片式合金箔電阻高精度加工技術(shù)的研究

史書剛，張 秀，陳天磊，周瑞山

(1.中國振華集團(tuán)云科電子有限公司，貴州貴陽 550018;2.貴州振華電子信息產(chǎn)業(yè)有限公司，貴州貴陽 550018)

自合金箔電阻被發(fā)明以后的半個(gè)世紀(jì)，在高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性等方面的應(yīng)用中，合金箔電阻技術(shù)一直優(yōu)于現(xiàn)今所有的電阻工藝技術(shù)[1-2]。長期以來國內(nèi)外關(guān)于合金箔電阻的生產(chǎn)工藝方面公開的資料比較少，人們往往缺乏對(duì)合金箔電阻工藝技術(shù)方面的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，一定程度上限制了產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)。合金箔電阻器相對(duì)于傳統(tǒng)厚薄膜電阻有很多優(yōu)點(diǎn)[3-4]，而超高精度正是該產(chǎn)品的突出特點(diǎn)，因此高精度調(diào)阻技術(shù)更是該產(chǎn)品關(guān)鍵的技術(shù)壁壘。針對(duì)這種情況，本文在數(shù)字化高精度調(diào)阻方面進(jìn)行了深入的研究，從兩個(gè)方面著手:1、合金箔電阻圖形設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對(duì)阻值高精度的影響;2、合金箔電阻圖形高精度加工技術(shù)對(duì)阻值高精度的影響。最終創(chuàng)新性地開發(fā)出了合金箔電阻器數(shù)字化調(diào)阻方法，并將其模塊化嵌入自動(dòng)化設(shè)備中。該方法不僅保證了合金箔電阻器的超高精度等級(jí)，還提升了合金箔電阻器的生產(chǎn)工藝水平。

1 合金箔電阻圖形設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電阻圖形設(shè)計(jì)是片式合金箔電阻器產(chǎn)品阻值高精度的關(guān)鍵，存在的技術(shù)難點(diǎn)主要在于如何在有限的空間內(nèi)，通過電阻圖形的迷路和調(diào)整點(diǎn)的合理設(shè)計(jì)來保證產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)。同時(shí)還要兼顧目標(biāo)阻值、功率承受以及加工工藝等方面的影響。

合金箔電阻功能層是由厚度均勻的合金箔材構(gòu)成。此類電阻器的電阻值計(jì)算以方數(shù)計(jì)算較為方便，在厚度一致的金屬箔上面，每一個(gè)方向的合金箔電阻值均相等。電阻值就是方阻與方數(shù)的乘積。

1.1 電阻圖形的設(shè)計(jì)

電阻圖形的設(shè)計(jì)很復(fù)雜。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮盡量減少制版數(shù)量并便于光刻。每個(gè)圖版要有較寬的阻值覆蓋范圍，并能滿足設(shè)計(jì)精度的要求。圖形中必須提供相應(yīng)的粗調(diào)區(qū)和精調(diào)區(qū)部分。電阻圖形一般是由電極區(qū)、固定的主電阻區(qū)、可調(diào)的粗調(diào)區(qū)和精調(diào)區(qū)幾個(gè)部分組成。各調(diào)阻區(qū)的周邊均設(shè)有若干個(gè)并聯(lián)電阻支路調(diào)整點(diǎn)。切斷其中相應(yīng)的并聯(lián)支路，就能獲得一定的阻值增量，視增量的多少可增加或減少粗調(diào)區(qū)域和精調(diào)區(qū)域。

電阻芯片圖形多為單彎曲型、雙彎曲型和線突變型回線[5]。表1為三種圖形的方數(shù)計(jì)算方式。

表1 三種典型電阻圖形方數(shù)計(jì)算Tab.1 Three type of typical resistor pattern

在電阻圖形設(shè)計(jì)的時(shí)候，方數(shù)和線寬都是相互制約，相互影響的，設(shè)計(jì)過程要全面考慮，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。

1.2 電阻圖形的實(shí)現(xiàn)

電阻圖形的實(shí)現(xiàn)，就是基于設(shè)計(jì)好的電阻圖形進(jìn)行阻值調(diào)整，使其達(dá)到目標(biāo)阻值和高精度的目的。阻值調(diào)整的方法各有不同，優(yōu)劣也不同，但其最終的目的是一樣的。在實(shí)踐中，經(jīng)過對(duì)各種阻值調(diào)整方法的比較分析，開發(fā)出一套創(chuàng)新性的數(shù)字化調(diào)阻技術(shù)。數(shù)字化調(diào)阻技術(shù)就是在電阻圖形設(shè)計(jì)中，設(shè)置主要調(diào)阻區(qū)域，同時(shí)為了達(dá)到高精度，設(shè)置多個(gè)可調(diào)的精細(xì)調(diào)阻區(qū)，調(diào)阻過程中通過逐漸縮小與目標(biāo)阻值的差距，逐級(jí)地達(dá)到超高精度的要求。

圖1 阻值調(diào)整點(diǎn)示意圖Fig.1 The drawing of resistance adjust dot

合金箔電阻器電阻圖樣黑色區(qū)域(覆蓋電阻層區(qū)域)為電阻體，白色區(qū)域(沒有覆蓋電阻層區(qū)域)為間隙，該示例圖樣共設(shè)置10個(gè)調(diào)阻區(qū)域，每個(gè)調(diào)阻區(qū)域代表一個(gè)可以調(diào)整的阻值，同時(shí)設(shè)置1個(gè)調(diào)整點(diǎn)。按照調(diào)整點(diǎn)可調(diào)整阻值的大小從小到大依次為03，02，01，04，05，06，…，10。10個(gè)調(diào)整點(diǎn)增大阻值如表2所示。

表2 調(diào)整點(diǎn)可增大的阻值Tab.2 The increasing value of the resistance adjust dot

合金箔電阻器的電阻圖形在調(diào)整阻值的過程中，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)阻值進(jìn)行判斷，如果設(shè)定目標(biāo)阻值不在調(diào)整范圍內(nèi)，則不進(jìn)行阻值修整;如果設(shè)定目標(biāo)阻值在調(diào)整范圍內(nèi)，則依次將調(diào)整點(diǎn)切斷，達(dá)到阻值要求的精度。圖2即為阻值修整以后的電阻圖樣示意圖。

數(shù)字化調(diào)阻程序要求首先進(jìn)行阻值測(cè)試，測(cè)試以后讀取實(shí)際值，根據(jù)實(shí)際值與模擬值之間的差異，產(chǎn)生每一個(gè)調(diào)整點(diǎn)的調(diào)阻范圍。每一次測(cè)量都要將測(cè)試值與目標(biāo)值進(jìn)行比較。比較的結(jié)果如果在某個(gè)調(diào)整點(diǎn)的可調(diào)范圍，就將此調(diào)整點(diǎn)切斷，依次進(jìn)行，直到達(dá)到目標(biāo)阻值的精度范圍。

2 合金箔電阻圖形高精度加工技術(shù)

合金箔電阻器的電阻圖形的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)理論上可達(dá)到產(chǎn)品阻值的超高精度，但在加工合金箔電阻圖形的過程中，需要光刻工藝進(jìn)行嚴(yán)格的保障，光刻工藝需要準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)的電阻圖樣刻蝕出來。通過光刻，合金箔材應(yīng)具有:

(1)線條邊沿光滑，整齊，尺寸符合底版的要求;

(2)電阻值接近目標(biāo)阻值，且分散度小;

(3)無側(cè)蝕、小島或斷線等現(xiàn)象，成品率高;(4)版面圖形清晰，干凈，沒有腐蝕介質(zhì)的殘余物。

合金箔電阻阻值段在幾十歐姆到幾十萬歐姆，針對(duì)不同的阻值段，需要采用不同的蝕刻方法來完成不同精度產(chǎn)品的加工。通常在低阻值段，功率較大，電阻線條比較粗，一般為100～500 μm，可以采用濕法的化學(xué)腐蝕;在中阻值段，功率較小，電阻線條相對(duì)較窄，一般為幾十微米左右，此時(shí)多采用電化學(xué)腐蝕技術(shù)，以得到相對(duì)精細(xì)的線條;而在高阻值段，功率較小，電阻線條更窄，一般為10～30 μm甚至更小，此時(shí)多采用離子束刻蝕工藝[6-9]，即干法刻蝕，來得到精細(xì)的線條。

2.1 濕法腐蝕與干法刻蝕的精細(xì)加工比較

不同的阻值段，需要采用不同的蝕刻方法來完成不同精度產(chǎn)品的加工。圖3所示是較低阻值 (幾十歐姆)的電阻圖樣，通?？梢圆捎脻穹ǖ幕瘜W(xué)腐蝕。

圖3 濕法腐蝕的電阻圖樣Fig.3 Resistor pattern using wet etching

濕法腐蝕雖滿足低阻產(chǎn)品對(duì)電阻圖樣的要求，但是同樣的產(chǎn)品，采用干法刻蝕的效果不僅線條形狀更加平滑，阻值一致性也更好，然而干法刻蝕的效率很低，所以對(duì)于不同阻值采用何種加工方法，要綜合兩個(gè)方面考慮。圖4就是同樣低阻產(chǎn)品采用干法刻蝕的效果。

圖4 干法刻蝕的電阻圖樣Fig.4 Resistor pattern using dry etching

綜合干法刻蝕與濕法腐蝕可得出以下結(jié)論:

(1)濕法腐蝕需要藥水配合噴淋腐蝕機(jī)進(jìn)行，干法刻蝕需要專用的離子束刻蝕機(jī)進(jìn)行;

(2)濕法腐蝕時(shí)間較短，效率較快，成品合格率低;干法刻蝕時(shí)間長，效率很慢，但成品的合格率高;

(3)濕法腐蝕蝕刻時(shí)間不容易控制，容易過刻或產(chǎn)生腐蝕缺陷，干法刻蝕過程較慢，所以容易控制刻蝕速率，可以獲得微細(xì)的電阻線條;

(4)濕法腐蝕很難刻蝕較細(xì)微圖樣，干法刻蝕可適用于各種電阻圖形的刻蝕。

2.2 干法刻蝕方法的精細(xì)加工

干法刻蝕是較先進(jìn)的刻蝕工藝，但是在制作合金箔電阻器時(shí)，對(duì)離子束刻蝕機(jī)的要求相對(duì)較高。干法涉及離子源、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)之間的配合。為了達(dá)到高精度加工工藝，本文從多種干法刻蝕工藝進(jìn)行了優(yōu)選。為了工藝的實(shí)現(xiàn)，采用國外進(jìn)口離子源以保證高精細(xì)電阻圖樣的刻蝕效果。

圖5 國外進(jìn)口離子源制作電阻圖樣Fig.5 Resistor pattern using dry etching equipped by imported ion source

圖5(a)為國外進(jìn)口離子源制作的電阻圖樣，總體刻蝕均勻性好，可以明顯看出線條圓潤光滑，很少有起伏情況。從圖5(b)和5(c)局部刻蝕效果來看，內(nèi)部線條的刻蝕效果也很好，精細(xì)線條的部分基本刻蝕完全，線條邊沿沒有多余毛刺。

3 工藝與實(shí)現(xiàn)情況

基于合金箔電阻器電阻圖形的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的理論設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)電阻器數(shù)字化調(diào)阻工藝，操作中使用內(nèi)嵌有數(shù)字化調(diào)阻模塊的激光調(diào)阻工藝平臺(tái)對(duì)電阻體進(jìn)行直線切斷[10]，圖6即為某型號(hào)電阻的數(shù)字化調(diào)阻情況。

圖6 數(shù)字調(diào)阻實(shí)際圖片F(xiàn)ig.6 Actual picture of digital resistance adjustment

在工藝實(shí)現(xiàn)的過程中，檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)每一顆電阻調(diào)阻數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄每一個(gè)調(diào)整點(diǎn)在調(diào)阻過程中的變化以及最終產(chǎn)品的調(diào)阻情況，如表3所示，該顆電阻目標(biāo)阻值為25 Ω，從檢測(cè)表格中可以明顯看出合金箔電阻的工藝與實(shí)現(xiàn)情況，經(jīng)過調(diào)阻程序，最終阻值為24.9976 Ω，精度達(dá)到±0.01%以內(nèi)，達(dá)到了工藝的要求。

表3 電阻調(diào)阻數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)表Tab.3 The monitor of resistor value adjusting process

4 結(jié)論與展望

本文采用電阻圖形合理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，結(jié)合電阻圖形高精度加工工藝的技術(shù)方法進(jìn)行合金箔電阻器的設(shè)計(jì)，通過引入獨(dú)創(chuàng)的數(shù)字化調(diào)阻技術(shù)，使得合金箔電阻器阻值精度有了極大的提高，通過數(shù)字化調(diào)阻技術(shù)的模塊化，達(dá)到了高精度合金箔電阻器自動(dòng)化調(diào)阻的目的，從而提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。本文所述工藝的實(shí)現(xiàn)，可以給圖形化電阻產(chǎn)品的調(diào)阻、數(shù)字化調(diào)阻程序的開發(fā)、高精度電阻圖樣的設(shè)計(jì)等方面，提供一定的指導(dǎo)。