DE60111961T2

DE60111961T2 - Dünnschichtwiderstand mit tantalpentoxid feuchtigkeitsbarriere

Info

Publication number: DE60111961T2
Application number: DE60111961T
Authority: DE
Inventors: Stephen C. Vincent
Original assignee: Vishay Dale Electronics LLC
Current assignee: Vishay Dale Electronics LLC
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: US20020145504A1; EP1377990A1; EP1377990B1; DE60111961D1; JP2004535059A; US7214295B2; US20020145503A1; JP3863491B2; WO2002082474A1; US7170389B2; ATE299614T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für einen Dünnschichtwiderstand mit Tantalpentoxid-Feuchtigkeitsbarriere.
Derzeitige Schichtwiderstände und die zugehörigen Verfahren zur Herstellung solcher Widerstände waren mit Problemen in Verbindung mit der Fähigkeit behaftet, eine effektive Feuchtigkeitsbarriere zu schaffen oder zu benutzen. Eine Feuchtigkeitsbarriere ist die Schicht, die auf die Oberfläche des Widerstands aufgebracht wird, um zu verhindern, dass das ohmsche Schichtelement durch Feuchtigkeit in der Form von Kondensation oder Dampf verschlechtert wird. Es wurde siebbedrucktes Material als Feuchtigkeitsbarriere verwendet, und es hat sich gezeigt, dass dies die Ausfallrate des Widerstands aufgrund von Feuchtigkeit reduziert. Es verbleiben jedoch Probleme.
Tantalpentoxid wird in der Halbleiterindustrie als Isolator sowie zum Verbessern der Aufzeichnungsleistung von Cobaltlegierungsmedien auf Glaskeramikscheiben eingesetzt. Tantalpentoxid wird in der Widerstandsindustrie zum Verbessern von ohmschen Elementen verwendet, die in Zündkerzen integriert sind, und um einen Glasurwiderstand zu bilden. Es ist auch mit einem ohmschen Tantalnitridsystem assoziiert, das feuchtigkeitsbedingte Ausfälle verhütet. Es wurde erkannt, dass Tantalnitridwiderstände eine natürlich vorkommende Tantalpentoxidschicht haben, die das Ergebnis eines Oxidationsprozesses ist. Ferner sind Tantalnitrid-Widerstände und Tantalnitrid-Kondensatoren aufgrund ihrer Feuchtigkeitsbeständigkeit bekannt.
Das Dokument JP 01 291401 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtwiderstands durch Auftragen eines Ta₂N-Films auf ein Substrat, der dann zu einer Tantalpentoxidschicht oxidiert wird.
Tantalpentoxid wird auch in Thermoköpfen verwendet, wo eine Glasurschicht auf ein Substrat aufgebracht und eine Widerstandsschicht auf die Glasurschicht gelegt wird. Die japanische Veröffentlichung JP 01 133755 A offenbart einen solchen Thermokopf mit einer Glasurschicht, die die Widerstandsschicht isoliert, und einer Schutzschicht wie auf die ohmsche Schicht aufgestäubtes Tantalpentoxid. Ein Thermokopf hat eine andere Struktur und einen anderen Zweck als ein Chipwiderstand. Darüber hinaus würde der Chipwiderstand der vorliegenden Erfindung keine solche Glasurschicht enthalten.
Viele Dünnschichtwiderstände, besonders solche aus Nickel-Chrom-Legierungen und anderen Legierungen, die Nickel, Chrom und andere Metalle enthalten, sind für feuchte Bedingungen besonders anfällig. Diese und andere Legierungstypen neigen dazu, aufgrund von elektrolytischer Korrosion auszufallen, die unter bestimmten Feuchtigkeitsbedingungen eine elektrische Leitungsunterbrechung verursachen können. Insbesondere kann es bei Stromzufuhr unter feuchten Bedingungen zu elektrischer Korrosion kommen und der Widerstand kann ausfallen. Dies macht den Dünnschichtwiderstand für Anwendungen ungeeignet, in denen feuchte Bedingungen auftreten können.
Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren für eine Feuchtigkeitsbarriere für Schichtwiderstände bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für einen Schichtwiderstand bereitzustellen, der weniger anfällig für Ausfälle bei Stromzufuhrtests unter feuchten Bedingungen ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für eine Feuchtigkeitsbarriere bereitzustellen, die mit Dünnschichtwiderständen aus Nickel-Chrom-Legierung verwendet werden kann.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für eine Feuchtigkeitsbarriere für Dünnschichtwiderstände bereitzustellen, das kein Tantalnitrid benötigt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für eine Feuchtigkeitsbarriere für einen Dünnschichtwiderstand bereitzustellen, die siebbedruckte Feuchtigkeitsbarrieren ersetzt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für eine Feuchtigkeitsbarriere für einen Dünnschichtwiderstand bereitzustellen, das mit normalen Herstellungstechniken und -materialien kompatibel ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für eine Feuchtigkeitsbarriere für einen Dünnschichtwiderstand bereitzustellen, der mit Nickel- und Chromlegierungen verwendet werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für eine Feuchtigkeitsbarriere für einen Dünnschichtwiderstand bereitzustellen, der sich bei Tests gemäß der MIL-STD-202 Methode 103 günstig verhält.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für eine Feuchtigkeitsbarriere für einen Dünnschichtwiderstand bereitzustellen, der sich bei Tests gemäß der MIL-STD-202 Methode 106 günstig verhält.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Reduzieren oder Eliminieren von Ausfällen von Dünnschichtwiderständen aufgrund von elektrolytischer Korrosion bei Stromzufuhr unter feuchten Bedingungen bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für eine Feuchtigkeitsbarriere bereitzustellen, die durch Aufstäuben aufgebracht werden kann.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale oder Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der Spezifikation und den Ansprüchen hervor.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Chipwiderstands mit einer Tantalpentoxid-Feuchtigkeitsbarriere. Die Erfindung stellt eine Tantalpentoxid-Feuchtigkeitsbarriere für den Einsatz bei der Herstellung eines Dünnschichtwiderstands mit ansonsten standardmäßigen Herstellungsprozessen bereit. Die Erfindung erlaubt die Verwendung einer beliebigen Zahl von Metallfolien als ohmsches Element. Die Erfindung erlaubt insbesondere die Verwendung von Nickel-Chrom-Legierungen. Auf die ohmsche Metallfolienschicht wird eine Feuchtigkeitsbarriere aus Tantalpentoxid gelegt. Die Tantalpentoxidschicht dient als Feuchtigkeitsbarriere.
Die Tantalpentoxidschicht ergibt einen Dünnschichtwiderstand, der gegenüber Feuchtigkeit ohmsch wirkt. Insbesondere lässt es die Tantalpentoxid-Feuchtigkeitsbarriere zu, dass der Dünnschichtwiderstand widerstandsfähiger gegen elektrolytische Korrosion ist, die unter bestimmten Feuchtigkeitsbedingungen eine elektrische Leitungsunterbrechung verursacht. Somit erhöht die vorliegende Erfindung die Zuverlässigkeit von Dünnschichtwiderständen unter Anwendung von im Wesentlichen herkömmlichen Herstellungstechniken.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird durch die Merkmale von Anspruch 1 definiert und umfasst das Auftragen einer ohmschen Metallfolienschicht direkt auf ein Dünnschicht-Chipwiderstandssubstrat und das Befestigen daran. Das Verfahren umfasst ferner das Befestigen eines Chipwiderstandsabschlusses an jedem Ende der ohmschen Metallfolienschicht. Eine Feuchtigkeitsbarriere, die im Wesentlichen aus einer Tantalpentoxidschicht besteht, wird auf die ohmsche Metallfolienschicht aufgebracht, um Ausfälle aufgrund von elektrolytischer Korrosion bei Stromzufuhr unter feuchten Bedingungen zu reduzieren. Die Tantalpentoxidschicht wird nicht durch eine natürliche Oxidation der metallischen dünnen Widerstandsschicht gebildet.
Der Widerstand der vorliegenden Erfindung wird durch die Merkmale von Anspruch 8 oder 13 definiert und kann mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Der Widerstand kann das Tantalpentoxid beinhalten, das direkt auf dem ohmschen Element liegt und daran befestigt ist, oder eine Passivierungsschicht kann zwischen die Feuchtigkeitsbarriere und die ohmsche Schicht gelegt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht eines Dünnschichtwiderstands des Standes der Technik.
2 ist eine Seitenansicht des Dünnschichtwiderstands mit einer Tantalpentoxid-Feuchtigkeitsbarriere der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt einen Dünnschichtwiderstand des Standes der Technik, der mit standardmäßigen Herstellungsprozessen erzeugt werden kann. In 1 wird ein Substrat 12 benutzt. Das Substrat 12 kann aus Aluminiumoxid bestehen oder kann ein anderes Substrat sein, das in Dünnschichtprozessen verwendet werden kann. Auf dem Substrat liegt eine Metallfolienschicht, die als ohmsches Element für den Dünnschichtwiderstand dient. Die Metallfolienschicht 14 kann aus einer beliebigen Anzahl von Metallfolien bestehen, aber häufig wird eine Nickel-Chrom-(Nichrome)-Legierung oder eine andere Nickel und/oder Chrom enthaltende Legierung verwendet. Nickel-Chrom ist einer der üblichsten Metallfolientypen, die in Dünnschichtwiderständen zum Einsatz kommen. Auf der Metallfolienschicht 14 liegt die Passivierungsschicht 16. Die Passivierungsschicht 16 kann zum Schützen der elektronischen Eigenschaften von Dünnschichtwiderständen vor Herabsetzung durch externe Kontaminanten verwendet werden. Als Passivierungsschicht 16 kann ein kratzbeständiges Material wie Siliciumnitrid, Siliciumdioxid oder ein anderes in der Technik bekanntes Material aufgebracht werden. Der Dünnschichtwiderstand 10 hat auch einen Abschluss 18. Der Abschluss 18 an den Enden des Dünnschichtwiderstands wird zum elektrischen Anschließen des Dünnschichtwiderstands verwendet.
Der Dünnschichtwiderstand der vorliegenden Erfindung ist in 2 dargestellt. Der Dünnschichtwiderstand 20 wird ähnlich wie der Dünnschichtwiderstand 10 von 1 hergestellt. Der Dünnschichtwiderstand 20 von 2 beinhaltet jedoch auch eine Feuchtigkeitsbarrierenschicht 22. Die Feuchtigkeitsbarrierenschicht 22 ist eine Schicht aus Tantalpentoxid. Die Tantalpentoxidschicht kann auf den Dünnschichtwiderstand aufgestäubt werden, wobei die Tantalpentoxidschicht auf der ohmschen Metallfolienschicht und optional einer Passivierungsschicht liegt. Die vorliegende Erfindung sieht vor, dass keine Passivierungsschicht verwendet zu werden braucht.
Der Zusatz der Tantalpentoxidschicht reduziert Ausfälle aufgrund von elektrolytischer Korrosion, die unter bestimmten Feuchtigkeitsbedingungen eine elektrische Leitungsunterbrechung verursacht. Der Dünnschichtwiderstand 20 kann Aluminiumoxid als Substrat 12 oder ein anderes Substratmaterial verwenden. Die vorliegende Erfindung ist keineswegs auf die besondere Wahl des Substrats begrenzt, sondern die vorliegende Erfindung kann in standardmäßigen Herstellungsprozessen zur Anwendung kommen. Die Passivierungsschicht kann eine Schicht aus Siliciumnitrid, Siliciumdioxid oder einem anderen in der Technik bekannten Material sein. Die vorliegende Erfindung sieht vor, dass jede beliebige Zahl von Metallfolien verwendet werden könnte, einschließlich Metallfolien, die Nickel, Chrom oder beide enthalten. Der Abschluss 18 für den Dünnschichtwiderstand 20 kann ein beliebiger Abschlusstyp sein, der gewöhnlich mit Dünnschichtwiderständen zum Einsatz kommt. So kann beispielsweise der Abschluss 18 einen Wickelabschluss beinhalten.
Der erfindungsgemäße Dünnschichtwiderstand mit einer Nickel-Chrom-Metallfolienschicht und einer Tantalpentoxid-Feuchtigkeitsbarriere wurde mit standardmäßigen Umgebungstestmethoden beurteilt. Der Dünnschichtwiderstand (Größe 1206) mit einem Chipwiderstand mit Wickelabschluss wurde Tests gemäß der MIL-STD-202 Methode 103 unterzogen. Diese Tests dienen dazu, die Eigenschaften von Materialien zu beurteilen, die in elektrischen Komponenten verwendet werden, wenn diese durch Absorption und Diffusion von Feuchtigkeit und Feuchtigkeitsdampf beeinflusst werden. Der Test ist ein beschleunigter Umgebungstest, bei dem eine hohe relative Feuchtigkeit und eine hohe Temperatur angewendet werden. Der Test erfolgte bei einer Temperatur von 40°C und einer relativen Feuchtigkeit zwischen 90% und 95%. Es wurde 96 Stunden lang eine Gleichspannung von 10 Volt an die Widerstände angelegt.
Beim 96-Stunden-Test kam es zu einer typischen Ausfallrate (ohne Tantalpentoxid) von 0 bis 4 Leitungsunterbrechungen pro Testlos. Bei einem Test der Dünnschichtwiderstände mit Tantalpentoxid-Feuchtigkeitsbarriere, bei denen Tantalpentoxid als Feuchtigkeitsbarriere verwendet wurde, gab es keine Leitungsunterbrechungen.
Es wurde ein zweiter Test mit einer zweiten Gruppe von Dünnschichtwiderständen mit der Tantalpentoxid-Feuchtigkeitsbarriere durchgeführt. Für den zweiten Test wurde die MIL-STD-202 Methode 106 zum Testen der Feuchtigkeitsbeständigkeit angewendet. Dieser Test unterscheidet sich von dem vorherigen Test, da er mit Temperaturzyklen erfolgt, um abwechselnde Kondensations- und Trocknungsperioden zu erzeugen. Bei diesem Test war der gewählte Temperaturbereich 65°C bis –10°C bei einer relativen Feuchtigkeit zwischen 90% und 100%. Der Test wurde über eine 240-Stunden-Periode mit 10 Volt Gleichstrom durchgeführt.
Beim 240-Stunden-Widerstandstest ohne Tantalpentoxid-Feuchtigkeitsbarriere fielen typischerweise etwa 90% der Widerstände aus. Beim 240-Stunden-Widerstandstest unter Verwendung von Tantalpentoxid als Feuchtigkeitsbarriere kam es zu keinen Ausfällen.
Das Verfahren zur Herstellung des Dünnschichtwiderstands der vorliegenden Erfindung ist am besten in 3 zu sehen. Der Dünnschichtwiderstand der vorliegenden Erfindung kann auf eine Weise hergestellt werden, die im Wesentlichen mit den Dünnschichtherstellungsprozessen im Einklang ist. In Schritt 30 wird eine Metallfolie durch Aufstäuben oder mit anderen Techniken aufgebracht. Die Metallfolie kann aus einer Kupfer, Chrom, Nichrome oder ein anderes in der Technik bekanntes Metall enthaltenden Legierung bestehen. Bei Bedarf kann in Schritt 32 eine Passivierungsschicht aufgebracht werden. Die Passivierungsschicht kann durch Aufstäuben oder durch andere Techniken aufgebracht werden.
Die Passivierungsschicht dient zum Schützen des Dünnschichtwiderstands vor externen Kontaminanten. In Schritt 34 wird eine Schicht aus Tantalpentoxid aufgebracht. Die Tantalpentoxidschicht kann durch Aufstäuben oder mit anderen Techniken aufgebracht werden. Die Tantalpentoxidschicht dient als Feuchtigkeitsbarriere zum Reduzieren von elektrolytischer Korrosion des Dünnschichtwiderstands.
Somit wurden eine Vorrichtung und ein Verfahren für einen Dünnschichtwiderstand mit einer Tantalpentoxid-Feuchtigkeitsbarriere offenbart, die Probleme und Mängel in der Technik löst.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Chipwiderstands mit einer Feuchtigkeitsbarriere, umfassend die folgenden Schritte: Auftragen einer ohmschen Metallfolienschicht direkt auf ein Dünnschicht-Chipwiderstandssubstrat und Befestigen derselben daran; Anbringen eines Chipwiderstandsabschlusses an jedem Ende der ohmschen Metallfolienschicht; und Auftragen der Feuchtigkeitsbarriere, die im Wesentlichen aus einer Tantalpentoxidfolienschicht besteht, die auf der ohmschen Metallfolienschicht liegt, um Ausfälle aufgrund von elektrolytischer Korrosion bei Stromzufuhr unter feuchten Bedingungen zu reduzieren, wobei die Tantalpentoxidschicht nicht durch natürliche Oxidation der ohmschen dünnen Metallfolienschicht entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das direkte Legen der Feuchtigkeitsbarriere auf die ohmsche Folienschicht und das Befestigen daran.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das direkte Legen einer Passivierungsschicht auf die ohmsche Metallfolienschicht und das Befestigen daran und das direkte Auflegen der Feuchtigkeitsbarriere auf die Passivierungsschicht und das Befestigen daran.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Auftragens einer Schicht aus Tantalpentoxid das Aufstäuben einer Tantalpentoxidschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallfolienschicht eine nickelhaltige Legierung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallfolienschicht eine chromhaltige Legierung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallfolienschicht eine Nickel-Chrom- Legierung ist.
Dünnschicht-Chipwiderstand (20), der mit dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt werden kann und Folgendes umfasst: ein Substrat (12); eine ohmsche dünne Metallfolienschicht (14), die direkt auf dem Substrat befestigt wird, einen Chipwiderstandsabschluss (18), der an jedem Ende der ohmschen dünnen Metallfolienschicht (14) befestigt wird; und eine äußere Feuchtigkeitsbarriere (22), die im Wesentlichen aus Tantalpentoxid besteht, das direkt auf die ohmsche dünne Metallfolienschicht (14) aufgebracht und daran befestigt wird, um Ausfälle aufgrund von elektrolytischer Korrosion bei Stromzufuhr unter feuchten Bedingungen zu reduzieren, wobei das Tantalpentoxid nicht durch natürliche Oxidation der ohmschen dünnen Metallfolienschicht gebildet wird.
Dünnschicht-Chipwiderstand (20) nach Anspruch 8, wobei die ohmsche dünne Metallfolienschicht (14) eine nickelhaltige Legierung ist.
Dünnschicht-Chipwiderstand (20) nach Anspruch 8, wobei die ohmsche dünne Metallfolienschicht (14) eine chromhaltige Legierung ist.
Dünnschicht-Chipwiderstand (20) nach Anspruch 8, wobei die ohmsche dünne Metallfolienschicht (14) eine Nickel-Chrom-Legierung ist.
Dünnschicht-Chipwiderstand (20) nach Anspruch 8, wobei das Tantalpentoxid durch Aufstäuben aufgelegt wird.
Dünnschicht-Chipwiderstand (20), der mit dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt werden kann und Folgendes umfasst: ein ohmsches Substrat (12); eine ohmsche dünne Metallfolienschicht (14), die direkt an dem Substrat (12) befestigt wird, wobei die dünne Metallschicht kein Tantal ist; einen Chipwiderstandsabschluss (18), der an jedem Ende der ohmschen dünnen Metallfolienschicht (14) befestigt wird; eine Passivierungsschicht (16), die direkt auf der ohmschen dünnen Metallfolienschicht (14) liegt; eine äußere Feuchtigkeitsbarriere (22), die aus Tantalpentoxid besteht, das direkt auf der Passivierungsschicht (16) liegt, um Ausfälle aufgrund von elektrolytischer Korrosion bei Stromzufuhr unter feuchten Bedingungen zu reduzieren, wobei die Tantalpentoxidschicht nicht natürlich durch Oxidation gebildet wird.