CC BY
66
Лугин А.Н., Оземша М.М. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЗАЦИИ КОНТАКТНОГО УЗЛА ТОНКОПЛЕНОЧНОГО РЕЗИСТОРА
В простейшем случае контактный узел тонкопленочного резистора (ТПР) представляет собой тонкий слой резистивного слоя с нанесенным на него тонким слоем металлизации, обычно из меди, никеля, алюминия, золота с подслоем хрома, ванадия и т.д. Временная и температурная нестабильность электрического сопротивления резистивных материалов многократно, в сотни и тысячи раз, меньше аналогичных параметров материала металлизации. Поэтому электрические параметры металлизации являются в ТПР дестабилизирующим фактором и оценка их величины является необходимым условием при проектировании прецизионных резисторов с улучшенными параметрами.
В данной работе приводятся результаты проведенных исследований по определению сопротивления металлизации контактного узла ТПР в зависимости от его геометрических размеров, электрического сопротивления материала металлизации и отношения электрического сопротивления металлизации и резистивного слоя. Исследование проводилось по методике, общие принципы которой изложены в [1].
На рисунках представлены графические результаты теоретических исследований.
График на рис. 1 показывает, что сопротивление контакта увеличивается пропорционально увеличению длины контактной площадки и только при длине контактной площадки сравнимой с толщиной металлизации увеличение наблюдается с уменьшением длины контактной площадки. При этом в расчетах с точностью до 10% можно принимать сопротивление металлизации равным произведению удельного поверхностного сопротивления на число квадратов металлизации от места присоединения соединительного проводника до края контактной площадки, граничащей с резистивной пленкой.
^, Ом
Исходные данные:
Рис. 1 Зависимости сопротивления металлизации от длины N контактной при удельном поверхностном сопротивлении металлизации р = 0,05 Ом/Ш. Здесь: Ы, М, 1±, 1, р1, р* - длина, ширина, толщина слоев, толщина резистивного слоя, удельное поверхностное сопротивление слоев и удельное объемное сопротивление металлизации для контактной площадки; слой 1 - слой металлизации; слой 2 - резистивный слой; р = 2 -показатель кратности; С - изменяемый параметр, 1 = 0,1 мкм; соединительный проводник расположен в центре контактной площадки.
График рис. 2 показывает, что при длине контактной площадки более 1 мкм, при исходных данных согласно рис. 1, сопротивление контактной площадки, приведенное к единице ее ширины, практически остается постоянным. Таким образом, с достаточной точностью при длине контактной площадки более 1 мкм можно принять сопротивление металлизации обратно пропорциональным ее ширине.
Исходные данные:
а)
Исходные данные:
б)
Рис. 2 График зависимости сопротивления металлизации от ширины М контактной площадки. Неуказанные исходные данные согласно рис. 1.
График рис. 3 показывает, что равномерное распределение мощности рассеяния нарушается только на краю граничного с резистивным слоем участка менее 0,3 мкм. На этом участке удельная мощность рассеяния возрастает до 10 раз.
№
N
р
р
20
№
N
Р
Р
Р
20
С
20
30
С
№
N
Р
Р
Р
С
20
С
0,25
Исходные данные:
№ N М |р р.
слоя 1Р 1Р Рк
800 20
810 1000
0,15
0,1
0 N, мкм
0 10 20 30 40
Рис. 3 График зависимости удельной мощности рассеяния металлизации по длине контактной площадки (при токе 1А). Остальные исходные данные согласно рис. 1.
График рис. 4 показывает распределение потенциала по длине контактной площадки по границе раздела металлизации и резистивного слоя. Как видно, распределение потенциала линейно практически на всей длине контактной площадки и только на участке длиной около 0,5 мкм заметно резкое нелинейное увеличение потенциала.
Ф,В
Рис. 4 График зависимости распределения потенциала по длине контактной площадки N по границе металлизации и резистивного слоя. Неуказанные исходные данные согласно рис. 1. Здесь X - текущая координата по длине N.
График рис. 5 показывает, что 82% тока переходит в резистивный слой на длине конечного участка контактной площадки, практически равной толщине резистивного слоя, и что распределение тока неравномерно по ее длине.
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
N
а) 1Р
0,4
20
N
б) 7Р
Х,мкм
200
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
- У
; 0,9
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2
Х,мкм 0,1 0
т ±
Х,мкм
N
3) 7Р
9,4
= 800
Рис. 5 График распределения переходящего в резистивный слой тока по длине контактной площадки в зависимости от ее длины (а, б, в). Исходные данные - согласно рис. 1.
График рис. 6 свидетельствует о независимости сопротивления контакта от его длины в диапазоне удельного поверхностного сопротивления (5 - 10 0 0) Ом/Ш.
Я, Ом
Исходные данные:
Рис. 6 График зависимости сопротивления металлизации контакта от удельного сопротивления резистивного слоя. Неуказанные исходные данные согласно рис. 1.
График рис. 7 (а, б, в) показывает, что характер распределения тока, при котором 82% тока переходит
в резистивный слой на длине контакта около 0,1 мкм, не изменяется практически в диапазоне удельного поверхностного сопротивления (5 - 10 0 0) Ом/Ш.
0,05
0,025
0442
0,1
0,7
1,0
9,1
9,6
10
N
М
Р
ТР
Р
С
20
Х,мкм
р,Ом/й
5 50 100 200 300 400 500
Рис. 7 Зависимость зоны вхождения 82% величины тока по длине контактной площадки от удельного поверхностного сопротивления резистивного слоя. Неуказанные исходные данные согласно рис. 1.
Анализ результатов исследований показал, что в тонкопленочных резисторах в широком диапазоне удельного поверхностного сопротивления материала резистивного слоя:
1. минимальная удельная мощности рассеяния и максимальная плотность приходятся на приграничную с резистивным элементом зону контакта, по длине равной толщине резистивного слоя;
2. при длине контактной площадки более тройной величины толщины резистивного слоя сопротивление металлизации контакта пропорционально его длине и не зависит от сопротивления материала резистивного слоя;
при длине контактной площадки менее тройной толщины резистивного слоя пропорциональность сопротивления нарушается, т.е. в этом случае необходимо учитывать дополнительное сопротивление от неравномерности распределения тока и потенциала;
контроль максимальной плотности тока при проектировании тонкопленочных резисторов должен осуществляться на длине участка контакта, равной толщине резистивного слоя;
контроль максимальной удельной мощности рассеяния в металлизации можно не проводить, т.к. выделяемая мощность составляет доли от мощности рассеяния резистивной пленки, находящейся под металлизацией;
3. распределение потенциала неравномерно по длине контакта, а на участке длиной до трех минимальных толщин резистивного слоя неравномерность носит резко выраженный возрастающий нелинейный характер.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.Н. Лугин, М.М. Оземша Моделирование контакта тонкопленочного резистора. Труды международного симпозиума "Надежность и качество" -Пенза. -2005. -С.289-293.
№
N
м
20
