único da temperatura do substrato. Esta é uma forma matemática de afirmar que a temperatura é a única variável — seja ela induzida pela carga de energia ou simplesmente pelo ambiente. Além disso, foi determinado experimentalmente que a estabilidade medida a uma temperatura mais alta pode ser extrapolada com confiança para temperaturas mais baixas e tempos mais longos de acordo com as equações cinéticas clássicas.

É útil pensar nas mudanças permanentes em um par de resistores combinados como "rastreamento de estabilidade" Em contraste com o rastreamento de TCR, onde o rastreamento próximo é independente do TCR absoluto, o rastreamento de estabilidade depende de certa forma da estabilidade absoluta. Quanto mais estável um par de resistores, menos eles mudarão em valor absoluto e em relação um ao outro. Aqui novamente, as vantagens da construção integrada são evidentes: todos os resistores na rede tendem a ter mudanças semelhantes durante a vida útil, e as relações de resistência mudam muito menos do que valores absolutos.

Figura 13: A estabilidade é afetada pela idade dos componentes. (Fonte da imagem: Vishay)

Dimensionamento de potência

Como as redes de filme fino de precisão não são geralmente utilizadas em aplicações de alta potência, os métodos para estabelecer a potência máxima não são tão críticos como nas redes de uso geral. Entretanto, os limites devem ser estabelecidos e a melhor maneira de fazê-lo é estabelecendo limites superiores de temperatura.

Temperatura de potência zero (às vezes chamada de temperatura máxima de operação) é a temperatura máxima na qual a peça pode ser operada, por um tempo especificado (geralmente 1000 horas), sem variação excessiva (geralmente definida em relação à tolerância inicial), expressa em porcentagem. Para uma rede de filme fino necessária para manter uma tolerância de 0,1%, esta temperatura de potência zero seria de +150 °C. A esta temperatura, um resistor pode apresentar uma variação na ordem de 500 ppm absolutos ou 100 ppm em relação a outros em uma rede. Se a tolerância máxima inicial requerida fosse de 0,01%, uma temperatura de potência zero mais apropriada seria de +125 °C. Estes níveis são para peças hermeticamente fechadas. Se fosse com invólucros não-herméticos, as peças receberiam um dimensionamento de temperatura mais baixa.

Figura 14: Curva típica de degradação de potência. (Fonte da imagem: Vishay)

Dimensionamento de potência máxima - A potência dimensionada é geralmente aceita como aquela potência que é necessária para elevar a temperatura da superfície de uma peça acima de alguma temperatura ambiente, geralmente +70 °C, até a temperatura de potência zero. Isto é expresso em watts de potência máxima. Uma curva de degradação de potência é usada para determinar os limites em temperaturas intermediárias.

Deve-se considerar especialmente o dimensionamento de resistores individuais dentro de uma rede, uma vez que a temperatura final da superfície de um resistor individual será muito diferente dependendo se outros resistores da rede estão sob energia. Embora seja difícil de generalizar, o projeto adequado da rede será responsável por essas variações potenciais através de arranjos que forneçam densidade de energia uniforme.

Como indicado acima, embora os níveis de potência em redes de precisão com tolerâncias mais próximas sejam geralmente mais baixos, porque as dimensões do chip são pequenas, a densidade de potência pode ser alta. Um nível de projeto típico é de 3,9 W/cm² para redes muito precisas, mas os filmes finos são capazes de manter níveis notavelmente altos de densidade de potência — até 31 W/cm² — sem comprometer sua integridade. Como consideração final, deve-se lembrar o fato de que os invólucros variam muito na resistência térmica.

Coeficiente de tensão de resistência e ruído de corrente

Estas duas características, que podem ser um sério inconveniente em resistores feitos de materiais compostos, como cermets ou polímeros, podem ser geralmente ignoradas com redes de filme fino de precisão, porque as magnitudes são muito pequenas. Esta é uma das principais vantagens dos materiais de filme fino monolítico.

O coeficiente de tensão de resistência é a unidade de mudança de resistência por unidade de mudança de tensão expressa em ppm/volt. É uma medida do comportamento não ôhmico, e em filmes finos, atinge níveis identificáveis apenas na faixa de mega-ohm, onde foi medido a cerca de 0,1 ppm/V.

O ruído de corrente é caracterizado e medido usando um instrumento padrão desenvolvido pela Quantek Company. Para filmes finos, um valor típico seria inferior a - 35 dB.

Efeitos termoelétricos

As tensões termoelétricas podem ser geradas se as terminações dos resistores estiverem em temperaturas diferentes. Isto pode ser um problema significativo com resistores discretos, onde podem existir gradientes térmicos sobre dimensões relativamente grandes. Em redes de filme fino, todos os resistores estão à mesma temperatura ou próximas dela, como resultado de seu pequeno tamanho e dos efeitos de espalhamento de calor do substrato termicamente condutor. Os efeitos termoelétricos em filmes finos são tipicamente < 0,1 µV/°C.

Resposta de frequência dos resistores

Para frequências superiores a 100 MHz, a maioria dos resistores precisa ser considerada em termos de um circuito equivalente com indutância e capacitância parasitária, ver Figura 15. Uma resposta de impedância típica é mostrada na Figura 16. A resposta de impedância depende do tamanho do resistor, do método de ajuste fino, do valor da peça e do estilo de terminação.

Figura 15: A maioria dos resistores precisa ser considerada em termos de um circuito equivalente com indutância e capacitância parasitárias para frequências superiores a 100 MHz. (Fonte da imagem: Vishay)

Figura 16: Resposta de impedância interna típica para um resistor flip chip 0402 com ajuste fino de detecção de borda. (Fonte da imagem: Vishay)

A consideração do tamanho é de importância significativa para a redução da impedância parasitária. Quanto menor o tamanho, mais perto a peça se aproxima de um resistor ideal. Os estilos de ajuste fino também são importantes.

Os resistores de filme fino podem ser ajustados com vários designs geométricos, ver figura 17. Ao manter um design retangular centrado (equilibrado) entre os eletrodos de contato versus outros estilos como serpentina ou ajuste em L, o desempenho do dispositivo pode ser melhorado.

Figura 17: Os resistores de filme fino podem ser ajustados com vários designs geométricos. (Fonte da imagem: Vishay)

Veja os links abaixo para os resistores de filme fino Vishay

Rede com terminais

• Série MP
• Série MPM
• Série OSOP
• Série VSSR
• Série ORN
• Série NOMC
• Série VSOR
• Série CSO

Chips de montagem em superfície

• Série M55342
• Série PTN
• Série FC
• Série M

Furo passante

• Série TSP
• Série VTF
• Série HD