片式合金箔電阻高精度加工技術的研究

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業有限公司，貴州貴陽 550018)

自合金箔電阻被發明以后的半個世紀，在高精度、高穩定性、高可靠性等方面的應用中，合金箔電阻技術一直優于現今所有的電阻工藝技術[1-2]。長期以來國內外關于合金箔電阻的生產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方面的系統認識，一定程度上限制了產品的技術開發。合金箔電阻器相對于傳統厚薄膜電阻有很多優點[3-4]，而超高精度正是該產品的突出特點，因此高精度調阻技術更是該產品關鍵的技術壁壘。針對這種情況，本文在數字化高精度調阻方面進行了深入的研究，從兩個方面著手:1、合金箔電阻圖形設計與實現對阻值高精度的影響;2、合金箔電阻圖形高精度加工技術對阻值高精度的影響。最終創新性地開發出了合金箔電阻器數字化調阻方法，并將其模塊化嵌入自動化設備中。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工藝水平。

1 合金箔電阻圖形設計與實現

電阻圖形設計是片式合金箔電阻器產品阻值高精度的關鍵，存在的技術難點主要在于如何在有限的空間內，通過電阻圖形的迷路和調整點的合理設計來保證產品的各項指標。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成。此類電阻器的電阻值計算以方數計算較為方便，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的乘積。

1.1 電阻圖形的設計

電阻圖形的設計很復雜。設計時要考慮盡量減少制版數量并便于光刻。每個圖版要有較寬的阻值覆蓋范圍，并能滿足設計精度的要求。圖形中必須提供相應的粗調區和精調區部分。電阻圖形一般是由電極區、固定的主電阻區、可調的粗調區和精調區幾個部分組成。各調阻區的周邊均設有若干個并聯電阻支路調整點。切斷其中相應的并聯支路，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區域和精調區域。

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為三種圖形的方數計算方式。

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

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

1.2 電阻圖形的實現

電阻圖形的實現，就是基于設計好的電阻圖形進行阻值調整，使其達到目標阻值和高精度的目的。阻值調整的方法各有不同，優劣也不同，但其最終的目的是一樣的。在實踐中，經過對各種阻值調整方法的比較分析，開發出一套創新性的數字化調阻技術。數字化調阻技術就是在電阻圖形設計中，設置主要調阻區域，同時為了達到高精度，設置多個可調的精細調阻區，調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域(覆蓋電阻層區域)為電阻體，白色區域(沒有覆蓋電阻層區域)為間隙，該示例圖樣共設置10個調阻區域，每個調阻區域代表一個可以調整的阻值，同時設置1個調整點。按照調整點可調整阻值的大小從小到大依次為03，02，01，04，05，06，…，10。10個調整點增大阻值如表2所示。

表2 調整點可增大的阻值Tab.2 The increasing value of the resistance adjust dot

合金箔電阻器的電阻圖形在調整阻值的過程中，根據設定的目標阻值進行判斷，如果設定目標阻值不在調整范圍內，則不進行阻值修整;如果設定目標阻值在調整范圍內，則依次將調整點切斷，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。

數字化調阻程序要求首先進行阻值測試，測試以后讀取實際值，根據實際值與模擬值之間的差異，產生每一個調整點的調阻范圍。每一次測量都要將測試值與目標值進行比較。比較的結果如果在某個調整點的可調范圍，就將此調整點切斷，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

合金箔電阻器的電阻圖形的設計與實現理論上可達到產品阻值的超高精度，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計的電阻圖樣刻蝕出來。通過光刻，合金箔材應具有:

(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)無側蝕、小島或斷線等現象，成品率高;(4)版面圖形清晰，干凈，沒有腐蝕介質的殘余物。

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，此時多采用電化學腐蝕技術，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品的加工。圖3所示是較低阻值 (幾十歐姆)的電阻圖樣，通常可以采用濕法的化學腐蝕。

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品對電阻圖樣的要求，但是同樣的產品，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、控制系統之間的配合。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選。為了工藝的實現，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 工藝與實現情況

基于合金箔電阻器電阻圖形的設計與實現的理論設計，為了實現電阻器數字化調阻工藝，操作中使用內嵌有數字化調阻模塊的激光調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字化調阻情況。

圖6 數字調阻實際圖片Fig.6 Actual picture of digital resistance adjustment

在工藝實現的過程中，檢測系統對每一顆電阻調阻數據進行監測，記錄每一個調整點在調阻過程中的變化以及最終產品的調阻情況，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情況，經過調阻程序，最終阻值為24.9976 Ω，精度達到±0.01%以內，達到了工藝的要求。

表3 電阻調阻數據監測表Tab.3 The monitor of resistor value adjusting process

4 結論與展望

本文采用電阻圖形合理的設計與實現，結合電阻圖形高精度加工工藝的技術方法進行合金箔電阻器的設計，通過引入獨創的數字化調阻技術，使得合金箔電阻器阻值精度有了極大的提高，通過數字化調阻技術的模塊化，達到了高精度合金箔電阻器自動化調阻的目的，從而提高了產品的生產效率和產品質量。本文所述工藝的實現，可以給圖形化電阻產品的調阻、數字化調阻程序的開發、高精度電阻圖樣的設計等方面，提供一定的指導。