<Desc/Clms Page number 1>
Elektrische weerstand.
De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een elektrische weerstand, omvattende een substraat dat voorzien is van twee aansluitingen, die onderling via een weerstandsbaan elektrisch verbonden zijn, waarbij de weerstandsbaan een eerste baandeel met een positieve TCR-waarde alsmede een tweede baandeel met een negatieve TCR-waarde bevat.
Weerstanden van het bovengenoemde type worden aangeduid als'precisie weerstanden'. Ze dienen een nauwkeurig in te stellen en goed te reproduceren weerstandswaarde te hebben De TCR-waarde van zo'n precisie weerstand dient eveneens nauwkeurig instelbaar en goed reproduceerbaar te zijn. De afwijking van de weerstandswaarde dient bij voorkeur kleiner te zijn dan 0. 1%, terwijl de afwijking van de beoogde TCR-waarde bij voorkeur kleiner dient te zijn dan 1 ppm/ C. Onder de TCR van een weerstand wordt verstaan de relatieve verandering van de weerstandswaarde als functie van de temperatuur. De waarde van de TCR wordt gewoonlijk aangegeven in ppm/ C. In het algemeen wordt emaar gestreefd om precisieweerstanden te vervaardigen waarvan de TCR-waarde nagenoeg gelijk aan nul
EMI1.1
is.
Het vervaardigen van een weerstand van het in de aanhef genoemde type is op zich bekend. Zo wordt bij voorbeeld in het amerikaanse octrooischrift US 4. 907. 341 de vervaardiging van een samengestelde weerstand met deze opbouw beschreven. In dit geval zijn de weerstandsbanen van de afzonderlijke weerstanden samengesteld uit een eerste baandeel dat aangegeven wordt als'trimdeel' (adjustable portion) en een tweede baandeel dat aangegeven wordt als'weerstandsdeel' (resistance portion). Het trimdeel bestaat uit een elektrisch goed geleidend materiaal met een relatief grote, positieve TCR-waarde. Het weerstandsdeel bestaat uit een gebruikelijk weerstandsmateriaal met een relatief kleine, negatieve TCR-waarde.
In een typerend uitvoeringsvoorbeeld van dit octrooi wordt NiCr met een TCR-waarde in het gebied van
<Desc/Clms Page number 2>
- 30 tot 0 ppm/ C als materiaal voor het weerstandsdeel toegepast terwijl Ni met een TCR-waarde van +5000 ppm/ C wordt gebruikt als materiaal voor het trimdeel. De weerstandswaarden van beide baandelen verschillen een factor 1000.
De weerstandswaarde en de TCR-waarde worden bij de vervaardiging van het bekende type elektrische weerstanden als volgt ingesteld. Eerst wordt de elektrische weerstand van de afzonderlijke weerstanden op de gewenste waarde gebracht door het etsen van het eerste baandeel van weerstandsmateriaal. Door bewerking - ook wel genoemd'trimmen'-van het tweede baandeel van het geleidend materiaal wordt vervolgens de TCR-waarde van de afzonderlijke weerstanden verlaagd tot een waarde in de buurt van 0 ppm/ C.
Aan de vervaardiging van de bekende weerstand kleven verschillende nadelen. Zo is in de praktijk gebleken dat de TCR-waarde van de ongetrimde weerstanden als gevolg van kleine veranderingen in de samenstelling van het weerstandsmateriaal tamelijk sterk kan variëren. Gebleken is dat hierdoor bij massaproduktie een belangrijk deel van deze weerstanden reeds een positieve TCRwaarde bezitten voordat ze aan het uiteindelijke trimproces kunnen worden onderworpen. Onder deze omstandigheden kan de TCR-waarde van deze weerstanden niet meer verkleind worden tot een waarde in de buurt van nul. Immers, trimmen van het trimdeel leidt tot een verdere vergroting van de (positieve) TCR-waarde. Dit nadeel leidt ertoe dat een aanzienlijk deel van de vervaardigde weerstanden als uitval moet worden beschouwd.
Bovendien verandert de nauwkeurig ingestelde weerstandswaarde bij het instellen van de TCR-waarde.
De uitvinding heeft als doel de bovengenoemde nadelen op te heffen.
Meer in het bijzonder beoogt de uitvinding een werkwijze voor het vervaardigen van weerstanden te verschaffen, waarbij de TCR-waarde bij het trim-proces zowel kan worden vergroot als verkleind.
Deze en andere doelstellingen van de uitvinding worden bereikt met een werkwijze voor het vervaardigen van een weerstand van het in de aanhef genoemde type, die volgens de uitvinding het kenmerk heeft, dat het weerstandsmateriaal van beide baandelen zodanig gekozen wordt, dat de weerstandswaarden en de absolute TCRwaarden van beide baandelen van vergelijkbare grootte zijn, en dat beide baandelen
<Desc/Clms Page number 3>
getrimd worden waardoor de weerstand een gewenste weerstandswaarde en TCR-waarde verkrijgt.
Bij de vervaardiging van de weerstand volgens de uitvinding wordt zowel het eerste als het tweede baandeel als trimdeel gebruikt. Hierdoor is het mogelijk om de TCR-waarde van de weerstand zowel te verkleinen als te vergroten, door het trimproces in het baandeel met positieve, respectievelijk negatieve TCR-waarde uit te voeren. Bij het trim-proces volgens de inventieve werkwijze worden de TCR-waarde en de weerstandswaarde van de weerstand gelijktijdig aangepast. Met deze maatregel is het uitvalprobleem dat bij het vervaardigen van de bekende weerstand aanwezig was, volkomen opgelost. Met de inventieve werkwijze is het bovendien in principe mogelijk om en de weerstandswaarde en de TCR-waarde van de weerstand in een enkele trimstap te veranderen tot een gewenste waarde.
De keuze van weerstandsmaterialen voor beide baandelen met weerstandswaarde en TCR-waarden van vergelijkbare grootte heeft nog een ander belangrijk voordeel. Door deze maatregel kunnen de weerstandswaarde en de TCR-waarde van de totale weerstandsbaan bij de weerstand nauwkeuriger ingesteld worden dan bij de bekende weerstand.
Opgemerkt wordt dat onder de uitdrukkingen'weerstandswaarden van vergelijkbare grootte'en'TCR-waarden van vergelijkbare grootte'wordt verstaan dat de weerstandswaarden en de (absolute) TCR-waarden van beide baandelen onderling niet meer dan maximaal een factor 10 verschillen. Bij grotere verschillen blijkt het aanzienlijk moeilijker te zijn om de weerstandswaarde en TCR-waarde van de weerstand met de gewenste nauwkeurigheid in te stellen. De genoemde waarden zijn bij voorkeur kleiner dan een factor 5. De instelnauwkeurigheid is optimaal indien de genoemde waarden minder dan een factor 2 uit elkaar liggen.
Bij het vervaardigen van de weerstand volgens de uitvinding kunnen verschillende typen substraten toegepast worden, zoals bijvoorbeeld cilindervormige substraten. Bij voorkeur echter worden vlakke substraten toegepast, waarbij de elektrische aansluitingen aan twee tegenover elkaar liggende uiteinden van de substraten zijn aangebracht. Dergelijke weerstanden kunnen met behulp van een soldeerproces als draadloze ofwel SMD-weerstand op een zogenaamde gedrukte bedrading of printed circuit board (PCB) worden bevestigd. De inventieve werkwijze kan echter eveneens toegepast worden bij bedrade componenten. Als substraatmateriaal komen in principe alle elektrisch isolerende materialen in aanmerking. Bij voorkeur worden echter
<Desc/Clms Page number 4>
substraten van een gesinterd anorganisch materiaal toegepast, waarvan in het bijzonder aluminiumoxide zeer geschikt is gebleken.
De elektrische aansluitingen en de baandelen van de weerstandslaag kunnen op gebruikelijke wijze met behulp van opdamp-of sputtertechnieken in combinatie met lithografische methoden op de substraten worden opgebracht. Als materiaal van de aansluitingen komen elektrisch goed geleidend metalen in aanmerking.
In dit opzicht zijn met name Cu en Au zeer geschikt gebleken. Deze metallische aansluitingen kunnen in een verdere bewerking, zoals door middel van galvaniseren, verdikt worden.
De baandelen in een weerstand volgens de uitvinding kunnen verschillende configuraties vertonen. Zo is het mogelijk om de baandelen zodanig naast elkaar op het substraat aan te brengen, dat beiden aan twee overliggende uiteinden elektrisch contact maakt met de twee aansluitingen. Het instellen van de uiteindelijke weerstand-en TCRwaarde moet bij deze uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding via een iteratief proces plaatsvinden, waarbij de weerstand-en TCR-waarde van de totale weerstandsbaan gelijktijdig worden gevolgd.
Volgens een alternatieve uitvoeringsvorm liggen de baandelen niet naast elkaar, maar in elkaars verlengde. Hierbij maakt een weerstandslaag elektrisch contact met beide aansluitingen, terwijl een tweede weerstandslaag contact maakt met een van de aansluitingen, en zieh over een bepaalde lengte geheel op of onder het eerste weerstandslaag uitstrekt. Bij deze uitvoeringsvorm bestaat het eerste baandeel uit een enkele weerstandslaag en het tweede baandeel uit een dubbele weerstandslaag.
Een voorkeursuitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat een van de aansluitingen elektrisch verbonden is met uitsluitend een van de baandelen, en dat de andere aansluiting elektrisch verbonden is met uitsluitend het andere baandeel, en dat beide baandelen onderling elektrisch verbonden zijn via een derde aansluiting. In deze configuratie van de inventieve weerstand liggen beide baandelen niet naast elkaar, maar in elkaars verlengde. Opgemerkt wordt dat een ook bij deze uitvoeringsvorm geldt dat een baandeel samengesteld kan zijn uit twee of meer lagen. Baandelen bestaande uit een enkele laag hebben echter de voorkeur.
De genoemde voorkeursuitvoering heeft als belangrijk voordeel, dat door
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
de aanwezigheid van een derde aansluiting de weerstandswaarde en de TCR van de baandelen bij het trimmen van de weerstand zowel afzonderlijk als in serie gemeten kunnen worden. Door deze waarden bij tenminste twee verschillende temperaturen te meten, kan met behulp van een eenvoudige (computer) bepaald worden in welke mate beide baandelen getrimd moet worden. Hierdoor kan aan de weerstand in een enkele geautomatiseerde trimbewerking de gewenste weerstand-en TCR-waarde gegeven worden.
Als materiaal voor de baandelen komen verschillende weerstandslegeringen in aanmerking. Een in dit opzicht gunstige uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding heeft als kenmerk, dat het weerstandsmateriaal van beide baandelen uit een legering bestaat van nagenoeg dezelfde samenstelling op basis van CuNi of van NiCrAl. Deze legeringen bestaan uit dezelfde chemische elementen maar hebben een iets verschillende samenstelling. De elementen die deel uitmaken van de legeringen voor beide baandelen verschillen hierbij minder dan 25 at. %. De keuze van dergelijke legeringen heeft verschillende belangrijke voordelen. Doordat beide legeringen slechts weinig verschillen in samenstelling is de hechting van beide sublagen op een bepaald substraat van vergelijkbare sterkte. Verder geldt dat de weerstandswaarde van beide legeringen ook vrijwel hetzelfde is.
Kleine verschillen in samenstelling voor bepaalde typen CuNi-en kunnen er echter wel toe leiden dat de ene legering een positieve TCR-waarde heeft en de andere legering een negatieve TCR-waarde. De genoemde legeringen bevatten eventueel nog kleine hoeveelheden aan andere elementen.
Opgemerkt wordt dat het eveneens mogelijk is om voor beide baandelen hetzelfde weerstandsmateriaal toe te passen. Bij specifieke materiaalkeuzen is het mogelijk gebleken om de baandelen een TCR-waarde van vergelijkbare grootte maar van tegengesteld teken te geven, door de op het substraat aangebrachte baandelen bij verschillende temperaturen een warmtebehandeling te geven. In de praktijk wordt dit gedaan door een eerste baandeel op het substraat aan te brengen, het substraat met het baandeel een eerste warmtebehandeling te geven, daarna het tweede baandeel op het substraat aan te brengen en tenslotte het substraat met beide baandelen een tweede warmtebehandeling te geven. Deze tweede warmtebehandeling vindt plaats bij een veel lagere temperatuur dan de eerste warmtebehandeling.
Dergelijke warmtebehandelingen bemvloeden de weerstandswaarde niet noemenswaardig, zodat deze waarde voor beide
<Desc/Clms Page number 6>
baandelen nagenoeg identiek is.
Een nog andere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding heeft als kenmerk, dat als weerstandsmateriaal van beide baandelen CuNi is toegepast, en dat zieh tussen het substraat en de baandelen een hechtlaag op basis van TiW of NiCr (Al) is aangebracht. De dikte van deze laag is bij voorkeur minder dan 100 nanometer. De aanwezigheid van deze hechtlaag leidt hierbij tot een zeer goede hechting van de weerstandsbaan aan het substraat.
De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden en de tekening, waarin
Figuur 1 schematisch een aantal stappen toont uit een werkwijze voor het vervaardigen van de weerstand volgens de uitvinding
Figuur 2 een eerste uitvoeringsvorm toont van een weerstand vervaardigd volgens de werkwijze van de uitvinding
Figuur 3 een voorkeursuitvoeringsvorm toont van een weerstand vervaardigd volgens de werkwijze van de uitvinding
Figuur 4 een andere voorkeursuitvoeringsvorm toont van een weerstand vervaardigd volgens de werkwijze van de uitvinding
Figuur 5 een grafiek toont van de weerstand (R) als functie van de temperatuur (T) van een weerstand vervaardigd volgens de werkwijze van de uitvinding
Opgemerkt wordt dat de (onderdelen van de) weerstanden in de tekening niet op schaal zijn afgebeeld.
De vervaardiging van weerstanden volgens de werkwijze van de uitvinding wordt beschreven aan de hand van Figuur 1. Hierbij wordt uitgegaan van een vlakke substraatplaat 1 van gesinterd aluminiumoxide met afmetingen van 110 x 80 x 0. 5 mm3, zoals in bovenaanzicht getoond in Figuur 1-A. Deze substraatplaat is aan de onderzijde voorzien van een eerste aantal parallelle, V-vormige breukgroeven 2 (de staafgroeven) en van een tweede aantal parallelle, V-vormige breukgroeven 3 (de chipgroeven). De chipgroeven en de staafgroeven hebben een diepte van ongeveer 0. 1 mm en staan nagenoeg loodrecht op elkaar. Voor de duidelijkheid zijn in de Figuur
<Desc/Clms Page number 7>
slechts enkele groeven met stippellijnen aangegeven.
Zoals nader getoond in Figuur 1-D worden op de bovenzijde van de substraatplaat allereerst met behulp van lithografische technieken de baandelen 5 en 6 in afzonderlijke stappen aangebracht. Als weerstandsmateriaal voor de twee deelbanen worden legeringen met nagenoeg dezelfde samenstelling op basis van CuNi toegepast, te weten CuNi (laagdikte 110 nm) en CU68Ni32 (laagdikte 100 nm). De weerstandswaarde van deze legeringen is vrijwel hetzelfde. De ene legering heeft echter een positieve TCR-waarde, terwijl de TCR-waarde van de andere legering negatief is.
Vervolgens worden eerste en tweede aansluitingen 4 van gesputterd Cu aangebracht, met een dikte van 5 micrometer. De aansluitingen worden eveneens met lithografische technieken aangebracht. De substraatplaat wordt vervolgens aan een temperatuurbehandeling bij 350 C blootgesteld ter stabilisatie van verschillende eigenschappen van de weerstanden.
Daarna wordt in de plaatfase bij twee verschillende temperaturen de Rwaarde bepaald van de individuele weerstanden in wording. Uit de resultaten van deze metingen wordt de TCR-waarde van elk van de weerstanden berekend. Vervolgens wordt via een iteratief trimproces de beoogde weerstandswaarde en de beoogde TCRwaarde van elk van de weerstanden ingesteld. Bij dit trimproces ontstaan trimsporen 7 en 8 in de deelbanen 5 en 6.
Na het trimproces, dat bij voorkeur met behulp van een laser wordt uitgevoerd, wordt de substraatplaat op de breukgroeven 2 gebroken tot staven 9, zoals schematisch getoond in Figuur 1-B. Op de breukvlakken 10 van de staven wordt hierna elektroless een Ni-laag afgezet, die vervolgens galvanisch verdikt wordt. Desgewenst wordt op deze Ni-laag nog een soldeerlaag aangebracht. Hiermee zijn de eindcontacten gevormd. Deze staan in elektrisch contact met de aansluitingen 4. Tenslotte worden de staven langs de breukgroeven 3 gebroken tot de individuele weerstanden 11, zoals schematisch getoond in Figuur 1-C. Uit het genoemde substraat kunnen in totaal circa
1800 weerstanden met afmetingen van 1. 5 x 3. 0 x 0. 5 mm worden verkregen.
Opgemerkt wordt dat de weerstand desgewenst voorzien kan worden van een hechtlaag, die zich tussen het substraat en de weerstandsbaan bevindt. Deze hechtlaag dient op het substraat aangebracht te worden voordat de baandelen worden aangebracht. In het bovengenoemde uitvoeringsvoorbeeld werd hiervoor een 30 nm dikke laag van een legering, die voornamelijk Ti en W bevat (TiW). Eventueel
<Desc/Clms Page number 8>
EMI8.1
noodzakelijke derde aansluitingen worden gelijktijdig met de andere aansluitingen op het substraat gesputterd. Het is tevens mogelijk om de weerstanden na het trimproces te voorzien van een beschermlaag, bijvoorbeeld van lak.
In de Figuren 2, 3 en 4 worden verschillende uitvoeringen getoond van weerstanden vervaardigd met de werkwijze volgens de huidige uitvinding. Hierbij wordt met name aandacht geschonken aan de verschillende configuraties van de eerste en de tweede baandeel. Weerstanden met deze configuraties kunnen vervaardigd worden met behulp van de bovenbeschreven werkwijze, door wijzigingen in de lay-out van de bij de lithografische stappen gebruikte maskers.
In Figuur 2 is in aanzicht een weerstand 21 weergegeven, die een substraat 22 van aluminiumoxide bevat, dat op een hoofdoppervlak voorzien is van twee aansluitingen 23 en 24, alsmede van een weerstandsbaan. De weerstandsbaan is samengesteld uit twee baandelen 25 en 26, die naast elkaar op het substraat zijn aangebracht, zodanig dat beide baandelen elektrisch contact maken met de aansluitingen 23 en 24. Het weerstandsmateriaal van baandelen 25 en 26 bestaat uit een legering op basis van NiCrAl. Baandeel bevat 33. at. % Ni, 55. at. % Cr en 11. at. % AI.
Baandeel bevat 30. at. % Ni, 60 at. % Cr en 10. at. % AI. Deze samenstellingen komen overeen met een vierkantsweerstand van 50. en 58. ohm/D (baandeel De TCR-waarden van deze samenstellingen bedragen-33 ppm/ C (baandeel en +45 ppm/ C (baandeel Deze waarden werden verkregen nadat de weerstand gedurende 1 uur aan een temperatuurbehandeling bij 350 C was blootgesteld. Door iteratief trimmen van de baandelen kon de TCR van de totale weerstandsbaan op 0. gebracht worden. Bij dit trimproces ontstonden trimsporen 29 en 30.
Figuur 3-A toont in aanzicht een alternatieve uitvoeringsvorm van de weerstand, die volgens de werkwijze van de uitvinding wordt vervaardigd. In de Figuren 3-B en 3-C wordt een dwarsdoorsnede van twee van deze uitvoeringsvorm getoond langs lijn A--A uit Figuur 3-A. im Bij de in Figuur 3-B getoonde weerstand lopen de baandelen 25 en 26 niet van aansluiting 23 naar aansluiting 24, maar liggen ze in elkaars verlengde. Baandeel bestaat uit een enkele laag van CugoNi een vierkantsweerstandwaarde van 5, ohm en een TCR-waarde van-80 is opgebouwd uit een dubbellaag, bestaande uit een onderlaag 27 en een bovenlaag 28. De onderlaag 27
<Desc/Clms Page number 9>
bestaat uit hetzelfde weerstandsmateriaal als baandeel 25. De bovenlaag heeft de samenstelling CrgoNioAlo met een vierkantsweerstandswaarde van 10. 1 ohm.
Na een temperatuurbehandeling bij relatief hoge temperatuur bedroeg de TCR-waarde van deze laag 400 ppm/ C. De vierkantsweerstand van heel baandeel 26 bedraagt 12. 2 ohm. De TCR-waarde van deze samengestelde laag is +82 ppm/ C. In het afsluitende trimproces kon de TCR-waarde van de weerstandsbaan op een waarde kleiner dan 1 ppm/ C worden gebracht. Hierbij ontstonden trimsporen 29 en 30, zoals getoond in Figuur 3-A.
Figuur 3-C toont in dwarsdoorsnede een andere uitvoeringsvorm van de weerstand die in Figuur 3-A in aanzicht is getoond. Bij deze bijzondere uitvoeringsvorm worden baandelen 25 en 26 toegepast, die uit een enkele laag bestaan en die elkaar gedeeltelijk overlappen. Als weerstandsmateriaal wordt voor beide baandelen de legering CrNiAln toegepast. Dit weerstandsmateriaal heeft een vierkantsweerstandwaarde van 138, 3 ohm. De TCR-waarde van baandeel 25 bedraagt +80 ppm/ C. De TCR-waarde van baandeel 26 bedraagt-55 ppm/ C. Het verschil in TCR-waarden werd verkregen door baandeel 25 aan een extra temperatuurbehandeling bij 460 C te onderwerpen, voordat baandeel 26 op het substraat was aangebracht.
In het afsluitende trimproces kon de TCR-waarde van de weerstandsbaan op een waarde kleiner dan 1 ppm/ C worden gebracht. Hierbij ontstonden trimsporen 29 en 30, zoals getoond in Figuur 3-A.
Figuur 4 toont een voorkeursuitvoeringsvorm van de weerstand vervaardigd volgens werkwijze van de uitvinding. In Figuur 4-B wordt een dwarsdoorsnede van de in Figuur 4-A in aanzicht getoonde weerstand weergegeven. Bij deze uitvoeringsvorm zijn beide aansluitingen 33 en 34 elektrisch verbonden met slechts een van de twee baandelen 35 en 36. De baandelen zijn onderling elektrisch verbonden met een derde aansluiting 37. Bij deze configuratie liggen de baandelen min of meer in elkaars verlengde. Vanwege de aanwezigheid van de derde aansluiting is het bij deze weerstand mogelijk om gelijktijdig de weerstand-en de TCR-waarde van beide deelbanen te meten.
Hierdoor is het mogelijk om met behulp van een enkele meting, uitgevoerd bij twee verschillende temperaturen, een trim-procedure te berekenen zodanig dat na het uitvoeren hiervan de weerstand een gewenste weerstand-en TCRwaarde vertoont.
Het weerstandsmateriaal voor beide baandelen is gebaseerd op CuNi.
Voor baan 35 wordt CU64Ni36 gebruikt, met een TCR-waarde van-32 ppm/ C en een
<Desc/Clms Page number 10>
weerstand van 34. 36 ohm. Voor baan 36 wordt Cu-yoNio gebruikt, met een TCRwaarde van +52 ppm/ C en een weerstand van 31. 40 ohm. De weerstand van de gehele weerstandsbaan blijkt 65. 76 ohm te zijn. De TCR-waarde van de weerstand bedraagt 8 ppm/ C. Met laag 38 is een hechtlaag van TiW aangegeven, die zorgdraagt voor een goede hechting tussen de weerstandsbaan en het substraat.
Figuur 5 toont een grafiek waarin de verandering van de weerstand R (genormeerd) als functie van de temperatuur T ( C) is weergegeven van de in Figuur 4 getoonde weerstand. De lijnen a en b corresponderen met het verloop van de weerstandswaarde van de deelbanen 35 en 36 vÎÎr het trimproces. Lijn c geeft het verloop van de weerstandswaarde aan van de gehele weerstandsbaan voor het trimproces. Zoals boven is vermeld bedraagt de TCR van de ongetrimde weerstand 8 ppm/ C. Na een eerste trimbehandeling van baan 36 bedraagt de TCR 1. 5 ppm/ C (lijn c). De TCR-waarde na een tweede trimbehandeling is kleiner dan 1 ppm/ C (lijn d).