고정밀 마이크로웨이브 및 항공우주용 박막 임베디드 저항기 성능 평가

임베디드 PCB 간단 소개

1959년 잭 킬비가 발명한 최초의 IC는 트랜지스터 두 개와 저항 하나만 포함했습니다. 오늘날 수천만 개의 트랜지스터가 단일 PC 칩에 결합되는 다중 복합 기술이 적용됩니다. 전자 제품이 소형화와 다기능화로 나아가면서 점점 더 높은 요구를 충족하기 위해 임베디드 수동 부품 기술이 등장했습니다. 수동 부품과 능동 부품 비율은 약 20:1이며, 집적도가 점차 높아지면서 이 비율도 상승하고 있습니다. 수많은 수동 부품이 PCB에 임베디드되면서, 임베디드 기술로 제조된 회로 기판 면적은 SMT로 제조된 보드 대비 40% 축소됩니다. 1980년대 초 임베디드 수동 부품 기술 시작을 보았으며, 보통 평면 형태로 구현됩니다. 수동 부품 분류에 따라 임베디드 PCB는 임베디드 저항 PCB, 임베디드 커패시터 PCB, 임베디드 인덕터 PCB로 더 세분화됩니다. 저항기, 커패시터, 인덕터는 거의 모든 전자 시스템에서 볼 수 있으며 시스템에 임피던스를 제공하고 에너지를 저장합니다. 임베디드 수동 부품 중 커패시터와 저항기가 최소 80% 이상을 차지합니다. 현재 임베디드 수동 부품은 필터, 감쇠기, 발룬, 블루투스, 전력 증폭기 등 수많은 회로 분야에 널리 적용되고 있습니다. 또한 디지털 신호 고속화/고주파화, 수동 부품 전압 지속 감소, 기능 점진적 강화, 신호 전송 밀도 점진적 증가 같은 추세로 전자기 커플링과 신호 크로스토크 제거를 위한 더 많은 저커패시턴스 바이패스 커패시터 참여가 요구되어 임베디드 커패시터 PCB 기술이 업계 광범위한 주목을 받고 있습니다.

임베디드 저항기 장점

임베디드 저항기 장점은 주로 전기적 성능, PCB 설계, 신뢰성 세 가지 측면에서 나타납니다.

전기적 이점

• 라인 임피던스 매칭 개선에 도움
• 신호 경로 단축과 직렬 인덕턴스 감소 유도
• 크로스토크, 노이즈, EMI(전자기 간섭) 감소 유발

PCB 설계 이점

• 능동 부품 밀도 개선과 폼 팩터 감소 유도
• 비아 불필요로 배선 개선
• 보드 단순화, 크기 축소 및/또는 집적화 결과

향상된 신뢰성

아래 표는 임베디드 저항기 향상된 신뢰성을 보여줍니다.

항목	파라미터
낮은 TCR	<50PPM
수명 테스트	100,000시간; 110°C에서 <2% 드리프트
광대역 주파수 안정성	40GHz 이상 테스트 완료
솔더 조인트	없음
테스트 단계	내부 층 및 베어 보드

박막 성능 결정 요인

현재 박막 저항기 재료는 크로뮴, 탄탈륨, 티타늄 재료 등 넓은 적용 범위를 커버합니다. 크로뮴 박막 저항기에 비해 탄탈륨 박막 저항기는 우수한 화학적 안정성과 내식성, 높은 신뢰성, 넓은 저항 범위, 높은 안정성 등 많은 우수한 성능을 가져 이상적인 박막 저항기 재료로 광범위한 적용 전망을 가집니다.

저항 박막 균일성은 진공 캐비티 내 기판 위치 변화에 따라 기판 상에 제조된 저항기가 어떻게 변하는지, 동일 기판 이동 시 저항이 어떻게 수정되는지를 의미합니다. 박막 균일성을 주도하는 주요 요인에는 기판과 타겟 재료 간 상대 위치, 증착 속도, 진공도가 포함됩니다. 박막 IC에 적용 가능한 탄탈륨 질화물(TaN) 막은 동일 기판 상과 서로 다른 위치 기판 간에 모두 우수한 균일성을 보입니다. 또한 서로 다른 배치 간 저항 오차도 낮게 유지되며 우수한 균일성을 가집니다. 현재 TaN 막 제조에 물리 기상 증착과 화학 기상 증착 두 가지 제조 방법이 있습니다. 전기 저항률 안정성과 신뢰성, 정확도, 균일성은 TaN 막 제조에서 중요한 역할을 합니다. 저항 수정은 주로 레이저나 산화를 통해 수행하여 저항 정확도를 보장합니다. 하지만 두 방법 모두 단점이 있는데, 레이저는 저항 그래픽을 손상시킬 수 있고 저항 막이 견디는 전력에 영향을 주며, 산화를 통한 저항 수정은 낮은 속도와 나쁜 신뢰성 문제를 겪습니다.

이 문서는 마그네트론 반응성 스퍼터링을 활용하여 TaN 박막을 제조하고, 균일 플레이트 위치 같은 기술 파라미터가 TaN 박막 균일성과 성능에 미치는 영향을 연구하여 정확한 저항률 제어 기술을 결정합니다. 또한 증착 스캐닝 속도와 N₂ 유량 비율이 TaN 박막과 성능에 미치는 영향을 연구 분석합니다.

박막 성능 분석

균일성 분석

고정 스캐닝 속도 105cm/min, 질소 유량 비율 10% 조건에서 TaN 박막 균일성을 분석합니다. 내부 시트 균일성은 공식 로 계산할 수 있습니다.

저항 측정기를 적용하여 저항을 측정하며 각 베이스 시트당 60포인트 측정 희생이 필요합니다. 결과는 다음과 같습니다:

위치	R□Max	R□Min	R□Avg	균일성
	Ω·□⁻¹	Ω·□⁻¹	Ω·□⁻¹	%
1	55.70	53.51	54.86	2.00
2	48.04	47.08	47.66	1.01
3	53.96	51.91	52.78	1.94

이는 4인치 크기 베이스 시트 상 TaN 박막 저항 분포를 나타냅니다. 이에 따라 2번 위치 베이스 시트가 최고의 내부 시트 균일성을 가지며, 플레이트 에지나 타겟 재료 에지에 가까운 베이스 시트는 상대적으로 나쁜 방형 저항 변동과 내부 시트 균일성을 보이고, 타겟 재료 에지에 가까운 타겟 재료 내부 시트 균일성이 최악임을 요약할 수 있습니다. 균일성이 나쁜 TaN 박막은 고정밀 네트워크 저항기 제조에 큰 영향을 미칩니다.

타겟 재료 에지 근처 박막 비균일성을 극복하기 위해 균일 플레이트를 설치하여 증착 박막을 조정할 수 있습니다. 이는 증착 영역을 선택적으로 커버하여 막 균일성을 제어할 수 있기 때문입니다.

증착 스캐닝 속도 분석

스캐닝 가속에 따라 TaN 박막 방형 저항은 선형 개선 추세로 확대되는 경향을 보입니다. 스캐닝 속도가 높을수록 증착 시간이 짧아지고 박막 상 원자 수도 줄어듭니다. 막도 얇아집니다. 박막 생성 과정에서 아일랜드 구조, 네트 구조, 연속 구조 세 가지 구조가 있습니다. 박막 특성은 구조와 요소와 밀접히 관련됩니다. 막이 상대적으로 얇으면 아일랜드 구조로 옵니다. 막이 두꺼워지면 아일랜드 구조가 네트 구조로, 다시 연속 구조로 변환됩니다. 저항 박막의 경우 도전상, 반도체상, 절연상 세 가지 위상 구조가 있습니다. 아일랜드 구조에서 도전상 입자는 셔터 아일랜드처럼 절연상으로 둘러싸여 박막에 산재합니다. 따라서 막 방형 저항은 상대적으로 높습니다. 네트 구조는 도전 입자 간 상호 연결로 구성된 도전 네트워크입니다. 절연상이 네트워크 내부에 산재하여 낮은 방형 저항을 가집니다. 연속 구조는 조밀하게 축적된 도전 입자로 구성된 연속적 박막으로, 절연 요소가 적어 박막 방형 저항이 수축됩니다.

질소 유량 분석

a. 질소 유량이 TaN 박막 방형 저항에 미치는 영향

질소 유량 비율 개선에 따라 TaN 박막 방형 저항이 점차 상승합니다. 이 법칙은 질소 유량이 15%에서 20%로 증가할 때 특히 두드러집니다. 이는 질소 분압 증가가 Ta 공극 증가를 유도하고 박막 전도 타입이 전자 전도에서 공극 전도로 전환되기 때문입니다. 결과적으로 방형 저항이 최종적으로 상승합니다.

b. 질소 유량이 TaN 박막 두께에 미치는 영향

질소 유량 증가는 TaN 박막 두께를 점차 감소시키며, 이는 방형 저항 변화 추세와 반대입니다. 막 두께는 스퍼터링 입자 평균 자유 경로와 타겟 재료 스퍼터링 속도와 밀접히 연관됩니다.

요약하자면, 박막 임베디드 저항기는 우수한 균일성을 가지며 광범위한 산업에서 성공적으로 적용됩니다. 수많은 테스트와 실험을 통해 박막 임베디드 저항기 신뢰성이 입증되었습니다. 따라서 수많은 전자 응용 분야에서 박막 임베디드 저항기를 높게 신뢰할 수 있을 것으로 기대됩니다.

본 문서는 PCBCart 편집자 도라 양이 작성했으며, 원래 2017년 6월 PCB Design Magazine에 게재되었습니다.

참고 자료

• 임베디드 기술과 부품 임베디드 PCB 조립 절차
• 부품 임베디드 PCB 제조 기술
• 임베디드 응용 시스템 고속 PCB 설계 연구
• PCBCart 풀 피처 PCB 제조 서비스 - 다양한 부가 가치 옵션
• PCBCart 고급 PCB 조립 서비스 - 1개부터 시작