INSTYTUT TELE- I RADIOTECHNICZNY

INSTYTUT TELE- I RADIOTECHNICZNY Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka, lata 2007-2013, Priorytet 1 Badania i Rozwój Nowoczesnych Technologii, Działanie 1.3 Wsparcie Projektów B+R na rzecz przedsiębiorców realizowanych przez jednostki naukowe Poddziałanie 1.3.1 Projekty rozwojowe tytuł projektu: Technologia doświadczalna wbudowywania elementów rezystywnych i pojemnościowych wewnątrz płytki drukowanej POIG.01.03.01-00-031/08 Zadanie 4: Opracowanie podstaw technologicznych i konstrukcyjnych wbudowanych kondensatorów cienkowarstwowych Warszawa, 30 czerwca 2011

Spis treści 1. Wprowadzenie... 1 2. Opracowanie koncepcji konstrukcji wbudowanych kondensatorów i mikropołączeń wewnętrznych (Poddziałanie 4.1)... 2 3. Opracowanie płytek testowych do badań; wykonanie próbek do badań oraz niezbędnego oprzyrządowania (Poddziałanie 4.2)... 10 4. Próby doświadczalne i określenie problemów związanych z obróbką bardzo cienkich laminatów; wykonanie niezbędnego oprzyrządowania (Poddziałanie 4.3)... 15 5. Badanie zmian parametrów elektrycznych wbudowanych kondensatorów w kolejnych operacjach technologicznych wytwarzania wielowarstwowej płytki drukowanej (poddziałanie 4.4 i 4.5)... 18 6. Wstępna optymalizacja procesu (poddziałanie 4.5)... 19 7. Określenie sposobów testowania wielowarstwowych płytek drukowanych z wbudowanymi elementami pojemnościowymi (poddziałania 4.6)... 19 8. Opracowanie wytycznych technologicznych i konstrukcyjnych (poddziałanie 4.7)... 22

1. Wprowadzenie Celem prac wykonywanych w niniejszym zadaniu było badanie wpływu wybranych czynników konstrukcyjnych i technologicznych na tolerancję wykonania cienkowarstwowego kondensatora planarnego oraz określenie wytycznych technologicznych i konstrukcyjnych wytypowanych do badań kondensatorów. Przeprowadzone prace badawcze dotyczy zarówno zagadnień technologicznych formowania kondensatorów, jak również stabilności ich właściwości użytecznych w czasie prowadzenia procesu technologicznego. Ponadto, oprócz prób doświadczalnych wytwarzania kondensatorów z zadaną pojemnością prace badawcze prowadzono w celu zachowania integralności wbudowanego kondensatora planarnego z konstrukcją wielowarstwowej płytki obwodu drukowanego wykonywanej techniką sekwencyjnego nabudowywania warstw. Szczegółowy opis i analiza uzyskanych wyników oraz wnioski i wytyczne znajdują się w sprawozdaniu z zadania. Planując prace badawcze przyjęto następujące założenia: 1. Do formowania kondensatorów planarnych zostanie wykorzystanych kilka rodzajów dostępnych w handlu laminatów przeznaczonych do formowania kondensatorów planarnych o zróżnicowanej pojemności powierzchniowej firmy FaradFlex. 2. Wielowarstwowe płytki obwodów drukowanych z wbudowanymi kondensatorami zostaną wykonane technologią sekwencyjnego nabudowywania warstw. 3. Zostanie przebadany wpływ 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. 4. Zostanie przebadany wpływ istotnych czynników technologicznych w procesie formowania kondensatorów i w procesie wytwarzania płytki wielowarstwowej. Próby doświadczalne, w części dotyczącej formowania kondensatorów, będą prowadzone w warunkach laboratoryjnych i produkcyjnych, natomiast w zakresie wytwarzania płytek w warunkach wyłącznie produkcyjnych z wykorzystaniem urządzeń technologicznych będących na wyposażeniu Zakładu D1 - Centrum Innowacji Technologii Płytek Drukowanych Instytutu Tele- i Radiotechnicznego. W wyniku przeprowadzonych prac doświadczalnych zostaną określone parametry poszczególnych operacji technologicznych wytwarzania płytek z wbudowanymi planarnymi elementami pojemnościowymi. 5. Ocena jakości wytworzonych kondensatorów wbudowanych będzie prowadzona w oparciu o: kontrolę mikroskopową topografii kondensatorów, pomiary pojemności elektrycznej kondensatorów, badania klimatyczne i mechaniczne płytek z wbudowanymi kondensatorami, określenie długoterminowej stabilności pojemności, określenie obciążalności napięciowej kondensatorów (pomiary napięcia przebicia).

2. Opracowanie koncepcji konstrukcji wbudowanych kondensatorów i mikropołączeń wewnętrznych (Poddziałanie 4.1) Kondensatory wbudowane wewnątrz wielowarstwowej płytki obwodu drukowanego, z wykorzystaniem materiału bazowego w postaci laminatu z cienką warstwą dielektryczną, można wykonywać na kilka sposobów, zależnie od planowanej konstrukcji pakietu. Przykładowo, laminat z warstwą pojemnościową może znajdować się w środkowej części pakietu pełniąc jednocześnie rolę rdzenia dla płytki czterowarstwowej (rys. 2.1.a), bądź wchodzić w skład układu wielordzeniowego przy konstrukcji płytki ośmiowarstwowej (rys.2.1.b). Na rys. 2.1. przedstawiono, zaczerpnięte z literatury, przykładowe konstrukcje wielowarstwowych płytek obwodów drukowanych z wbudowanymi warstwami pojemnościowymi. Warstwę pojemnościową na rysunku opisano oznaczeniem FaradFlex Core. a) Płytka czterowarstwowa materiał FradFlex b) Płytka ośmiowarstwowa materiał FradFlex materiał FradFlex Rys. 2.1. Typowe konstrukcje płytek obwodów drukowanych z wbudowanymi elementami pojemnościowymi; a) warstwa kondensatorowa jako rdzeń b) warstwa kondensatorowa jako kolejne warstwy pakietu płytki źródło: www.oakmitsui.com, FaradFlex processing guideline.pdf Realizację prac badawczych zaplanowano pod kątem wytwarzania pojemnościowych elementów wbudowanych wewnątrz płytki obwodu drukowanego z zastosowaniem obydwu przedstawionych powyżej konstrukcji. Przy czym w pierwszej części badań, dotyczącej formowania elementów pojemnościowych w skali laboratoryjnej, przewidziano zastosowanie konstrukcji przedstawionej na rysunku 2.1a. W tym wariancie na warstwę kondensatorową stanowiącą rdzeń płytki została naprasowana obustronnie warstwa dielektryka pokrytego folią miedzianą (ang. RCC Reinforced Copper Clad foil). W ten sposób konstruuje się płytki czterowarstwowe o standardowej konstrukcji. Do dalszej części badań przewidziano bardziej złożoną konstrukcję pakietu, w której rdzeń stanowić będzie obustronnie foliowany miedzią laminat typu FR-4 o grubości 0,71 mm, na który zostanie naprasowana obustronnie warstwa preimpregnatu wraz z warstwą kondensatorową. Następnie, na tak skonstruowany 6-cio warstwowy pakiet, w technologii sekwencyjnego nabudowywania warstw, zostanie naprasowana obustronnie warstwa dielektryka pokrytego folią miedzianą (RCC). W wyniku 2

wszystkich operacji prasowania powstanie 8-mio warstwowa płytka obwodu drukowanego, w której przyłączenie wbudowanych kondensatorów do obwodu płytki będzie realizowane z użyciem przelotowych i nieprzelotowych wewnętrznych połączeń międzywarstwowych. Przykładowe konstrukcje połączeń wewnętrznych wykorzystywanych w budowie wielowarstwowych płytek obwodów drukowanych z wbudowanymi elementami pojemnościowymi przedstawiono na rysunku 2.4 i 2.5. Wybór koncepcji geometrii kondensatorów i ich wyprowadzeń Element pojemnościowy (kondensator) stanowią dwa przewodniki o budowie planarnej (tzw. okładki kondensatora) umieszczone w niewielkiej odległości od siebie. Odległość ta wynosi od kilkunastu do kilkudziesięciu mikrometrów. Pomiędzy przewodnikami może być powietrze lub materiał dielektryczny stanowiący barierę dla nośników prądu elektrycznego. Przewodniki mogą być z dowolnego materiału dobrze przewodzącego prąd elektryczny i mogą być dowolnego kształtu, których przykłady przedstawiono na rysunku 2.2. Kształt kondensatora uzależniony jest od miejsca, które można zostać wykorzystane na jego uformowanie. W przypadku obszarów, w których nie występuje duże zagęszczenie połączeń elektrycznych obwodu płytki możliwe jest formowanie kondensatorów o dość regularnych kształtach w postaci kwadratu, prostokąta lub koła (rys. 2.2 a, b i c). Natomiast w miejscach o dużym zagęszczeniu sieci połączeń konieczne może być zastosowanie budowy kondensatora o dość złożonym kształcie (rys. 2.2 d). Element pojemnościowy powstaje tam, gdzie wspomniane przewodniki planarne mają część wspólną tzn. pokrywają się nawzajem swoim obszarem tworząc tzw. okładki. Aby kondensator miał określoną pojemność i była ona możliwa do uzyskania w sposób powtarzalny, należy zadbać o to, aby obszar wspólnego pokrywania się przewodników był regularny i możliwie powtarzalny, a doprowadzenia elektryczne do okładek kondensatora możliwie najkrótsze. a) b) c) d) inne połączenia sieci elektrycznej obwodu płytki drukowanej Rys. 2.2. Konstrukcje cienkowarstwowych kondensatorów wbudowanych: a) kwadrat; b) prostokąt; c) koło; d) wielokąt 3

Celem wyeliminowania lub jak największego ograniczenia wpływu obecności wyprowadzeń kondensatora na jego pojemność konieczne jest, aby wyprowadzenia te były formowane z możliwie cienkiego przewodnika (możliwie wąskiej ścieżki sygnałowej, np. o szerokości 0,125 mm) i były one usytuowane w obszarze przeciwległych boków lub narożników kondensatora o możliwie małej długości. Istotne jest bowiem, aby odległość dzieląca zasadniczy element pojemnościowy od pól pomiarowych była możliwie mała, ograniczając tym samym wpływ indukcyjny wyprowadzeń kondensatora. Przykładowe konfiguracje konstrukcji wyprowadzeń kondensatorów wbudowanych przeznaczonych do badań przedstawiono na rysunku 2.3. a) wyprowadzenie kondensatora okładki kondensatora b) Rys. 2.3. Konstrukcja wyprowadzeń kondensatorów planarnych a) wyprowadzenia usytuowane na przeciwległych bokach; b) wyprowadzenia usytuowane w przeciwległych narożnikach Formowanie mikropołączeń wewnętrznych Mikropołączenia wewnętrzne płytki obwodu drukowanego zawierającej kondensatory planarne wykonywane są metodą metalizacji galwanicznej otworów i mikrootworów zarówno przelotowych jak i nieprzelotowych. Przykładowe konstrukcje mikropołączeń międzywarstwowych stosowanych do przyłączenia do obwodu elektrycznego wyprowadzeń kondensatora przedstawiono na rysunku 2.4 i 2.5. 4

a) laminat typu RCC laminat z wbudowaną warstwą pojemnościową stanowiący rdzeń płytki metalizowany mikrootwór nieprzelotowy metalizowany mikrootwór nieprzelotowy obszar kondensatora laminat typu RCC b) metalizowany otwór przelotowy laminat typu RCC laminat z wbudowaną warstwą pojemnościową stanowiący rdzeń płytki metalizowany mikrootwór nieprzelotowy obszar kondensatora laminat typu RCC metalizowany otwór przelotowy laminat typu RCC laminat z wbudowaną warstwą pojemnościową stanowiący rdzeń płytki metalizowany mikrootwór nieprzelotowy prepreg 106 obszar kondensatora laminat typu FR-4 Rys. 2.4. Przykładowe warianty mikropołączeń międzywarstwowych w płytce obwodu drukowanego zawierającej wbudowane elementy pojemnościowe a) mikrootwory nieprzelotowe; po obydwu stronach laminat typu RCC b) mikrootwór nieprzelotowy i otwór przelotowy; po obydwu stronach laminat typu RCC c) mikrootwór nieprzelotowy i otwór przelotowy; po jednej stronie laminat typu RCC po drugiej typu FR-4 (na rysunku nie zachowano skali) 5

a) b) Rys. 2.5. Przykładowe konstrukcje płytki wielowarstwowej z wbudowanymi elementami pojemnościowymi a) z przelotowymi połączeniami międzywarstwowymi; b) z nieprzelotowymi mikropołączeniami międzywarstwowymi (na rysunku nie zachowano skali) źródło: www.oakmitsui.com, FaradFlex processing guideline.pdf Zakres pojemności Pojemność formowanego elementu pojemnościowego uzależniona jest od wielu czynników, na które składają się: odległość pomiędzy okładkami kondensatora; medium wypełniające przestrzeń między okładkami (powietrze; materiał dielektryczny); właściwości materiału dielektrycznego; wielkość powierzchni wzajemnego pokrywania się obszarów okładek kondensatora. Pierwsze trzy czynniki wynikają z przyjętej konstrukcji i materiałów użytych do budowy formowanego kondensatora, natomiast ostatni z wymienionych czynników (powierzchnia wzajemnego pokrywania się obszarów okładek) zależy w dużej mierze od przyjętej technologii, sposobu wykonania i dokładności możliwej do osiągnięcia w danej technologii. W pracach badawczych przewidziano formowanie okładek elementów pojemnościowych metodą trawienia warstw miedzi obustronnie foliowanego laminatu z zastosowaniem procesu fotolitografii. W procesie tym niezwykle istotne jest prowadzenie operacji trawienia, co bezpośrednio wpływa na kształt i wielkość odwzorowywanego elementu, jak również położenie odwzorowywanych elementów względem siebie (po obu stronach laminatu). Zważywszy na dokładność odwzorowania kształtu okładek kondensatora, ich położenia oraz wymiarów geometrycznych wynikających z techniki 6

fotolitografii należy założyć, że tolerancja pojemności możliwych do wykonania w sposób powtarzalny kondensatorów planarnych zawierać się będzie w przedziale od kilku do kilkudziesięciu procent. W szczególności składają się na to: - podtrawienia miedzi wynikające z charakteru przebiegu procesu trawienia, które mogą wynosić średnio od 15 do 30 µm (zależnie od grubości folii miedzianej laminatu pojemnościowego); - przesuniecie obrazów górnej i dolnej okładki kondensatora względem siebie, które może sięgać 200 µm, albowiem każdy z obrazów może być przesunięty względem pożądanego położenia maksymalnie o 100 µm. Wpływ wyżej wymienionych czynników na pojemność formowanego kondensatora zobrazowano na rysunku 2.6. a) podtrawienie okładek kondensatora b) przesunięcie jednej z okładek kondensatora obszar czynny kondensatora niedotrawienie okładek kondensatora przesunięcie drugiej okładki kondensatora Rys. 2.6. Wpływ podtrawień i położenia okładek kondensatora na tolerancję jego pojemności (na rysunku nie zachowano skali) Przykładowo, dla kondensatora w kształcie kwadratu o długości boku 1 mm podtrawienie lub niedotrawienie okładek kondensatora w granicach 30 µm powoduje zmianę jego pojemności odpowiednio od -6,0 do +6,1 %. Natomiast w przypadku kondensatora w kształcie kwadratu o boku 0,5 mm zmiany pojemności wynikające z podtrawień lub niedotrawień sięgają odpowiednio od -11,6 do +12,4 %. Jeszcze większa zmiana pojemności formowanego kondensatora planarnego względem wartości projektowej może powstać w wyniku przesunięcia wzajemnego okładek kondensatora. Podobnie jak w opisanych powyżej przypadkach, dla kondensatora w kształcie kwadratu o boku długości 1mm, przesuniecie okładek w przeciwne strony o 100 µm od położenia projektowego powoduje zmianę jego pojemności o -36 %. Natomiast w przypadku kondensatora o boku długości 0,5 mm zmiana pojemności względem wartości projektowanej sięga -64 %. W świetle powyższych danych należy założyć, że tolerancja powtarzalności formowania kondensatorów o zadanej pojemności, która nie przekracza 20% możliwa jest do osiągnięcia dla kondensatora będącego kwadratem o boku długości co najmniej 2 mm. Wtedy zmiany pojemności kondensatora względem wartości projektowej wynoszą odpowiednio: - od -3,0 % do +3,0 % w odniesieniu do podtrawień i niedotrawień okładek kondensatora, oraz - do -19 % w odniesieniu do przesunięcia okładek kondensatora. 7

Ponadto, uwzględniając tolerancję wykonania materiału bazowego wykorzystywanego do budowy kondensatorów, którego pojemność może się wahać w zakresie kilku procent można założyć, że formowane kondensatory o wymiarach 2 x 2 mm i większe powinny odznaczać się tolerancją wykonania na poziomie 20-25 %. W tabeli 2.1. zamieszczono podstawowe właściwości dostępnych na rynku laminatów z warstwą pojemnościową stosowanych na konstrukcje wielowarstwowych płytek obwodów drukowanych. W oparciu o zamieszczone w tabeli dane dokonano wyboru materiałów z przeznaczeniem do prowadzenia prac badawczych wbudowywania elementów pojemnościowych wewnątrz płytki obwodu drukowanego. Wytypowano dwa materiały oznaczone symbolami BC24 i BC12. Pojemność elektryczna tych materiałów wynosi odpowiednio 180/160 i 700/600 pf/cm 2 (wartości x/y odnoszą się do częstotliwości sygnału pomiarowego gdzie x odnosi się do sygnału o f = 1 MHz, a y do sygnału o f = 1GHz) i jest na tyle zróżnicowana, że pozwoli na formowanie kondensatorów w szerokim zakresie wartości. Tabela 2.1. Właściwości materiałów z warstwa pojemnościową oferowane przez firmę FaradFlex Właściwości Metoda badania Norma IPC lub inne BC24 BC16 BC12 BC8 BC12TM BC16T Grubość dielektryka [µm] Wartość bazowa 24 16 12 8 12 16 Cp@ 1MHz/1GHz [pf/cm 2 ) Dk@ 1MHz/1GHz Tangens kąta stratności Wytrzymałość na odrywanie [ft/cal] Wtrzymałość elektryczna [kv/mil] IPC-TM650 2.5.5.3 IPC-TM650 2.5.5.3 IPC-TM650 2.5.5.3 IPC-TM650 2.4.9 IPC-TM650 2.5.6.3 180/160 250/225 300/270 480/430 700/600 1700/1450 4.4/4.0 4.4/4.0 4.4/4.0 4.4/4.0 10/8,5 30/26 0.015/0.02 0.015/0.02 0.015/0.02 0.016/0.021 0.019/0.03 0.019/0.035 >8 >8 >8 >8 >4 >6 7.0+ 7.0+ 7.0+ 7.0+ 5.8 2.8 Wytrzymałośc na rozciąganie [MPa(kpsi)] ASTM D-882A 150(22.0) 164(23.8) 194(28.2) 126(18.3) 110(16.0) NA Wydłużenie [%] ASTM D-882A 15.5 16.5 11.5 8.5 6.0 NA Temperatura rozkładu (5% utraty wagi w N 2/O 2] Test gorącej wody i zanurzenia w lutowiu [gotowanie 2 godziny w gorącej wodzie i zanurzenie 20 sekund w lutowiu o temp. 260 C (10 próbek)] Szoki termiczne [20 sekund na stopie o temp. 288 C] razy TGA 390/350 385/345 385/345 380/340 390/345 390/350 - pozytywny pozytywny pozytywny pozytywny pozytywny pozytywny - >10 >10 >10 >10 >10 >10 Migracja [85 C/85%RH/DC 35V] - >1000 >1000 >1000 >1000 >1000 >1000 Palność/Temp. zapłonu UL-94/UL746 Sposób wytwarzania kondensatorów - V0 130 C Dwustronne trawienie V0 130 C Dwustronne trawienie V0 130 C Dwustronne trawienie V0 125 C Dwustronne trawienie V0 130 C Dwustronne trawienie V0 130 C Sekwencyjn a laminacja 8

Pozwala to wstępnie określić zakresy pojemności, jakie będzie można uzyskiwać w drodze przyjętej techniki wbudowywania elementów pojemnościowych wewnątrz płytki obwodu drukowanego. Zakładając, że kondensator miałby kształt kwadratu o boku nie mniejszym niż 2 mm, to minimalne pojemności formowanych kondensatorów powinny wynosić odpowiednio 7,2/6,4 i 28,0/24,0 pf dla materiałów oznaczonych symbolem BC24 i BC12. Od strony maksymalnych pojemności nie ma specjalnych ograniczeń, jednakże należy w tym względzie kierować się zasadą niezbyt obszernego zajmowania powierzchni płytki obwodu drukowanego przez pojedynczy kondensator. W myśl tego można przyjąć ograniczenie, że w funkcjonalnych płytkach obwodów drukowanych konstrukcja pojedynczego kondensatora nie powinna przekraczać powierzchni 1 cm 2 t.j. 100 mm 2 (np. kondensator w kształcie kwadratu o boku 10 mm). Natomiast dla celów badawczych przyjęto ograniczenie wielkości kondensatora na poziomie kwadratu o boku równym 22 mm. W ten sposób możliwe jest wykonanie kondensatorów o pojemnościach od 1 do 820 pf oraz od 39 do 3 189 pf z użyciem materiałów odpowiednio BC24 oraz BC12. 9

3. Opracowanie płytek testowych do badań; wykonanie próbek do badań oraz niezbędnego oprzyrządowania (Poddziałanie 4.2) Pierwsza część prac badawczych wbudowywania elementów pojemnościowych wewnątrz wielowarstwowej płytki obwodu drukowanego dotyczyła formowania kondensatorów o typowych pojemnościach pochodzących z typoszeregu E12, w którym występuje 12 wartości pojemności na dekadę. Badania te były prowadzone celem wyłonienia ewentualnych zależności pojemności kondensatora od miejsca jego położenia na płytce drukowanej oraz wpływu konstrukcji jego wyprowadzeń. Projekt rdzenia czterowarstwowej płytki testowej o konstrukcji z rysunku 2.1a, wykonywanego dla serii prób doświadczalnych w skali laboratoryjnej przedstawiono na rysunku 3.1. Projekt zawiera szereg pojedynczych kondensatorów o pojemności od 1 do 820 pf, które rozmieszczono w różnych obszarach płytki. Podane pojemności kondensatorów można uzyskać przy zastosowaniu laminatu z warstwą pojemnościową oznaczonego symbolem BC24. Na rysunku 3.2 przedstawiono fotografię wykonanej płytki testowej w skali produkcyjnej z pojedynczymi panelami do serii laboratoryjnej. Płytka została wykonana w dwóch wersjach, których konstrukcje przedstawiono szczegółowo na rysunku 2.4a i 2.4b. W kolejnych etapach prac doświadczalnych badania zostaną skoncentrowane na próbach wytworzenia kondensatorów o określonej pojemności z dużą powtarzalnością. Liczność wartości pojemności zostanie ograniczona do 2-3 wartości na dekadę. Docelowo wytypowano próby formowania kondensatorów o pojemności 10, 50, 100, 200 i 390 pf z użyciem materiału oznaczonego symbolem BC24 oraz 39, 200, 390, 820 i 1600 pf z użyciem materiału oznaczonego symbolem BC12. Wielkość kondensatorów w kształcie kwadratu odpowiadających wytypowanym wartościom zawiera się w zakresie od 2 x 2 mm do 15 x 15 mm. Opracowany projekt przykładowej płytki testowej przeznaczonej do badań powtarzalności formowania kondensatorów o zadanej pojemności przedstawiono na rysunku 3.3. 10

Rys. 3.1a. Topografia warstwy pojemnościowej czterowarstwowej płytki testowej do badań laboratoryjnych (rdzeń, strona TOP) 11

Rys. 3.1b. Topografia warstwy pojemnościowej czterowarstwowej płytki testowej do badań laboratoryjnych (rdzeń, strona BOTTOM, widok od strony druku) 12

pojedynczy panel do badań w skali laboratoryjnej Rys. 3.2. Fotografia warstwy pojemnościowej (rdzeń czterowarstwowej płytki testowej) Skala produkcyjna, widok warstwy 2 pakietu 13

Rys. 3.3 Topografia warstwy pojemnościowej czterowarstwowej płytki testowej do badań powtarzalności otrzymywanych wartości pojemności (rdzeń, strona TOP) Proces technologiczny wykonywania płytek obwodów drukowanych z wbudowanymi elementami pojemnościowymi przebiega w podobny sposób jak proces wytwarzania wielowarstwowych płytek obwodów drukowanych z mikropołączeniami wewnętrznymi, który został wdrożony w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym w drodze innych opracowań badawczych. Jedyna różnica polega na konieczności stosowania dodatkowego wyposażenia technologicznego niezbędnego w obróbce bardzo cienkich laminatów. Operowanie laminatami z warstwą pojemnościową, których grubość jest rzędu 60 µm w przypadku laminatu BC24 i poniżej 50 µm w przypadku laminatu BC12, jest niezwykle utrudnione ze względu na system transportowania laminatu w urządzeniach technologicznych. Wysoka elastyczność laminatu wynikająca z jego małej grubości powoduje, że laminat ten bardzo łatwo ulega załamaniom podczas przemieszczania w urządzeniach technologicznych uniemożliwiając tym samym wytworzenie odpowiedniej jakości odwzorowania kształtu zaprojektowanych kondensatorów. Dodatkowe oprzyrządowanie, które zostało opracowane w celu zapewnienia właściwego przebiegu procesu obróbki bardzo cienkich laminatów opisano szerzej w punkcie 4 niniejszego sprawozdania. 14

4. Próby doświadczalne i określenie problemów związanych z obróbką bardzo cienkich laminatów; wykonanie niezbędnego oprzyrządowania (Poddziałanie 4.3) Próby doświadczalne formowania wbudowanych kondensatorów wewnątrz wielowarstwowej płytki obwodu drukowanego prowadzono z wykorzystaniem urządzeń technologicznych Zakładu D1 Centrum Innowacji Technologii Płytek Drukowanych Instytutu Tele- i Radiotechnicznego. Wiele z tych urządzeń posiada transportery podzielone na sekcje z niezależnym sterowaniem poszczególnych sekcji. Pomimo dołożenia wszelkich starań zsynchronizowania i ustalenia jednakowej prędkości poszczególnych sekcji transportera w danym urządzeniu technologicznym napotkano na trudności z transportowaniem bardzo cienkich laminatów, jakimi są laminaty z warstwą pojemnościową stosowane w pracach badawczych niniejszego projektu. Należy zaznaczyć, że w przypadku produkcji standardowych wielowarstwowych płytek obwodów drukowanych, występujące niewielkie różnice w prędkości przesuwu poszczególnych sekcji transporterów nie mają negatywnego wpływu na jakość wykonywanych wyrobów. W przypadku cienkich laminatów o grubości 0,2 mm zazwyczaj wystarcza stosowanie fragmentów grubszych laminatów mocowanych na jednym lub obydwu końcach obrabianego materiału, które pełnią rolę tzw. pilota. Jednakże w przypadku wytypowanych do badań laminatów z warstwą pojemnościową, których grubość wynosi 60 µm (laminat typu BC24) lub 48 µm (laminat typu BC12), zastosowanie powyższego rozwiązania jest niewystarczające. Przeprowadzone wstępnie próby obróbki wytypowanych laminatów były obarczone nieprawidłowościami objawiającymi się pofałdowaniami i zagnieceniami laminatu związanymi z transportem w urządzeniach technologicznych. Defekty tego typu dyskwalifikują dalsze użycie obrabianego materiału do wykonania wielowarstwowej płytki obwodu drukowanego. W związku z tym konieczne stało się opracowanie rozwiązania zapewniającego niezakłócony transport obrabianego laminatu w urządzeniach technologicznych. W tym celu wykonano ramkę z laminatu o grubości 1,00 mm z wykonanym oknem o wielkości odpowiadającej wielkości arkusza poddawanego obróbce laminatu (255 x 385 mm ozn. F2 lub 355 x 385 mm ozn. F3). Przeprowadzone wstępnie próby technologiczne potwierdziły prawidłowe działanie opracowanego oprzyrządowania, którego konstrukcję przedstawiono na rysunku 4.1. Oprócz trudności związanych z transportem cienkich laminatów w urządzeniach technologicznych występuje również zagadnienie transportu cienkich laminatów między poszczególnymi stanowiskami (urządzeniami) technologicznymi. Należy wtedy stosować odpowiednią metodę transportu oraz obchodzenia się z obrabianym materiałem przez personel. Producent laminatu zaleca stosowanie się do kilku zasad, których zobrazowanie przedstawiono na rysunku 4.2. Wskazane jest, aby arkusz laminatu chwycić w okolicy jego narożników, po przekątnej arkusza (rys. 4.2a), natomiast należy się wystrzegać chwytania arkusza laminatu w środkowej jego części zarówno z jednej jak i po obu jego stronach (rys. 4.2b). 15

ramka obszar arkusza cienkiego laminatu 20 295 (dla F2) 395 (dla F3) 20 425 Rys. 4.1. Konstrukcja pozwalająca na niezakłócony transport cienkich laminatów w urządzeniach technologicznych do produkcji płytek wielowarstwowych (rysunek poglądowy). a) Prawidłowy sposób przenoszenia laminatu b) Nieprawidłowe chwytanie na dwóch bokach Nieprawidłowe chwytanie jedną ręką Rys. 4.2. Zasady obchodzenia się z bardzo cienkimi laminatami podczas procesu produkcji wielowarstwowej płytki obwodu drukowanego. żródło: Embedded capacitors, John Andresakis, VP of Strategic Technology, OAK Mitsui Technologies, May 2005 W urządzeniach takich jak kopiorama i prasa nie stosuje się ramki zabezpieczającej, ponieważ arkusz laminatu jest mocowany na kołkach ustawczych. W tym celu w formatce laminatu wykonywane są 16

otwory ustawcze na specjalnym urządzeniu do wycinania (w ITR stosowany jest system ustawczy MuliLine). W laminatorze, w którym nakładany jest fotopolimer, należy bardzo starannie układać materiał pomiędzy wałkami prasy dociskającej, aby równomiernie na całej powierzchni go zalaminować nie dopuszczając do zgięć i załamań. Na tym etapie, aż do wytrawienia miedzi, sztywność materiału pojemnościowego jest jeszcze stosunkowo wysoka w porównaniu ze sztywnością po wykonaniu mozaiki kondensatorów i ścieżek. Do momentu trawienia miedzi materiał pojemnościowy jest w zasadzie jeszcze jednorodny, składa się z dwóch warstw miedzi, które usztywniają całą strukturę (czym grubsza miedź tym większa sztywność) i cienkiej zabezpieczonej warstwy dielektryka pomiędzy nimi. Po trawieniu struktura warstwy pojemnościowej ulega zasadniczej zmianie. Uzyskuje się na tym etapie dwa obszary o wyraźnie różniące się grubości: nieodsłonięte obszary mozaiki (miedź plus dielektryk o całkowitej grubości 43 do ponad 100 µm) oraz odsłoniętą bardzo cienką (8-24 µm) warstwę dielektryka o zdecydowanie mniejszej sztywności. Sprawia to, że operowanie formatkami technologicznymi po procesie wytrawiania mozaiki wymaga szczególnej ostrożności. Próby doświadczalne rozpoczęto z wykorzystaniem projektu ic13 (rys.3.2), który został opracowany dla dużej formatki technologicznej (F3,385x355) stosowanej w Zakładzie Innowacji Płytek Drukowanych ITR. Doświadczenia na tym projekcie pozwoliły ustalić możliwe problemy z obróbką bardzo cienkich laminatów i wykonać rozwiązanie pozwalające na niezakłócony transport tych laminatów w urządzeniach technologicznych. Kolejnym problem, który pojawił się podczas badań był pomiar bardzo małych pojemności kondensatorów. Materiał BC24, który zastosowano jako pierwszy w badaniach pozwala na uzyskanie pojemności rzędu pojedynczych pf do około 1nF. Przy pomiarze najmniejszych pojemności zaobserwowano duży wpływ na uzyskane wartości pojemności niepożądanych pochodzących od układu pomiarowego (przewodów). Mierzona pojemność zmieniała się zależnie od ułożenia przyłożonych sond. Do bardziej precyzyjnego pomiaru połączono odpowiednio przewody koncentryczne łącząc je w tak zwaną konfigurację trzech terminali (3T). Rys. 4.3. Schemat konfiguracji 3T 17

Konfiguracja 3T wykorzystuje kable koncentryczne w celu ograniczenia wpływu pasożytniczych pojemności na wynik pomiaru. Zewnętrzne osłony przewodów kabli koncentrycznych są podłączone do terminalu masy. W przypadku występowania pasożytniczych pojemności mających znaczący wpływ na mierzona wartość mierzonej pojemności pomiędzy kablami wysokiego i niskiego prądu i napięcia należy umieścić płytkę (Cu) jako barierę oddzielającą połączoną z ekranami ochronnymi kabli. Uzyskane wyniki pomiaru pojemności wskazują, że wraz ze wzrostem wielkości kondensatora, a tym samym jego pojemności, polepsza się dokładność wykonania. Głównym czynnikiem wpływającym na tolerancje wykonania tego typu kondensatorów jest dokładność przeprowadzenia procesów technologicznych (naświetlania fotopolimeru i trawienia). Czym większe wymiary okładek tym mniejszy mają wpływ niedokładności występujące podczas naświetlania (przesunięcia okładek względem siebie, podświetlenia) i trawienia (niedotrawienia, przetrawienia). W przeprowadzonych testach bardzo dobre dokładności otrzymanej pojemności w porównaniu do pojemności zaprojektowanej uzyskiwano dla kondensatorów o wielkościach okładek od około 25 mm 2 (bok kwadratu 5 mm). Wraz ze zmniejszaniem się pojemności dokładność wykonania kondensatorów ulegała pogorszeniu. 5. Badanie zmian parametrów elektrycznych wbudowanych kondensatorów w kolejnych operacjach technologicznych wytwarzania wielowarstwowej płytki drukowanej (poddziałanie 4.4 i 4.5) Celem prac wykonywanych w niniejszym zadaniu było badanie zmian parametrów elektrycznych wbudowanych kondensatorów w kolejnych operacjach technologicznych wytwarzania wielowarstwowej płytki drukowanej oraz wstępna optymalizacja procesu wytwarzania kondensatorów. Pojemność kondensatorów oraz tolerancja ich wykonania zależą nie tylko od własności zastosowanego materiału FaradFlex ale przede wszystkim od parametrów technologicznych procesu wytwarzania wielowarstwowej płytki drukowanej i zastosowanych urządzeń. Określenie optymalnych parametrów procesu wytwarzania kondensatorów wymaga również poznania wpływu poszczególnych operacji technologicznych na wartość pojemności kondensatorów. Dlatego też niniejsze zadanie łączy się bezpośrednio z poddziałaniem 4.5, którego celem było badanie zmian parametrów elektrycznych wbudowanych kondensatorów w kolejnych operacjach technologicznych wytwarzania wielowarstwowej płytki drukowanej. Przebadano zmiany pojemności kondensatorów cienkowarstwowych wykonanych z dwóch różnych warstw pojemnościowych. Zmiany obserwowano w czasie wytwarzania wielowarstwowej płytki drukowanej kolejno po procesach trawienia miedzi, nakładania tlenków oraz prasowania. 18

6. Wstępna optymalizacja procesu (poddziałanie 4.5) Do podstawowych procesów technologicznych wbudowania kondensatorów wewnątrz wielowarstwowej płytki drukowanej należą: fotochemia, trawienie, rozwijanie powierzchni miedzi, prasowanie. Każdy z tych procesów składa się z wielu operacji technologicznych mających w różnym stopniu wpływ na uzyskane pojemności kondensatorów. Zmiany te w mniejszym lub większym stopniu można kontrolować i minimalizować optymalizując przebieg i dokładności wykonania poszczególnych operacji. Należy brać również pod uwagę czynnik ludzki w procesie technologicznym wykonywania wbudowanych cienkowarstwowych kondensatorów planarnych. O ile w standardowych mozaikach płytek drukowanych tolerancje wymiarowe elementów mozaiki zawierają się w stosunkowo szerokim zakresie to w przypadku kondensatorów należy dążyć do jak najmniejszych odchyleń od zaprojektowanych wymiarów. Doświadczenie i precyzja operatora ma w tym przypadku szczególne znaczenie. W niniejszym zadaniu określono, że newralgicznymi procesami w technologii wytwarzania kondensatorów wbudowanych są procesy fotochemigrafii i trawienia. Procesy te definiują wielkości okładek kondensatora oraz ich wzajemne położenie względem siebie. W procesach tych wykorzystywane są urządzenia, w których bardzo cienki materiał pojemnościowy narażony jest na uszkodzenia mechaniczne. Wszelkie odchyłki pojemności kondensatorów związane z niedotrawieniem, przetrawieniem czy przesunięciem okładek względem siebie można minimalizować poprzez dokładne i precyzyjne ustawienie dolnej i górnej kliszy względem siebie podczas naświetlania fotopolimeru oraz dokładną kontrolę procesu trawienia (prędkości transportera w trawiarce, dokładność pomiarów elementów mozaiki na płytkach testowych (± 2 µm)). 7. Określenie sposobów testowania wielowarstwowych płytek drukowanych z wbudowanymi elementami pojemnościowymi (poddziałania 4.6) Nieuszkadzalności wbudowanych podzespołów biernych jest bardzo istotnym zagadnieniem, 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. Dlatego jednym z ważniejszych elementów wytwarzania wielowarstwowych płytek drukowanych z wbudowanymi elementami pojemnościowymi jest ich testowanie na każdym etapie produkcji. W zadaniu tym przedstawiono podstawowe sposoby testowania wielowarstwowych płytek drukowanych z wbudowanymi elementami pojemnościowymi oraz wyniki prób testowania wybranymi metodami. W głównej mierze oparto się na badaniach pojemności otrzymanych struktur. Pomiar pojemności jest najszybszym i najbardziej miarodajnym badaniem pozwalającym ocenić jakość wykonania kondensatorów w odniesieniu do zaprojektowanej pojemności. 19

Pomiar pojemności Podstawową metodą pomiarową stosowaną w badaniach wielowarstwowych płytek drukowanych z wbudowanymi elementami pojemnościowymi jest cyfrowy pomiar pojemności. Pomiar wartości pojemności kondensatorów przeprowadzono za pomocą precyzyjnego mostka RLC firmy HAMEG typ HM8118, który wyposażono w odpowiednie kable koncentryczne zestawione w konfiguracji trzech terminali 3T. Tego typu rozwiązanie powodowało ograniczenie wpływu pasożytniczych pojemności na wynik pomiaru. Rejestrowane zmiany pojemności wynikające ze zmiany ułożenia sond pomiarowych były na poziomie setnych części pf. Szczegółowy opis urządzenia oraz konfigurację sond pomiarowych oraz wyniki pomiarów przedstawiono w sprawozdaniu z poddziałania 4.3. Metoda spektroskopii impedancyjnej Spektroskopia impedancyjna (SI) oznacza pomiar liniowej, elektrycznej odpowiedzi badanego materiału na pobudzenie małym sygnałem elektromagnetycznym w szerokim paśmie częstotliwości i analizę tej odpowiedzi w celu uzyskania użytecznej informacji o właściwościach badanego materiału. Otrzymany - w wyniku pomiaru - zbiór wartości zespolonej wielkości elektrycznej, zmierzonej w funkcji częstotliwości w przedziale kilku dekad, pozwala na pełną analizę dynamicznych właściwości mierzonego obiektu. Badania środowiskowe i badanie trwałości Kolejnym sposobem testowania płytek drukowanych z wbudowanymi elementami pojemnościowymi są testy jakościowe. Tego typu testy kondensatorów mają na celu określenie ich wrażliwości na zmienne warunki temperaturowe i środowiskowe oraz narażenia mechaniczne. Badania mogą być realizowane poprzez poddawanie płytek testom temperaturowo- wilgotnościowych, testom wyginania i skręcania. Najczęściej stosowane są narażenia klimatyczne i temperaturowe: cykle termiczne, szoki termiczne oraz stałotemperaturowe testy wilgotnościowe. W oparciu o normy (MIL-STD-202G, JEDEC Standard No. 22-A104-B) oraz dane literaturowe przedstawiono zestawienie stosowanych testów jakościowych kondensatorów wbudowanych: 1. Szoki termiczne (-40 C) do 125 C; czas 10 min; 1000 cykli: JEDEC Standard No. 22-A104-B (-55 C) do 125 C; czas 10min, 1000 cykli: JEDEC Standard No. 22-A104-B 40 C i 120 C, 500cykli 2. Cykle termiczne (-65 C) do 150 C; 1000 cykli (-65 C) i 125 C; 500 cykli 20

(-40 C) do 125 C; 1000 cykli 3. Narażenia temperaturowo-wilgotnościowe 85 C / 85%RH przez 100 godzin; JEDEC Standard No. 22-A102-C 121 C / 100%RH przez 100 godzin; JEDEC Standard No.22-A102-C 40 C / 95%RH przez 240 godzin; MIL-STD-202, Method 103B 130 C / 85%RH przez 244 godziny Poniżej przedstawiono schemat warunków narażeń klimatycznych, jakie zastosowano w celu przeprowadzenia testowania kondensatorów na potrzeby niniejszego zadania. W wybranym teście zastosowano zmiany temperatury z zakresu (-40) C + 85 C. Test obejmował 120 cykli narażeń, gdzie jeden cykl trwał 8,5h 100 80 60 2 C/min Narażenia klimatyczne 2 C/min Temperatura [ C] 40 20 0-20 0 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 8,5-40 -60 0,5 0,5h 3 h 1 h 3 h 0,5-80 Czas [h] Rys.7.3.1. Warunki narażeń klimatycznych (1000 h). W każdym z przypadków przedstawionych testów jakościowych kondensatorów, czyli szoków termicznych, cykli termicznych oraz testów wilgotnościowych ocenę jakości kondensatorów przeprowadza się na podstawie pomiarów wartości pojemności testowanych kondensatorów przed i po wykonaniu danego testu. Podsumowanie W zadaniu tym określono sposoby testowania wielowarstwowych płytek z wbudowanymi elementami pojemnościowymi na etapie ich wytwarzania oraz na etapie badania wyrobu finalnego. Podstawowym pomiarem stosowanym w badaniach cienkowarstwowych elementów pojemnościowych jest pomiar wartości pojemności. W celu ograniczenia wpływu pasożytniczych pojemności na wynik pomiaru należy stosować układ pomiarowy zawierający specjalistyczny cyfrowy mostek RLC oraz sondy pomiarowe w konfiguracji 3T. 21

Zaleca się wykonywanie badań metodą spektroskopii impedancyjnej, która umożliwia badanie zmiennoprądowych parametrów elementów biernych (szczególnie istotnych przy aplikacjach w układach wysokiej częstotliwości i mikrofalowych) oraz pozwala na ocenę parametrów pasożytniczych kondensatorów oraz zależności pojemności parametrów pasożytniczych od parametrów procesu technologicznego oraz ich zmian w wyniku różnych narażeń elektrycznych i środowiskowych. 8. Opracowanie wytycznych technologicznych i konstrukcyjnych (poddziałanie 4.7) W oparciu o przeprowadzone prace badawcze w poddziałaniach od 1 do 6 opracowano wytyczne technologiczne i konstrukcyjne, które powinny stanowić podstawę wdrożenia technologii wbudowywania cienkowarstwowych elementów pojemnościowych wewnątrz wielowarstwowej płytki obwodu drukowanego w zakładach produkcyjnych przygotowujących się do uruchomienia tego typu wyrobów. Uzyskane wyniki i wytyczne podlegają wdrożeniom i komercjalizacji. 22