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 2: Opracowanie podstaw technologicznych i konstrukcyjnych wbudowanych grubowarstwowych rezystorów Warszawa, 31 grudnia 2010

2 Spis treści 1. Wprowadzenie Badanie i wybór koncepcji geometrii rezystorów, formowanie mikropołączeń wewnętrznych, zakres rezystancji (Poddziałanie 2.1) Opracowanie płytek testowych do badań, wykonanie próbek do badań i niezbędnego oprzyrządowania (Poddziałanie 2.2) Dobór past rezystywnych i srebrnych (Poddziałanie 2.3) Próby doświadczalne i optymalizacja procesu formowania rezystorów (Poddziałanie 2.4) Próby doświadczalne procesu prasowania płytki wielowarstwowej z wbudowanymi rezystorami (poddziałanie 2.5) Badanie sposobów korekty wartości rezystancji w procesie technologicznym wytwarzania wielowarstwowej płytki drukowanej (poddziałanie 2.6) Badanie wpływu materiału i geometrii wyprowadzeń na stabilność rezystancji w warunkach narażeń klimatycznych (poddziałanie 2.7) Określenie sposobów testowania wielowarstwowych płytek z wbudowanymi grubowarstwowymi elementami rezystywnymi (podziałanie 2.8) Opracowanie wytycznych technologicznych i konstrukcyjnych wbudowanych grubowarstwowych rezystorów (poddziałanie 2.9) Literatura

3 1. Wprowadzenie Nadrzędnym celem zadania było dostarczenie wiedzy do opracowania technologii doświadczalnej wbudowywania rezystorów grubowarstwowych wewnątrz płytki drukowanej stosując do tego celu standardowe urządzenia i procesy wykorzystywane przez producentów płytek drukowanych. Wykonano następujące prace badawcze: 1. Do formowania rezystorów wykorzystano kilka rodzajów dostępnych w handlu kompozytów rezystywnych o rezystywności od kilkudziesięciu Ω/ do kilkudziesięciu kω/ opartych na wypełniaczu węglowym i węglowo-srebrowym oraz przewodzący kompozyt srebrowy. 2. Płytki drukowane z wbudowanymi rezystorami grubowarstwowymi zostały wykonane technologią sekwencyjnego nabudowywania warstw. 3. Został przebadany wpływ istotnych czynników konstrukcyjnych, takich jak: wielkość rezystora, kształt, geometria jego wyprowadzeń, oraz wpływ miejsca usytuowania rezystora na panelu technologicznym w warunkach procesu wytwarzania płytki drukowanej na wartość jego rezystancji oraz stabilność jego właściwości użytkowych. 4. Został przebadany wpływ istotnych czynników technologicznych w procesie formowania rezystorów i procesie wytwarzania płytki wielowarstwowej. Próby doświadczalne, w części dotyczącej formowania rezystorów, były prowadzone w warunkach laboratoryjnych, natomiast w zakresie wytwarzania płytek, na urządzeniach produkcyjnych będących na wyposażeniu Centrum Innowacji Technologii Płytek Drukowanych Instytutu Tele- i Radiotechnicznego. W wyniku przeprowadzonych prac doświadczalnych zostały określone parametry poszczególnych operacji technologicznych wytwarzania płytek z wbudowanymi grubowarstwowymi elementami rezystancyjnymi. 5. Ocena jakości wytworzonych rezystorów wbudowanych były prowadzona w oparciu o: kontrolę mikroskopową topografii rezystorów, pomiary rezystancji elektrycznej rezystorów, badania klimatyczne i mechaniczne płytek z wbudowanymi rezystorami. Do badań wybrano technologię sitodruku, która jest możliwa do wdrożenia w zakładach wytwarzania płytek obwodów drukowanych. Szczegółowy opis i analiza uzyskanych wyników oraz wnioski i wytyczne znajdują się w sprawozdaniu z zadania. 2. Badanie i wybór koncepcji geometrii rezystorów, formowanie mikropołączeń wewnętrznych, zakres rezystancji (Poddziałanie 2.1) Wybór koncepcji geometrii rezystorów Rezystory grubowarstwowe, podobnie jak wykonywane we wcześniejszych etapach niniejszej pracy badawczej rezystory cienkowarstwowe (Zadanie 1), mogą mieć budowę sztabki, wielosztabki lub meandra. Poprzez kolejno wykonywane operacje trawienia miedzi, drukowania past przewodzących i rezystywnych przez sito, na podłożu w postaci laminatu FR-4, wykonywane są 2

4 ścieżki przewodzące obwodu drukowanego i pola kontaktowe rezystorów (np. srebrowe pasty przewodzące) oraz elementy rezystywne (np. węglowe pasty rezystywne), rys a) L W b) c) np. rezystywność materiału (R S) = 100 Ω/ liczba kwadratów = 24 liczba efektywnych kwadratów = 24 wartość rezystancji = 24 x 100 = 2,4 kω kwadrat narożnikowy np. rezystywność materiału (R S) = 100 Ω/ liczba kwadratów = 37 liczba kwadratów narożnikowych = 16 liczba efektywnych kwadratów = 37 + (16 x 0,559) = 45,9 = 46 wartość rezystancji = 46 x 100 = 4,6 kω Rys. 2.1 Konstrukcje cienkowarstwowych rezystorów wbudowanych: a) sztabka; b) wielosztabka; c) meander (źródło: Z uwagi na dokładność odwzorowania kształtu, która wynika z techniki drukowania przez sito, możliwość dalece zaawansowanej miniaturyzacji rezystorów grubowarstwowych jest dość ograniczona. Po wykonaniu prac wstępnych wybrano do nadruku rezystory sztabkowy o szerokości 0,5 mm. Wyprowadzenia rezystora, które są obszarami miedzi bezpośrednio łączącymi się z materiałem rezystywnym w przypadku nakładania pasty rezystywnej metodą druku przez sito należy zaprojektować wyprowadzenia większe w stosunku do wymiarów geometrycznych ścieżki elementu rezystywnego celem zapewnienia właściwej zgodności i możliwości wykonawczych. Na rysunkach od 2.2 do 2.6 przedstawiono różne konstrukcje rezystorów i warianty wykonywania wyprowadzeń elementów rezystywnych jakie były przedmiotem prac badawczych. 3

5 300 µm 50 µm kontakty Cu 125 µm A W warstwa rezystywna A 350 µm L A - A Rys. 2.2 Elementy rezystywne wykonywane metodą sitodruku pasty rezystywnej na miedzianych polach kontaktowych; wyprowadzenia symetryczne 50 µm kontakty Cu 300 µm 125 µm A W warstwa rezystywna A 200 µm L 350 µm A - A Rys. 2.3 Elementy rezystywne wykonywane metodą sitodruku pasty rezystywnej na miedzianych polach kontaktowych; wyprowadzenia asymetryczne Konstrukcja wyprowadzeń przedstawiona na rysunku 2.3 ma za zadanie ograniczyć występowanie naprężeń mechanicznych na powierzchni styku utwardzonego materiału rezystywnego z wyprowadzeniem metalicznym rezystora. Kolejność wykonywania operacji technologicznych przy formowaniu rezystorów o konstrukcji z rys 2.2 i 2.3 jest następująca: 1. Laminowanie panelu produkcyjnego fotopolimerem 4

6 2. Naświetlanie fotopolimeru za pośrednictwem fotomaski 3. Wywołanie fotopolimeru 4. Trawienie warstwy miedzi 5. Stripowanie fotopolimeru 6. Mikrotrawienie miedzi 7. Nadrukowanie przez sito warstwy rezystywnej (poprzedzone mikrotrawieniem miedzi) 8. Utwardzenie warstwy rezystywnej 9. Naniesienie tlenków na powierzchnię miedzianego obwodu drukowanego 10. Laminowanie wykonanych elementów rezystywnych Na rysunku 2.4 i 2.5 przedstawiono konstrukcję rezystora i jego wyprowadzeń opartą na przedstawionej powyżej, jednakże dodatkowym elementem tej konstrukcji jest selektywnie metalizowana powłoką ochronną powierzchnia wyprowadzeń rezystora. Dodatkowa metalizacja powłoką ochronną powierzchni styku materiału rezystywnego z powierzchnią miedzianą wyprowadzeń ma za zadanie polepszyć kontakt elektryczny między tymi materiałami i uniezależnić jakość tego połączenia od stanu utlenienia powierzchni miedzi. Bez odpowiedniego zabezpieczenia powierzchni pól kontaktowych wyprowadzeń rezystora przed utlenianiem konieczne jest przeprowadzenie dodatkowego procesu mikrotrawienia powierzchni miedzi tuż przed procesem nanoszenia warstwy rezystywnej, co jest technologicznie kłopotliwe i może wpływać na powtarzalność jakości połączenia na powierzchni styku materiału rezystywnego z metalicznym wyprowadzeniem rezystora. 300 µm 50 µm kontakty Cu pokryte warstwą Ni/Au 125 µm A W warstwa rezystywna A 350 µm L Powłoka ochronna NiAu A - A Rys. 2.4 Elementy rezystywne wykonywane metodą sitodruku pasty rezystywnej na miedzianych polach kontaktowych pokrytych warstwą Ni/Au; wyprowadzenia symetryczne 5

7 50 µm kontakty Cu pokryte warstwą Ni/Au 300 µm 125 µm A W warstwa rezystywna A 200 µm L 350 µm A - A Powłoka ochronna Ni/Au Rys. 2.5 Elementy rezystywne wykonywane metodą sitodruku pasty rezystywnej na miedzianych polach kontaktowych pokrytych warstwą Ni/Au; wyprowadzenia asymetryczne Kolejność wykonywanych operacji technologicznych podczas formowania grubowarstwowych rezystorów wbudowanych z rysunku 2.4 i 2.5 jest następująca: 1. Laminowanie panelu produkcyjnego fotopolimerem 2. Naświetlanie fotopolimeru za pośrednictwem fotomaski 3. Wywołanie fotopolimeru 4. Trawienie warstwy miedzi 5. Stripowanie fotopolimeru 6. Mikrotrawienie miedzi 7. Laminowanie panelu produkcyjnego fotopolimerem 8. Naświetlanie fotopolimeru za pośrednictwem fotomaski definiującej pola kontaktowe 9. Wywołanie fotopolimeru 10. Naniesienie powłoki ochronnej NiAu 11. Stripowanie fotopolimeru 12. Nadrukowanie przez sito warstwy rezystywnej (poprzedzone mikrotrawieniem miedzi) 13. Utwardzenie warstwy rezystywnej 14. Naniesienie tlenków na powierzchnię miedzianego obwodu drukowanego 15. Laminowanie wykonanych elementów rezystywnych Innym sposobem wykonywania wyprowadzeń grubowarstwowych rezystorów wbudowanych może być zastosowanie pośredniego elementu łączącego warstwę rezystywną z metaliczną warstwą wyprowadzenia metalicznego rezystora w postaci warstwy przewodzącej np. z wypełniaczem srebrowym. Zaprojektowaną do badań konstrukcję rezystora grubowarstwowego z warstwą przewodzącą na wyprowadzenia przedstawiono na rysunku 2.6. Nie przewiduje się w tej konstrukcji 6

8 wykonywania wariantu z wyprowadzeniami asymetrycznymi gdyż wymagałoby to nadrukowania pasty przewodzącej na całej powierzchni wyprowadzeń metalicznych, po czym konieczne by było naniesienie w tym miejscu kolejnej warstwy tym razem warstwy rezystywnej. Spowodowałoby to powstanie warstwy kompozytów o znacznej grubości, co może negatywnie wpływać na jakość laminowania pakietu płytki drukowanej powodując niepełne wypełnienie przestrzeni między siecią ścieżek przewodzących na danej warstwie lub zwarcia do sąsiednich warstw pakietu płytki. 300 µm 50 µm warstwa przewodząca (srebrowa) kontakt Cu W 125 µm A warstwa rezystywna A 350 µm 350 µm 300 µm L A - A Rys. 2.6 Elementy rezystywne wykonywane metodą sitodruku pasty rezystywnej na polach kontaktowych zdefiniowanych nadrukiem pasty przewodzącej; wyprowadzenia symetryczne Kolejność wykonywanych operacji technologicznych w wypadku formowania rezystorów o konstrukcji z rysunku 2.6 jest następująca: 1. Laminowanie panelu produkcyjnego fotopolimerem 2. Naświetlanie fotopolimeru za pośrednictwem fotomaski 3. Wywołanie fotopolimeru 4. Trawienie warstwy miedzi 5. Stripowanie fotopolimeru 6. Mikrotrawienie miedzi 7. Nadrukowanie przez sito warstwy przewodzącej (z wypełniaczem srebrowym) na miedziane pola kontaktowe (poprzedzone mikrotrawieniem miedzi) 8. Utwardzenie warstwy przewodzącej 9. Nadrukowanie przez sito warstwy rezystywnej 10. Utwardzenie warstwy rezystywnej 11. Naniesienie tlenków na powierzchnię miedzianego obwodu drukowanego 12. Laminowanie wykonanych elementów rezystywnych 7

9 Formowanie mikropołączeń wewnętrznych Mikropołączenia wewnętrzne płytki obwodu drukowanego zawierającej grubowarstwowe elementy rezystywne wykonywane są techniką metalizacji galwanicznej mikrootworów nieprzelotowych, tak aby jak najbardziej skrócić drogę przepływu sygnału elektrycznego w sieci połączeń między wyprowadzeniami zamontowanych na zewnętrznych powierzchniach płytki podzespołów elektronicznych. Powszechnie znana jest również inna technika wykonywania mikropołączeń wewnętrznych płytki obwodu drukowanego polegająca na wypełnianiu przestrzeni mikrootworu kompozytem przewodzącym (np. pasta z wypełniaczem srebrowym) jednakże w istotny sposób ingeruje ona w standardowy proces technologiczny wytwarzania płytki obwodu drukowanego, w związku z czym nie będzie ona przedmiotem badań niniejszej pracy. Opisywaną technikę formowania mikropołączeń wewnętrznych płytki obwodu drukowanego z wbudowanym grubowarstwowym elementem rezystywnym przedstawiono schematycznie na rys warstwa dielektryka pasta rezystywna mikrootwór metalizowany galwanicznie warstwa przewodząca płytki obwodu drukowanego Rys. 2.7 Mikropołączenie międzywarstwowe wykonane metodą metalizacji galwanicznej mikrootworu nieprzelotowego ze zintegrowanym rezystorem grubowarstwowym Zakres rezystancji Rezystancja rezystorów grubowarstwowych, poza zależnością wynikającą z kształtu samego rezystora (stosunku długości rezystora do jego szerokości) silnie uzależniona jest od właściwości pasty rezystywnej oraz kształtu przekroju poprzecznego ścieżki rezystywnej tworzącej rezystor. Kształt przekroju poprzecznego ścieżki rezystywnej po operacji nadruku pasty oraz po operacji jej utwardzania może znacznie się różnić zmieniając pole przekroju ścieżki rezystywnej, co wpływa zdecydowanie na wartość otrzymywanej rezystancji. Zważywszy na dokładność odwzorowania kształtu rezystora oraz jego wymiarów geometrycznych wynikającą z techniki sitodruku tolerancja rezystancji możliwych do wykonania w sposób powtarzalny rezystorów grubowarstwowych zawiera się w przedziale ± %. W zależności od właściwości (rezystywności) past rezystywnych użytych do budowy rezystorów grubowarstwowych rezystancja nadrukowanego kwadratu może zawierać się w zakresie od kilku Ω/ do kilku MΩ/. Zatem rezystancja wykonywanych tą techniką rezystorów może zawierać się w przedziale od kilku Ω do nawet kilkudziesięciu MΩ. 8

10 4. Opracowanie płytek testowych do badań, wykonanie próbek do badań i niezbędnego oprzyrządowania (Poddziałanie 2.2) Projekt płytek testowych do badań rezystorów grubowarstwowych osadzanych techniką druku sitowego Głównym czynnikiem, który należy rozważyć w trakcie projektowania topografii rezystorów grubowarstwowych jest stopień zgodności położenia elementów mozaiki płytki obwodu drukowanego i nadrukowywanych elementów ścieżki rezystywnej rezystora. Materiały grubowarstwowe nakładane są jako obraz, w tym przypadku przedstawiający układ linii, których położenie powinno pasować do uprzednio wytworzonych i wytrawionych wzorów wyprowadzeń rezystorów na warstwie przewodzącej płytki obwodu drukowanego. Lokalizacja mozaiki miedzi, względem produkcyjnych punktów odniesienia, ma określone tolerancje pozycjonowania. Podobnie jest z materiałem grubowarstwowym, który podczas nakładania obrazu linii rezystywnych również ma określone tolerancje pozycjonowania względem produkcyjnych punktów odniesienia. Projekt topografii rezystora musi być taki, aby obydwa obrazy (obraz mozaiki ścieżek przewodzących i wyprowadzeń rezystorów, oraz obraz ścieżek rezystywnych) łączyły się właściwie, niezależnie od miejsca ich zlokalizowania na panelu produkcyjnym, w obszarze indywidualnych stref tolerancji W oparciu o wiedzę zdobytą podczas realizacji prac badawczych wytwarzania rezystorów cienkowarstwowych 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. Projekt płytek testowych wykorzystywanych do badań w skali laboratoryjnej przedstawiono na rysunku 4.1 (płytka testowa typu A) i 4.2 (płytka testowa typu B). Na rysunkach 4.3 i 4.4 przedstawiono obraz wykonanych próbek do badań (odpowiednio, płytka testowa typu A i płytka testowa typu B). Płytka testowa typu A zawiera rezystory, których projektowane rezystancje obejmują wartości pochodzące z typoszeregu E12. Rezystory o kilku ustalonych rezystancjach posiadają różne konstrukcje (sztabka, wielosztabka, meander). Płytka ta zostanie wykorzystana do badań wpływu procesu formowania i utwardzania elementów rezystywnych oraz badań porównawczych z badaniami rezystorów cienkowarstwowych prowadzonymi na takiej samej płytce. Płytka testowa typu B zawiera rezystory o ustalonej długości ścieżki (1 kwadrat, 2 kwadraty, 4 kwadraty) w kształcie pojedynczej sztabki. Będzie ona wykorzystywana do większości badań oceny procesu wbudowywania rezystora (nakładanie tlenków, prasowanie) na wielkość zmian rezystancji elementów rezystywnych. Szerokość rezystorów wynosi 0,5; 0,75; 1,0 i 1,5 mm. Topografię rozmieszczenia rezystorów na płytce testowej opracowano uwzględniając późniejsze badania charakterystyk i parametrów użytkowych rezystorów, które były wykonane w laboratorium Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej. Płytka testowa B stanowi podstawę do oceny wpływu narażeń środowiskowych i eksploatacyjnych na właściwości użytkowe rezystorów. 9

11 a) b) Rys. 4.1 Projekt płytki testowej typu A do formowania rezystorów grubowarstwowych w skali laboratoryjnej a) warstwa pól kontaktowych rezystorów i ścieżek przewodzących; b) warstwa pasty rezystywnej 10

12 a) b) Rys. 4.2 Projekt płytki testowej typu B do formowania rezystorów grubowarstwowych w skali laboratoryjnej a) warstwa pól kontaktowych rezystorów i ścieżek przewodzących; b) warstwa pasty rezystywnej 11

13 Rys. 4.4 Obraz wykonanej próbki typu A do badań w skali laboratoryjnej Rys. 4.5 Obraz wykonanej próbki typu B do badań w skali laboratoryjnej 12

14 Szczegółowy projekt rezystora o długości 2 kwadratów przedstawiono na rysunku 4.6. Opracowany projekt gwarantuje utrzymanie na niezmiennym poziomie szerokości i długości rezystora niezależnie od położenia ścieżki rezystywnej względem ścieżek przewodzących, przy zachowaniu dopuszczalnych tolerancji wykonania płytki obwodu drukowanego. 0,5 0,5 0,5 0,5 1,5 0,5 ścieżka przewodząca ścieżka rezystywna Rys. 4.6 Konstrukcja rezystora zamieszczonego na płytkach testowych typu B do badań w skali laboratoryjnej 0,2 0,5 Do wykonywania rezystorów grubowarstwowych metodą drukowania przez sito zaadoptowano sitodrukarkę półautomatyczną średniego formatu będącą na wyposażeniu Zakładu Innowacji Montażu Elektronicznego Instytutu Tele- i Radiotechnicznego. Sito wklejone w ramę aluminiową, które wykorzystywano w procesie nanoszenia warstwy rezystywnej na płytki testowe typu B przestawiono na rysunku 4.7. Rys. 4.7 Sito do nanoszenia warstwy rezystywnej w skali laboratoryjnej na płytki testowe typu B 13

15 5. Dobór past rezystywnych i srebrnych (Poddziałanie 2.3) Materiały handlowe Do badań analizowano pasty rezystywne i przewodzące trzech firm: Elektra, Acheson (Europe) Industries Ltd., Asami Chemical Research Laboratory, Co, Ltd., Szczegółowy opis past znajduje się w sprawozdaniu z zadania. Wstępny dobór past rezystywnych i srebrnych Do pierwszego etapu prób doświadczalnych formowania rezystorów grubowarstwowych wykonywanych techniką drukowania przez sito wytypowano dostępne w handlu kompozyty rezystywne i przewodzące firmy Electra, ze względu na stosunkowo łatwy dostęp do tych materiałów i możliwość konsultacji z firmą. Wytypowano materiały rezystywne oparte zarówno na bazie proszku węglowego serii ED7100 o rezystywności 200 Ω, jak również z wypełniaczem srebrowym serii ED7500 o rezystywności 20 Ω i 5kΩ. W pracach badawczych zastosowano również pastę rezystywną firmy Acheson Electrodag oznaczoną symbolem 965SS o rezystywności 60 Ω/ przy grubości nadruku 25µm. Posiada ona konsystencję półpłynną (w przybliżeniu mpa s) pozwalającą na nadruk przez siatki poliestrowe (55T-77T) lub stalowe (200 mesh). Należy zaznaczyć, że podstawowy materiał badawczy stanowiły pasty firmy Electra. 14

16 6. Próby doświadczalne i optymalizacja procesu formowania rezystorów (Poddziałanie 2.4) Wprowadzenie W niniejszym zadaniu wykonano prace doświadczalne mające na celu badanie wybranych materiałów rezystywnych i parametrów procesów wytwarzania wbudowanych rezystorów grubowarstwowych, a zwłaszcza procesu nanoszenia past rezystywnych na podłoże płytki drukowanej i procesu prasowania wielowarstwowej płytki drukowanej z wbudowanymi wewnątrz rezystorami grubowarstwowymi. Rodzaj materiału rezystywnego i parametry wymienionych procesów stanowią istotne czynniki wpływające na ostateczną rezystancję rezystora grubowarstwowego. Ich badanie pozwoli na określenie zakresu praktycznego wykorzystania konstrukcji z wbudowanymi rezystorami w urządzeniach elektronicznych. Technika wytwarzania rezystorów grubowarstwowych różni się zasadniczo od techniki cienkowarstwowej ze względu na użyty materiał jak i procesy technologiczne prowadzące do wytworzenia rezystora. Obydwie techniki mogą być stosowane osobno jak i razem wzajemnie się uzupełniając. Formowanie rezystorów W technologii wytwarzania rezystorów grubowarstwowych używana jest najczęściej technika druku sitowego. Technika ta jest znana od wielu lat, ale ze względu na wprowadzenie podłoża organicznego i umieszczenie rezystorów grubowarstwowych wewnątrz wielowarstwowej płytki drukowanej powstały zupełnie nowe i słabo rozpoznane warunki wpływające na jakość wytwarzanych tą techniką rezystorów. W celu określenia czynników decydujących o wielkości zmian rezystancji formowanych elementów w trakcie procesu produkcyjnego podjęto badania nad wykorzystaniem nowych materiałów, które pojawiły się na rynku dla potrzeb grubowarstwowych rezystorów wbudowanych, jak również zwrócono szczególna uwagę na materiały pomocnicze takie jak np. siatki stosowane w procesie sitodruku oraz warunki procesu nanoszenia i utwardzania past rezystywnych zapewniające dokładność i powtarzalność nadrukowanych elementów rezystywnych poddawanych procesowi prasowania. Podstawowym celem postawionym w tym zadaniu było wykonanie prób doświadczalnych drukowania przez sito ustalenie najważniejszych parametrów druku past i określenie problemów w wykonywaniu grubowarstwowych struktur rezystywnych techniką sitodruku oraz sposobów ich rozwiązania. 15

17 Charakterystyka chemiczna i technologiczna materiałów (pasty rezystywne i przewodzące) Polimerowe kompozycje rezystywne i przewodzące wykorzystywane do formowania wbudowanych rezystorów grubowarstwowych metodą druku sitowego składają się z wymieszanych między sobą [10]: fazy funkcjonalnej (aktywnej) decydującej o charakterze elektrycznym pasty, a w konsekwencji o charakterze elektrycznym formowanej warstwy grubej; rolę fazy funkcjonalnej pełni w paście wypełniacz; fazy nośnej tworzonej przez żywicę polimerową stanowiącą matrycę organiczną; zestawu rozpuszczalników i rozcieńczalników oraz ewentualnie izolacyjnych wypełniaczy proszkowych nadających kompozycji odpowiednie właściwości reologiczne. W przypadku wbudowanych rezystorów wewnątrz płytki drukowanej matrycę organiczną past mogą stanowić polimery fenolowoformaldehydowe, żywice poliestrowe, żywice epoksydowe, żywice poliamidowe i ewentualnie żywice poliestrowoimidowe. Matryca organiczna w polimerowych warstwach grubych decyduje o następujących właściwościach: adhezja do podłoża; dopuszczalna temperatura utwardzania; w przypadku organicznych płytek drukowanych czynnik ten jest istotny ze względu na ich ograniczoną wytrzymałość na narażenia cieplne; zdolność do zwilżania wypełniaczy proszkowych przez żywicę polimerową, a w konsekwencji zdolność do właściwej homogenizacji; dopuszczalna temperatura pracy warstwy grubej; współczynnik rozszerzalności liniowej. Faza funkcjonalna, którą stanowią wypełniacze proszkowe, decyduje o właściwościach elektrycznych polimerowych warstw grubych. W pastach przewodzących najczęściej stosuje się srebro. Temperatury utwardzania warstw polimerowych są zbyt niskie, aby zachodziło w nich spiekanie ziaren metalicznych. Dlatego proces przewodzenia w polimerowych warstwach przewodzących jest związany z występowaniem dużej liczby kontaktów punktowych między sąsiadującymi ziarnami. Wskazane jest zatem, aby ziarna fazy funkcjonalnej miały strukturę płatkową, gdyż sprzyja ona stykaniu się ziaren między sobą. W niektórych kompozycjach, oprócz srebra płatkowego, są sferyczne ziarna tego pierwiastka. Niekiedy stosuje się proszki innych metali takich jak nikiel lub miedź, ale wówczas może powstawać powierzchniowa warstewka tlenku pogarszająca przewodnictwo. Pasty srebrne mają stosunkowo wysokie przewodnictwo, co daje typową wartość rezystancji w zakresie od 20 mω/ do 70 mω/. Posiadają one dobrą przyczepność do materiałów takich jak folia miedziana, nawet jeżeli jest ona lekko utleniona. Srebro w nadrukowanych warstwach ma tendencję do migracji w warunkach pola elektrycznego i dużej wilgotności. W większości przypadków nałożenie szczelnej powłoki ochronnej stanowi wystarczające zabezpieczenie. Pasty z wypełniaczem w postaci proszku miedzi mają niższe przewodnictwo w porównaniu z pastami srebrnymi. Miedź ma małą tendencje do migracji, ale ulega utlenianiu w trakcie wysokotemperaturowej obróbki. Na rynku dostępne są pasty z ziarnami miedzi, których powierzchnia pokryta jest bardzo 16

18 cienką powłoką srebra, co zapewnia wysokie przewodnictwo miedzi metalicznej i lutowność. Nikiel ma znacząco mniejsze przewodnictwo elektryczne niż srebro, ale charakteryzuje się dobrą stabilnością i lutownością. Fazą funkcjonalną w pastach rezystywnych jest sadza, grafit lub ich mieszanina. W niektórych kompozycjach o małej rezystancji występuje także proszek srebra. Rezystancja pasty zależy od stężenia wypełniacza proszkowego w kompozycji. Kryształ grafitu ma strukturę warstwową, Jego charakterystyczna budowa jest przyczyną anizotropii wielu fizycznych właściwości grafitu takich jak twardość, przewodnictwo cieplne, przewodnictwo elektryczne. Zwykle grafit wprowadza się do pasty w postaci koloidalnej o wielkości ziaren powyżej 500 nm. Grafit jest znacznie bardziej gruboziarnisty od sadzy i nie tworzy agregatów przestrzennych. Dlatego może stanowić do 50 % objętości kompozycji. Najczęściej jest on płatkowaty. Sadza jest dyspersyjnym, proszkowym produktem termicznego lub termiczno-utleniającego rozkładu węglowodorów ciekłych lub gazowych. Jest to polikrystaliczne ciało stałe o stopniu uporządkowania struktury między grafitem a węglem bezpostaciowym. Elementarne cząstki sadzy o rozmiarach od kilku do kilkuset nanometrów zawierają od 10 4 do 10 9 atomów węgla i są zbudowane z nanokrystalitów węgla o strukturze grafitu. Sadze rozróżnia się w zależności od metody produkcji oraz od jej ziarnistości, która wiąże się ze zdolnością do dyspergowania układach z odpowiednimi matrycami organicznymi. Rozróżnia się sadzę grubo-, średnio- i drobnoziarnistą. Pojedyncze ziarna sadzy gruboziarnistej (LSCB - low structure carbon black) można rozprowadzić losowo w matrycy organicznej. Sadza średnioziarnista (MSCB medium structure carbon black) tworzy w matrycy agregaty, czyli większe skupiska ziaren. Sadzę drobnoziarnistą (HSCB high structure carbon black) charakteryzują bardzo długie łańcuchy ziaren (lub agregatów). Występujące miedzy nimi siły elektrostatyczne są na tyle duże, że przy stosowaniu typowych metod dyspergowania w trakcie procesu homogenizacji łańcuchy przerywają się bardzo rzadko. Materiały organiczne stosowane w pastach polimerowych są dielektrykami. Dlatego ta część polimerowych past dielektrycznych, która jest oparta na żywicach utwardzanych promieniowaniem nadfioletowym nie zawiera specjalnej proszkowej fazy funkcjonalnej. Jednak faza funkcjonalna wpływa nie tylko na parametry elektryczne warstwy grubej, ale również na jej właściwości mechaniczne. Dlatego niekiedy w kompozycjach o rozmaitych właściwościach elektrycznych stosuje się różne mineralne wypełniacze nieprzewodzące lub spolimeryzowane i sproszkowane żywice. W zależności od średnicy cząstek rozróżnia się wypełniacze: aktywne (wzmacniające), które mają poprawić parametry mechaniczne cząstki o średnicy od 0,01 µm do 0,1 µm; półaktywne ziarna o średnicy od 0,1µm do 1 µm; bierne ziarna z zakresu od 1 µm do 50 µm; ich zadaniem jest przede wszystkim zmniejszenie kosztów wyrobu z zachowaniem jego podstawowych cech. W kompozycjach polimerowych fazą wiążąca jest rozpuszczalny polimer. Dlatego wypełniacze nieprzewodzące stanowią uzupełnienie zawartości fazy funkcjonalnej tak, aby uzyskać żądaną wartość stężenia objętościowego składników stałych w paście. Wypełniacze wpływają także na 17

19 poprawę przewodnictwa cieplnego kompozycji oraz zmniejszają tendencje do sedymentacji. Do podstawowych wypełniaczy nieprzewodzących zalicza się krzemionkę koloidalną, krzemiany wapnia, glinu i magnezu, węglany oraz tlenki nieorganiczne (Al 2 O 3, Fe 2 O 3, TiO 2,Cr 2 O 3, MgO, CaO, ZnO). Materiały, będące jedynie wypełniaczami nieprzewodzącymi w pastach przewodzących lub rezystywnych, mogą stanowić fazę funkcjonalną w pastach dielektrycznych. Szersze informacje dotyczące rodzaju stosowanych wypełniaczy proszkowych w pastach przewodzących, rezystywnych i dielektrycznych można znaleźć w książce Andrzeja Dziedzica Grubowarstwowe rezystywne mikrokompozyty polimerowo-węglowe [10]. Próby doświadczalne W badaniach zastosowano pasty rezystywne firmy Electra ED om i ED om i firmy Acheson Electrodag 965SS. Ogólne charakterystyki i właściwości szczegółowe wybranych materiałów przedstawiono w sprawozdaniu z zadania. Podstawowy materiał badawczy stanowiły pasty firmy Electra. Pasta firmy Acheson Electrodag 965SS o rezystancji 60 Ω/ /25µm, posiadająca bardzo podobne właściwości technologiczne do właściwości past Electra była zdecydowanie łatwiej dostępna i zastosowano ją jako materiał porównawczy. W pierwszych próbach doświadczalnych zastosowano siatki poliestrowe 68T (68 nitek na 1 cm długości siatki). Użyto dwóch rodzajów siatki o rożnej dokładności wypełnienia przez emulsję: siatkę białą (oznaczaną jako W) trwalszą, bardziej odporną na rozpuszczalniki, ale jednocześnie gorszą pod względem jakości nadruku, oraz siatkę żółtą (oznaczaną jako Y) mniej odporną na zanieczyszczenia i warunki procesu technologicznego (ścieranie, rozpuszczalniki), ale jednocześnie bardziej dokładną. Różnica w jakości nadruku polega na tym, że siatka żółta charakteryzuje się lepszym wypełnianiem oczek przez emulsję to znaczy wypełniają się całe oczka i części oczek (połowa) w zależności od przebiegu wzoru; w przypadku siatki białej oczka wypełniają się całe lub nie wypełniają się w ogóle, jeżeli emulsja jest położona tylko na części oczka siatki. Przy zastosowaniu siatki białej światło padające na nitki podczas naświetlania ulega rozszczepianiu. Światło trafiając na białe włókna odbija się od ich powierzchni i podświetla pozytyw w miejscach osłoniętych. W efekcie następuje utwardzenie emulsji i pogorszenie jakości szablonu. Siatka żółta eliminuje występowanie efektu podświetlenia - otrzymujemy ostrzejsze krawędzie. W efekcie uzyskuje się wzór o ostrych krawędziach wolny od nierówności. W wykonanych sitach zastosowano ułożenie siatki z przebiegiem nitek równolegle oraz pod katem 45 w stosunku do mozaiki rezystorów (wariant tylko dla siatki żółtej). Wykonanie sita do nadruku past rezystywnych jest operacją stosunkowo prostą, którą przeprowadza się podobnie jak w przypadku sit stosowanych w poligrafii. Pierwszym etapem jest wykonanie klisz pozytywowych wzoru rezystorów zgodnych ze wzorem na warstwie wewnętrznej płytki obwodu drukowanego. Na naciągniętą na ramę siatkę nakładana jest emulsja światłoczuła, którą po wyschnięciu naświetla się stykowo z kliszą w kopioramie. Po wywołaniu (wypłukaniu nienaświetlonej emulsji) i wysuszeniu sito (siatka z naniesionym wzorem) jest gotowe do procesu drukowania. Utwardzona emulsja nie przepuszcza farby i stanowi negatywowy obraz drukowanego wzoru. 18

20 Elementem drukującym sita są oczka siatki sitodrukowej, które nie zostały zablokowane przez emulsję. Podczas drukowania w sitodrukarce pasta rezystywna jest rozprowadzana na sicie na obszarze mozaiki przez przesuwającą się rakiel, która przeciska pastę przez niezablokowane oczka sita bezpośrednio na podłoże płytki drukowanej. W badaniach wykorzystano półautomatyczna sitodrukarkę firmy AREMCO PRODUCTS, typ ACCU-COAT Technika sitodruku pozwala na formowanie rezystorów grubowarstwowych z mniejszą precyzją niż technika fotochemigrafii w przypadku rezystorów cienkowarstwowych. Dodatkowo rozdzielczość tej metody jest wyraźnie mniejsza ze względu na konstrukcję siatki; dlatego tez rozmiary planarne rezystorów na płytce drukowanej muszą być większe, aby zniwelować wpływ niedokładności nadruku. Nadruk przez sito charakteryzuje się powstawaniem na brzegach rezystorów nierówności spowodowanych nieciągłością powierzchni obrazu mozaiki w szablonie (nitki siatki). W celu zapewnienia dobrej przyczepności pasty rezystywnej do pól kontaktowych płytki powierzchnię płytek przygotowywano bezpośrednio przed nadrukiem w roztworze do oczyszczania (roztwór wodny [woda dejonizowana 150l] kwasu siarkowego [9l] z nadsiarczanem sodowym [7,5kg]). Zastosowanie roztworu czyszczącego pozwalało na usunięcie warstwy tlenków i niewielkie rozwinięcie powierzchni. Przed rozpoczęciem procesu drukowania zwracano szczególną uwagę na: dokładne wymieszanie pasty w celu ujednorodnienia jej składu. surową kontrolę manipulowania pojemnikiem z pastą. Pozostawał on otwarty tylko podczas mieszania oraz nakładania pasty na sito. W innym przypadku ulatniające się rozcieńczalniki mogłyby powodować zmianę konsystencji i koncentracji składników pasty, a co za tym idzie zmianę rezystancji pasty oraz zmianę jej reologii. Grubość rezystora zależy od grubości emulsji światłoczułej naniesionej na sito. W przypadku emulsji płynnych nie można określić grubości w sposób dokładny ze względu na charakter nakładanego materiału. Pomiary rezystancji wykonanych elementów rezystywnych struktur Bezpośrednio po wykonaniu nadruku nie ma możliwości zmierzenia rezystancji uzyskanego elementu rezystywnego. Znajdujący się między wypełniaczem i rozpuszczalnikiem proszek węglowy, grafitowy i ewentualnie srebrny nie są jeszcze na tyle ze sobą połączone, aby mogło nastąpić przewodnictwo elektryczne na całej długości rezystora. Ponadto naniesione struktury są na tym etapie bardzo wrażliwe na wszelkie narażenia mechaniczne; dlatego bezpośrednio po nadrukowaniu zalecane jest jak najszybsze wysuszenie próbek. Po częściowym odparowaniu rozpuszczalnika w operacji wstępnego suszenia, proszki tworzące strukturę rezystora łączą się ze sobą dzięki czemu możliwy jest wstępny pomiar rezystancji. Materiał tworzący strukturę rezystora na tym etapie stabilizuje się i uzyskuje odporność na niewielkie narażenia mechaniczne. W celu zapewnienia stałego i silnego połączenia proszków tworzących strukturę rezystora oraz zapewnienia jego odpowiedniej trwałości elementy rezystywne są wygrzewane przez odpowiednio długi czas w temperaturach

21 160 C, a nawet 200 C. To wygrzewanie prowadzi do całkowitego odparowania rozpuszczalników, utwardzenia materiału oraz trwałego połączenia cząstek proszków węglowych, grafitowych i ewentualnie srebrnych. Wygrzewanie wysuszonej pasty rezystywnej powoduje zmianę rezystancji rezystora. 7. Próby doświadczalne procesu prasowania płytki wielowarstwowej z wbudowanymi rezystorami (poddziałanie 2.5) Proces prasowania, który ma na celu wbudowanie wewnątrz płytki drukowanej warstw z rezystorami grubowarstwowymi, był wykonywany tak jak proces prasowania rezystorów cienkowarstwowych. Przed prasowaniem powierzchnię mozaiki poddawano operacjom technologicznym mającym na celu rozwinięcie powierzchni miedzi, poprzez wytwarzanie tlenków miedzi. Stosowane w tym procesie roztwory mogły oddziaływać na warstwę rezystywną zmieniając jej rezystancję. Wartość tej zmiany określano w celu wprowadzenia odpowiednich poprawek w projekcie płytek. Badano także wpływ procesu prasowania na zmiany rezystancji rezystora grubowarstwowego. Proces osadzania tlenków Po procesie wygrzewania grubowarstwowych elementów rezystancyjnych powierzchnia płytki drukowanej z rezystorami grubowarstwowymi była poddawana procesowi wytwarzania tlenków Cu w standardowych roztworach technologicznych stosowanych w technologii wytwarzania wielowarstwowych płytek obwodów drukowanych. Nakładanie tlenków czerwonych, brunatnych i czarnych prowadzono w warunkach laboratoryjnych stosując roztwory o charakterze zasadowym. Wykonano również próby z roztworem o charakterze kwaśnym, stosowanym na linii technologicznej ITR. Procesy wytwarzania tlenków zostały szczegółowo opisane w sprawozdaniu z zadania 1. Proces osadzania tlenków składał się z operacji odtłuszczania, kondycjonowania (pre-dip) i wytwarzania tlenków miedzi. W niniejszym zdaniu badano wpływał każdej z tych operacji na zmianę rezystancji wytwarzanych grubowarstwowych elementów rezystancyjnych. Badania prowadzono na płytkach testowych A (Electrodag 965SS) i B (Electrodag 965SS i ED7100). Proces prasowania płytek z wbudowanymi elementami rezystywnymi Warstwy wewnętrzne (laminat FR-4) z nadrukowanymii elementami rezystywnymi i wytworzoną warstwą tlenkową na powierzchni miedzi mozaiki przewodzącej zostały sprasowane z warstwami zewnętrznymi (materiał RCC) na linii produkcyjnej ITR, w standardowych warunkach prasowania dla tego typu materiału (ciśnienie 30 bar, temperatura 180 C, czas 2 godz. 38 min.). Prasowanie płytek wielowarstwowych z rezystorami na polach kontaktowych pokrytych powłokami ochronnymi W kolejnym etapie badań wykonano płytki wielowarstwowe z powłokami ochronnymi Ag, Ni/Au oraz dla porównania z kontaktami Cu. Warstwy wewnętrzne zostały wykonane z laminatu FR-4 o 20

22 grubości 1,5 mm i grubości wytrawionych kontaktów miedzianych (18µm). Na przygotowane warstwy został wykonany nadruk pasty rezystywnej. Po nadruku i wygrzewaniu uzyskane rezystory grubowarstwowe poddano procesowi rozwijania powierzchni miedzi w operacji nakładania tlenków brązowych. Proces ten został przeprowadzony przy użyciu odczynników stosowanych na linii technologicznej ITR. Proces osadzania tlenków składał się z operacji odtłuszczania, kondycjonowania (pre-dip) i wytwarzania tlenków brązowych. Każda z tych operacji prowadzona była w określonej temperaturze i czasie zalecanym przez producenta tych roztworów. Wpływ procesu na zmiany wartości rezystancji rezystorów grubowarstwowych dla poszczególnych past został przedstawiony sprawozdaniu z zadania. Jedynie podłoża złocone na które również prowadzony był nadruk past nie były poddawane osadzaniu tlenków ze względu na zabezpieczoną warstwę miedzi. Warstwy wewnętrzne z nadrukowanymi elementami rezystywnymi i naniesiona warstwą tlenków na powierzchni miedzi zostały sprasowane z warstwami zewnętrznymi (materiał RCC). Proces prasowania prowadzono w prasie znajdującej się w ITR stosując program prasowania dla pakietów z materiałem RCC. Na warstwę zewnętrzną został użyty materiał RCC o grubości całkowitej 80 µm. Po prasowaniu płytka poddana została procesowi trawienia, aby usunąć zewnętrzną warstwę miedzi. Aby przeprowadzić pomiar rezystancji po prasowaniu przeprowadzono usunięcie warstwy dielektryka z pól pomiarowych. W tym celu wykonano otwory pomiarowe w dielektryku metodą ablacji laserowej przy użyciu drążarki laserowej. 8. Badanie sposobów korekty wartości rezystancji w procesie technologicznym wytwarzania wielowarstwowej płytki drukowanej (poddziałanie 2.6) Rezystory grubowarstwowe wykonywane są zwykle jako prostokątne elementy dwuelektrodowe. Zadaną wartość rezystancji osiąga się przez wybór past o optymalnej rezystancji na kwadrat oraz liczby kwadratów rezystora, czyli stosunku jego długości do szerokości. Ponieważ rezystory grubowarstwowe charakteryzują się znacznym rozrzutem wartości rezystancji od wartości nominalnej (zakładanej), dlatego w procesie technologicznym wytwarzania wielowarstwowej płytki drukowanej z wbudowanymi do wnętrza polimerowymi rezystorami grubowarstwowymi istnieje często konieczność przeprowadzenia korekty wartości rezystancji tego rodzaju elementów, tak aby ich wartość końcowa była z dużo dokładnością równa wartości z góry zakładanej. Korekcja laserowa Podstawowym sposobem korekty wartości rezystancji jest korekcja laserowa. Metoda ta polega na dokonywaniu korekcji wartości rezystancji poprzez zmianę geometrycznych wymiarów rezystora, czyli usuwanie części warstwy oporowej za pomocą wiązki lasera. Usuwając część warstwy oporowej z wytwarzanego rezystora, można albo zmniejszyć jego szerokość, albo zwiększyć jego długość, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia rezystancji korygowanego rezystora do wartości z góry zakładanej. Warunkiem uzyskania dostatecznej precyzji korekcji lub w ogóle możliwości jej 21

23 wykonania jest to, że wymiary elementu korygowanego muszą być znacznie większe od szerokości cięcia. Proces korekcji prowadzono na stanowisku przeznaczonym do korekcji wartości rezystancji rezystorów cienko- i grubowarstwowych (patrz podziałanie 3.1). Na podstawie wyników badań stwierdzono, że znaczący wpływ na tolerancję rezystorów po korekcji ma sposób wykonywania cięć korekcyjnych. Rezystory korygowano na trzy różne sposoby: wykonując cięcie w kształcie litery L, pojedyncze cięcie oraz podwójne cięcie. Przykładowe rodzaje konfiguracji cięć korygujących wybranych dla rezystorów grubowarstwowych przedstawiono na rys Rys.7.1. Przykładowe konfiguracje cięć korygujących Projekt płytki testowej przeznaczonej do korekty wartości rezystancji rezystorów grubowarstwowych wiązką lasera Na potrzeby realizacji niniejszego zadania zaprojektowano i wytworzono płytkę testową, w której zamieszczono 2 serie 13 rezystorów tej samej wartości. Każda seria rezystorów składa się z rezystorów o jednakowej rezystancji zakładanej, tzn. o tym samym stosunku długości rezystora do jego szerokości, długości boku kwadratu jednostkowego wynosi 2 mm. Rezystory grubowarstwowe zostały wykonane metodą sitodruku po wcześniejszym wykonaniu kliszy oraz sita. Rys.7.2. Topografia płytki testowej do korekty wartości rezystancji rezystorów grubowarstwowych wiązką laserową 22

24 Proces korekty wartości rezystancji rezystorów za pomocą wiązki lasera Korektę rezystancji rezystorów grubowarstwowych za pomocą wiązki lasera przeprowadzono wykonując cięcie w kształcie litery L. Nacięcia wykonano w odpowiedniej skali na każdym z rezystorów zachowując proporcje wielkości nacięcia do wielkości rezystora. Podczas korekcji w każdym z rezystorów wykonano nacięcia wiązką laserową o tej samej szerokości linii ogniskując wiązkę laserową na powierzchni płytki. Dzięki temu uzyskano precyzyjne nacięcie warstwy rezystywnej o możliwie najwęższej szerokości linii cięcia. Parametry wiązki laserowej zostały tak dobrane, aby do płytki docierała możliwie mała gęstość mocy wiązki laserowej, która pozwala w pełni usunąć cienką warstwę rezystywną bez nadmiernego uszkodzenia warstwy dielektrycznej znajdującej się pod warstwą rezystywną. Dobrane parametry wiązki laserowej przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Parametry wiązki laserowej użytej podczas korekcji wartości rezystancji Parametr Jednostka Wielkość Długość fali nm 1062 Prędkość mm/s 100 Częstotliwość powtórzeń khz 35 Moc W 10 Liczba powtórzeń 1 Czas ustalenia ms 2 Zoffset mm 0,00 Wykonywanie korekty wartości rezystancji metoda ablacji laserowej ma swoje zalety i wady. Zaletami korekcji laserowej jest przede wszystkim duża dokładność oraz możliwość korygowania elementów o bardzo małej powierzchni. Nie ma też problemów z defektami, jakie występują np. w przypadku korekcji korundowej, gdzie resztki korundu i szkliwa mogą być przyczyną samoczynnej dalszej 'korekcji'. W korekcji laserowej cały przeznaczony do usunięcia materiał jest odparowywany. Niedogodnością jednak podczas korekcji laserowej jest to, że wartość rezystancji rezystora korygowane powinna być mniejsza od rezystancji z góry zakładanej, ponieważ korekcja pozwala tylko zwiększać rezystancję rezystora. 9. Badanie wpływu materiału i geometrii wyprowadzeń na stabilność rezystancji w warunkach narażeń klimatycznych (poddziałanie 2.7) Pomimo że wbudowane podzespoły bierne uważane są za bardziej niezawodne ze względu na wyeliminowanie połączeń lutowanych, to zagadnienie ich nieuszkadzalności jest bardzo istotnym problemem, głównie ze względu na to, że nie mogą być one wymieniane tak jak wadliwe podzespoły dyskretne. Oznacza to, że jeden zły podzespół może być przyczyną wyrzucenia całej płytki. Jednym z ważniejszych tematów dotyczących jakości rezystorów wbudowanych jest adhezja, materiałów 23

25 rezystywnych do podłoża na którym są formowane. Delaminacja między rezystorem a podłożem miedzianym, na którym jest on wytwarzany, stwarza możliwość wadliwej pracy lub całkowitego uszkodzenia rezystora. Ten szkodliwy mechanizm jest rezultatem procesu produkcji i specyficznego środowiska aplikacji i naprężeń cieplno- mechanicznych, które są odpowiedzią rezystorów na zmiany temperatury i deformacje substratu. Polimerowe rezystory wbudowane powinny wytrzymywać wiele narażeń środowiskowych i mechanicznych. Wielkość tych narażeń zależeć będzie od wymagań stawianych aplikacjom, w których te podzespoły będą wykorzystywane. Testowanie wbudowanych pasywnych elementów pod kątem występowania delaminacji, określenia ich wrażliwości na magazynowanie, zmienne warunki temperaturowe i środowiskowe oraz narażenia mechaniczne było realizowane poprzez poddawanie płytek testom temperaturowowilgotnościowym, testom wyginania i skręcania, testom elektrostatycznego rozładowania czy określenia zależności temperaturowych. Wymagania dotyczące materiałów stosowanych do produkcji rezystorów wbudowanych oraz metody testowania produktów końcowych zawarte są w normach IPC-4811 [1] oraz MIL-STD-202G [2]. W literaturze dotyczącej oceny jakości rezystorów wbudowanych podane są propozycje narażeń klimatycznych i temperaturowych, które można wykorzystać podczas testowania rezystorów grubowarstwowych [3 7]. Ocenę jakości rezystorów przeprowadza się na podstawie pomiaru rezystancji przed i po testach. Przykłady stosowanych w literaturze testów jakościowych rezystorów wbudowanych przedstawione są w sprawozdaniu dotyczącym poddziałania Określenie sposobów testowania wielowarstwowych płytek z wbudowanymi grubowarstwowymi elementami rezystywnymi. Kształt oraz wielkość pól kontaktowych może mieć istotny wpływ na stabilność rezystancji oraz parametrów użytkowych formowanych rezystorów w warunkach eksploatacji. Głównym powodem mogących pojawiać się nieoczekiwanie zmian parametrów użytkowych rezystorów grubowarstwowych są naprężenia mechaniczne. Materiał ścieżki rezystywnej i przewodzącej ścieżki miedzianej mogą wzajemnie na siebie oddziaływać chemicznie. Aby tego uniknąć powierzchnia miedzi wyprowadzeń polimerowych rezystorów grubowarstwowych pokrywana jest obojętną przewodzącą powłoką metaliczną. W celu zbadania wpływu materiału i geometrii wyprowadzeń na stabilność rezystancji rezystorów grubowarstwowych w warunkach narażeń klimatycznych do badań wytypowano następujące konstrukcje rezystorów: - z wyprowadzeniami wykonanymi pastą srebrową PF-050 (rys. 9.1), - z wyprowadzeniami zabezpieczonymi powłoką Ni/Au (rys. 9.2), - z wyprowadzeniami miedzianymi (rys. 9.3) - z wyprowadzeniami miedzianymi w postaci cienkich ścieżek (rys. 9.4) 24

26 Rys Rezystory nadrukowane na wyprowadzenia srebrowe. Rys Rezystory nadrukowane na wyprowadzenia zabezpieczone powłoką Ni/Au. Rys Rezystory nadrukowane na wyprowadzenia miedziane. 25

27 ścieżek. Rys Rezystory nadrukowane na wyprowadzenia miedziane w postaci cienkich W testach do nadruku rezystorów stosowano pasty rezystywne firmy Electra ED Ω, ED Ω i ED7500-5kΩ. Pasty nadrukowywano na projekt płytki testowej B (rys. 4.2). Płytki poddane były narażeniom temperaturowym - zmian temperatury z zakresu 40 C + 85 C następowały zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 9.5. Wykonano 120 cykli narażeń. Czas trwania cyklu to 8,5 godziny. Wykonano również symulację procesu lutowania w piecu do lutowania rozpływowego z zastosowaniem profilu z maksymalną temperaturą w piku 240 C C/min Narażenia klimatyczne 2 C/min Temperatura [ C] , , ,5 h 0,5h 3 h 1 h 3 h 0,5 h -80 Czas [h] Rys Schemat narażeń temperaturowych zastosowanych w badaniach klimatycznych rezystorów. 26

28 Badania płytek oparto na pomiarze rezystancji rezystorów wbudowanych oraz wyliczonej wartości temperaturowego współczynnika rezystancji (TCR). Pomiar rezystancji przeprowadzano za pomocą multimetru cyfrowego firmy Agilent typ 34401A, do którego podłączono sondy pomiarowe, które przymocowano do danego rezystora badanej płytki. Pomiary rezystancji wykonano po prasowaniu płytek, podczas trwania jednego cyklu narażeń, po 60- dziesięciu i 120-stu cyklach narażeń temperaturowych oraz po przepuszczeniu płytek przez piec do lutowania rozpływowego. Wartość współczynnika TCR (ppm/ C) była określana przy użyciu metody zaproponowanej w MIL-STD-202G (Resistance-Temperature Characteristic, Method 304) ze wzoru: TCR = (R 2 -R 1 )*100 / R 1 *(T 2 -T 1 ) gdzie: R 1 rezystancja w temperaturze referencyjnej [Ohm] R 2 rezystancja w temperaturze testowej [Ohm] T 1 temperatura referencyjna [ C] T 2 temperatura testowa [ C] 10. Określenie sposobów testowania wielowarstwowych płytek z wbudowanymi grubowarstwowymi elementami rezystywnymi (podziałanie 2.8) W niniejszym zadaniu przedstawiono podstawowe sposoby testowania wielowarstwowych płytek z wbudowanymi grubowarstwowymi elementami rezystywnymi, omówione w skrócie z uwagi na to, że metody badania rezystorów grubowarstwowych są zbliżone do metod badania rezystorów cienkowarstwowych. Szczegółowy opis metod pomiarów przedstawiono w zadaniu 1 Opracowanie podstaw technologicznych i konstrukcyjnych wbudowanych rezystorów cienkowarstwowych poddziałanie 1.6. Tester palcowy Jednym ze sposobów testowania płytek z wbudowanymi grubowarstwowymi elementami rezystywnymi jest testowanie elektryczne za pomocą testera, który posiada wyposażenie do testowania elementów RLC np. ATG Test Systems model A5 z funkcjonalnością IFM. Pomiar rezystancji metodą czteropunktową Podstawową metodą pomiarową stosowaną w badaniach wielowarstwowych płytek drukowanych z wbudowanymi rezystorami grubowarstwowymi jest cyfrowy pomiar rezystancji metodą czteropunktową. Metoda ta zapewnia dokładne odwzorowanie zmierzonej wartości rezystancji do wartości rzeczywistej rezystorów. Użycie specjalistycznego multimetru cyfrowego zapewnia nieznaczny błąd pomiarów. Dokładność urządzenia pomiarowego wynosi: dla zakresu 100Ω to ±0,1mΩ, natomiast dla zakresu 1kΩ±1mΩ. 27