片式合金箔电阻高精度加工技术的研究

史书刚，张 秀，陈天磊，周瑞山

(1.中国振华集团云科电子有限公司，贵州贵阳 550018;2.贵州振华电子信息产业有限公司，贵州贵阳 550018)

自合金箔电阻被发明以后的半个世纪，在高精度、高稳定性、高可靠性等方面的应用中，合金箔电阻技术一直优于现今所有的电阻工艺技术[1-2]。长期以来国内外关于合金箔电阻的生产工艺方面公开的资料比较少，人们往往缺乏对合金箔电阻工艺技术方面的系统认识，一定程度上限制了产品的技术开发。合金箔电阻器相对于传统厚薄膜电阻有很多优点[3-4]，而超高精度正是该产品的突出特点，因此高精度调阻技术更是该产品关键的技术壁垒。针对这种情况，本文在数字化高精度调阻方面进行了深入的研究，从两个方面着手:1、合金箔电阻图形设计与实现对阻值高精度的影响;2、合金箔电阻图形高精度加工技术对阻值高精度的影响。最终创新性地开发出了合金箔电阻器数字化调阻方法，并将其模块化嵌入自动化设备中。该方法不仅保证了合金箔电阻器的超高精度等级，还提升了合金箔电阻器的生产工艺水平。

1 合金箔电阻图形设计与实现

电阻图形设计是片式合金箔电阻器产品阻值高精度的关键，存在的技术难点主要在于如何在有限的空间内，通过电阻图形的迷路和调整点的合理设计来保证产品的各项指标。同时还要兼顾目标阻值、功率承受以及加工工艺等方面的影响。

合金箔电阻功能层是由厚度均匀的合金箔材构成。此类电阻器的电阻值计算以方数计算较为方便，在厚度一致的金属箔上面，每一个方向的合金箔电阻值均相等。电阻值就是方阻与方数的乘积。

1.1 电阻图形的设计

电阻图形的设计很复杂。设计时要考虑尽量减少制版数量并便于光刻。每个图版要有较宽的阻值覆盖范围，并能满足设计精度的要求。图形中必须提供相应的粗调区和精调区部分。电阻图形一般是由电极区、固定的主电阻区、可调的粗调区和精调区几个部分组成。各调阻区的周边均设有若干个并联电阻支路调整点。切断其中相应的并联支路，就能获得一定的阻值增量，视增量的多少可增加或减少粗调区域和精调区域。

电阻芯片图形多为单弯曲型、双弯曲型和线突变型回线[5]。表1为三种图形的方数计算方式。

表1 三种典型电阻图形方数计算Tab.1 Three type of typical resistor pattern

在电阻图形设计的时候，方数和线宽都是相互制约，相互影响的，设计过程要全面考虑，从而达到设计的目的。

1.2 电阻图形的实现

电阻图形的实现，就是基于设计好的电阻图形进行阻值调整，使其达到目标阻值和高精度的目的。阻值调整的方法各有不同，优劣也不同，但其最终的目的是一样的。在实践中，经过对各种阻值调整方法的比较分析，开发出一套创新性的数字化调阻技术。数字化调阻技术就是在电阻图形设计中，设置主要调阻区域，同时为了达到高精度，设置多个可调的精细调阻区，调阻过程中通过逐渐缩小与目标阻值的差距，逐级地达到超高精度的要求。

图1 阻值调整点示意图Fig.1 The drawing of resistance adjust dot

合金箔电阻器电阻图样黑色区域(覆盖电阻层区域)为电阻体，白色区域(没有覆盖电阻层区域)为间隙，该示例图样共设置10个调阻区域，每个调阻区域代表一个可以调整的阻值，同时设置1个调整点。按照调整点可调整阻值的大小从小到大依次为03，02，01，04，05，06，…，10。10个调整点增大阻值如表2所示。

表2 调整点可增大的阻值Tab.2 The increasing value of the resistance adjust dot

合金箔电阻器的电阻图形在调整阻值的过程中，根据设定的目标阻值进行判断，如果设定目标阻值不在调整范围内，则不进行阻值修整;如果设定目标阻值在调整范围内，则依次将调整点切断，达到阻值要求的精度。图2即为阻值修整以后的电阻图样示意图。

数字化调阻程序要求首先进行阻值测试，测试以后读取实际值，根据实际值与模拟值之间的差异，产生每一个调整点的调阻范围。每一次测量都要将测试值与目标值进行比较。比较的结果如果在某个调整点的可调范围，就将此调整点切断，依次进行，直到达到目标阻值的精度范围。

2 合金箔电阻图形高精度加工技术

合金箔电阻器的电阻图形的设计与实现理论上可达到产品阻值的超高精度，但在加工合金箔电阻图形的过程中，需要光刻工艺进行严格的保障，光刻工艺需要准确地将设计的电阻图样刻蚀出来。通过光刻，合金箔材应具有:

(1)线条边沿光滑，整齐，尺寸符合底版的要求;

(2)电阻值接近目标阻值，且分散度小;

(3)无侧蚀、小岛或断线等现象，成品率高;(4)版面图形清晰，干净，没有腐蚀介质的残余物。

合金箔电阻阻值段在几十欧姆到几十万欧姆，针对不同的阻值段，需要采用不同的蚀刻方法来完成不同精度产品的加工。通常在低阻值段，功率较大，电阻线条比较粗，一般为100～500 μm，可以采用湿法的化学腐蚀;在中阻值段，功率较小，电阻线条相对较窄，一般为几十微米左右，此时多采用电化学腐蚀技术，以得到相对精细的线条;而在高阻值段，功率较小，电阻线条更窄，一般为10～30 μm甚至更小，此时多采用离子束刻蚀工艺[6-9]，即干法刻蚀，来得到精细的线条。

2.1 湿法腐蚀与干法刻蚀的精细加工比较

不同的阻值段，需要采用不同的蚀刻方法来完成不同精度产品的加工。图3所示是较低阻值 (几十欧姆)的电阻图样，通常可以采用湿法的化学腐蚀。

图3 湿法腐蚀的电阻图样Fig.3 Resistor pattern using wet etching

湿法腐蚀虽满足低阻产品对电阻图样的要求，但是同样的产品，采用干法刻蚀的效果不仅线条形状更加平滑，阻值一致性也更好，然而干法刻蚀的效率很低，所以对于不同阻值采用何种加工方法，要综合两个方面考虑。图4就是同样低阻产品采用干法刻蚀的效果。

图4 干法刻蚀的电阻图样Fig.4 Resistor pattern using dry etching

综合干法刻蚀与湿法腐蚀可得出以下结论:

(1)湿法腐蚀需要药水配合喷淋腐蚀机进行，干法刻蚀需要专用的离子束刻蚀机进行;

(2)湿法腐蚀时间较短，效率较快，成品合格率低;干法刻蚀时间长，效率很慢，但成品的合格率高;

(3)湿法腐蚀蚀刻时间不容易控制，容易过刻或产生腐蚀缺陷，干法刻蚀过程较慢，所以容易控制刻蚀速率，可以获得微细的电阻线条;

(4)湿法腐蚀很难刻蚀较细微图样，干法刻蚀可适用于各种电阻图形的刻蚀。

2.2 干法刻蚀方法的精细加工

干法刻蚀是较先进的刻蚀工艺，但是在制作合金箔电阻器时，对离子束刻蚀机的要求相对较高。干法涉及离子源、电源系统、控制系统之间的配合。为了达到高精度加工工艺，本文从多种干法刻蚀工艺进行了优选。为了工艺的实现，采用国外进口离子源以保证高精细电阻图样的刻蚀效果。

图5 国外进口离子源制作电阻图样Fig.5 Resistor pattern using dry etching equipped by imported ion source

图5(a)为国外进口离子源制作的电阻图样，总体刻蚀均匀性好，可以明显看出线条圆润光滑，很少有起伏情况。从图5(b)和5(c)局部刻蚀效果来看，内部线条的刻蚀效果也很好，精细线条的部分基本刻蚀完全，线条边沿没有多余毛刺。

3 工艺与实现情况

基于合金箔电阻器电阻图形的设计与实现的理论设计，为了实现电阻器数字化调阻工艺，操作中使用内嵌有数字化调阻模块的激光调阻工艺平台对电阻体进行直线切断[10]，图6即为某型号电阻的数字化调阻情况。

图6 数字调阻实际图片Fig.6 Actual picture of digital resistance adjustment

在工艺实现的过程中，检测系统对每一颗电阻调阻数据进行监测，记录每一个调整点在调阻过程中的变化以及最终产品的调阻情况，如表3所示，该颗电阻目标阻值为25 Ω，从检测表格中可以明显看出合金箔电阻的工艺与实现情况，经过调阻程序，最终阻值为24.9976 Ω，精度达到±0.01%以内，达到了工艺的要求。

表3 电阻调阻数据监测表Tab.3 The monitor of resistor value adjusting process

4 结论与展望

本文采用电阻图形合理的设计与实现，结合电阻图形高精度加工工艺的技术方法进行合金箔电阻器的设计，通过引入独创的数字化调阻技术，使得合金箔电阻器阻值精度有了极大的提高，通过数字化调阻技术的模块化，达到了高精度合金箔电阻器自动化调阻的目的，从而提高了产品的生产效率和产品质量。本文所述工艺的实现，可以给图形化电阻产品的调阻、数字化调阻程序的开发、高精度电阻图样的设计等方面，提供一定的指导。