INSTYTUT TELE- I RADIOTECHNICZNY

Transkrypt

1 INSTYTUT TELE- I RADIOTECHNICZNY Technologia doświadczalna wbudowywania elementów rezystywnych i pojemnościowych wewnątrz płytki drukowanej POIG /08 OPIS PRZEPROWADZONYCH PRAC B+R W PROJEKCIE

2 Zadanie 0 Wykonanie studium wykonalności W opracowanym studium przedstawiono cele projektu oraz wskaźniki ich realizacji, opracowano plan wdrożenia i finansowania przedsięwzięcia, jakim jest opracowanie technologii doświadczalnej wbudowywania elementów rezystywnych i pojemnościowych wewnątrz płytki drukowanej. Opracowane studium wykonania projektu zawiera analizę otoczenia społecznogospodarczego, analizę popytu, uwarunkowania techniczne realizacji projektu oraz analizę finansową z oceną rentowności i przypływami pieniężnymi. Studium wykonalności opracowane zgodnie z wytycznymi dla Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka umożliwiło złożenie w ramach Priorytetu 1 Badania i Rozwój nowoczesnych technologii, Działanie 1.3 Wsparcie projektów B+R na rzecz przedsiębiorców realizowanych przez jednostki naukowe, Poddziałanie Projekty rozwojowe wniosku na projekt p.t. Technologia doświadczalna wbudowywania elementów rezystywnych i pojemnościowych wewnątrz płytki drukowanej. Zadanie 1 - Opracowanie podstaw technologicznych i konstrukcyjnych wbudowanych rezystorów cienkowarstwowych Wykonano badania wpływu geometrii rezystorów, ich orientacji oraz sposobów stabilizacji mechanicznej i cieplnej w warunkach formowania płytki wielowarstwowej, na rezystancję rezystorów cienkowarstwowych po poszczególnych etapach procesu technologicznego wbudowywania tych rezystorów wewnątrz wielowarstwowej płytki drukowanej. Opracowano projekty płytek testowych o budowie wielowarstwowej (sześć warstw) z mikropołączeniami pomiędzy kolejnymi warstwami w tym mikropołączeniami wewnętrznymi. Zaprojektowano rezystory o różnej geometrii - w postaci sztabki, wielosztabki i meandra o różnej długości i wykonane w różnej skali (szerokości 1,40 mm, 1,00 mm, 0,75 mm, 0,50 mm, 0,33 mm, 0,25 mm). W kolejnej konstrukcji zastosowano rezystory ułożone pod różnym kątem (wielokrotność kąta 45 ) oraz zastosowano stabilizację mechaniczną elementów rezystywnych w postaci wypełnienia miedzią wokół tych elementów. Wykonano badania rezystancyjne i impedancyjne poszczególnych konstrukcji. Wyniki badań wskazały, że największe zmiany rezystancji występują podczas nakładania tlenków miedzi i prasowania warstw bezpośrednio na warstwę rezystywną. Wykonano badania sposobów formowania i geometrii wyprowadzeń rezystorów oraz mikropołączeń wewnętrznych. W oparciu o opracowane doświadczalne podstawy wykonywania płytki wielowarstwowej z wbudowanymi rezystorami cienkowarstwowymi wykonano badania płytek modelowych oraz płytek modułu do urządzenia sterującego pracą rozdzielni średniego napięcia oraz płytek układów: tensometru oraz logarytmicznego przetwornika rezystancji na częstotliwość wykonanych z różnymi wartościami rezystorów. Określono sposoby testowania oraz przeprowadzono testowanie wielowarstwowych płytek drukowanych z wbudowanymi cienkowarstwowymi elementami rezystywnymi. Opracowano wytyczne technologiczne i konstrukcyjne, które będą stanowić podstawę wdrożenia technologii wbudowywania cienkowarstwowych elementów rezystywnych wewnątrz wielowarstwowej płytki obwodu drukowanego w zakładach produkcyjnych przygotowujących się do uruchomienia tego typu wyrobów. 1

3 Zadanie 2 - Opracowanie podstaw technologicznych i konstrukcyjnych wbudowanych rezystorów grubowarstwowych Opracowano topografię budowy rezystorów grubowarstwowych wykonywanych metodą drukowania przez sito past rezystywnych na wytworzonej sieci połączeń pól kontaktowych i ścieżek przewodzących wykonanych z miedzi w drodze obróbki fotochemigraficznej szklanoepoksydowego laminatu FR-4 foliowanego miedzią. Topografię rozmieszczenia rezystorów na płytce testowej opracowano uwzględniając badania charakterystyk i parametrów użytkowych rezystorów. Opracowano projekty płytek testowych. Wykonano badania nad doborem past rezystywnych i srebrnych wraz z określeniem zakresu uzyskiwanych rezystancji. Wykonano próby doświadczalne i optymalizację procesu formowania rezystorów grubowarstwowych. Przeprowadzono próby doświadczalne procesu prasowania płytki wielowarstwowej z wbudowanymi rezystorami, w czasie, których badano wpływ procesu wytwarzania tlenków miedzi oraz procesu prasowania na zmiany rezystancji rezystora grubowarstwowego. Badano sposoby korekty wartości rezystancji rezystorów grubowarstwowych w procesie technologicznym wytwarzania wielowarstwowej płytki drukowanej Określono sposoby testowania wielowarstwowych płytek z wbudowanymi grubowarstwowymi elementami rezystywnymi. Wykonano badania rozkładu temperatur pracy rezystorów grubowarstwowych z wykorzystaniem kamery termowizyjnej. Wykonano badania jakościowe wbudowanych rezystorów grubowarstwowych w celu określenie ich wrażliwości na zmienne warunki temperaturowe i środowiskowe oraz narażenia mechaniczne (testy wyginania i skręcania). Wykonano badania wpływu materiału i geometrii wyprowadzeń na stabilność rezystancji w warunkach narażeń klimatycznych. Opracowano wytyczne technologiczne i konstrukcyjne wbudowanych grubowarstwowych rezystorów. Zadanie 3 - Próby doświadczalne i opracowanie zasad korygowania rezystancji elementów cienkowarstwowych i grubowarstwowych za pomocą lasera Wykonano stanowisko laboratoryjne do korekcji rezystancji przez nacinanie warstwy rezystywnej wiązką lasera i przeprowadzono próby doświadczalne korygowania rezystancji elektrycznej rezystorów cienkowarstwowych i grubowarstwowych w celu wytypowania sposobu przeprowadzenia korekcji z jak najlepszą dokładnością. Do budowy stanowiska zakupiono głowicę laserową (laser włóknowy) z oprzyrządowaniem. Zaprojektowano i wykonano w Instytucie moduł pomiarowo-przełączający stanowiska do korekcji wartości rezystancji rezystorów (zgłoszenie patentowe - nr P ). Dokonano oceny pracy zbudowanego stanowiska stosując zaprojektowane płytki testowe. Stwierdzono, że stanowisko do korekcji laserowej rezystorów pozwala na dokonywanie korekcji wartości rezystancji w sposób stabilny i powtarzalny. Średni błąd kwadratowy (odchylenie standardowe) metody to 0,04% wartości końcowej. W oparciu o analizę wyników badania doboru sposobu korygowania rezystorów określono, że największą dokładność korekcji uzyskano wykonując cięcie w kształcie litery,,l. 2

4 Wykonano badania wpływu procesu prasowania i etapów przygotowawczych nakładania tlenków i wygrzewania na skorygowane wartości rezystancji rezystorów cienko- i grubowarstwowych. W oparciu o dostępność materiałów o określonej rezystywności, oraz biorąc pod uwagę wartości rezystancji rezystorów najczęściej używanych do budowy urządzeń elektronicznych, wytypowano możliwe do otrzymania i wykorzystania w wielowarstwowej płytce drukowanej wartości rezystancji. Zadanie 4 - Opracowanie podstaw technologicznych i konstrukcyjnych wbudowanych kondensatorów cienkowarstwowych Opracowano koncepcję konstrukcji kondensatorów wbudowanych wewnątrz wielowarstwowej płytki obwodu drukowanego, z wykorzystaniem materiału bazowego w postaci laminatu z cienką warstwą dielektryczną oraz konstrukcje mikropołączeń wewnętrznych. Opracowano projekty płytek testowych. Wykonano badania wpływu istotnych czynników konstrukcyjnych, takich jak: wielkość kondensatora, kształt, geometria jego wyprowadzeń, oraz wpływ miejsca usytuowania kondensatora na panelu technologicznym w warunkach procesu wytwarzania płytki drukowanej, na wartość jego pojemności oraz stabilność jego właściwości użytkowych. Wykonano badania wpływu istotnych czynników technologicznych w procesie formowania kondensatorów i w procesie wytwarzania płytki wielowarstwowej. Przeprowadzono próby doświadczalne formowania kondensatorów i na podstawie ich wyników określono parametry poszczególnych operacji technologicznych wytwarzania płytek z wbudowanymi planarnymi elementami pojemnościowymi. Wykonano badania jakości wytworzonych kondensatorów wbudowanych w oparciu o: kontrolę mikroskopową topografii kondensatorów, pomiary pojemności elektrycznej kondensatorów, badania klimatyczne i mechaniczne płytek z wbudowanymi kondensatorami, określenie długoterminowej stabilności pojemności oraz określenie obciążalności napięciowej kondensatorów (pomiary napięcia przebicia). Opracowano wytyczne technologiczne i konstrukcyjne wbudowanych kondensatorów cienkowarstwowych Określano użyteczne zakresy pojemności, wielkości tolerancji oraz obszarów zastosowań wbudowanych kondensatorów. Zadanie 5 - Badania materiału nowej generacji - kompozytu warstwy rezystywnej i warstwy pojemnościowej Na podstawie dotychczasowych wyników badań i posiadanych doświadczeń opracowano koncepcję konstrukcji rezystorów cienkowarstwowych i kondensatorów wykonywanych z nowej generacji kompozytu warstwy rezystywnej i warstwy pojemnościowej oraz opracowano warunki prowadzenia procesu technologicznego obróbki samonośnego rdzenia. Wykonano próby doświadczalne formowania rezystorów i kondensatorów w ramach jednego procesu Wykonano badania wpływu poszczególnych operacji technologicznych na wielkość zmian wartości charakterystycznych formowanych elementów rezystywnych i pojemnościowych. Opracowano podstawy technologiczne procesu wykonywania rezystorów i kondensatorów z kompozytu FaradFlex/Ohmega pozwalające na dokładne odwzorowanie elementów biernych 3

5 i jednocześnie minimalizujące ryzyko uszkodzenia cienkiego laminatu i położonej na nim warstwy rezystywnej. Zadanie 6 - Badania elektryczne i fizykochemiczne wbudowanych rezystorów i kondensatorów planarnych Wykonano pomiary i analizę długoterminowej stabilności wartości charakterystycznych wbudowanych podzespołów w funkcji konfiguracji i rozmiarów elementów, ich usytuowania na płytce oraz wielkości płytki. Wykonano pomiary i analizę charakterystyk temperaturowych rezystorów wbudowanych (cienko- i grubowarstwowych). Opracowano metody oraz wykonano badania stabilności wybranych konstrukcji w warunkach określonych narażeń cieplnych i środowiskowych. Do każdego rodzaju badań opracowano odpowiednie projekty struktur testowych. Zadanie 7 - Opracowanie technologii doświadczalnej i badanie wielowarstwowych modelowych płytek drukowanych z wbudowanymi podzespołami Zaprojektowano i wykonano modele wielowarstwowych płytek drukowanych z podzespołami biernymi wbudowanymi według wszystkich opracowanych w projekcie technologii ich wykonania. Wykonano modele sześciowarstwowych płytek obwodów drukowanych do generatora TCVCXO-16P oraz do odbiornika radiowego do odbioru I programu Polskiego Radia zastępując część podzespołów biernych montowanych w technologii SMD rezystorami grubowarstwowymi wykonanymi z pasty rezystywnej ED7500_5kΩ), rezystorami cienkowarstwowymi z warstwą rezystywną 25Ω/ oraz kondensatorami cienkowarstwowymi z materiału FaradFlex BC 24M. Wykonano także klawiaturę pasywną RFID z wykorzystaniem trzech rodzajów elementów biernych: rezystor - materiał Ohmega-Ply 25Ω/, kondensator materiał FaradFlex BC24M i cewka indukcyjna (antena RFID). Wykonano modele funkcjonalne generatora, odbiornika radiowego i klawiatury bezprzewodowej z wykorzystaniem wykonanych modeli płytek z wbudowanymi podzespołami. Wykonano badania integralności konstrukcyjnej i elektrycznej modeli w warunkach lutowania bezołowiowego Wykonano badania integralności konstrukcyjnej i elektrycznej modeli w warunkach narażeń cieplnych i środowiskowych. Dla kondensatorów badano zmiany pojemności a dla rezystorów cienko- i grubowarstwowych zmiany rezystancji przed i po narażeniach. Ponadto Generator TCXCO-16P poddano badaniom zestrojenia. Opracowano wytyczne projektowania płytek z wbudowanymi podzespołami biernymi Opracowano wytyczne technologiczne procesu wytwarzania płytek z wbudowanymi podzespołami. Opracowana technologia pozwala na wytwarzanie rezystorów cienkowarstwowych z tolerancją na poziomie +/- 10 %, rezystorów grubowarstwowych na poziomie +/- 20 %. Przy zastosowaniu korekcji laserowej rezystora można uzyskiwać tolerancje na poziomie poniżej 0,4% dla rezystorów cienkowarstwowych oraz poniżej 0,8% dla rezystorów grubowarstwowych. W przypadku kondensatorów wielkość tolerancji pojemności kondensatorów wynosi < 10%. Lepszą tolerancję uzyskuje się dla kondensatorów wykonanych z materiałów o niżej 4

6 pojemności (BC24M) i dla kondensatorów o powierzchni okładek powyżej 0,25 cm 2. Tolerancja wykonania w tym przypadku jest poniżej 2%. 5