CC BY
118
Королева М.А., Винчаков А.Н., Доросинский А.Ю.
ОАО «НИИЭМП», Пенза, Россия
НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ
Для разработки и производства высокостабильных прецизионных тонкопленочных резисторов (ТПР) необходимы комплексные исследования, обеспечивающие исследователей и разработчиков инструментом управления электрическими и эксплуатационными характеристиками для получения необходимых параметров.
Исследования показали, что наиболее эффективными являются электрофизические методы для контроля качества ТПР и резистивных микросхем, которые предусматривают измерение различных электрических параметров (сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, вольт-амперная характеристика и другие) на основе которых делается заключение о соответствии изделия нормативным параметрам.
По данным литературных источников [2-5] известно, что отклонение от линейности в пассивных компонентах с номинальной линейной характеристикой (например, ТПР) в некоторых случаях связано с вероятностью отказа. Обычно нелинейность очень небольшая, поэтому для ее измерения необходимо специальное оборудование.
амперметра». Через ТПР пропускается ток различной величины и для каждого значения величины тока замеряют величину падения напряжения и по этим данным строят график ВАХ. Однако этот метод не позволяет проводить исследования малых величин нелинейности ниже 0,1 %. В настоящее время в связи с созданием автоматизированных прецизионных установок [3-5] позволяющих выполнять измерения с высокой точностью, электрические методы контроля качества прецизионных резисторов становятся актуальными.
В данной работе приведены результаты исследования относительного изменения сопротивления коэффициента напряжения резистивных элементов и резисторов от прилагаемого к нему напряжения (рисунки
1 и 2) .
Рисунок 2 - Зависимость коэффициента напряжения от подаваемого на НР-1-27 напряжения
Для измерения относительного изменения сопротивления от прилагаемого к ТПР напряжения использовалась схема уравновешенного моста постоянного тока, собранного на магазинах сопротивления Р4831 (рисунок 3) . Опробование этого метода проводились на резистивных элементах с резистивным слоем К20С.
1
3
1 - стабилизатор напряжения постоянного тока П4105; 2 - трехпозиционный переключатель;
3 - магазины сопротивлений Р4831; 4 - милливольтметр; 5 - вольтметр; 6 - исследуемый ТПР;
7 - приспособление для замера сопротивлений ТПР; 8 - термостат-скафандр.
Рисунок 3 - Схема измерения коэффициента напряжения
Было установлено, что у термонеобработанных резистивных элементов наблюдается отрицательная нелинейность, т.е. с повышением напряжения на резисторе его сопротивление уменьшается. После термообработки резистивного элемента в течении 6 часов при 350°С, наблюдается положительная нелинейность, т.е. с повышением напряжения на резисторе его сопротивление увеличивается.
Типичная зависимость относительного изменения сопротивления HP-1-27 от прилагаемого к нему напряжения представлена на рисунке 2.
Из выше приведенных данных видно, что нелинейность ВАХ ТПР, измеренная с помощью схемы (рисунок 3), некоторым образом зависит от температурного коэффициента сопротивления (ТКС) ТПР.
В связи с этим, для объяснения полученных данных можно использовать «тепловую» модель нелинейности резисторов, предложенную Лоренцом и Петцибергером [1]. В общем виде нелинейность ТПР в зависимости от протекающего в нем тока, выражается формулой
R(I) - R + AI + BI2 +... (1)
где R(I) - сопротивление резистора при протекании через него тока I;
Ro - сопротивление резистора, измеряемое при минимальной мощности рассеяния;
A, B - коэффициенты, независящие от протекающего тока.
Данное уравнение включает в себя произвольную нелинейность.
Однако при симметричной нелинейности будут встречаться только четных степеней I, в частности, это будет случай «тепловой» модели, где изменения сопротивления будет зависеть от выделяемого тепла и ТКС резистора. Для данного случая на основании (1) имеем
R(I) = Ro (1+AI2) (2)
где А - параметр, характеризующий нелинейность ТПР.
Предполагается, что генерируемое в дорожке (меандре резистора) тепло должно рассеиваться через подложку. Подложка является теплоотводом при температуре Тп.
В этом случае энергетический баланс можно выразить формулой
і 2r = ^К£ j (Ti — тп) (3)
где S - площадь резистивного элемента;
Ti - температура дорожки в зависимости от тока I;
Тп - температура подложки;
Ко - теплопроводность подложки; tn - толщина подложки.
Поскольку температура дорожки изменяется, то изменение сопротивления резистора можно определить из формулы
R(I) - R0 {1 +а[Гі — Гп]} (4)
где а - температурный коэффициент сопротивления.
Решая уравнение (4) относительно [T — Ti ] и подставляя в (3), получим следующее выражение
а-k [ R )— R] (5)
RP
K -
KS
физико-геометрический коэффициент.
Из формулы (2) найден коэффициент нестабильности:
[R(I) - Ro ] R(I) - Ro
A = '-
(6)
Roi2 p
Подставляя (6) в (5) получим:
где
t
п
R
Из (7) видно, что ТКС резистора пропорционален коэффициенту нестабильности А.
Измеряя коэффициент нелинейности с помощью схемы (рисунок 3), можно найти ТКС резистора. Измеренный и рассчитанный ТКС резистора по предложенному методу несколько отличается от ТКС, измеренным традиционным методом, т.к. в традиционном методе измерения проводят замер сопротивления резистора в термостате при различных фиксированных температурах, т.е. проводят нагрев всего резистора, а в нашем случае проводится разогрев резистивной пленки и замеряется сопротивление резистора в момент установившегося теплообмена между резистивной пленкой и подложкой.
На ТКС, измеренный предложенным методом, могут влиять:
- отслоение резистивной пленки от подложки (плохая адгезия), что приводит к локальному перегреву резистивной пленки;
- сужение резистивной дорожки;
- металлические включения в пленке и другие дефекты, влияющие на теплообмен в системе «резистивная пленка- подложка».
По полученным данным ТКС можно провести предварительную экспресс разбивку ТПР по группам и отбраковать потенциально ненадежные резисторы по ТКС. В таблице 1 приведены результаты опробования оценки ТКС резисторов и разбивки по группам.
Таблица 1 - Результаты исследования наборов резисторов НР-1-27
Номер корпуса Номер резистора ^В R,Ом ^В R,Ом AR, Ом X, А-2 К, Вт/°С ах10-6, °С-1
1 2 5 26997,07 58,05 26996,29 -0,78 -6,24 1,39 -3,21
3 5 26997,29 58,05 26996,09 -1,20 -9,60 1,39 -4,94
4 5 26997,49 58,05 26996,13 -0,36 -2,88 1,39 -1,48
5 5 26997,43 58,05 26996,16 -0,27 -2,16 1,39 -1,11
2 2 4,9 23995,26 54,77 23994,54 -0,72 -5,76 1,0752 -2,58
3 4,9 23995,56 54,77 23994,60 -0,96 -7,68 1,0752 -3,44
4 4,9 23995,40 54,77 23994,53 -0,96 -7,44 1,0752 -3,12
5 4,9 23995,23 54,77 23994,30 -0,87 -6,96 1,0752 -3,33
7 4,9 23995,60 54,77 23993,92 -0,88 -7,04 1,0752 -3,16
3 2 0,316 99, 651 3,54 99,660 0,009 0,007 1,385 10,00
3 0,316 99, 634 3,54 99,668 0,014 0,112 1,385 15,57
4 0,316 99, 670 3,54 99, 672 0,002 0,002 1,385 0,31
При мощности рассеяния R=0,125 Вт для HP-1-27 температура перегрева составляет 20°C. Таким образом, при измерении коэффициента напряжения для резисторов серии HP-1-27 при мощности рассеяния 0,125 Вт, мы измеряем сопротивление резистора в области температур от 40 до 50°C. Анализируя данные таблицы 1 можно говорить о том, что разбивку по группам, отбраковку потенциально ненадежных резисторов целесообразно проводить в диапазоне температур от 20 до 50°С.
Результаты проведенной работы показали, что в связи с высокой нелинейностью прецизионных тонкопленочных резисторов и резисторных микросхем использование ВАХ для прогнозирования качества и диагностики отказавших изделий в настоящее время не представляется возможным.
Положительным эффектом, выявленным при исследовании нелинейности ВАХ, явилась возможность качественной экспресс оценки ТКС тонкопленочных резисторов и резисторных микросхем для предварительной разбивки на группы и отбраковки по ТКС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Lorens H.P. Nachrichtentech / Lorens H.P., Potxlberger H.W.// 2, 27, 190 1974.
2. Арменча Н.Н. Сравнение контроля низкочастотных шумов и нелинейности как метод прогнозирования стабильности тонкопленочных резисторов / Арменча Н.Н., Деев И.Н., Канцер Ч.Т., Канлин В.А., Холак А.В. // Надежность и контроль качества, № 3, 1986, с.56-60.
3. Березин М.Н. Автоматизированная установка для измерения относительного отклонения сопротивления и температурного коэффициента сопротивления/ Березин М.Н., Доросинский А.Ю. // Материалы для пассивных радиоэлектронных компонентов. Труды международной научно-технической конференции. -
2007. - С. 226-230.
4. Березин М.Н. Методика, средства и программное обеспечение измерений сверхпрецизионных резисторов / Березин М.Н., Доросинский А.Ю. // Надежность и качество. Международный симпозиум т.2
2008. - С. 343-345.
5. Доросинский А.Ю. Системы контроля параметров прецизионных резисторов / Доросинский А.Ю., Андреев В.И., Варламов Ю.В. // Надежность и качество. Международный симпозиум т.2 2009. - С. 7175.
