Лазерне припасування резисторів

Для досягнення необхідних характеристик приладів твердотільної електроніки, що працюють у діапазоні високих частот, використовуються різні методи налаштувань вихідних параметрів. Елементами налаштування є плівкові резистори, конденсатори, індуктивності та інші, виготовлені за планарною технологією. Найбільшого поширення набув метод лазерного припасування резисторів. В основу методу покладено технологічний процес локального випаровування частини плівкового резистора під впливом лазерного сфокусованого випромінювання. Раніше, як правило, для припасування використовувалися твердотільні лазери з активним елементом на АІГ (алюмоітрієвому гранаті легованим неодимом) з модульованою добротністю [1].

В даний час твердотільна електроніка, відповідно і лазерне припасування плівкових резисторів, не втратили актуальності, незважаючи на широке впровадження цифрових технологій на основі напівпровідникових мікросхем. Однак, сучасні тенденції до збільшення інтеграції та мініатюризації елементів, широке впровадження гібридних схем потребують нового підходу до відомих технологічних методів.

До плівкових відносяться тонкоплівкові резистори на базі резистивних хромсилицидних і металевих сплавів, типу РС 3710, РС 5406, Та, Сr і резистори, виконані за товстоплівковою технологією спалюванням композиційної пасти методом трафаретного друку через масочну матрицю, надалі. Основне їх застосування - забезпечення працездатності активних елементів, таких як под/п транзистори, діоди і мікросхеми, напівпровідникові модулі пов'язані з планарними елементами електронного вузла. Тому їхня надійність визначає надійність всього модуля.

Одним із параметрів надійності є максимально допустима потужність розсіювання резистора. У зв'язкуз тим, що зменшення ширини резистора призводить до збільшення потужності розсіювання, вводиться обмеження ширини знімання в загальному наближенні дорівнює 1/3 ширини резистора. Резистори часто мають непрямокутну форму, на рис. 1 наведені основні прийоми припасування, що враховують це обмеження.

Допустима потужність розсіювання, падіння напруги, струм і площа резистора пов'язані співвідношенням: ΔU = (Ps RS)1/2 та I = (Ps S/R)1/2, де ΔU – падіння напруги, I – струм, R - Опір резистора, Ps - допустима потужність розсіювання з площі S резистора [2].

Мал. 1. Види граничного знімання матеріалу при припасуванні резисторів різних типів.

Припасування резисторів гібридних інтегральних схем (ГІС) - найбільш трудомістка технологічна операція. Для низькочастотних схем зазвичай використовуються товстоплівкові резистори. Їх точність невисока, але лазерне припасування дозволяє швидко підганяти їх номінали в автоматичному режимі. Більш складно лазерним припасуванням доводити параметри тонкоплівкових високочастотних резисторів. Велике значення набуває вибору оптимального режиму випромінювання лазера для якісного випаровування плівки. Важливо мінімізувати шорсткість краю резистора в зоні припасування у поєднанні з відсутністю пошкодження поверхні підкладки. У цьому враховується як форма різу, і напрям переміщення променя по полю резистора.

Так як товщина тонкоплівкового (ТНП) резистора становить близько 100 нм, то характер різу набуває значення електрофізичного параметра. Для товстоплівкового (ТЛП) резистора при товщині кілька мікронів допустимо використовувати т.з. Y і L — різи впоперек резистора і, відповідно, упоперек напряму перебігу сили струму від одного контактного майданчика до іншого. При цьому в зоні різання виникаєзбільшення щільності струму та локальний розігрів плівки. Для ТЛП резисторів це не настільки критично, що стосується ТНП, таке зонне збільшення щільності струму може спричинити його руйнування. А використання таких різів у ТНП резисторах на високих частотах призводить до появи струмового шуму, що ускладнює подальше налаштування приладу за вихідними параметрами. Для ТНП резистора кращі різи і знімання матеріалу резистора паралельно напрямку сили струму. Якісне випаровування плівки в зоні припасування залежить від розподілу потужності по діаметру лазерного променя в зоні фокусування, форми, тривалості та частоти проходження імпульсу лазера. Сучасні умови розробки та виробництва електронних приладів при підвищенні рівня інтеграції схем з використанням потужних високочастотних напівпровідникових компонентів ставлять нові жорсткіші вимоги до лазерного підганяння резисторів. Це оптимальна продуктивність операції припасування, надійність та простота обслуговування лазерного джерела, якісне випаровування матеріалу резистора з мінімальним пошкодженням поверхні підкладки, мінімальна нерівність краю різу резистора. Нерівність краю дуже впливає на відхилення номіналу резистора при нагріванні в режимі експлуатації. Одним з основних параметрів щодо нерівності краю резистора, що утворюється в результаті впливу сфокусованого лазерного випромінювання, є коефіцієнт перекриття k.

Коефіцієнт перекриття k і висота нерівності краю h, пов'язані з параметрами установки лазерного припасування резисторів співвідношеннями: k = V/fd; k = (1 - (1 - 2h/d) 2) 1/2, де V - швидкість сканування випромінювання, f - частота проходження імпульсів, d - діаметр сфокусованого променя лазера, h - висота нерівності краю різу [2].

В даний час волоконнілазери задовольняють усім основним вимогам, що пред'являються до операції припасування резисторів як пасивної (підганяння в номінал), так і функціональної (активної за основними вихідними параметрами приладу) [3]. З урахуванням всього вищевикладеного було розроблено та успішно впроваджено установку підгонки резисторів ЛТУ-7-10-2 ШВЛ, представлену на мал. 2 .

а) б) в) Мал. 2. Встановлення припасування резисторів ЛТУ-7-10-2 ШВЛ: а - кабіна у відкритому стані, б - кабіна в закритому стані, в - маніпулятор (захисна панель знята).

Установка закритого типу відповідає ІІ класу лазерної безпеки згідно з СНіП пристрою та експлуатації лазерів № 5804-91. Її захисна камера повністю виключає опромінення персоналу прямим, розсіяним та відбитим лазерним випромінюванням.

Установка змонтована на опорному каркасі і містить імпульсний волоконний лазер YLP-0,5-100-20-10-HC-RG з довжиною хвилі 1,07 мкм, номінальною середньою вихідною потужністю 10 Вт, частотою проходження імпульсів 20-50 кГц, оптичну фокус систему, систему позиціонування XY (100х100 мм) з предметним столиком з кутовою корекцією, систему підйому по OZ 100 мм у ручному та програмному режимі, оптичну та телевізійну систему спостереження, блоки живлення, керування; блоки управління координатним столом, керуючий комп'ютер; систему підсвічування робочої зони. Установка обладнана захисною камерою зони обробки з освітленням, можливістю підключення витяжної вентиляції, забезпечена змінною системою спостереження (оптичною та телевізійною), бездротовим пультом керування основними режимами переміщення підкладки, включення та вимкнення випромінювання лазера, ручним маніпулятором із парою контактних груп. Живлення установки здійснюється від мережі 220 В/50 Гц, споживана потужність небільше 1.2 кВт, охолодження повітряне.

А. В. Конюшин, Т. Н. Соколова НВФ «Прилад-Т» СДТУ імені Ю. А. Гагаріна

Література.

1. Лазерне функціональне підганяння елементів та вузлів виробів електронної техніки. Огляди з електронної техніки. Сер. 7, Технологія, організація виробництва та обладнання / Л. А. Сурменко, Т. Н. Соколова, А. В. Конюшин, Ю. Д. Самаркін, А. В. Калмиков. - М.: ЦНДІ «Електроніка». - 1987. Вип. 13 (1299). - 63 с.
2. О. В. Конюшин, Т. Н. Соколова, Л. А. Сурменко. Лазерна функціональна настройка ГІС НВЧ, що містять тонкоплівкові резистори.//Електронна техніка. Сер. 1. Електроніка НВЧ, Вип. 7 (421), 1989. С. 52-54.
3. А. Конюшин, Т. Соколова. Волоконні лазери в електронному приладобудуванні: особливості та перспективи застосування. Фотоніка. Вип. 3. 2008. С. 14-16.

---