ANALIZA UTICAJA MEHANIČKOG I ELEKTRIČNOG NAPREZANJA NA DEBELOSLOJNE OTPORNIKE

1 Zdravko Stanimirović, 2Milan M. Jevtić, 1Ivanka Stanimirović

1IRITEL A.D., Beograd 2Institut za fiziku, Beograd

Sadržaj – U radu su predstavljeni rezultati ispitivanja uticaja istovremenog dejstva mehaničkog i električnog naprezanja na standardne debeloslojne otpornike slojne otpornosti 10kΩ/. Za potrebe eksperimenta realizovani su debeloslojni test otpornici različitih dimenzija. Otpornici su istovremeno izlagani dejstvu mehaničkog naprezanja sa maksimalnim izvijanjem supstrata od 300µm i višestrukom dejstvu visokonaponskih impulsa. Dobijeni rezultati su analizirani sa stanovišta mikro- i makro-strukture, transporta naelektrisanja i niskofrekventnog šuma. Uočene su veze između degradacije otpornika usled istovremenog dejstva mehaničkog i električnog naprezanja i promene otpornosti, faktora naprezanja i niskofrekventnog šuma. 1. UVOD

Težnja ka minijaturizaciji i masovna upotreba standardnih debeloslojnih otpornika u savremenim veoma osetljivim telekomunikacionim uređajima nameću potrebu da se ispita ponašanje ovih kompleksnih heterogenih sistema u različitim uslovima naprezanja – posebno u uslovima mehaničkog i električnog naprezanja. Kada je reč o uticaju mehaničkog naprezanja na performanse debeloslojnih otpornika, najveći broj objavljenih radova se odnosi na primenu debeloslojnih otpornika u senzorima pritiska. U početku su bile korišćene samo osnovne piezootporne osobine debeloslojnih otpornih materijala [1, 2], dok se noviji debeloslojni piezootporni senzori zasnivaju na novim otpornim pastama naročito razvijenim za ove primene [3, 4]. Kada je reč o električnom naprezanju, najveći broj objavljenih radova se bavio trimovanjem debeloslojnih otpornika primenom visokonaponskih impulsa [5] i analizom ponašanja debeloslojnih zaštitnih otpornika koji se koriste kao zaštita telekomunikacionih uređaja u ekstremnim uslovima rada kao što su preopterećenja usled atmosferskih pražnjenja [6, 7] iako se problematika ponašanja ovih otpornika fizički razlikuje od problematike vezane za standardne debeloslojne otporne strukture zbog njihovih niskoomskih otpornosti. Međutim, malo je pažnje posvećeno uticaju uslova mehaničkog [8, 9, 10] i električnog [11, 12, 13] naprezanja na standardne debeloslojne otpornike. Naročito je malo pažnje posvećeno ispitivanju istovremenog dejstva ove dve vrste naprezanja na ponašanje ovih složenih mikro i nanostruktura. U radu će biti predstavljeni rezultati istraživanja performansi standardnih debeloslojnih otpornika različitih dimenzija i slojne otpornosti 10kΩ/ izloženih istovremenom dejstvu mehaničkog i električnog naprezanja. Eksperiment - materijali, test uzorci i uslovi naprezanja i merenja su opisani u poglavlju 2, dok su eksperimentalni rezultati i diskusija izloženi u poglavlju 3.

2. EKSPERIMENT Analiza performansi debeloslojnih otpornika izloženih istovremenom dejstvu mehaničkog i električnog naprezanja je izvedena pomoću tri grupe uzoraka (Sl. 1) različitih geometrija (1×2, 4 i 6mm2). Test otpornici su formirani na keramičkim alumina supstratima (96%Al2O3) pomoću konvencionalnih tehnika sitoštampe. Otpornici su realizovani komercijalno raspoloživom otpornom pastom iz QM80 serije (DuPont) sa nominalnom slojnom otpornošću 10kΩ/ (QM84) u kombinaciji sa Pd/Ag provodnom pastom iz QM serije (DuPont) sa oznakom QM17. Posle procesa sitoštampe, svi vlažni slojevi su se nivelisali 15min na sobnoj temperaturi, a potom su bili sušeni u tunelskoj infracrvenoj sušnici u 15min ciklusu na temperaturi od 150ºC. Da bi bile ostvarene željene vrednosti otpornosti, debljine suvih otpornih slojeva su bile 25±3µm. Provodni i otporni slojevi su žareni u 30min ciklusu sa maksimalnom temperaturom od 850ºC u trajanju od 10min.

Sl.1. Test uzorci sa različitim geometrijama otpornika (konstantna širina w=1mm i različite dužine l=2, 4 i 6mm – odozdo naviše, respektivno) Da bi se ispitalo istovremeno dejstvo električnog i mehaničkog naprezanja na debeloslojne otpornike, mehaničke performanse su bile ispitivane uz pomoć specijalne naprave realizovane naročito za ovu vrstu ispitivanja. Alumina supstrat je bio pričvršćen na krajevima, a izvijanje supstrata od 300µm je vršeno pomoću mikrometra primenom centralne sile. Električno naprezanje je vršeno primenom Haefely P6T generatora impulsa koji je generisao 10/700µs impulse. Uslovi električnog naprezanja su bili izabrani u skladu sa standardom ITU-T K.20 koji se odnosi na testiranje zaštitnih (tzv. "surge") otpornika. Šematski prikaz istovremenog mehaničkog i električnog naprezanja debeloslojnih otpornika je prikazan na slici 2.

Tokom eksperimenta su merene vrednosti otpornosti, indeksa šuma i strujnog spektra šuma. Indeks šuma je meren po dekadi frekvencije pri centralnoj frekvenciji 1kHz i graničnim 3dB frekvencijama 616 i

Zbornik radova 50. Konferencije za ETRAN, Beograd, 6-8. juna 2006, tom IV Proc. 50th ETRAN Conference, Belgrade, June 6-8, 2006, Vol. IV

123

1616Hz u skladu sa standardom MIL-STD-202D, Metod 308. Za merenje indeksa šuma pri 1kHz korišćen je Quan-Tech Resistor Noise Test Set, Model 315B. Merenja otpornosti su izvršena pomoću uređaja HP34401A. Strujni spektar šuma je meren nanovoltnim pojačavačem Mod. 103A, Keithley i HP-3561B dinamičkim analizatorom signala u opsegu frekvencija 10Hz - 10KHz. Sva merenja su izvršena na sobnoj temperaturi (T=295K).

Sl.2. Šematski prikaz istovremenog mehaničkog i električnog naprezanja debeloslojnih otpornika (F – primenjena centralna sila, HV – generator visokonaponskih impulsa) 3. EKSPERIMENTALNI REZULTATI I DISKUSIJA

Uslovi istovremenog mehaničkog i električnog naprezanja standardnih debeloslojnih otpornika: izvijanje supstrata od 300µm i 10/700µs impulsi su izabrani tako da se obezbedi postepena degradacija otpornika bez pojave katastrofalnih otkaza (pucanje supstrata, oštećenja otpornog sloja, degradacija kontakta provodnik-otpornik kao najčešći vidovi otkaza u uslovima ovakvih naprezanja). Tokom eksperimenta, otpornici su bili izlagani serijama impulsa iz opsega 0.125-5.25kV sa korakom 125V. Otpornici su prvo izlagani serijama od 10 impulsa sa početnom amplitudom impulsa 125V i frekvencijom 6 impulsa u minuti. Izlazna otpornost generatora je bila 25Ω. Amplitude impulsa su povećavane sa korakom 125V do pojave značajnih promena karakteristika otpornika i tada su serije od 10 impulsa zamenjene dejstvom pojedinačnih impulsa da bi se pratila postepena degradacija otpornika i tokom testiranja su merene vrednosti otpornosti i indeksa šuma. Na osnovu rezultata tih merenja računate su relativne promene otpornosti i indeksa šuma, a na osnovu [4] i faktora naprezanja. Dobijene vrednosti su prikazane na slici 3 kao ilustracija eksperimenta. Prethodna istraživanja su pokazala da promena otpornosti debeloslojnih otpornika izloženih samo električnom naprezanju nastaje usled mikrostrukturnih promena [13] što rezultuje padom otpornosti. Promene otpornosti otpornika koje su posledica dejstva samo mehaničkog naprezanja delom nastaju usled promena geometrije otpornika ali su u najvećoj meri posledica promena na nivou mikrostrukture što dovodi do porasta otpornosti što je pokazano u [10] - između 0.3 i 0.4% zavisno od dužine otpornika. Međutim, istovremeno dejstvo ove dve vrste naprezanja izaziva drugačije efekte. Ako prihvatimo da značajna promena otpornosti debeloslojnog otpornika označava promenu veću od 3% (standardna tolerancija za debeloslojne otpornike koji se koriste u osetljivim telekomunikacionim uređajima je najčešće do 1%), tada je za posmatrane test otpornike značajna promena otpornosti primećena nakon dejstva 10×5.0kV što je rezultovalo padom otpornosti. Minimalna vrednost otpornosti je dostignuta nakon dejstva 5×5.25kV.

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

0V 10x3

000V

10x3

250V

10x3

500V

10x3

750V

10x4

000V

10x4

250V

10x4

500V

10x4

750V

10x5

000V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

∆R/R

i [%

]

-40

0

40

80

120

∆GF/

GFi

[%]

EMS 4mm R EMS 4mm GF (a)

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

0V 10x3

000V

10x3

250V

10x3

500V

10x3

750V

10x4

000V

10x4

250V

10x4

500V

10x4

750V

10x5

000V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

1x52

50V

∆R/R

i [%

]

0

40

80

120

160

200

∆NI/N

Ii [%

]

EMS 4mm R EMS 4mm NI (b)

Sl.3. Eksperimentalni rezultati - relativne promene otpornosti, faktora naprezanja (a) i indeksa šuma (b) za istovremeno mehaničko i električno napregnute debeloslojne otpornike dužine l=4mm i slojne otpornosti Rsl=10kΩ/ Posle 9×5.25kV započeo je rast vrednosti otpornosti dostižući početnu vrednost posle 18×5.25kV i beležeći dalji rast sa svakim sledećim primenjenim visokonaponskim impulsom (Sl.3). Pošto su slojne otpornosti debeloslojnih otpornih pasti određene faktorima ispune provodne faze čime se određuje mikrostruktura otpornih slojeva kao i provodni mehanizmi, za predmet ovog eksperimentalnog istraživanja su izabrani debeloslojni otpornici realizovani otpornom pastom slojne otpornosti 10kΩ/ zato što objedinjavaju provodne mehanizme koji su dominantni kod otpornika nižih (provođenje kroz klastere čestica – provodne čestice i sinterovane kontakte između susednih čestica) i viših (tunelovanje kroz staklene barijere) slojnih otpornosti. Pad otpornosti uočen na slici 3 je rezultat mikrostrukturnih promena. Naprezanje utiče na nosioce naelektrisanja i koncentraciju klopki u staklenim barijerama menjajući tako vrednosti barijernih otpornosti. Pad otpornosti prouzrokovan ovakvim promenama na nivou mikrostrukture je praćen značajnim porastom otpornosti što je posledica promena na nivou makrostrukture. Primenjeno visokonaponsko impulsno naprezanje je dovelo do vidljivog isparavanja otpornih slojeva smanjujući tako zapremine otpornika. Vrednosti faktora naprezanja su bile stabilne dok nije primećena degradacija na nivou makrostrukture a potom su pratile oblik krive promene otpornosti (Sl.3a). Vrednosti indeksa šuma

F

SUBSTRAT OTPORNIK

HV

124

prikazane na slici 3b su se pokazale kao veoma osetljive, registrujući i mikrostrukturne i makrostrukturne promene naprezanih debeloslojnih otpornika. Imajući na umu da su izvori niskofrekventnog šuma u debeloslojnim otpornicima povezani sa provodnim mehanizmima [14] (fluktuacija kontaktnih otpornosti i otpornosti samih čestica u slučaju provođenja kroz provodne čestice i kontakte između njih, šum koji je posledica modulacije Nikvistovim šumom i fluktuacije prouzrokovane prisustvom klopki u staklenim barijerama u slučaju provođenja kroz staklene barijere) izvršena su i merenja spektra strujnog šuma za različite struje pre i posle istovremenog mehaničkog i električnog naprezanja ispitivanih otpornika. Rezultati ovih merenja su prikazani na slici 4 .

1.E-24

1.E-23

1.E-22

1.E-21

1.E-20

1.E-191.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04

f [Hz]

Si [A

2 /Hz]

[1]

[2]

[3]

[4]

[5][6]

Sl.4. Eksperimentalni rezultati – spektar strujnog šuma pre ([1] I= 0.1488mA, [2] I= 0.2925mA, [3] I= 0.4452mA) i posle ([4]I= 0.1435mA,[5] I= 0.2917mA,[6] I= 0.4424mA) istovremenog mehaničkog i električnog naprezanja debeloslojnih otpornika širine w=1mm, dužine l=4mm i slojne otpornosti Rsl=10kΩ/

Radi boljeg razumevanja uticaja istovremenog dejstva mehaničkog i električnog naprezanja na šumne karakteristike debeloslojnih otpornika, izvedena je procedura fitovanja korišćenjem eksperimentalnih rezultata datih na slici 4 i sledećeg teorijskog izraza.:

∑+

++=i

CiCi

iI fff

CfBAfS

)1(2)( 22

00 πγ

, (1)

gde prvi član RTkA B40 = predstavlja termički šum, kB je Bolcmanova konstanta, T je apsolutna temperatura, R je otpornost debeloslojnog otpornika. Drugi član predstavlja 1/f šum sa parametrima B0 i γ, dok treći član predstavlja sumu spektara šuma Lorencovog oblika sa parametrima Ci i karakterističnim frekvencijama fCi. Kao ilustracija, na slici 5 su dati eksperimentalni rezultati i rezultati fitovanja za krivu [4] sa slike 4, zajedno sa pojedinačnim doprinosima različitih izvora šuma ukupnom strujnom spektru šuma. Na slici 5 je uočen dominantan doprinos 1/f šuma ukupnom spektru strujnog šuma. On uključuje 1/f šum koji je posledica fluktuacija kontaktnih otpornosti i otpornosti samih čestica u slučaju provođenja kroz provodne čestice i kontakte između njih i 1/f šum koji je posledica modulacije Nikvistovim šumom (fluktuira visina potencijalnih barijera zbog Nikvistovog šuma u staklu [15], [16]). Osetljivost dominantnog 1/f šuma na istovremeno dejstvo naprezanja se

1E-25

1E-24

1E-23

1E-22

1E-21

1E-2010 100 1000 10000

f [Hz]

Si [A

2/H

z]

1

2

3

4

5

F

E

Sl.5. Eksperimentalni rezultati (E) za spektar strujnog šuma i rezultati fitovanja (F) u skladu sa jednačinom (1) za krivu [4] sa sl. 4 sa doprinosima različitih izvora šuma u ukupnom spektru strujnog šuma (1- termički šum, 2-1/f šum, 3,4,5- spektri šuma Lorencovog oblika) može videti pomoću parametara fitovanja γ i B0 pre i posle naprezanja. Nađeno je da je vrednost parametra fitovanja 1/f šuma γ pre i posle naprezanja γ=1. Strujne zavisnosti parametra B0 su prikazane na slici 6. Vidi se da vrednost parametra B0 raste za približno jedan red veličine sa primenjenim naprezanjem. Nađena je strujna zavisnost B0 ~ Ia, sa eksponentom a > 2 (a ≈ 2.57) pre i a < 2 (a ≈ 1.57) posle dejstva naprezanja. Ova promena eksponenta “a” se može objasniti većim doprinosom šuma prouzrokovanim fluktuacijama pokretljivosti u klasterima i kontaktima čestica ukupnom 1/f šumu posle dejstva naprezanja. Lako uočljivi Lorencov član (kriva (4) na slici 5) ima karakterističnu frekvenciju 185Hz. Preostala dva Lorencova člana (krive (3) i (5) na slici 5), sa karakterističnim frekvencijama 11 i 8505Hz su maskirana 1/f šumom, ali utiču na slaganje eksperimentalnih rezultata sa teorijskom krivom. Lorencovi članovi se mogu povezati sa fluktuacijama prouzrokovanim prisustvom klopki u staklenim barijerama. Neki od ranije objavljenih eksperimentalnih rezultata [17] takođe ukazuju na prisustvo Lorencovih članova u spektru šuma debelosolojnih

Sl.6. Parametar 1/f šuma B0 pre i posle istovremenog mehaničkog i električnog naprezanja debeloslojnih otpornika širine w=1mm, dužine l=4mm i slojne otpornosti Rsl=10kΩ/

1.E-22

1.E-21

1.E-20

1.E-191.E-04 1.E-03

I [A]

B0 [A2]

Posle EMS Pre EMS

125

otpornika. Izvedena eksperimentalna i numerička analiza spektara strujnog šuma merenih pre i posle istovremenog dejstva mehaničkog i električnog naprezanja potvrđuje da su parametri šuma osetljivi na prisustvo degradacija prouzrokovanih naprezanjem koje utiču na nivo i oblik spektara šuma. Pošto je to u skladu sa eksperimentalnim rezultatima merenja indeksa šuma,ovo je od velike važnosti za osetljive primene gde reverzibilna promena otpornosti maskira degradacione procese koji su lako uočljivi prilikom merenja niskofrekventnog šuma koji beleži značajan porast. 4. ZAKLJUČAK U radu su predstavljeni rezultati dobijeni na osnovu merenja otpornosti, indeksa šuma i spektra strujnog šuma i izračunavanja faktora naprezanja za debeloslojne otpornike slojnih otpornosti 10kΩ/ izložene istovremenom dejstvu mehaničkog i električnog naprezanja. Eksperimentalni rezultati su analizirani i primećena je veza između promena otpornosti, faktora naprezanja i parametara niskofrekventnog šuma (indeksa šuma i spektra strujnog šuma) i degradacija otpornika usled istovremenog dejstva ove dve vrste naprezanja. Pokazano je da odnos provodna /izolaciona faza koja određuje dominantne mehanizme provođenja ima značajan uticaj i na mikrostrukturne i na makrostrukturne promene uslovljene dejstvom istovremenog dejstva mehaničkog i električnog naprezanja i te promene su najuočljivije kod otpornika realizovanih otpornom pastom slojne otpornosti 10kΩ/ kod kojih ne dominira samo jedan mehanizam provođenja. Dobijeni rezultati su takođe pokazali i da bi se merenja niskofrekventnog šuma mogla upotrebiti za detekciju degradacija debeloslojnih otpornika čime bi se poboljšala pouzdanost primene ovih komponenti u savremenim veoma osetljivim telekomunikacionim uređajima. LITERATURA [1] R. Dell’Aqua, “Non-conventional Applications of

Thick-Film Technology”, Hybrid Circuits, 12, 1987, pp. 11-21.

[2] A. Cattaneo et. al., “A Practical Utilization of the Piezoresistive Effect in Thick-Film Resistors: A Low-Cost Pressure Sensor”, in ISHM Proc., 1980, p. 221

[3] S. Tankiewicz, B. Morten, M. Prudenziati, L.J. Golonka, “New Thick-Film Material for Piezoresistive Sensors”, Sensors and Actuators, A 95, 2001, pp. 39-45.

[4] M. Hrovat, D. Belavič, M. Jerlah, “Investigation of Some Thick-Film Resistor Series for Strain Gauges”, in Proc. 23rd International Spring Seminar on Electronics Technology, Hungary, 2000, pp. 406-410.

[5] W. Ehrhardt, H., “Thrust Trimming of Thick-Film-Resistors by Energy of High Voltage Pulses and its influence on microstructure”, in Proc. 13th European Microelectronics and Packaging Conference, Satrasbourg, France, 2001.

[6] S.Vasudevan, ″Low Ohm Thick Film Resistors for Surge Protection″, Advancing Microelectronics, May-June 1996, pp. 12-19.

[7] M.F. Barker, ″Low Ohm Resistor Series for Optimum Performance in High Voltage Surge Applications″, Microelectronics International, No. 43, 1997, pp. 22-26.

[8] C. Canalli, D. Malavasi, B. Morten, M. Prudenziati, A. Taroni, “Piezoresistive effects in Thick-Film Resistors”, J. Appl. Phys., June 51(6), 1980, pp. 3282-3288.

[9] J.S. Shah, “Strain Sensitivity of Thick-Film Resistors”, IEEE Trans. on Comp. Hyb. and Manuf. Technol., December CHMT-3(4), 1980, pp. 554-564.

[10] Z. Stanimirović, M.M. Jevtić, I. Stanimirović, “Performances of Conventional Thick-Film Resistors Subjected to Mechanical Straining“, in Proc. MIEL, 2, Serbia and Montenegro, 2004, pp. 675-678.

[11] E.H. Stevens, D.A. Gilbert, „High-Voltage Damage and Low-Frequency Noise in Thick-Film Resistors“, IEEE Trans. Parts, Hybrids, Packag., PHP-12;4, 1976, pp. 351-356.

[12] A. Dziedzic, L.J. Golonka, J. Kita, H. Roguszczak, T. Zdanowicz, „Some Remarks About “Short” Pulse Behaviour of LTCC and Thick-Film Microsystems“, in Proc. European Microelectronics Packaging and Interconnection Symposium, Prague, 2000, pp. 194-199.

[13] I. Stanimirović, M.M. Jevtić, Z. Stanimirović, “High-voltage pulse stressing of thick-film resistors and noise“, Microelectronics Reliability, 43, 2003, pp. 905-911.

[14] I. Mrak, M.M. Jevtić, Z. Stanimirović, “Low-frequency Noise in Thick-film Structures Caused by Traps in Glass Barriers“, Microelectronics Reliability, 38,1998, pp. 1569-1576.

[15] A. Kusy, A. Szpytma, “On 1/f Noise in RuO2-based Thick Resistive Films“, Solid-State Electronics, 29, 1986, pp. 657-665.

[16] T.G.M. Kleipenning, “On low-frequency noise in tunnel junctions”, Solid-State Electronics, 25, 1982, pp. 78-79.

[17] M. Prudenziati, B. Morten, A. Masoero, „Excess noise and refiring processes in thick-film resistors“, J Appl D: Appl Phys, 14, 1981, pp. 1355-1362.

Abstract - In this paper results from the study of simultaneous mechanical and electrical straining effects on performances of conventional thick-film resistors based on resistor composition with sheet resistance of 10kΩ/sq are presented. For experimental purposes thick-film test resistors of different dimensions were realized. Resistors were simultaneously subjected to mechanical straining with maximal substrate deflection of 300µm and multiple high-voltage pulses. Obtained experimental results are analyzed from micro- and macro-structural, charge transport and low-frequency noise aspects. Correlations between resistance, gauge factor and low-frequency noise changes with resistor degradation due to simultaneous mechanical and electrical straining are observed.

ANALYSIS OF SIMULTANEOUS MECHANICAL AND ELECTRICAL STRAINING EFFECTS

ON THICK-FILM RESISTORS

Zdravko Stanimirović, Milan M. Jevtić, Ivanka Stanimirović

126