정밀 박막 기술

이 글은 회로 설계자와 부품 엔지니어의 박막 기술에 대한 이해를 돕기 위하여 작성되었으며 박막 기술의 사용과 신뢰성, 크기 및 성능 측면의 주요 이점을 이해하기 위한 가이드입니다.

그림1: Vishay에서 제공하는 박막 기술. (이미지 출처: Vishay)

필름 유형

일반적으로 필름은 약 500옹스트롬의 두께로 스퍼터링됩니다. 선 폭과 선 간격이 다양한 마스크를 선택하여 저항값 범위를 만듭니다. 표면 저항은 스퀘어당 50옴에서 스퀘어당 2000옴까지 다양할 수 있습니다. 각 필름은 특수 목적이 있습니다. 일반적으로 시트 저항이 낮을수록 전반적인 전기적 성능이 향상됩니다. Vishay는 모든 필름 유형의 유일한 공급업체이자 제조업체입니다.

니크롬(NiCr) — 가장 인기 있는 필름으로 절대 TCR 측면에서 최고의 전기 사양을 지니고 있습니다. 일반적인 시트 저항은 스퀘어당 50옴, 100옴, 200옴입니다.

Tamelox — Vishay 박막의 전매특허 합금으로, TCR 선형성을 향상시키는 니크롬과 질화탄탈룸의 장점을 결합한 제품입니다.

질화탄탈룸(TaN2) — 올바르게 증착 및 가공하면 수분이 침투하지 않는 합금이 생성됩니다. 전기적 성능이 니크롬만큼 좋지는 않습니다. 저항기 주변의 환경이 저전력(< 20%)이고, 자체 발열이 없으며 상대 습도가 높은(80%) 응용 분야에 사용됩니다.

실리콘 크롬 (SiCr) — 이 재료는 표면 저항이 매우 높으며(2000~3000) 작은 영역에서 높은 저항을 생성하는 데 사용됩니다. 절대 TCR 추적, 장기 안정성 및 전압 계수와 등의 전기 사양이 후막 기술보다 뛰어납니다.

부동태화 – 이제 SPM(특수 부동태화 방법)을 통해 악조건 속에서도 부동태화 제어를 할 수 있습니다(기술 참고 사항 SPM 참조).

박막 집적 구성

집적 회로는 기능 네트워크를 형성하기 위해 공통 기판에 형성되고 상호 연결된 소자 그룹입니다. 통합 저항 네트워크도 마찬가지로 공통 기판에 형성되고 상호 연결된 저항 소자의 그룹으로 정의됩니다. 반도체 제작과 마찬가지로 기질에 증착 또는 반응을 통해 원소가 생성되고, 포토리소그래피 이미징에 의해 패턴이 생성되며 원하지 않는 물질을 선택적으로 제거합니다. 주어진 네트워크의 저항기는 매우 작고 서로 인접해 있으므로 공정 중에 거의 동일한 조건에 노출됩니다. 마찬가지로 웨이퍼 또는 기판의 각 네트워크는 거의 동일한 조건에 노출됩니다. 여러 웨이퍼가 동시에 동일한 장비에서 함께 처리되기 때문에 전체 로트(수백 또는 수천 개의 개별 장치)에 균일성이 부여됩니다. 집적 구성의 추가적인 이점은 본질적으로 이산 소자 부품 간의 개별 연결보다 더 신뢰할 수 있는 상호 연결의 무결성입니다.

그림 2: 박막 집적 구조를 보여주는 고순도 알루미나 웨이퍼. (이미지 출처: Vishay)

박막 집적 구성의 장점

• 네트워크의 모든 소자를 매우 밀접하게 매칭시켜 온도와 수명 전반의 긴밀한 추적을 보장
• 인쇄 회로 기판의 공간을 절약하는 초소형 고밀도 다중 소자 네트워크
• 다양한 표준 현대 형식의 실용적 밀폐 구조.
• 부품과 부품, 로트와 로트 사이의 반복 가능하고 일관된 특성
• 매우 낮은 유도 용량
• 뛰어난 신뢰성 - 줄어든 개별 상호 연결
• 열전 효과가 없음
• 설치 비용이 이산 소자 비용보다 더 적음

상호 연결 신뢰성

군대와 기타 기관의 신뢰성 연구에 따르면 다른 모든 조건이 동일할 때 조립품의 신뢰성은 '인간이 만든 상호 연결'의 수와 정비례합니다. 이것이 집적 회로가 이산 소자 트랜지스터 조립품보다 더 안정적인 이유이고, 집적 저항 네트워크와 이산 소자 트랜지스터에도 동일하게 적용됩니다. 이를 '내재 신뢰성'이라고 합니다.

저항 범위

박막 기술은 포토리소그래피 정밀 패터닝을 사용하여 설계자에게 가능한 최소의 영역에서 광범위한 저항값을 제공합니다. 이렇게 하면 부품의 크기를 최소화하거나 동일한 공간에서 저항 소자의 수를 늘릴 수 있습니다. 주어진 영역에서 사용할 수 있는 총 저항은 주로 필름 재료의 표면 저항과 패터닝에 의해 결정됩니다. 그러나 실제 설계에서는 종단 패드, 내부 컨덕터, 특수 트리밍 기능 및 핀아웃 제약 조건에 필요한 공간 때문에 활용되는 최대 면적이 줄어듭니다.

박막 저항 재료는 스퀘어당 50옴 ~ 2000옴의 일반 표면 저항 범위를 포함하므로 개별 저항에 사용할 수 있는 저항의 범위는 수 옴에서 수 메가옴입니다. 최고 정밀도는 일반적으로 250옴 ~ 100킬로옴 범위에서 찾을 수 있습니다.

그림 3: 저항 범위는 주로 웨이퍼 표면의 패턴 기하학적 구조에 의해 결정됩니다. (이미지 출처: Vishay)

매우 낮은 저항

낮은 저항 소자가 정밀 네트워크에 통합될 때 칩과 패키지의 리드와 전도성 패턴의 작지만 불가피한 저항을 고려해야 합니다. 이러한 리드 효과는 적절한 설계, 공정, 패키지 선택과 조립을 통해 최소화할 수 있지만 완전히 제거되지는 않습니다. 그러나 사양 설정, 특히 저항 및 추적에 대한 현실적인 허용 오차 범위와 측정 방법에 각별히 주의해야 합니다.

그림 4: 내부 리드 저항은 총 저항값에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. (이미지 출처: Vishay)

저항 허용 오차 범위

최신 레이저 시스템은 각각 0.01%와 0.005%의 절대 또는 상대적인 허용 오차 범위로 저항을 조정할 수 있습니다. 또한, 담당 제조업체는 내부 사양이 출시 사양보다 더 엄격하도록 트리밍을 실제로 '가드 밴드'합니다.

필요 허용 오차 범위에 가까울수록 저항기는 허용 오차 범위의 한계 내에서 그리고 비용 효율적인 트리밍 속도로 긴밀한 분포를 달성하기 위해 저항기를 더 신중하게 설계해야 합니다. 그 방법 중 하나는 특수 트리밍 기하학적 구조를 제공하는 것입니다. 이러한 기능은 레이저에 의해 제거되는 재료의 양에 대한 저항의 감도를 감소시켜 연속적으로 더 높은 수준의 정확도를 얻을 수 있도록 합니다. 이러한 기능은 추가 기판 영역을 활용하므로 때로는 비용과 성능 사이의 상호 절충을 요구합니다. 정밀 네트워크에 사용하기 위한 현대 박막 기술을 구분하는 특징 중 하나는 필름의 전기적, 기계적 안정성입니다. 이는 면밀히 트리밍 된 저항기가 큰 흔들림 없이 조립의 응력 조건을 견뎌야 하기 때문에 중요합니다. 이는 개별 이산 소자 저항기에 비해 집적 구성의 고유한 장점을 다시 한번 강조하는데, 발생하는 모든 변경 사항이 네트워크의 모든 저항기에 공통적으로 적용되어 비율을 트리밍함된 대로 정확하게 유지하기 때문입니다.

그림 5: 더 엄격한 허용 오차 범위 요구 사항으로 인해 추가 영역이 사용될 수 있습니다. (이미지 출처: Vishay)

저항 온도 계수(TCR)

저항 온도 계수는 주위 온도의 함수로 저항 변화를 측정한 것입니다. 이는 단위 온도 변화당 저항의 단위 변화로 정의되며 일반적으로 섭씨당 백만분율(ppm/°C)로 표현됩니다. 저항기가 가장 자주 특성화되거나 차별화되는 속성입니다. 역사적으로, 필름으로 만들어진 저항기를 포함한 이산 소자 저항기는 TCR 값에 따라 로트별로 등급이 매겨졌습니다. 비교적 최근에 스퍼터 증착을 사용하여 필름 구성을 제어함으로써 관련 공정을 개선함과 동시에 TCR이 지속적으로 10ppm/°C 미만인 일명 "3세대" 박막 제품이 탄생했습니다.

그림 6: 저항의 온도 계수는 온도가 증가하거나 감소함에 따라 저항이 변하는 비율을 측정한 것입니다. (이미지 출처: Vishay)

TCR은 보통 여러 온도에서 저항을 측정하고 적절한 온도 구간(예: +25°C~+125°C)에 대한 변화율을 계산하여 실험적으로 판단합니다. 저항이 온도에 따라 선형으로 변하면 TCR은 온도 구간에 관계없이 상수입니다. 그러나 일반적으로 사용되는 니켈/크롬 합금처럼 선형이 아닐 경우 TCR은 저항 대 온도 곡선의 두 점(예: +25°C와 +125°C)을 연결하는 선의 기울기로 표현됩니다. 즉, 구간에 대한 평균 TCR입니다. 관계가 비 선형적일수록 평균의 근사치가 낮아집니다.

TCR을 지정할 때 온도 구간도 명확하게 지정하는 것이 중요합니다.

MIL-STD-202 방법 304에 설명된 절차는 TCR 측정을 위한 표준으로 참조됩니다. 이 방법에서 평균 TCR은 +25°C~-55°C와 +25°C~+125°C 사이의 구간에 대해 계산됩니다. 가장 큰 값이 TCR로 기록됩니다. 이는 군사 작동 범위를 반영하지만 작동 온도 구간이 다르거나 줄어드는 부품의 사양을 초과할 수 있습니다.

그림 7: 다양한 결과 기울기에 대한 TCR 예. (이미지 출처: Vishay)

합금 조성의 영향과 공정을 신중하게 제어하는 능력에 대한 이해를 통해 저항 대 온도 곡선을 '맞춤 지정'하여 전체 범위에 걸쳐 a)전체 구간에서 음수, b) 전체 구간에서 양수인 TCR을 생성할 수 있습니다. 또는 c) 로우 엔드에서 음수, 하이 엔드에서 양수, 상온에 범위에서 비교적 평탄한 '제로 TCR' 섹터인 TCR을 생성할 수 있습니다. 이는 실온 근처에서 작동하거나 온도 보정이 필요한 장비에 장점이 될 수 있습니다.

추적

정밀 박막 네트워크가 사용되는 대부분의 응용 분야는 근사 상대 저항값을 얻고 유지하는 것에 달려 있습니다. 따라서, '추적'이라고 불리는 네트워크 내 저항의 상대적 변화는 매우 중요합니다. 박막 네트워크는 추적에 탁월합니다. 추적은 이해하고 구별해야 하는 몇 가지 다른 측면이 존재합니다.

TCR 추적 — TCR 추적은 주어진 온도 구간 동안 저항기 쌍의 TCR 차이로 정의됩니다. 이산 소자 저항기에서 근접 TCR 추적을 하는 것은 어렵고 근사 절대 TCR 한계까지 생산하기 위해 제조 공정에 심각한 부담을 줍니다. 반대로, 박막 네트워크의 집적 구조는 저항기가 거의 동일한 공정 조건에서 그룹으로 생성되기 때문에 근사 TCR 추적을 보장합니다. 또한 저항기는 열전도율이 높은 공통 기판 표면에 매우 근접하여 동일한 온도 또는 그 근처로 작동됩니다

그럼에도 불구하고 공정 및 재료 변화는 발생할 수 있으며, 이는 동일 웨이퍼의 인접 저항기의 TCR에서 작지만 측정 가능한 차이를 발생시킵니다. 이에 영향을 줄 수 있는 공정 변수에는 불균일한 필름 증착, 기판 결함, 어닐링 중 열 구배 및 불균일한 응력이 포함됩니다. 설계도 영향을 줄 수 있습니다. 그러나 최신 공정 제어, 측정 장비와 기술을 선택하여 적절한 회로 및 칩 구성 및 패키징을 통해 TCR 추적을 100만분의 1 단위로 제어할 수 있습니다.

겉보기 TCR 추적이 '실제' 추적보다 높게 나타나는 요인은 측정 가능한 저항(r)을 갖는 공통 탭 리드의 존재 때문입니다.

여기서 TCR(r)은 일반적으로 금속인 일반 납 재료의 TCR입니다. 예시: TCR이 8.9ppm/°C인 1킬로옴 저항기가 TCR이 8.5ppm/°C인 2킬로옴 저항기에 연결되고 TCR(r)이 4000ppm/°C인 저항 0.1옴의 공유 출력 리드는 TCR 추적을 나타냅니다.

임계 비율이 저항비가 아닌 전압 분배에 따라 지정되고 측정되는 경우 공통 리드에 의한 외부 기여(위의 경우 0.2)가 사라집니다.

그림 8: 폭이 넓고 밀접하게 배치된 저항기의 추적 분포 예시. (이미지 출처: Vishay)

그림 9: 집적 네트워크와 이산 소자 저항기를 추적하기 위한 경험 법칙. (이미지 출처: Vishay)

전원 스위칭 시 저항 추적

일부 회로는 하나의 저항기에서 전류가 꺼졌다 켜지는 방식으로 작동하며, 이 방식은 정전류를 전달하는 기준 저항기와 일치합니다. 이 경우 저항기가 동일한 TCR을 가질 수 있고 기판이 균일한 주위 온도에 있더라도 자체 발열에 따라 저항값이 달라집니다. (엄밀히 말해 이는 관심 저항기가 다른 스트레스를 받는 만큼 진정한 '추적' 요구사항이 아닙니다.) 이 차이는 두 저항기의 절대 TCR에 의해 정해집니다. 이러한 흔한 응용 분야에서 저항기가 작동 온도 영역에서 가능한 한 낮은 절대 TCR을 가져야 하며 저항기 사이의 온도 차이를 최소화하기 위해 최대한 가깝게 설계되어야 합니다.

그림 10: 매치된 저항기의 불균형 발전의 예시 (이미지 출처: Vishay)

전압비

저항기는 주로 전압 분배기로 사용됩니다. 이 경우 정확한 허용 오차 범위가 수반되는 경우 저항비보다 전압비를 다루는 것이 더 적절합니다. 전압비에서 저항비와 비교해야 할 세 가지 중요한 측면이 있습니다. 전압비 자체, 전압비의 허용 오차 범위, 전압비 추적입니다.

그림 11: 전압비 이미지는 공통 리드 저항과 무관합니다. (이미지 출처: Vishay)

이상적으로는 저항기 한 쌍에서의 전압 강하는 저항값 R1/(R1 + R2)의 비율로 결정됩니다. 저항값이 같지 않으면 전압비는 공통 리드 저항에 의해 결정되는 양만큼 겉보기(측정) 저항값에서 계산된 것과 다릅니다. 이 편차는 특히 낮은 값의 저항기에서 상당히 중요할 수 있습니다.

100 밀리옴 저항을 가진 공통 '탭' 리드가 있는 1킬로옴 저항과 직렬로 연결된 10킬로옴 저항의 경우 두 비율의 차이는 75ppm입니다.

100옴 저항과 직렬로 연결된 1킬로옴 저항의 경우 100밀리옴 탭 저항은 800ppm 이상의 각 비율의 차이를 생성합니다.

이는 적절한 작동 파라미터를 지정하는 것의 중요성을 보여줍니다.

그림 12: 전압비 허용 오차 범위와 전압비 추적 방정식 (이미지 출처: Vishay)

하지만 공통 리드 저항(r)을 측정할 수 있는 경우 겉보기 TCR 추적은 앞서 표시된 겉보기 TCR 추적이 '실제' 추적보다 높고 전압비 추적은 더 낮습니다. 전압비 추적은 항상 TCR 추적보다 낮(높)습니다.

안정성

이전 섹션에서 설명한 효과는 가역적입니다. 변경 사항은 영구적이지 않으며 온도가 시작 지점으로 돌아가면 사라집니다. 그러나 비가역적인 효과가 있습니다. 앞에서 설명한 대로 대부분의 정밀 저항기 네트워크는 비율 방식으로 사용됩니다. 엄격한 허용 오차 범위로 트리밍 되었으며, 저항 또는 전압비와 관련하여 이러한 엄격한 초기 허용 오차 범위 내에서 추적할 수 있도록 세심하게 설계되었습니다. 그러나 이러한 허용 오차 범위가 네트워크의 수명 전반에 걸쳐 보존되지 못한다면 이는 무의미합니다. 이는 최대의 필름 안정성을 요구합니다. 특히 최근에는 재료와 공정의 발전으로 박막의 안정성이 전례 없는 수준으로 향상되어 이전에는 호일에서만 얻을 수 있었던 박막의 수준에 이르렀습니다.

니켈/크롬 합금에 대한 광범위한 장기 안정성 테스트에서 시간에 따른 저항 변화율이 기판 온도의 단일값 함수라는 것이 결론적으로 밝혀졌습니다. 이는 온도가 전력 부하에 의해 유발되거나 단순히 주변 환경에 의해 유발되는 유일한 변수라고 나타내는 수학적 방법입니다. 게다가 더 높은 온도에서 측정된 안정성은 고전 역학의 방정식에 따라 더 낮은 온도와 더 긴 시간으로 확실하게 추론할 수 있다는 것이 실험적으로 밝혀졌습니다.

한 쌍의 정합된 저항기의 영구적인 변화를 '안정성 추적'으로 생각하는 것이 유용합니다. 근사 추적이 절대 TCR과 독립적인 TCR 추적과 달리 안정성 추적은 절대 안정성에 따라 약간 달라집니다. 저항기 쌍이 안정적일수록 절대값과 상호 관계가 변화하지 않습니다. 다시 한번 집적 구성의 장점을 볼 수 있습니다. 네트워크의 모든 저항기는 수명 동안 비슷한 변화를 보이는 경향이 있으며 저항비는 절대값보다 훨씬 적게 변화합니다.

안정성은 부품의 수명에 영향을 받습니다. (이미지 출처: Vishay)

전력 정격

박막 정밀 네트워크는 일반적으로 고전력 응용 분야에서는 사용되지 않기 때문에 최대 전력 정격을 설정하는 방법은 범용 네트워크만큼 중요하지는 않습니다. 그러나 한계를 설정해야 하며 이는 온도 상한을 설정하여 수행하는 것이 가장 좋습니다.

제로 전력 온도(최대 작동 온도라고도 함)는 과도한 변화(일반적으로 초기 허용 오차 범위로 정의됨) 없이 지정된 시간(일반적으로 1000시간) 동안 부품을 작동할 수 있는 최대 온도입니다. 박막 네트워크의 경우 0.1%의 허용 오차 범위를 유지하기 위해 필요한 제로 전력 온도는 +150°C가 됩니다. 이 온도에서 저항은 네트워크의 다른 저항과 비교하여 500ppm 절대값 또는 100ppm의 상대값에 변화를 보일 수 있습니다. 필요한 최대 초기 허용 오차 범위가 0.01%인 경우 적절한 제로 전력 온도는 +125°C가 됩니다. 이 레벨은 밀폐된 부품 레벨입니다. 밀폐되지 않은 상태로 패키징이 된 경우 부품에 더 낮은 온도 등급이 부여됩니다.

그림 14: 일반적인 부하 경감 곡선 (이미지 출처: Vishay)

최대 전력 정격 — 전력 정격은 일반적으로 주위 온도(보통 +70°C) 이상인 부품의 표면 온도를 제로 전력 온도로 올리는 데 필요한 전력으로 여겨집니다. 이는 와트 전체 전력으로 표시됩니다. 전력 부하 경감 곡선은 중간 온도에서 한계를 결정하는 데 사용됩니다.

네트워크 내부의 다른 저항기의 전원 공급 상태에 따라 이산 소자 저항기의 최종 표면 온도가 크게 달라지므로 네트워크 내부의 이산 소자 저항기의 정격을 각별히 고려해야 합니다. 일반화하기는 어렵지만, 적절한 네트워크 설계는 균일한 출력 밀도를 제공하는 배치를 통해 이러한 잠재적 변화를 설명할 것입니다.

위에서 설명한 것처럼, 허용 오차 범위에 근접한 정밀 네트워크의 전력 레벨은 일반적으로 더 낮게 설정되지만 칩의 크기가 작기 때문에 출력 밀도가 높을 수 있습니다. 일반적인 설계 레벨은 매우 정밀한 네트워크의 경우 25W/in²이지만, 박막은 무결성에 영향을 주지 않으면서 최대 200W/in²의 매우 높은 레벨의 출력 밀도를 유지할 수 있습니다. 최종적으로 패키지의 열 저항이 매우 다양하다는 사실을 고려해야 합니다.

저항 및 전류 잡음의 전압 계수

서멧이나 폴리머처럼 복합 소재로 만들어진 저항기에서 상당히 심각한 단점일 수가 있는 이 두 가지 특성은 크기가 매우 작아서 박막 정밀 네트워크에서는 일반적으로 무시할 수 있습니다. 이것은 모놀리식 박막 소재의 주요 장점 중 하나입니다.

저항의 전압 계수는 단위 변화당 저항의 단위 변화로 ppm/볼트(V)로 표시됩니다. 이 값은 비저항 거동을 측정한 값이며 박막에서는 약 0.1ppm/V로 측정된 메그옴 범위에서만 식별할 수 있는 수준입니다.

전류 잡음은 Quantek Company에서 개발한 표준 계측기를 사용하여 특성화되고 측정됩니다. 박막의 경우 일반적인 값은 -35dB 미만입니다.

열전 효과

저항기 종단 온도가 다른 경우 열전 전압이 생길 수 있습니다. 이는 상대적으로 큰 크기에 걸쳐 열 구배가 존재할 수 있는 이산 소자 저항기에서 상당한 문제가 될 수 있습니다. 박막 네트워크에서 모든 저항기는 크기가 작고 열전도 기판의 열 확산 효과로 인해 동일한 온도 또는 그 근처의 온도를 유지합니다. 박막의 열전 효과는 일반적으로 0.1µV/°C 미만입니다.

저항기의 주파수 응답

100MHz보다 큰 주파수의 경우 대부분의 저항기를 기생 유도 용량과 정전 용량이 있는 등가 회로의 관점에서 고려해야 합니다(그림 15 참조). 일반적인 임피던스 응답은 그림 16에서 확인할 수 있습니다. 임피던스 응답은 저항기 크기, 트리밍 방법, 부품값과 종단 스타일에 따라 달라집니다.

그림 15: 100MHz보다 큰 주파수의 경우 대부분의 저항기를 기생 유도 용량과 정전 용량이 있는 등가 회로의 관점에서 고려해야 합니다. (이미지 출처: Vishay)

그림 16: 특수 에지 감지 트리밍 0402 플립 칩 저항기의 일반적인 내부 임피던스 응답. (이미지 출처: Vishay)

크기를 고려하는 것은 기생 임피던스 감소에 매우 중요합니다. 크기가 작을수록 부품이 이상적인 저항기에 가깝게 동작합니다. 트리밍 스타일 또한 중요합니다.

박막 저항기는 다양한 기하학적 설계로 트리밍 할 수 있습니다(그림 17 참조). 접촉 단자 패드 간 직사각형 설계 중심(균형)을 유지하여 서펜타인이나 L 트림 같은 스타일과 비교하여 장치의 성능이 향상될 수 있습니다.

그림 17: 박막 저항기는 다양한 기하학적 설계로 트리밍 할 수 있습니다. (이미지 출처: Vishay)

Vishay 박막 저항기는 아래 링크를 참조하십시오.

리드 네트워크

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

표면 실장 칩

• M55342 계열
• PTN 계열
• FC 계열
• M 계열

스루홀

• TSP 계열
• VTF 계열
• HD 계열