Tecnología de precisión de capa fina

Este artículo pretende ayudar a los diseñadores de circuitos y a los ingenieros de componentes a mejorar su comprensión de la tecnología de capa fina. El artículo es una guía para entender el uso de la tecnología de capa fina y las importantes ventajas que ofrece en cuanto a fiabilidad, tamaño y rendimiento.

Figura 1: Tecnologías de película fina disponibles en Vishay. (Fuente de la imagen: Vishay)

Tipos de película

Normalmente, las películas se pulverizan en un espesor de aproximadamente 500 Angstroms. Para fabricar la gama de valores óhmicos se utiliza una selección de máscaras con una variación en la anchura y el espaciado de las líneas. La resistividad de la lámina también puede variar entre 50 ohmios por cuadrado y 2000 ohmios por cuadrado. Cada película tiene un propósito específico. Como regla general, cuanto menor sea la resistividad de la lámina, mejor será el rendimiento eléctrico global. Vishay es el único proveedor y fabricante de todos los tipos de película.

Nicromo (NiCr): La más popular de las películas tiene las mejores especificaciones eléctricas en términos de TCR absoluto. Las resistividades comunes de las láminas son de 50, 100 y 200 ohmios por cuadrado.

Tamelox: Una aleación propia de Vishay Thin Film; combina las ventajas del nicromo y del nitruro de tántalo que mejora la linealidad del TCR.

Nitruro de tantalio (TaN2): cuando se deposita y procesa correctamente, produce una aleación que es impermeable a la humedad. El rendimiento eléctrico no es tan bueno como el del nicromo. Se utiliza en aplicaciones en las que las resistencias experimentan una baja potencia (< 20%), no se autocalientan y tienen una alta humedad relativa (80%).

Cromo Silicio (SiCr): este material tiene una resistividad de lámina muy alta (2000-3000) y se utiliza para producir altas resistencias en un área pequeña. Especificaciones eléctricas como seguimiento absoluto del TCR, estabilidad a largo plazo y coeficientes de tensión superiores a la tecnología de película gruesa.

Pasivación: los métodos especiales de pasivación (SPM) permiten ahora mejorar el control de la pasivación en entornos difíciles (véase la nota técnica SPM).

Construcción integrada de película fina

Un circuito integrado es una agrupación de elementos que se forman e interconectan en un sustrato común para formar una red funcional. Una red de resistencias integrada se define de forma similar como una agrupación de elementos resistivos formados e interconectados en un sustrato común. Al igual que en la fabricación de semiconductores, los elementos se producen por deposición en el sustrato o por reacción con él, y los patrones se producen mediante imágenes fotolitográficas, seguidas de la eliminación selectiva de los materiales no deseados. Las resistencias de una red determinada, al ser bastante pequeñas y estar muy próximas, están expuestas a condiciones casi idénticas durante el proceso. Asimismo, cada red de la oblea o el sustrato está expuesta a prácticamente las mismas condiciones. Como se procesan varias obleas juntas, al mismo tiempo y en el mismo equipo, se confiere uniformidad a todo el lote, a cientos o miles de unidades individuales. Una ventaja añadida de la construcción integrada es la integridad de las interconexiones, que son intrínsecamente más fiables que las conexiones individuales entre componentes discretos.

Figura 2: Oblea de alúmina de alta pureza que muestra la construcción de una película fina integrada. (Fuente de la imagen: Vishay)

Ventajas de la construcción integrada de película fina

• Una correspondencia extremadamente estrecha entre todos los elementos de una red, lo que garantiza un seguimiento estrecho a lo largo de la temperatura y de la vida útil
• Redes multielementos muy pequeñas y de alta densidad que ahorran espacio en la placa de circuito impreso
• Construcción hermética práctica en una variedad de formatos contemporáneos estándar
• Características repetibles y consistentes, de pieza a pieza y de lote a lote
• Inductancia muy baja
• Excelente fiabilidad: menos interconexiones individuales
• Sin efectos termoeléctricos
• Los costos de instalación no son más que discretos, a menudo menos

Fiabilidad de la interconexión

Los estudios de fiabilidad realizados por el ejército y otros organismos han demostrado que -en igualdad de condiciones- la fiabilidad de un conjunto es directamente proporcional al número de "interconexiones artificiales" Por eso el circuito integrado es más fiable que un conjunto de transistores discretos, y lo mismo ocurre con una red de resistencias integrada frente a las discretas. Esto se denomina a veces "fiabilidad inherente".

Rango de resistencia

La tecnología de película delgada emplea un patrón de precisión fotolitográfico para ofrecer al diseñador una amplia gama de valores de resistencia en el área más pequeña posible. Esto permite elegir entre minimizar el tamaño del componente o aumentar el número de elementos resistivos en el mismo espacio. La resistencia total que se puede conseguir en una zona determinada viene dictada principalmente por la resistencia de la lámina del material de la película y el patrón. Sin embargo, en los diseños reales, el área máxima utilizada se reduce debido al espacio necesario para las almohadillas de terminación, los conductores internos, las características especiales de recorte y las limitaciones de los pines.

Los materiales resistivos de película fina cubren un rango de resistencia de lámina normal de 50 a 2000 ohmios/cuadrado, lo que se traduce en un rango de resistencia disponible para las resistencias individuales de unos pocos ohmios a varios megaohmios. La mayor precisión se encuentra normalmente en el rango de 250 ohmios a 100 kilohmios.

Figura 3: El rango de resistencia está determinado principalmente por la geometría del patrón en la hoja de oblea. (Fuente de la imagen: Vishay)

Muy baja resistencia

Cuando se incorporan elementos de baja resistencia en las redes de precisión, hay que tener en cuenta las pequeñas, pero inevitables resistencias de los cables y patrones conductores en el chip y en el paquete. Estos efectos del plomo pueden minimizarse, pero no eliminarse por completo, mediante un diseño, un procesamiento, una selección de envases y un montaje adecuados. Sin embargo, hay que prestar especial atención al establecimiento de las especificaciones, sobre todo en lo que respecta a las tolerancias realistas de la resistencia y el seguimiento, y al método de su medición.

Figura 4: La resistencia interna de los cables puede tener un gran efecto en los valores de la resistencia total. (Fuente de la imagen: Vishay)

Tolerancia de la resistencia

Los sistemas láser modernos son capaces de ajustar las resistencias con tolerancias muy estrechas, ya sea en términos absolutos o relativos: 0.01% y 0,005% respectivamente. Además, el fabricante responsable "vigilará" el recorte para que la especificación interna sea más estricta que la especificación de liberación.

Cuanto más cercana sea la tolerancia requerida, más cuidadosamente debe diseñarse la resistencia para lograr una distribución ajustada, bien dentro de los límites de tolerancia, y con una velocidad de recorte rentable. Una de las formas de conseguirlo es proporcionar geometrías de recorte especiales. Estas características reducen la sensibilidad de la resistencia a la cantidad de material que elimina el láser, lo que permite obtener niveles de precisión sucesivamente más altos. Estas características utilizan un área de sustrato adicional, lo que a veces requiere un compromiso entre el costo y el rendimiento. Una de las características que distinguen a la moderna tecnología de películas finas para su uso en redes de precisión es la estabilidad eléctrica y mecánica de las películas. Esto es importante porque las resistencias recortadas de cerca deben soportar las condiciones a veces estresantes del montaje sin una deriva significativa. Esto enfatiza de nuevo las ventajas inherentes de la construcción integrada sobre las resistencias discretas individuales, ya que cualquier cambio que se produzca será común a todas las resistencias de la red, preservando así las relaciones precisamente como se recortan.

Figura 5: Los requisitos de tolerancia más estrictos pueden hacer que se utilice un área adicional. (Fuente de la imagen: Vishay)

Coeficiente de temperatura de la resistencia (TCR)

El coeficiente de temperatura de la resistencia es la medida del cambio de resistencia en función de la temperatura ambiente. Se define como la unidad de cambio de resistencia por unidad de cambio de temperatura y se expresa comúnmente como partes por millón por grado centígrado (ppm/°C). Es la propiedad por la que más a menudo se caracterizan o diferencian las resistencias. Históricamente, las resistencias discretas, incluidas las fabricadas a partir de láminas, se clasificaban por lotes en función del valor TCR. El uso relativamente reciente de la deposición por pulverización catódica para controlar la composición de la película, junto con las mejoras relacionadas con el procesamiento, han dado lugar a los llamados productos de película fina de "tercera generación" con TCRs sistemáticamente inferiores a 10 ppm/°C, absolutos.

Figura 6: El coeficiente de temperatura de la resistencia es una medida de la velocidad a la que una resistencia varía con el aumento o la disminución de la temperatura. (Fuente de la imagen: Vishay)

El TCR suele determinarse experimentalmente midiendo la resistencia a varias temperaturas y calculando la tasa de cambio en el intervalo de temperatura apropiado, por ejemplo, de +25 °C a +125 °C. Si la resistencia cambia linealmente con la temperatura, el TCR es una constante, independientemente del intervalo de temperatura. Sin embargo, cuando no es lineal, como es el caso de las aleaciones de níquel/cromo más utilizadas, el TCR se expresa como la pendiente de la línea que une dos puntos de la curva de resistencia frente a la temperatura, por ejemplo, +25 °C y +125 °C. En otras palabras, es la media del TCR en el intervalo. Cuanto más no lineal sea la relación, más pobre será la aproximación a la media.

Es absolutamente crucial al especificar el TCR que el intervalo de temperatura también se especifique claramente.

El procedimiento descrito en el método 304 de la norma MIL-STD-202 se menciona a menudo como norma para medir el TCR. En este método, se calculan los TCR medios para una serie de intervalos entre +25 °C y -55 °C y entre +25 °C y +125 °C. El valor más alto se registra como el TCR. Esto refleja todo el rango de funcionamiento militar, pero puede dar lugar a un exceso de especificaciones para los componentes que tienen un intervalo de temperatura de funcionamiento diferente o más estrecho.

Figura 7: Ejemplos de TCR para diferentes pendientes resultantes. (Fuente de la imagen: Vishay)

Mediante la comprensión de los efectos de la composición de la aleación y la capacidad de controlar cuidadosamente el procesamiento, es posible "adaptar" la curva de resistencia frente a la temperatura para producir TCR que sean a) negativos en todo el rango, b) positivos en todo el rango, o c) negativos en el extremo inferior, positivos en el extremo superior, con un sector de "TCR cero" relativamente plano en un rango cercano a la temperatura ambiente. Esto puede aprovecharse para los equipos que funcionan cerca de la temperatura ambiente o que requieren una compensación de temperatura.

Seguimiento

La mayoría de las aplicaciones en las que se emplean las redes de precisión de película fina dependen de la consecución y el mantenimiento de valores de resistencia relativos cercanos. Así, los cambios relativos de resistencia dentro de una red, llamados "tracking", son muy importantes. Las redes de láminas finas son excelentes para el seguimiento. Hay varios aspectos diferentes del seguimiento que es importante entender y diferenciar.

Seguimiento del TCR: El seguimiento del TCR se define como la diferencia entre los TCR de un par de resistencias en un intervalo de temperatura determinado. Lograr un seguimiento cercano del TCR en las resistencias discretas es difícil y supone una gran carga en el proceso de fabricación para producir hasta un límite absoluto de TCR muy cercano. Por el contrario, la construcción integrada de redes de película fina asegura un seguimiento extremadamente estrecho del TCR, ya que las resistencias se producen como un grupo en condiciones de proceso casi idénticas. Además, las resistencias son pequeñas y están muy próximas en la superficie de un sustrato común de alta conductividad térmica, lo que las mantiene a la misma temperatura o cerca de ella en funcionamiento.

No obstante, pueden producirse variaciones en el proceso y en los materiales que produzcan diferencias pequeñas pero medibles en los TCR de las resistencias vecinas en la misma oblea. Las variables del proceso que pueden afectar a esto incluyen la deposición no uniforme de la película, los defectos del sustrato, los gradientes térmicos durante el recocido y las tensiones no uniformes. El diseño también puede influir. Sin embargo, mediante el empleo de controles de proceso, equipos de medición y técnicas de última generación, el seguimiento del TCR puede controlarse con una precisión de unas pocas décimas de parte por millón, por grado, dada la configuración y el embalaje adecuados del circuito y del chip.

Un factor que hace que el seguimiento aparente del TCR sea mayor que el seguimiento "verdadero" es la presencia de un cable de toma común que tiene una resistencia medible (r).

donde TCR (r) es el TCR del material de plomo común, típicamente metálico. Por ejemplo: una resistencia de 1 kilohmio con un TCR de 8,9 ppm/°C conectada a una resistencia de 2 kilohmios con un TCR de 8,5 ppm/°C y un cable de salida compartido de resistencia de 0,1 ohmios con TCR (r) de 4000 ppm/°C mostrará un seguimiento del TCR.

La contribución extraña del cable común (0,2 en el caso anterior) desaparece si las relaciones críticas se especifican y miden según la división de la tensión en lugar de la relación de resistencia.

Figura 8: Ejemplos de distribuciones de seguimiento para resistencias muy espaciadas y muy cercanas. (Fuente de la imagen: Vishay)

Figura 9: Regla general para el seguimiento de las redes integradas frente a las resistencias discretas. (Fuente de la imagen: Vishay)

Seguimiento de la resistencia en la conmutación de potencia

Algunos circuitos funcionan en un modo en el que la corriente se apaga y se enciende en una resistencia, que se adapta a una resistencia de referencia que lleva una corriente constante. En este caso, aunque las resistencias puedan tener TCR idénticos y el sustrato pueda estar a una temperatura ambiente uniforme, las resistencias diferirán en valor como resultado del autocalentamiento. (Estrictamente hablando, no se trata de un verdadero requisito de "seguimiento" en la medida en que las resistencias de interés están sometidas a diferentes tensiones) Esta diferencia se regirá por los TCR absolutos de las dos resistencias. En estas aplicaciones, que no son infrecuentes, las resistencias deben tener un TCR absoluto lo más bajo posible en la región de temperatura de funcionamiento, y las resistencias deben diseñarse lo más juntas posible para minimizar las diferencias de temperatura entre ellas.

Figura 10: Ejemplo de generación de potencia desigual en resistencias emparejadas. (Fuente de la imagen: Vishay)

Relaciones de tensión

Las resistencias se emplean frecuentemente como divisores de tensión. En este caso, y cuando se trata de tolerancias precisas, es más apropiado tratar con relaciones de tensión que con relaciones de resistencia. Hay tres aspectos importantes de las relaciones de tensión que deben entenderse en comparación con las relaciones de resistencia. Son la propia relación de tensión, la tolerancia de la relación de tensión y el seguimiento de la relación de tensión.

Figura 11: Las relaciones de tensión son independientes de la resistencia del cable común. (Fuente de la imagen: Vishay)

Idealmente, la caída de tensión a través de un par de resistencias viene determinada por la relación de los valores de las resistencias: R1/(R1 + R2). Cuando los valores de resistencia no son iguales, la relación de tensión diferirá de la calculada a partir de los valores de resistencia aparente (medidos) en una cantidad que se rige por la resistencia del cable común. Esta desviación puede ser bastante significativa, especialmente con resistencias de bajo valor.

Para una resistencia de 10 kilohmios en serie con una resistencia de 1 kilohmio, que tiene un cable de "derivación" común con una resistencia de 100 miliohmios, las dos relaciones diferirán en 75 ppm:

Para una resistencia de 1 kilohmio en serie con una resistencia de 100 ohmios, una resistencia de derivación de 100 miliohmios producirá una diferencia en las relaciones respectivas de más de 800 ppm.

Esto ilustra la importancia de especificar el parámetro de funcionamiento adecuado.

Figura 12: Ecuaciones de tolerancia y seguimiento de la relación de tensión. (Fuente de la imagen: Vishay)

Sin embargo, cuando la resistencia del cable común (r) es medible, el seguimiento del TCR aparente es mayor que el seguimiento "verdadero", como se ha mostrado anteriormente, y el seguimiento de la relación de tensión es menor. El seguimiento de la relación de tensión es siempre menor (mejor) que el seguimiento del TCR.

Estabilidad

Los efectos descritos en los apartados anteriores son reversibles: los cambios no son permanentes y desaparecerán cuando la temperatura vuelva al punto de partida. Sin embargo, hay efectos irreversibles. Como se ha comentado anteriormente, la mayoría de las redes de resistencias de precisión se utilizan en modo de relación. Se han recortado con tolerancias muy estrictas y se han diseñado cuidadosamente para que se ajusten a estas estrechas tolerancias iniciales en lo que respecta a las relaciones de resistencia o tensión. Pero esto no tiene sentido a menos que estas tolerancias puedan preservarse durante toda la vida de la red. Esto requiere una estabilidad máxima de la película. En particular, los recientes avances en materiales y procesos han permitido mejorar la estabilidad de las películas finas hasta niveles sin precedentes, acercándose a los que antes sólo se podían obtener con láminas.

Las extensas pruebas de estabilidad a largo plazo de las aleaciones de níquel/cromo han demostrado de forma concluyente que la tasa de cambio de la resistencia con el tiempo es una función de un solo valor de la temperatura del sustrato. Es una forma matemática de afirmar que la temperatura es la única variable, ya sea inducida por la carga de potencia o simplemente por el ambiente. Además, se ha determinado experimentalmente que la estabilidad medida a una temperatura más alta puede extrapolarse con confianza a temperaturas más bajas y tiempos más largos según las ecuaciones cinéticas clásicas.

Es útil pensar en los cambios permanentes en un par de resistencias emparejadas como "seguimiento de la estabilidad". A diferencia del seguimiento del TCR, en el que el seguimiento cercano es independiente del TCR absoluto, el seguimiento de la estabilidad depende en cierta medida de la estabilidad absoluta. Cuanto más estable sea un par de resistencias, menos cambiarán en valor absoluto y en relación con el otro. También en este caso, las ventajas de la construcción integrada son evidentes: todas las resistencias de la red tienden a tener cambios similares durante la vida útil, y las relaciones de resistencia cambian mucho menos que los valores absolutos.

Figura 13: La estabilidad se ve afectada por la edad de los componentes. (Fuente de la imagen: Vishay)

Potencia nominal

Dado que las redes de precisión de capa fina no se utilizan generalmente en aplicaciones de alta potencia, los métodos para establecer las potencias máximas no son tan críticos como en las redes de uso general. Sin embargo, hay que establecer límites y la mejor manera de hacerlo es fijando los límites superiores de las temperaturas.

La temperatura de potencia cero (a veces denominada temperatura máxima de funcionamiento) es la temperatura máxima a la que puede funcionar la pieza, durante un tiempo determinado (normalmente 1000 horas), sin que se produzcan cambios excesivos (normalmente definidos en relación con la tolerancia inicial), expresada en porcentaje. Para una red de película fina que debe mantener una tolerancia del 0,1%, esta temperatura de potencia cero sería de +150 °C. A esta temperatura, una resistencia puede mostrar un cambio del orden de 500 ppm absolutos o 100 ppm relativos a otros en una red. Si la tolerancia inicial máxima requerida fuera del 0,01%, una temperatura de potencia cero más adecuada sería de +125 °C. Estos niveles son para las piezas herméticas. Si el embalaje no es hermético, las piezas recibirán una clasificación de temperatura más baja.

Figura 14: Curva típica de reducción de potencia. (Fuente de la imagen: Vishay)

Potencia nominal completa: La potencia nominal se acepta generalmente como la potencia necesaria para elevar la temperatura de la superficie de una pieza por encima de cierta temperatura ambiente, normalmente +70 °C, hasta la temperatura de potencia cero. Se expresa en vatios-potencia total. Se utiliza una curva de reducción de potencia para determinar los límites a temperaturas intermedias.

Debe prestarse especial atención a la clasificación de las resistencias individuales dentro de una red, ya que la temperatura final de la superficie de una resistencia individual diferirá en gran medida dependiendo de si otras resistencias de la red están bajo tensión. Aunque es difícil de generalizar, un diseño de red adecuado tendrá en cuenta estas posibles variaciones mediante disposiciones que proporcionen una densidad de potencia uniforme.

Como se ha indicado anteriormente, aunque los niveles de potencia en las redes de precisión de tolerancia más cercana suelen ser más bajos, debido a que las dimensiones del chip son pequeñas, la densidad de potencia puede ser alta. Un nivel de diseño típico es de 25 W/in² para redes muy precisas, pero las películas delgadas son capaces de sostener niveles de densidad de potencia notablemente altos -hasta W/in²- sin poner en peligro su integridad. Por último, hay que tener en cuenta que la resistencia térmica de los envases varía mucho.

Coeficiente de resistencia de tensión y ruido de corriente

Estas dos características, que pueden ser un inconveniente bastante serio en las resistencias fabricadas con materiales compuestos como cermets o polímeros, pueden ignorarse generalmente con las redes de precisión de película fina porque las magnitudes son muy pequeñas. Esta es una de las principales ventajas de los materiales monolíticos de capa fina.

El coeficiente de resistencia a la tensión es la variación unitaria de la resistencia por la variación unitaria de la tensión, expresada en ppm/voltios. Es una medida del comportamiento no óhmico, y en las películas delgadas, alcanza niveles identificables sólo en el rango de los megaohmios, donde se ha medido en torno a 0,1 ppm/V.

El ruido de la corriente se caracteriza y mide con un instrumento estándar desarrollado por la empresa Quantek. Para las películas finas, un valor típico sería inferior a - 35 dB.

Efectos termoeléctricos

Se pueden generar tensiones termoeléctricas si las terminaciones de las resistencias están a diferentes temperaturas. Esto puede ser un problema importante con las resistencias discretas, donde pueden existir gradientes térmicos en las dimensiones relativamente grandes. En las redes de película fina, todas las resistencias están a la misma temperatura o cerca de ella, como resultado de su pequeño tamaño y de los efectos de propagación del calor del sustrato térmico. Los efectos termoeléctricos en las películas delgadas suelen ser de < 0,1 µV/°C.

Respuesta en frecuencia de las resistencias

Para frecuencias superiores a 100 MHz, la mayoría de las resistencias deben considerarse en términos de un circuito equivalente con inductancia y capacitancia parásitas, véase la figura 15. En la figura 16 se muestra una respuesta de impedancia típica. La respuesta de impedancia depende del tamaño de la resistencia, el método de recorte, el valor de la pieza y el estilo de terminación.

Figura 15: La mayoría de las resistencias deben considerarse en términos de un circuito equivalente con inductancia y capacitancia parásitas para frecuencias superiores a 100 MHz. (Fuente de la imagen: Vishay)

Figura 16: Respuesta típica de la impedancia interna de una resistencia de flip chip 0402 con recorte especial de sentido de borde. (Fuente de la imagen: Vishay)

La consideración del tamaño es de gran importancia para la reducción de la impedancia parásita. Cuanto más pequeño sea el tamaño, más se acercará la pieza a una resistencia ideal. Los estilos de recorte también son importantes.

Las resistencias de película fina pueden recortarse con varios diseños geométricos, véase la figura 17. Al mantener un diseño rectangular centrado (equilibrado) entre las almohadillas de contacto frente a otros estilos como el serpenteante o el de corte en L, se puede mejorar el rendimiento del dispositivo.

Figura 17: Las resistencias de película fina pueden recortarse con distintos diseños geométricos. (Fuente de la imagen: Vishay)

Vea los enlaces siguientes para las resistencias de película fina de Vishay

Red de plomo

• Serie MP
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Chips de montaje en superficie

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Pasante

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