مع التقدم المستمر لتكنولوجيا التعبئة والتغليف للإلكترونيات الدقيقة، زادت قوة المكونات الإلكترونية وتكاملها بشكل كبير، مما أدى إلى زيادة كبيرة في توليد الحرارة لكل وحدة حجم، مما طرح متطلبات أكثر صرامة لكفاءة تبديد الحرارة (أي وأداء التوصيل الحراري) للجيل الجديد من لوحات الدوائر. في الوقت الحاضر، يعمل الباحثون على تطوير مجموعة متنوعة من المواد الأساسية الخزفية ذات الموصلية الحرارية العالية، بما في ذلك نيتريد الألومنيوم (AlN)، وكربيد السيليكون (SiC) وأكسيد البريليوم ( بي أو). ومع ذلك، BeO محدود بيئيًا بسبب سميته؛ إن SiC غير مناسب للاستخدام كمادة ركيزة بسبب خصائصه الثابتة العازلة العالية. في المقابل، AlN هو اختيار مادة الركيزة المفضلة بسبب معامل التمدد الحراري المماثل وثابت العزل الكهربائي المعتدل لمواد السيليكون (Si).
تقليديًا، تم تصميم رشفات الأغشية السميكة بشكل أساسي لركائز الألومينا (Al2O3) ، لكن تكوين هذه الجرعات يكون عرضة للتفاعلات الكيميائية عند ملامستها لركائز AlN، مما ينتج غازات، مما يشكل تهديدًا خطيرًا لاستقرار وأداء دوائر الأفلام السميكة. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن معامل التمدد الحراري لركيزة AlN أقل من معامل التمدد الحراري لركيزة Al2O3، فإن التطبيق المباشر لعملية الملاط والتلبيد المناسبة لركيزة Al2O3 على ركيزة AlN سيؤدي إلى مشكلة عدم تطابق التمدد الحراري، الأمر الذي سيؤدي إلى تؤثر على أداء الدائرة. لذلك، ليس من المستحسن ببساطة نسخ نظام المواد وعملية الإنتاج للركيزة Al2O3 إلى الركيزة AlN. تصف هذه الورقة بالتفصيل عملية تصنيع المقاومة المصممة لركيزة AlN، وتقوم بدراسة وتحليل أداء المقاومة.
قياس معامل درجة حرارة المقاومة
يمثل معامل درجة حرارة المقاومة (TCR) التغير النسبي لقيمة مقاومة التيار المستمر للمقاوم عند درجة حرارة الاختبار إلى قيمة مقاومة التيار المستمر عند درجة الحرارة المرجعية، أي التغير النسبي لقيمة المقاومة ΔTCR لكل درجة حرارة 1 درجة مئوية بين درجة حرارة الاختبار ودرجة الحرارة المرجعية:
أين: R1 هي قيمة المقاومة عند درجة الحرارة المرجعية؛ R2 هي قيمة المقاومة عند درجة حرارة الاختبار. T1 هي درجة الحرارة المرجعية؛ T2 هي درجة حرارة الاختبار.
تم قياس مقاومة الغشاء السميك على الركيزة AlN بواسطة TCR. تم عرض بيانات اختبار معامل درجة الحرارة المرتفعة (HTCR) في الجدول 1، وتم عرض بيانات اختبار معامل درجة الحرارة المنخفضة (CTCR) في الجدول 2. ومن بيانات الاختبار، يمكن ملاحظة أن حجم التصميم له تأثير معين على معامل درجة الحرارة للمقاومة. جميع نماذج المقاومة لها معامل درجة حرارة موجب على هذه الركيزة AlN، وTCR لـ FK9931M أقل من 150×10-6/، والنماذج المتبقية أقل من 100×10-6/.
تقييم ثبات المقاومة
يمكن اعتبار المقاومة بنية شبكية ثلاثية الأبعاد تتكون من العديد من السلاسل الموصلة. عندما تتعرض طبقة المقاومة للتوتر، فإن سلسلة التوصيل الأكثر هشاشة سوف تنكسر أو تستطيل محليًا، بحيث تنخفض قدرة التوصيل الإجمالية وتزداد قيمة المقاومة. على العكس من ذلك، عندما يكون معامل التمدد الحراري لطبقة المقاومة أصغر بشكل واضح من معامل التمدد الحراري للركيزة، فإن الضغط داخل طبقة المقاومة هو الضغط. عندما تتعرض طبقة المقاومة للضغط، سيكون الاتصال بين الجزيئات أكثر إحكامًا، وسيتم إضافة سلسلة موصلة جديدة، وبالتالي تعزيز قدرة التوصيل لمقاوم الغشاء السميك بالكامل، وستنخفض قيمة المقاومة على الماكرو مستوى. نظرًا لأن المقاوم ذو الغشاء السميك يرتبط بقوة بالركيزة ويكون تحرير الضغط بطيئًا، فإن قيمة المقاومة ستتغير عندما يتم تخزين المقاوم ذو الغشاء السميك عند درجة حرارة معينة. كلما زاد الفرق بين معامل التمدد الحراري لمقاومة الفيلم السميك والركيزة، زاد الضغط داخل مقاومة الفيلم السميك، وزاد معدل التغير في مقاومة الفيلم السميك عند تخزينه في درجة حرارة عالية.
وفقًا لأحجام التصميم المختلفة، تمت طباعة أربعة أنواع من مقاومات المقاومة المربعة على ركيزة AlN، وتم ضبط المقاومات بالليزر. بعد تخزين درجة الحرارة عند 150 درجة مئوية و1000 ساعة، تمت مقارنة التغير في قيم المقاومة قبل وبعد تخزين درجة الحرارة. مقاومة كل مقاومة مربعة تقيس قيمة المقاومة لخمس مقاومات. وكما يتبين من الجدول 4 إلى الجدول 6 فإن معدل تغير قيمة المقاومة يكون أقل من 1.5% بعد تخزينها في درجة حرارة عالية.
باختصار، مع التطور السريع لتكنولوجيا تغليف الإلكترونيات الدقيقة، حققت قوة المكونات الإلكترونية وتكاملها قفزة نوعية، ولكنها طرحت أيضًا تحديات غير مسبوقة لكفاءة تبديد الحرارة للوحة الدائرة. استجاب الباحثون بفعالية لهذا التحدي من خلال استكشاف وتطوير سلسلة من المواد الأساسية الخزفية ذات الموصلية الحرارية العالية، ومن بينها نيتريد الألومنيوم (AlN) الذي يبرز بين العديد من المواد المرشحة بفضل توافقه الفائق مع التمدد الحراري وثابت العزل الكهربائي المعتدل، وقد أصبح محور البحث الحالي.
في هذه الورقة، يتم تحليل القيود المفروضة على ملاط الأغشية السميكة التقليدية في تطبيق ركيزة AlN بعمق، ويتم وصف عملية تصنيع المقاومة المصممة لخصائص ركيزة AlN بالتفصيل. تظهر النتائج التجريبية أن مقاومة الغشاء السميك على ركيزة AlN لها أداء مستقر، ومعامل درجة حرارتها ضمن النطاق المقبول، ومعدل تغير المقاومة صغير جدًا بعد التخزين بدرجة حرارة عالية، مما يتحقق من جدوى وفعالية عملية الإنتاج.
في المستقبل، مع مزيد من البحث والتحسين لركيزة AlN وعملية الإنتاج الداعمة لها، لدينا سبب للاعتقاد بأن ركيزة AlN ستلعب دورًا أكثر أهمية في تعبئة المكونات الإلكترونية عالية الكثافة للطاقة، و تعزيز تطوير صناعة الإلكترونيات الدقيقة لتحقيق أداء أعلى وتكامل أعلى.
