史書剛，張 秀，陳天磊，周瑞山

(1.中國振華集團云科電子有限公司，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)明以后的半個世紀，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，人們往往缺乏對合金箔電阻工藝技術(shù)方面的系統(tǒng)認識，一定程度上限制了產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)。合金箔電阻器相對于傳統(tǒng)厚薄膜電阻有很多優(yōu)點[3-4]，而超高精度正是該產(chǎn)品的突出特點，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。針對這種情況，本文在數(shù)字化高精度調(diào)阻方面進行了深入的研究，從兩個方面著手:1、合金箔電阻圖形設(shè)計與實現(xiàn)對阻值高精度的影響;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，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)計與實現(xiàn)

電阻圖形設(shè)計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)整點的合理設(shè)計來保證產(chǎn)品的各項指標。同時還要兼顧目標阻值、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算以方數(shù)計算較為方便，在厚度一致的金屬箔上面，每一個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

電阻圖形的設(shè)計很復(fù)雜。設(shè)計時要考慮盡量減少制版數(shù)量并便于光刻。每個圖版要有較寬的阻值覆蓋范圍，并能滿足設(shè)計精度的要求。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)幾個部分組成。各調(diào)阻區(qū)的周邊均設(shè)有若干個并聯(lián)電阻支路調(diào)整點。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)計算方式。

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

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

1.2 電阻圖形的實現(xiàn)

電阻圖形的實現(xiàn)，就是基于設(shè)計好的電阻圖形進行阻值調(diào)整，使其達到目標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。在實踐中，經(jīng)過對各種阻值調(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)計中，設(shè)置主要調(diào)阻區(qū)域，同時為了達到高精度，設(shè)置多個可調(diào)的精細調(diào)阻區(qū)，調(diào)阻過程中通過逐漸縮小與目標阻值的差距，逐級地達到超高精度的要求。

圖1 阻值調(diào)整點示意圖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個調(diào)阻區(qū)域，每個調(diào)阻區(qū)域代表一個可以調(diào)整的阻值，同時設(shè)置1個調(diào)整點。按照調(diào)整點可調(diào)整阻值的大小從小到大依次為03，02，01，04，05，06，…，10。10個調(diào)整點增大阻值如表2所示。

表2 調(diào)整點可增大的阻值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)定的目標阻值進行判斷，如果設(shè)定目標阻值不在調(diào)整范圍內(nèi)，則不進行阻值修整;如果設(shè)定目標阻值在調(diào)整范圍內(nèi)，則依次將調(diào)整點切斷，達到阻值要求的精度。圖2即為阻值修整以后的電阻圖樣示意圖。

數(shù)字化調(diào)阻程序要求首先進行阻值測試，測試以后讀取實際值，根據(jù)實際值與模擬值之間的差異，產(chǎn)生每一個調(diào)整點的調(diào)阻范圍。每一次測量都要將測試值與目標值進行比較。比較的結(jié)果如果在某個調(diào)整點的可調(diào)范圍，就將此調(diào)整點切斷，依次進行，直到達到目標阻值的精度范圍。

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)計與實現(xiàn)理論上可達到產(chǎn)品阻值的超高精度，但在加工合金箔電阻圖形的過程中，需要光刻工藝進行嚴格的保障，光刻工藝需要準確地將設(shè)計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，電阻線條相對較窄，一般為幾十微米左右，此時多采用電化學(xué)腐蝕技術(shù)，以得到相對精細的線條;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，此時多采用離子束刻蝕工藝[6-9]，即干法刻蝕，來得到精細的線條。

2.1 濕法腐蝕與干法刻蝕的精細加工比較

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，所以對于不同阻值采用何種加工方法，要綜合兩個方面考慮。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進行，干法刻蝕需要專用的離子束刻蝕機進行;

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

(3)濕法腐蝕蝕刻時間不容易控制，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，可以獲得微細的電阻線條;

(4)濕法腐蝕很難刻蝕較細微圖樣，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加工

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

圖5 國外進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 工藝與實現(xiàn)情況

基于合金箔電阻器電阻圖形的設(shè)計與實現(xiàn)的理論設(shè)計，為了實現(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)阻工藝平臺對電阻體進行直線切斷[10]，圖6即為某型號電阻的數(shù)字化調(diào)阻情況。

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

在工藝實現(xiàn)的過程中，檢測系統(tǒng)對每一顆電阻調(diào)阻數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，記錄每一個調(diào)整點在調(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，該顆電阻目標阻值為25 Ω，從檢測表格中可以明顯看出合金箔電阻的工藝與實現(xiàn)情況，經(jīng)過調(diào)阻程序，最終阻值為24.9976 Ω，精度達到±0.01%以內(nèi)，達到了工藝的要求。

表3 電阻調(diào)阻數(shù)據(jù)監(jiān)測表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)計與實現(xiàn)，結(jié)合電阻圖形高精度加工工藝的技術(shù)方法進行合金箔電阻器的設(shè)計，通過引入獨創(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，達到了高精度合金箔電阻器自動化調(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)計等方面，提供一定的指導(dǎo)。