INSTYTUT TELE- I RADIOTECHNICZNY

Transkrypt

1 INSTYTUT TELE- I RADIOTECHNICZNY Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka, lata , Priorytet 1 Badania i Rozwój Nowoczesnych Technologii, Działanie 1.3 Wsparcie Projektów B+R na rzecz przedsiębiorców realizowanych przez jednostki naukowe Poddziałanie Projekty rozwojowe tytuł projektu: Technologia doświadczalna wbudowywania elementów rezystywnych i pojemnościowych wewnątrz płytki drukowanej POIG /08 Zadanie 7: Opracowanie technologii doświadczalnej i badanie wielowarstwowych modelowych płytek drukowanych z wbudowanymi podzespołami Warszawa, 30 marca 2011

2 1. Zaprojektowanie i wykonanie modeli wielowarstwowych płytek drukowanych z podzespołami biernymi wbudowanymi według różnych technologii ich wykonania. (poddziałanie 7.1) W celu zbadania właściwości funkcjonalnych wszystkich dotychczas badanych materiałów na bierne elementy wbudowane zaprojektowano kilka modeli urządzeń, w których zostały one wykorzystane. Do wykonania modeli została użyta opracowana technologia cienkowarstwowych rezystorów wbudowanych, polimerowych grubowarstwowych rezystorów wbudowanych oraz cienkowarstwowych kondensatorów wbudowanych. Szczegółowy opis i analiza uzyskanych wyników oraz wnioski znajdują się w sprawozdaniu z zadania. Do wykonania modeli wybrano trzy układy elektroniczne: 1. Generator TCVCXO-16P. 2. Odbiornik radiowy do odbioru I programu Polskiego Radia. 3. Klawiaturę pasywną RFID. Głównym celem było zaimplikowanie opracowanej technologii do funkcjonalnych wielowarstwowych płytek drukowanych i porównanie działania w ten sposób wykonanych urządzeń z urządzeniami wykonanymi w technologii SMD i THT na płytkach dwustronnych. Dzięki temu możliwe będzie znalezienie zaleta jak i potencjalnych ograniczeń czy niedogodności stosowania technologii wbudowywania elementów biernych do wnętrza płytki drukowanej. Dlatego też koszt wykonania urządzeń nie ma w tym wypadku znaczenia i nie był brany pod uwagę. Poniżej przedstawiono opis wybranych konstrukcji. Generator TCVCXO-16P Płytkę obwodu drukowanego generatora TCVCXO-16P (zaprojektowanego w ITR) zmodyfikowano zastępując część podzespołów biernych montowanych w technologii SMD, rezystorów i kondensatorów, podzespołami wbudowanymi. Oryginalna płytka miała budowę dwustronną, natomiast wykonana w technologii elementów wbudowanych została wykonana jako sześciowarstwowa. Taka konstrukcja wynikała z zastosowania do jej produkcji rezystorów cienkowarstwowych (Ohmega-Ply 25Ω/ ), rezystorów grubowarstwowych (Electra Polymers ED kω/ /25µ) i kondensatorów cienkowarstwowych (FaradFlex BC12TM). Odbiornik radiowy do odbioru I programu Polskiego Radia. Odbiornik radiowy został skonstruowany do odbioru I Programu Polskiego Radia nadawanego na falach długich, na częstotliwości 225 khz. Podobnie jak w przypadku generatora oryginalna płytka miała budowę dwustronną, natomiast wykonana w technologii elementów wbudowanych, została wykonana jako sześciowarstwowa, gdzie na poszczególnych warstwach umieszczono rezystory cienko- i grubowarstwowe oraz kondensatory przeznaczone do wbudowania wewnątrz obwodu płytki drukowanej 1

3 Klawiatura pasywna RFID Mobilna bezprzewodowa pasywna klawiatura z etykietami RFID składa się z kilku klawiszy, do których dołączone są styki oraz pod którymi znajduje się etykieta RFID z rozwartymi zaciskami wejściowymi obwodu antena struktura półprzewodnikowa etykiety RFID. Do każdego klawisza przypisana jest tylko jedna antena etykiety RFID, a antena czytnika RFID jest wspólna dla wszystkich klawiszy. Klawiaturę wykonano z materiału dwufunkcyjnego OhmegaPly/FaradFlex. Wykorzystano tutaj trzy rodzaje elementów biernych: rezystor materiał Ohmega-Ply 25Ω/, kondensator materiał FaradFlex BC24M i cewka indukcyjna (antena RFID). Jako elementy półprzewodnikowe zaadaptowano chipy z działających anten na częstotliwość 13,56 MHz. Zasięg takiej klawiatury zależy od wielkości i mocy anteny nadawczej. W przypadku posiadanego wyposażenia i zastosowanych elementów zasięg wynosi kilka centymetrów. 2. Badania integralności konstrukcyjnej i elektrycznej modeli w warunkach narażeń cieplnych i środowiskowych (poddzialanie 7.2) W niniejszym zadaniu zbadano wpływ narażeń cieplnych i środowiskowych na wykonane modele płytek Generatora TCVCXO-16P i odbiornika I programu Polskiego Radia. Testom poddano kondensatory i rezystory wbudowane wewnątrz płytki obwodu drukowanego. Dla kondensatorów badano zmiany pojemności a dla rezystorów cienko- i grubowarstwowych zmiany rezystancji przed i po narażeniach. Ponadto Generator TCXCO-16P poddano badaniom zestrojenia. Badanie modeli płytek generatora i radia Badania modeli płytek generatora TCVCXO-16P i odbiornika radiowego do odbioru I programu Polskiego Radia zostały wykonane w komorze klimatycznej. Płytki poddano narażeniom stałej temperatury +85 C i wilgotności 85% RH przez 100 godzin. Aby ocenić możliwe zmiany rezystancji i pojemności w wbudowanych rezystorach i kondensatorach wykonano pomiary charakterystycznych wielkości przed i po wykonanych badaniach klimatycznych. Pomiar rezystancji przeprowadzono za pomocą multimetru cyfrowego firmy Agillent typ 34401A, który umożliwia dokładność pomiaru na poziomie ±0,01Ω. Natomiast pomiar pojemności kondensatorów wykonano przy użyciu mostka RLC firmy Hameg typ HM8118, który wyposażono w odpowiednie kable koncentryczne zestawione w konfiguracji trzech terminali 3T. Oprócz wyżej wymienionych badań po wykonanym montażu dodatkowych podzespołów dla modelu generatora wykonano: 1. Pomiary stałości częstotliwości w funkcji temperatury (statyczne); 2. Pomiary zakresu regulacji częstotliwości. 3. Pomiary stałości długoterminowej. 4. Pomiary odchylenia standardowego Allana. Po wykonaniu generatorów stwierdzono, że zakres regulacji częstotliwości jest w ich przypadku ograniczony w porównaniu do generatorów wykonywanych bez podzespołów wbudowanych. Analiza 2

4 układu doprowadziła do wniosku, że przyczyną tego zjawiska jest wpływ warstwy pojemnościowej i stosunkowo dużych kondensatorów (36 mm 2 ) na wrażliwy na tego typu oddziaływania rezonator kwarcowy. W celu zniesienia tego wpływu należałoby przeprojektować układ dodając elementy korygujące wpływ pojemności na rezonator w celu rozszerzenia zakresu regulacji częstotliwości. Informacja ta jest bardzo ważna dla projektanta, ponieważ musi on również uwzględnić tego typu efekty. Nie umniejsza to i nie ogranicza znaczenia technologii podzespołów wbudowanych, ale wymusza konieczność dokładnej analizy układu przed zastosowaniem podzespołów wbudowanych, szczególnie na etapie wprowadzania technologii. Po analizie układu wytypowano dwa kondensatory, które miały największy wpływ na działanie rezonatora kwarcowego. Prace nad określeniem wpływu tych kondensatorów zostaną wykonane w ramach kolejnych projektów badawczych. W tym zadaniu zdecydowano, że w dwóch egzemplarzach zostaną odcięte za pomocą wiązki laserowej wszystkie cztery kondensatory wbudowane i zastąpione kondensatorami SMD. W dwóch egzemplarzach generatory zostały zblokowane za pomocą kondensatorów o pojemności 10nF, co spowodowało, że przestrajały się tylko minimalnie, ale można było dokonać badania funkcjonalności układu z wbudowanymi kondensatorami. W dalszych badaniach poddano analizie generatory: nr 1 z odciętymi kondensatorami, nr 2 z odciętymi kondensatorami, nr 3 blokowany 10 nf, nr 4 blokowany 10nF. Uzyskane wyniki badań klimatycznych wskazują na bardzo dobrą odporność rezystorów cienkowarstwowych na zastosowane narażenia (+85 C i 85% RH) w porównaniu do pozostałych elementów wbudowanych. Wyniki rezystorów cienkowarstwowych korespondują z innymi uzyskanymi w ramach tego projektu oraz danymi literaturowymi. Narażenia związane z dużą wilgotnością lub z połączonym oddziaływaniem podwyższonej temperatury i zwiększonej wilgotności są jednymi z krytycznych narażeń grubowarstwowych rezystorów polimerowych, a także warstw pojemnościowych z dielektrykiem polimerowym. Wpływ wilgotności pośrednio zależy od składu kompozytu oraz warunków utwardzania, bezpośrednio zaś od struktury chemicznej i morfologii kompozytu. Powszechnie widomo, że polimery absorbują parę wodną, a ponieważ jednym z głównych składników laminatu płytek drukowanych jest żywica epoksydowa, wilgoć może penetrować poprzez laminat do rezystorów grubowarstwowych i dielektryka kondensatorów wbudowanych do wnętrza FR4 modyfikując ich strukturę i doprowadzając do istotnych zmian wielkości charakterystycznych. W badanych próbkach zanotowano istotny wpływ narażeń temperaturowo wilgotnościowych na rezystancję rezystorów grubowarstwowych i kondensatorów wbudowanych. Badania modelu generatora Generator kwarcowy TCVCXO-16P to termokompensowany generator z układem Colpittsa i rezonatorem cięcia AT, z szerokim zakresem przestrajania częstotliwości +/- 150 ppm. Jego stabilność częstotliwości jest na poziomie 5x10-6. Jest to stabilność wystarczająca do wielu aplikacji pomiarowych. Generator stosowany jest jako źródło wzorcowe w częstotliwościomierzach, 3

5 termometrach i zegarach. Badane parametry: stabilność częstotliwości długoterminowej tzn. zmiana częstotliwości w ciągu doby, stabilność częstotliwości w funkcji zmiany temperatury pracy generatora, zakres regulacji częstotliwości w funkcji przestrajania. Uzyskane zmiany częstotliwości na dobę dla modelu generatora z wbudowanymi podzespołami biernymi były na porównywalnym poziomie do generatorów wykonywanych w konwencjonalnej technologii z podzespoły biernymi montowanymi na zewnątrz płytki za pomocą lutowania rozpływowego, Przeprowadzone pomiary częstotliwości w funkcji temperatury polegały na pomiarze zmian częstotliwości w temperaturach 0 C, 10 C, 20 C, 30 C i 40 C. Napięcie zestrojenia (Uz) jest stałe dla każdego generatora i wynosi 5V. Uzyskane wyniki były na podobnym poziomie jak w przypadku generatorów wykonanych w konwencjonalnej technologii. Pomiary odchylenia standardowego Allana Odchylenie standardowe Allana jest miarą niestałości krótkoterminowej, fluktuacji względnego odchylenia uśrednionej częstotliwości w wybranym przedziale czasu. Powstaje ona w wyniku uśrednienia kolejno mierzonych par częstotliwości. Zjawisko jitter`a polega na chwilowych zmianach okresu sygnału synchronizującego i określa stabilność zbocza. Sygnał powinien mieć kształt prostokątny, w pełni regularny tzn. zmiana stanu z niskiego na wysoki i odwrotnie powinna zachodzić w ściśle określonym czasie, zawsze w jednakowych odstępach, a czas trwania tej zmiany powinien być nieskończenie krótki (nieskończenie duża szybkość narastania i opadania sygnału). W rzeczywistości dochodzi do odchyleń czasowych zmian sygnału od wartości idealnych. W przeprowadzonych badaniach stwierdzono lepsze wartości odchylenia standardowego Allana, lepszą stabilność zbocza dla płytki modelowej z wbudowanymi elementami niż w przypadku standardowego generatora produkcyjnego. Otrzymane wartości powinny zostać zweryfikowane po zaprojektowaniu generatora z w pełni funkcjonalnymi podzespołami wbudowanymi (działającymi w całym planowanym zakresie regulacji częstotliwości). Potwierdzenie tych wartości pozwoliłoby na wykonywanie wysokostabilnych generatorów lepszych właściwościach użytkowych. Planowane jest wykonanie takich prac w ramach kolejnego projektu. 3. Badania integralności konstrukcyjnej i elektrycznej modeli w procesach montażu powierzchniowego w warunkach lutowania bezołowiowego (podziałanie 7.3) Wytworzone modele generatora i radia poddano narażeniom charakterystycznym dla bezołowiowego procesu lutowania rozpływowego. W piecu do lutowania rozpływowego ustalono charakterystykę temperaturowo czasową o profilu typowym dla produkcyjnie stosowanej bezołowiowej pasty lutowniczej. Nastawy temperatur w poszczególnych strefach pieca oraz prędkość przemieszczania płytki podano w tabeli 3.1. Uzyskaną charakterystykę temperaturowo-czasową przedstawiono na rysunku 3.1. Maksymalna temperatura w piku lutowania mieściła się w zakresie od 240 C do 250 C i była o ok. 25 C wyższa od standardowej temperatury w piku procesu lutowania ołowiowego. Wytworzone modele generatora i radia przepuszczano dwukrotnie przez piec do 4

6 lutowania rozpływowego, a następnie po okresie stabilizacji wynoszącym 2 godziny poddawano pomiarom elektrycznym. Tabela 3.1. Parametry pieca dla profilu lutowania bezołowiowego Nastawy temperaturowe w poszczególnych strefach Prędkość Transportera [m/min] ,40 Rys. 3.1 Profil lutowania w technologii montażu bezołowiowego 4. Wytyczne projektowania płytek z wbudowanymi podzespołami biernymi (poddziałanie 7.4) Wytyczne projektowania płytek z wbudowanymi podzespołami biernymi: - Wytyczne dotyczące zasad konstrukcji i projektowania rezystorów cienkowarstwowych do wbudowywania wewnątrz wielowarstwowej płytki drukowanej. - Wytyczne dotyczące zasad konstrukcji i projektowania rezystorów grubowarstwowych wraz z zakresami zmian rezystancji zachodzącymi na każdym etapie wytwarzania wielowarstwowej płytki drukowanej oraz sposobami korygowania tej rezystancji do rezystancji zakładanej. - Wytyczne dotyczące zasad konstrukcji i projektowania kondensatorów planarnych z wykorzystaniem materiału bazowego w postaci laminatu z cienką warstwą dielektryczną oraz z zastosowaniem mikropołączeń wewnętrznych. - Wytyczne i warunki umożliwiające formowanie rezystorów i kondensatorów przy użyciu nowej generacji cienkiego laminatu składającego się z warstwy rezystywnej i warstwy pojemnościowej. Uzyskane wyniki i wytyczne podlegają wdrożeniom i komercjalizacji. 5