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 6: Badania elektryczne i fizykochemiczne wbudowanych rezystorów i kondensatorów planarnych Warszawa, 30 grudnia 2011
Spis treści 1. Wprowadzenie... 2 2. Pomiary i analiza długoterminowej stabilności wartości charakterystycznych wbudowanych podzespołów w funkcji konfiguracji i rozmiarów elementów, ich usytuowania na płytce oraz wielkości płytki (Poddziałanie 6.1)... 2 3. Pomiary i analiza charakterystyk temperaturowych rezystorów wbudowanych (poddziałanie 6.2)... 5 3. Analiza stabilności długoczasowej i odporności impulsowej rezystorów cienkowarstwowych wbudowanych w płytki obwodów drukowanych - raport z badań wykonanych na Politechnice Wrocławskiej... 9 1
1. Wprowadzenie Zadanie 6 zostało zrealizowane przy współpracy ze specjalistami z Politechniki Wrocławskiej dysponującymi specjalistycznym sprzętem i szeroką teoretyczna i praktyczną wiedzą w zakresie badań elektrycznych i fizykochemiczne elementów rezystywnych i pojemnościowych. Szczegółowy opis i analiza uzyskanych wyników oraz wnioski i wytyczne znajdują się w sprawozdaniu z zadania. 2. Pomiary i analiza długoterminowej stabilności wartości charakterystycznych wbudowanych podzespołów w funkcji konfiguracji i rozmiarów elementów, ich usytuowania na płytce oraz wielkości płytki (Poddziałanie 6.1) Struktury testowe Do badań zastosowano specjalnie zaprojektowane struktury testowe rezystorów. Mozaika ścieżek oraz ułożenie rezystorów zaprojektowano tak, aby możliwe było badanie każdego rezystora osobno. Badano struktury niezabezpieczone jak i struktury z nabudowaną warstwą materiału RCC lub preimpregnatu 106. Dostęp do kontaktów struktur pokrytych warstwami RCC lub podwójnie ułożonego preimpregnatu 106 (ozn. 2x106) uzyskano za pomocą otworów o średnicy 500 µm wykonanych metodą ablacji laserowej. Grubość użytej miedzi wynosiła 17,5 µm. Każda struktura zawierała 10 identycznych rezystorów. Wykonano następujące kombinacje dziesięcioelementowych struktur w przypadku rezystorów cienkowarstwowych (rys. 2.1) [ozn. szerokość razy ilość kwadratów o boku równym szerokości] : 1,50 mm x 4 kwadraty; 1,50 mm x 2 kwadraty i 1,50 mm x 1 kwadrat 1,00 mm x 4 kwadraty; 1,00 mm x 2 kwadraty i 1,00 mm x 1 kwadrat 0,50 mm x 4 kwadraty; 0,50 mm x 2 kwadraty i 0,50 mm x 1 kwadrat 0,25 mm x 4 kwadraty; 0,25 mm x 2 kwadraty i 0,25 mm x 1 kwadrat oraz dodatkowo siedmioelementowe struktury pomocnicze. W przypadku rezystorów grubowarstwowych, ze względu na ograniczenia rozdzielczości druku sitowego kombinacje dziesięcioelementowych struktur wykonano w następującej konfiguracji (rys. 2.2): 1,50 mm x 4 kwadraty; 1,50 mm x 2 kwadraty i 1,50 mm x 1 kwadrat 1,00 mm x 4 kwadraty; 1,00 mm x 2 kwadraty i 1,00 mm x 1 kwadrat 0,50 mm x 4 kwadraty; 0,50 mm x 2 kwadraty i 0,50 mm x 1 kwadrat 0,75 mm x 4 kwadraty; 0,75 mm x 2 kwadraty i 0,75 mm x 1 kwadrat oraz dodatkowo siedmioelementowe struktury pomocnicze. 2
Rys. 2.1. Struktury testowe rezystorów cienkowarstwowych do badania stabilności długoterminowej. 3
Rys. 2.2. Struktury testowe rezystorów grubowarstwowych do badania stabilności długoterminowej. Do wykonania badań kondensatorów zaprojektowano struktury testowe o powierzchni od 0,9 0,9 mm 2 do 14 14 mm 2 (rys.3). Grubość miedzi na laminacie FaradFlex wynosiła 35 µm, grubość dielektryka 24 µm w przypadku materiału BC24M oraz 12 µm w przypadku materiału BC12TM. Na cienkim laminacie wytrawiono najpierw obustronnie mozaikę (elektrody, ścieżki i napki otworów przelotowych i mikrootworów) a następnie sprasowano go z rdzeniem FR4 i materiałem RCC. Taka budowa pakietu wynikała z zastosowanych połączeń do kontaktów okładek. Do jednej z okładek zastosowano połączenia w postaci otworów przelotowych (przez FR4 i RCC) do drugiej w postaci mikrootworów (przez RCC). 4
Rys. 2.3. Struktury testowe kondensatorów do badania stabilności długoterminowej. 3. Pomiary i analiza charakterystyk temperaturowych rezystorów wbudowanych (poddziałanie 6.2) Obiektem badań były rezystory cienko- i grubowarstwowe wbudowane do wnętrza płytki drukowanej. Rezystory cienkowarstwowe utworzono z warstwy stopu niklowo fosforowego (Ni-P) na podłożu z laminatu FR-4. W badaniach użyto dwóch rodzajów materiału o rezystancji 25 Ω/ (grubość NiP 0,4 µm) i 100 Ω/ (grubości 0,1 µm). Do produkcji polimerowych rezystorów grubowarstwowych użyto past rezystywnych firny Electra ED7100-200Ω, ED7500-20Ω i ED7500-5kΩ. Pasty nadrukowano za pomocą sitodruku stosując sito z siatki żółtej o gęstości oczek 77T. W obydwu przypadkach struktury testowe zostały pokryte warstwą dielektryczną, symulując proces wbudowywania elementów w płytkę obwodu drukowanego. Rezystory zaprojektowano w formie ścieżek, które są najbardziej optymalnym rozwiązaniem do sitodruku. Każda struktura zawierała 10 identycznych rezystorów jak przedstawiono na rysunku 3.1. 5
otwory pomiarowe Rys. 3.1. Fotografie gotowych struktur użytych w badaniach 1,5 mmx4kw (od lewej: polimerowe rezystory grubowarstwowe; rezystory cienkowarstwowe) Mozaikę ścieżek oraz ułożenie rezystorów zaprojektowano tak, aby możliwe było badanie każdego rezystora osobno. Każdy rezystor posiadał własny kontakt oraz jedno wspólne wyprowadzenie do pola kontaktowego przeznaczonego na masę. Dostęp do kontaktów struktur pokrytych warstwami RCC uzyskano drogą ablacji laserowej. Badania odporności na cykle termiczne W celu określenia wpływu długoterminowej zmiany temperatury na wartość rezystancji wbudowanych rezystorów cienko- i grubowarstwowych płytki testowe poddano narażeniom temperaturowym w zakresie -40 C 85 C. Czas trwania jednego cyklu wynosił 8,5 godziny. Parametry cyklu przedstawiono na rysunku 3.2. Do badań wykorzystano komorę klimatyczną Climatic Chamber CTS-70/200. Temperatura [ C] 110 90 70 50 30 10-10 -30-50 -70 2 C/min 2 C/min 0 0.5 1 2 3 4 5 6 7 8 8.5 0.5h 0.5h 3h 0.5h 3h 0.5h Czas [h] Rys. 3.2. Schemat narażeń temperaturowych zastosowanych w badaniach klimatycznych rezystorów W trakcie badań wykonywano pomiary rezystancji rezystorów wbudowanych za pomocą multimetru cyfrowego firmy Agilent typ 34401A. Sondy pomiarowe przymocowano do danego rezystora badanej płytki przed umieszczeniem struktur testowych w komorze klimatycznej. Pomiary rezystancji wykonano po prasowaniu płytek i po 120 cyklach narażeń temperaturowych. 6
Po 120 cyklach, stwierdzono zmiany rezystancji w zakresie od 0 do 2%, dla rezystorów cienkowarstwowych, natomiast dla rezystorów grubowarstwowych zmiany były znacznie większe i wynosiły od -3 do 65%. Zauważono też, że niezależnie od grubości warstwy rezystancyjnej w przypadku rezystorów cienkowarstwowych oraz stosowanej pasty dla rezystorów grubowarstwowych najmniejszą stabilnością temperaturową wykazywały się rezystory o najmniejszej szerokości (0,5mm). Pomiary termowizyjne Pomiary termowizyjne z wykorzystaniem kamery zapewniają proste, bezinwazyjne, nieniszczące i szybkie diagnozowanie stanu badanych rezystorów w czasie ich pracy. Wynikiem badań jest termogram, który obrazuje rozkład temperatury na powierzchni badanego rezystora, otrzymany przy przepływie przez niego prądu o określonej wartości. Do badań termowizyjnych wykorzystano kamerę termowizyjną firmy Flir model A320 z obiektywem Closeup x2. Jako źródło prądu użyto zasilacz stabilizowany HMP2020 firmy HAMEG. Badanie płytek drukowanych z wbudowanymi elementami rezystywnymi wykonano przez doprowadzenie do wybranego (badanego) rezystora napięcia z zasilacza za pomocą odpowiednich sond oraz zarejestrowanie wyników w postaci termogramów. Rysunek 3.3 przedstawia przykładowy termogram rezystora grubowarstwowego. 72 C 68C 64 C 60 C 56 C 52 C 48 C 44 C 40 C 36 C 32 C Rys. 3.3. Termogram rezystora grubowarstwowego o rezystancji 820 Ω zasilanego prądem 21mA (moc 361mW). Badaniu kamerą termowizyjną poddano rezystory cienko- jak i grubowarstwowe o identycznych wymiarach 1,5 mmx4kw i różnych wartościach rezystancji. Przez rezystory przepuszczano prąd elektryczny o wartości z zakresu 5 70mA, przy czym napięcie regulowano co 3V w odstępach 30s w zakresie 0-32V. Maksymalne temperatury, do których rezystory mogły zostać podgrzane w wyniku przepływającego przez nie prądu przekraczały 300ºC. Wyjątkiem są rezystory grubowarstwowe z pasty rezystywnej ED7500_5kΩ. W przypadku tym stosowany zakres napięć był za wąski, aby temperatura rezystora osiągnęła wartość szczytową. Przekroczenie granicznej wartości temperatury (300ºC) powodowało trwałe uszkodzenie badanych rezystorów. Zniszczenie termiczne cienkowarstwowych rezystorów z warstwą rezystywną NiP spowodowane jest najczęściej degradacją powierzchni żywicy, na której jest on położony. Żywica w wyniku wysokiej 7
temperatury zaczyna gazować, co powoduje powstawanie pęcherzy pod powierzchnią rezystora, które w wyniku powiększenia swojej objętości rozrywają powierzchnię rezystora, dochodzi również do zwęglenia materiału żywicy. W rezystorach grubowarstwowych w wyniku wysokiej temperatury dochodzi zarówno do degradacji żywicy, na której są położone jak również samego materiału polimerowego, z którego zbudowane są rezystory. Pod wpływem znacznego nagrzania rezystora w wyniku przepływającego prądu ich temperatura wzrasta na tyle, że materiał polimerowy ulega zapaleniu, tutaj również dochodzi do wydzielania się gazów w przegrzewanym materiale w wyniku czego wydzielające się pęcherze gazu w objętości rezystora rozrywając jego powierzchnię (rys. 3.4). a) b) Rys. 3.4. Rezystory uszkodzone termicznie w wyniku przepływającego prądu of: a) rezystor cienkowarstwowy, b) rezystor grubowarstwowy. Za pomocą pomiarów termowizyjnych określono również największą dopuszczalną moc, jaka może być wydzielona w postaci ciepła podczas pracy rezystora w określonych warunkach, przy zachowaniu wartości pozostałych parametrów w granicach ustalonych dla danego typu rezystora. Moc maksymalną P max określono przy maksymalnej temperaturze do jakiej mógł się rozgrzać badany rezystor, natomiast moc znamionową P 70 C rezystorów ustalono przy temperaturze 70 C. Jak wynika z tabeli badane rezystory pozwalały wydzielić moc rzędu 80 215 mw przy temperaturze pracy ok. 70 C oraz maksymalną moc, przy której ulegały zniszczeniu sięgającą 1 W. Na podstawie powyższych danych stwierdzono, że wbudowane rezystory cienkowarstwowe mogą rozpraszać moc o wartości 100 mw, natomiast polimerowe rezystory grubowarstwowe w granicach 200 mw bez wpływu na ich parametry użytkowe. 8
3. Analiza stabilności długoczasowej i odporności impulsowej rezystorów cienkowarstwowych wbudowanych w płytki obwodów drukowanych - raport z badań wykonanych na Politechnice Wrocławskiej Celem prac przedstawionych w raporcie było określenie stabilności długoczasowej i odporności impulsowej rezystorów cienkowarstwowych wbudowanych w płytki obwodów drukowanych. Rezystory wykonano w technologii OmegaPly (warstwa rezystywna NiP). W celu symulacji elementów wbudowanych struktury testowe pokryto dwoma typami warstw ochronnych (LDP 2x106 i RCC). Dla porównania również badano struktury niepokryte. Do badań stabilności wykorzystano przyśpieszone starzenie, przy czym pomiary w technice Ex-Situ (pomiar w temperaturze pokojowej po przerwaniu narażeń) oraz In-Situ (pomiar w warunkach narażeń). Przy analizie odporności impulsowej uwzględniano wpływ czasu i amplitudy impulsu na zachowanie się rezystorów. Parametry rezystorów jakie brano pod uwagę to: wartość rezystancji powierzchniowej warstwy, geometria i rozmiar rezystora, typ pokrycia, geometria cięcia laserowego. Przeprowadzono także obserwacje mikroskopowe obiektów narażonych impulsowo i poddanych długoczasowemu starzeniu termicznemu. Szczegółowy raport dostępny jest jako integralna część sprawozdania z zadania 6. 9