Для достижения требуемых характеристик приборов твердотельной электроники, работающих в диапазоне высоких частот, используются различные методы настроек по выходным параметрам. Элементами настройки являются пленочные резисторы, конденсаторы, индуктивности и другие, изготовленные по планарной технологии. Наибольшее распространение получил метод лазерной подгонки резисторов. В основу метода положен технологический процесс локального испарения части пленочного резистора под воздействием сфокусированного лазерного излучения. Ранее, как правило, для подгонки использовались твердотельные лазеры с активным элементом на АИГ (алюмоиттриевом гранате легированным неодимом) с модулированной добротностью [1].

В настоящее время твердотельная электроника, соответственно и лазерная подгонка пленочных резисторов, не потеряли актуальность, несмотря на широкое внедрение цифровых технологий на основе полупроводниковых микросхем. Однако, современные тенденции к увеличению интеграции и миниатюризации элементов, широкое внедрение гибридных схем требуют нового подхода к известным технологическим методам.

К пленочным относятся тонкопленочные резисторы на базе резистивных хромсилицидных и металлических сплавов, типа РС 3710, РС 5406, Та, Сr и резисторы, выполненные по толстопленочной технологии вжиганием композиционной пасты методом трафаретной печати через масочную матрицу, в дальнейшем «резисторы». Основное их применение — обеспечение работоспособности активных элементов, таких как п/п транзисторы, диоды и собственно микросхемы, полупроводниковые модули сопряженные с планарными элементами электронного узла. Поэтому их надежность определяет надежность всего модуля.

Одним из параметров надежности является максимально допустимая мощность рассеивания резистора. В связи с тем, что уменьшение ширины резистора приводит к увеличению мощности рассеивания, вводится ограничение по ширине съема в общем приближении равное 1/3 ширины резистора. Резисторы зачастую имеют непрямоугольную форму, на рис. 1 приведены основные приемы подгонки, учитывающие это ограничение.

Допустимая мощность рассеивания, падение напряжения, ток и площадь резистора связаны соотношением:
ΔU = (P_s RS)1/2 и I = (P_s S/R)1/2, где ΔU – падение напряжения, I – ток, R – сопротивление резистора, P_s – допустимая мощность рассеивания с площади S резистора [2].

Рис. 1. Виды предельного съема материала при подгонке резисторов различных типов.

Подгонка резисторов гибридных интегральных схем (ГИС) — наиболее трудоемкая технологическая операция. Для низкочастотных схем обычно используются толстопленочные резисторы. Их точность невысока, но лазерная подгонка позволяет быстро подгонять их номиналы в автоматическом режиме. Более сложно лазерной подгонкой доводить параметры тонкопленочных высокочастотных резисторов. Большое значение приобретает выбор оптимального режима излучения лазера для качественного испарения пленки. Важно минимизировать шероховатость края резистора в зоне подгонки в сочетании с отсутствием повреждения поверхности подложки. При этом учитывается как форма реза, так и направление перемещения луча по полю резистора.

Так как толщина тонкопленочного (ТНП) резистора составляет порядка 100 нм, то характер реза приобретает значение электрофизического параметра. Для толстопленочного (ТЛП) резистора при толщине несколько микрон допустимо использовать т. н. Y и L — резы поперек резистора и, соответственно, поперек направления протекания силы тока от одной контактной площадки до другой. При этом в зоне реза возникает увеличение плотности тока и локальный разогрев пленки. Для ТЛП резисторов это не столь критично, что же касается ТНП, такое зонное увеличение плотности тока может вызвать его разрушение. А использование таких резов в ТНП резисторах на высоких частотах приводит к появлению токового шума, что затрудняет дальнейшую настройку прибора по выходным параметрам. Для ТНП резистора предпочтительны резы и съем материала резистора параллельно направлению силы тока. Качественное испарение пленки в зоне подгонки зависит от распределения мощности по диаметру лазерного луча в зоне фокусировки, формы, длительности и частоты следования импульса лазера. Современные условия разработки и производства электронных приборов при повышении уровня интеграции схем с использованием мощных высокочастотных полупроводниковых компонентов ставят новые более жесткие требования к лазерной подгонке резисторов. Это оптимальная производительность операции подгонки, надежность и простота обслуживания лазерного источника, качественное испарение материала резистора с минимальным повреждением поверхности подложки, минимальная неровность края реза резистора. Неровность края очень сильно влияет на отклонение номинала резистора при нагреве в режиме эксплуатации. Одним из основных параметров при определении неровности края резистора, образующейся в результате воздействия сфокусированного лазерного излучения, является коэффициент перекрытия k.

Коэффициент перекрытия k и высота неровности края h, связаны с параметрами установки лазерной подгонки резисторов соотношениями:
k = V/fd;
k = (1 — (1 — 2h/d)²)^1/2,
где V — скорость сканирования излучения, f — частота следования импульсов, d — диаметр сфокусированного луча лазера, h — высота неровности края реза [2].

В настоящее время волоконные лазеры удовлетворяют всем основным требованиям, предъявляемым к операции подгонки резисторов как пассивной (подгонки в номинал), так и функциональной (активной по основным выходным параметрам прибора) [3]. С учетом всего вышеизложенного была разработана и успешно внедрена установка подгонки резисторов ЛТУ‑7–10–2 ИВЛ, представленная на рис. 2.

    а)                                     б)                       в)
Рис. 2. Установка подгонки резисторов ЛТУ‑7–10–2 ИВЛ: а — кабина в открытом состоянии,
б — кабина в закрытом состоянии, в — манипулятор (защитная панель снята).
 

Установка закрытого типа соответствует II классу лазерной безопасности согласно СНиП устройства и эксплуатации лазеров № 5804–91. Ее защитная камера полностью исключает облучение персонала прямым, рассеянным и отраженным лазерным излучением.

Установка смонтирована на опорном каркасе и содержит импульсный волоконный лазер YLP‑0,5–100–20–10‑HC-RG с длиной волны 1,07 мкм, номинальной средней выходной мощностью 10 Вт, частотой следования импульсов 20–50 кГц, оптическую фокусирующую систему, систему позиционирования XY (100х100 мм) с предметным столиком с угловой коррекцией, систему подъема по OZ 100 мм в ручном и программном режиме, оптическую и телевизионную систему наблюдения, блоки питания, управления; блоки управления координатным столом, управляющий компьютер; систему подсветки рабочей зоны. Установка оборудована защитной камерой зоны обработки с освещением, возможностью подключения вытяжной вентиляции, снабжена сменной системой наблюдения (оптической и телевизионной), беспроводным пультом управления основными режимами перемещения подложки, включения и выключения излучения лазера, ручным манипулятором с парой контактных групп. Питание установки осуществляется от сети 220 В/50 Гц, потребляемая мощность не более 1.2 кВт, охлаждение воздушное.

В климатическом исполнении установки УХЛ категории 4.2 (для отапливаемых помещений) предусмотрена модификация установки в настольном исполнении. Использование многофункциональных контактных групп позволяет проводить как подгонку резисторов в номинал, так и функциональную настройку узла в целом, при необходимости может комплектоваться дополнительными средствами измерения.

А. В. Конюшин, Т. Н. Соколова
 НПФ «Прибор-Т» СГТУ имени Ю. А. Гагарина 

Литература.

1. Лазерная функциональная подгонка элементов и узлов изделий электронной техники. Обзоры по электронной технике. Сер. 7, Технология, организация производства и оборудование/ Л. А. Сурменко, Т. Н. Соколова, А. В. Конюшин, Ю. Д. Самаркин, А. В. Калмыков. — М.: ЦНИИ «Электроника». — 1987. Вып. 13 (1299). — 63 с.
2. А. В. Конюшин, Т. Н. Соколова, Л. А. Сурменко. Лазерная функциональная настройка ГИС СВЧ, содержащих тонкопленочные резисторы.//Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ, Вып. 7 (421), 1989. С. 52–54.
3. А. Конюшин, Т. Соколова. Волоконные лазеры в электронном приборостроении: особенности и перспективы применения. Фотоника. Вып. 3. 2008. С. 14–16.