LASEROWE WYŻARZANIE REZYSTORÓW GRUBOWARSTWOWYCH J. BOBITSKI 1, S. SZELA 2

Transkrypt

1 3/6 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2002, Rocznik 2, Nr 6 Archives of Foundry Year 2002, Volume 2, Book 6 PAN - Katowice PL ISSN LASEROWE WYŻARZANIE REZYSTORÓW GRUBOWARSTWOWYCH J. BOBITSKI 1, S. SZELA 2 1 Katedra Optoelektroniki, Politechnika Lwowska, ul. S. Bandery 12, Lwów 2 Instytut Techniki, Uniwersytet Rzeszowski, ul. Rejtana 16a, Rzeszów STRESZCZENIE W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań możliwości zastosowania lasera do wyżarzania grubowarstwowych elementów rezystywnych. Celem badań było osiągnięcie odpowiedniej wydajności laserowego utwardzania rezystywnych warstw grubych, wykonanych na bazie węgla na osnowie polimerowej. Key words: thick-film resistor, laser annealing, carbon-polymer resistor 1. WSTĘP Metody laserowego oddziaływania stanowią nową jakość w technologii obróbki materiałów. Zastosowanie ich do wytwarzania przyrządów elektronicznych w wielu przypadkach pozwala na uniknięcie długotrwałej obróbki termicznej i jednocześnie otrzymanie materiału z zadanymi właściwościami. Inną zaletą metod laserowych jest zainicjowanie polimeryzacji związków wielkocząsteczkowych. 2. WYNIKI EKSPERYMENTU Obiektem badań były grube warstwy rezystywne, wykonane na bazie węgla na osnowie polimerowej, naniesione metodą sitodruku na podłoże z włókna szklanego. Do przeprowadzenia badań eksperymentalnych zastosowano układ jak na rys. 1, w którym głównym elementem jest laser YAG:Nd pracujący w reżimie ciągłej generacji wiązki. 1 prof. dr hab. inż., bobitski@polynet.lviv.ua 2 mgr inż., stasiu@univ.rzeszow.pl 31

2 32 Rys. 1. Schemat blokowy technologicznej instalacji laserowej: 1) laser YAG:Nd, 2) filtry, 3) zwierciadło półprzeźroczyste, 4) miernik mocy promieniowania laserowego, 5) pryzmat, 6) laser pomocniczy, 7) rezystor grubowarstwowy, 8) sondy, 9) system skanowania, 10) przyrząd rejestrujący, 11) fotodioda. Fig. 1. Schemat blokowy technologicznej instalacji laserowej: 1) laser YAG:Nd, 2) filter-screens, 3) semi-transparent mirror, 4) laser radiation intensity meter, 5) prism, 6) accessory laser, 7) thick-film resistor, 8) probes, 9) the scanning system is based on test-piece advancement, 10) recorder, 11) photodiode. Laser generuje wiązkę światła spójnego o długości fali = 1,06 m, ze średnią mocą promieniowania do 50 W w pracy ciągłej i do 25 W w pracy impulsowej. Średnia moc jednomodowego strumienia wiązki laserowej dochodziła do 12 W. Moc promieniowania laserowego zmieniano przy pomocy kalibrowanych filtrów optycznych. Płaszczyzna przekroju promienia laserowego na obrabianej próbce wynosiła ok. 0,5 cm 2, co osiągnięto rozogniskowując promień strumienia laserowego. Do rejestracji czasowych charakterystyk utwardzania, a także początku i końca obróbki, za nieprzepuszczalnym zwierciadłem promiennika lasera umieszczono fotodiodę, z której sygnał doprowadzono do jednego z kanałów przyrządu rejestrującego. Wyżarzana próbka przemieszczała się pod promieniem laserowym z prędkością od 0,1 do 0,5 cm/s. Średnica wiązki laserowej na próbce przekraczała szerokość warstwy rezystywnej. W czasie obróbki pozostałe rezystory znajdujące się na podłożu zasłonięto przed promieniowaniem metalowym ekranem. Powierzchnie kontaktów warstw rezystywnych wykonano z pasty przewodzącej na bazie srebra. Zastosowano dwa warianty nanoszenia warstw grubych: w kolejności podłoże warstwa rezystywna kontakt oraz podłoże kontakt warstwa rezystywna. Przed oddziaływaniem lasera uprzednio podsuszone warstwy rezystywne miały rezystancję 4 8 k. Oporność warstw rezystywnych zmierzono przy pomocy omomierza cyfrowego z dokładnością do ±5%. Do kontroli procesu laserowej obróbki i pomiaru dynamiki odpowiedzi warstw rezystywnych zastosowano sondy pomiarowe stykające się bezpośrednio z kontaktami obrabianego rezystora. Sygnał z sond przesyłano bezpośrednio do przyrządu rejestrującego. Temperaturowy współczynnik rezystancji warstw określano w przedziale temperatur od -40 do +60ºC, przy czym dokładność utrzymywania się temperatury wynosiła ±1ºC.

3 I [ma] ARCHIWUM ODLEWNICTWA Jak wykazał eksperyment, laserowe naświetlanie z gęstością mocy do 24 W/cm 2 nie doprowadziło do pojawienia się widocznych uszkodzeń powierzchni próbek, natomiast naświetlanie z bardzo wysokimi energiami wywołało zmianę zewnętrznego wyglądu powierzchni warstw rezystywnych. Obróbce z mocą promieniowania 34 W/cm 2 towarzyszyło wydzielenie się dymu ze strefy naświetlania, co świadczy o destrukcji polimerowej osnowy. Na rys. 2 przedstawiono wykresy zależności prądu płynącego przez rezystor w funkcji czasu oddziaływania strumienia laserowego, zarejestrowane podczas obróbki. Przy gęstości mocy ciągłego strumienia światła laserowego równej 18 W/cm 2 (wykres 1), w momencie włączenia promieniowania laserowego (strzałka w górę) występuje nieznaczne zmniejszenie prądu, a następnie płynne jego zwiększanie. Przy wyłączeniu promieniowania (strzałka w dół) ponownie obserwuje się skok prądu. Zwiększeniu gęstości mocy do 24 W/cm 2 (wykres 2) towarzyszy większa dynamika zmian prądu, który w końcowej fazie osiąga większą wartość. Oddziaływanie z gęstością mocy 28 W/cm 2 z początku prowadzi do analogicznych wyników jak w poprzednich przypadkach, jednak po pewnym czasie prąd zaczyna zmniejszać się, co jest związane z zapoczątkowaniem fazy zniszczenia warstwy rezystywnej (wykres 3). W pewnym zakresie energetycznym (ok. 25 W/cm 2 ) skok prądu, podczas wyłączania strumienia laserowego, nie występuje. t [s] Rys. 2. Zależność prądu przepływającego przez warstwę rezystywną w funkcji czasu oddziaływania strumienia laserowego. Fig. 2. Current flow through resistive film versus laser-beam exposure time. 33

4 R/R0 [-] Z przeprowadzonych eksperymentów wynika, że zachowywanie się prądu w momentach wyłączania strumienia laserowego okazuje się być ważnym kryterium wyżarzania warstw rezystywnych i związany jest z różnymi wartościami współczynnika TWR rezystorów oraz z różnym stopniem utwardzenia polimerowej osnowy. Przy dużej wartości gęstości mocy strumienia laserowego (30 W/cm 2 ), optymalny czas ekspozycji wynosi około 10 s. Na rys. 3 przedstawiono zależność względnej zmiany rezystancji R/R 0 po obróbce laserowej ciągłym strumieniem wiązki z gęstością mocy 45 W/cm 2 w funkcji szybkości przemieszczania próbki. Obróbce poddawano warstwy rezystywne z rezystancją początkową R 0 = 40 k. Z przeprowadzonego eksperymentu wynika, że wzrost szybkości skanowania próbki, równoważny zmniejszeniu czasu ekspozycji, prowadzi do zmniejszenia względnej zmiany rezystancji. 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 v c [cm/s] Rys. 3. Zależność względnej zmiany rezystancji w funkcji szybkości skanowania strumieniem laserowym. Fig. 3. Relative change in resistance of resistive film versus the scanning laser beam advance speed. Do określenia zależności względnej zmiany rezystancji w funkcji gęstości mocy, szybkości skanowania i częstości powtarzania impulsów zastosowano laser z impulsową generacją wiązki i dużą częstotliwością powtarzania impulsów. Przy średniej gęstości mocy wiązki laserowej równej 75 W/cm 2 i częstości powtarzania impulsów 10 khz, zwiększanie szybkości skanowania od 0,1 do 0,5 cm/s spowodowało zmniejszanie R/R 0 od 0,97 do 0,75. W przypadku rezystorów z R 0 = 7 k przy W = 75 W/cm 2 i v c = 0,27 cm/s, wzrost częstotliwości powtarzania impulsów od 4 do 20 khz tylko w nieznacznym stopniu wpływał na wartość względnej zmiany rezystancji R/R 0. 34

5 R/R0 [-] ARCHIWUM ODLEWNICTWA Na rys. 4. przedstawiono zależność względnej zmiany rezystancji w funkcji wartości rezystancji początkowej. Z charakterystyki tej wynika, że większym początkowym wartościom rezystancji odpowiadają większe względne zmiany rezystancji. 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, R 0 [ ] Rys. 4. Zależność względnej zmiany rezystancji w funkcji rezystancji początkowej. Fig. 4. Relative change in resistance of resistive film versus the initial value of resistance. Przedstawiona technologia obróbki laserowej pozwala na wielokrotne oddziaływanie lasera na grube warstwy. Przy wielokrotnym skanowaniu promień wiązki laserowej skierowany na próbkę przemieszczał się z szybkością 0,5 cm/s. Każdą warstwę rezystywną obrabiano cztery razy. Rezystancja elementu grubowarstwowego zmniejszała się po każdym przejściu laserowego promienia. Przy zastosowaniu optymalnych warunków laserowej obróbki (tj. W = 20 W/cm 2, v c = 0,5 cm/s, liczba skanowań p = 2) i średniej mocy strumienia wiązki laserowej równej 100 W, czas potrzebny na obróbkę jednego testowego podłoża o wymiarach 3 4 cm wynosi około trzech sekund. Wydajność utwardzania laserowego, przy zastosowaniu optymalnych warunków obróbki laserowej, dochodzi do 1200 próbek/godz. Zwiększenie średniej mocy strumienia laserowego, poprzez zastosowanie lasera CO 2, wpływa na poprawę tego wskaźnika. Podczas obróbki laserowej należy unikać ekranującego efektu kontaktów. Stąd też najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie następującej kolejności nanoszenia warstw: podłoże kontakt warstwa rezystywna. Pomiary współczynnika TWR wykazały, że stabilność temperaturowa rezystorów grubowarstwowych utwardzanych laserem nie jest gorsza, niż rezystorów utwardzanych metodami tradycyjnymi. 35

6 Należy zaznaczyć, że tylko takie warunki laserowej obróbki pozwoliły na osiągnięcie wyników współmiernych z otrzymywanymi w tradycyjnej technologii. Interesujący jest fakt, że w przypadku rezystywnej warstwy utwardzonej w tradycyjnej technologii, laserowe oddziaływanie pozwala na płynne zmniejszanie rezystywności warstwy, co umożliwia dokonanie korekcji rezystorów. 3. PODSUMOWANIE Zastosowanie laserowego oddziaływania do utwardzania grubych warstw rezystywnych wykonanych na bazie węgla na polimerowej osnowie pozwala skrócić czas obróbki do pojedynczych, a nawet do dziesiątych części sekundy, w zależności od ich wielkości oraz widmowych i energetycznych reżimów, nie pogarszając przy tym podstawowych parametrów wytwarzanych rezystorów. Przedstawiona metoda laserowej obróbki pozwala na korekcję warstw rezystywnych w stronę zmniejszenia ich rezystancji. Przy zastosowaniu odpowiedniej technologicznej instalacji laserowej, przedstawiona metoda utwardzania może z powodzeniem konkurować z tradycyjnymi metodami wyżarzania rezystorów grubowarstwowych. LITERATURA [1] U. Djuli: Technologia laserowa i analiza materiałów. M., Mir, (1988). [2] G. M. Iwanow, Ju. P. Jukow, W. P. Bieriezina, O. A. Troickaja: Elektronowa technika oddziaływania na materiały. Wyd. 6, str , (1983). SUMMARY LASER ANNEALING THICK-FILM RESISTORS The paper presents results of the research on the potential application of laser for annealing of resistive thick-film components. The objective of the study was to achieve an optimum efficiency of laser hardening of resistive thick-films manufactured on the carbon base and on polymer matrix. Recenzował: prof. dr hab. inż. Mieczysław Kaczorowski 36