INSTYTUT TELE- I RADIOTECHNICZNY Centrum Zaawansowanych Technologii Warsztaty Technologia doświadczalna wbudowywania elementów rezystywnych i pojemnościowych wewnątrz płytki drukowanej POIG.01.03.01-00-031/08 Warszawa, 31 maja 2011
Warsztaty Technologia doświadczalna wbudowywania elementów rezystywnych i pojemnościowych wewnątrz płytki drukowanej Do podstawowych powodów konstruowania planarnych podzespołów biernych i wbudowywania ich wewnątrz wielowarstwowej płytki drukowanej naleŝą: zwolnienie powierzchni na warstwach zewnętrznych dla podzespołów czynnych; moŝliwość zwiększenia gęstości upakowania ścieŝek na warstwach zewnętrznych płytki drukowanej; zmniejszenie wymiarów płytki i zmniejszenie liczby warstw; poprawa propagacji sygnałów o wysokiej szybkości narastania i częstotliwości; zmniejszenie liczby podzespołów w montaŝu i tym samym skrócenie czasu montaŝu oraz ułatwienie procesów lutowania i kontroli połączeń lutowanych; poprawa dopasowania impedancyjnego linii; krótsze ścieŝki sygnałowe i zredukowanie szeregowej reaktancji; eliminacja reaktancji induktywnej podzespołów SMT; redukcja przesłuchów, szumu i EMI.
Warsztaty Technologia doświadczalna wbudowywania elementów rezystywnych i pojemnościowych wewnątrz płytki drukowanej Materiały i technologia wytwarzania elementów rezystywnych cienko- i grubowarstwowych
Warsztaty Technologia doświadczalna wbudowywania elementów rezystywnych i pojemnościowych wewnątrz płytki drukowanej Rezystory cienkowarstwowe
Do formowania rezystorów wykorzystywany jest materiał Ohmega-Ply RCM (Resistor Conductor Material) o grubości warstwy rezystywnej 0,4 lub 0,1 µm. Rezystywność tej warstwy wynosi odpowiednio 25 Ω/ lub 100 Ω/. Folia rezystywna jest nałoŝona na laminat FR-4. Cu NiP FR-4 Cu Konstrukcja podłoŝa z jednostronnie naniesioną warstwą rezystywną w systemie Ohmega-Ply RCM
Wygląd warstwy rezystywnej 25 Ω/, mikroskop skaningowy, pow. 500x.
Podstawowe właściwości materiałów systemu Ohmega-Ply RCM jednostronny Typ materiału dwustronny Rezystancja Tolerancja rezystancji Grubość warstwy rezystywnej Maksymalny współczynnik zmiany rezystancji w funkcji temperatury 1R10/1 1R10/1R10 10 Ω / ± 5 % 1,00 µm -50 ppm / C 1R25/1 1R25/1R25 25 Ω / ± 5 % 0,40 µm -50 ppm / C 1R50/1 1R50/1R50 50 Ω / ± 5 % 0,20 µm -60 ppm / C 1A100/1 1R100/1R100 100 Ω / ± 5 % 0,10 µm -80 ppm / C 1A250/1 1R250/1R250 250 Ω / ± 10 % 0,05 µm +100 ppm / C Laminaty mogą być wytwarzane z warstwą rezystywną z jednej lub obu stron. Proponowane podłoŝa obejmują szeroką gamę laminatów epoksydowych o róŝnych temperaturach zeszklenia, laminaty poliimidowe i laminaty bismaleimidowe (BT). Minimalna grubość rdzenia wynosi 0,63 mm. Maksymalna wielkość arkusza Omega-Ply wynosi 900x1180 mm.
Proces wytwarzania rezystorów cienkowarstwowych metodą trawienia warstwy rezystywnej 1. 3. 2. Przygotowanie materiału Nakładanie fotorezystu Definiowanie szerokości rezystora 4. 5. Trawienie miedzi (1 etap) Stripowanie fotorezystu fotorezyst miedź warstwa rezystywna warstwa dielektryczna
Proces wytwarzania rezystorów cienkowarstwowych metodą trawienia warstwy rezystywnej (cd) 6. 7. 8. Trawienie warstwy rezystywnej Nakładanie fotorezystu Definiowanie długości rezystora 9. 10. Trawienie miedzi (2 etap) Stripowanie fotorezystu fotorezyst miedź warstwa rezystywna warstwa dielektryczna
Wartość rezystancji elektrycznej projektowanego rezystora moŝna wyznaczyć na podstawie poniŝszej zaleŝności: gdzie: R zakładana rezystancja rezystora [Ω] ρ rezystywność materiału rezystywnego h grubość warstwy rezystywnej R s rezystywność warstwy rezystywnej [Ω / ] L długość rezystora [j.m.] W szerokość rezystora [j.m.] Co jest równowaŝne: R = R S N gdzie: N liczba kwadratów
Konstrukcje cienkowarstwowych rezystorów wbudowanych Sztabka Wielosztabka Meander współczynnik 0,559
Typowe konstrukcje rezystorów wbudowanych i ich zakładana rezystancja przy zastosowaniu laminatu z warstwą rezystywną 1R25/1-25 Ω/ (a) oraz 1A100/1-100 Ω/ (b) 1,2 kω 1,5 kω 10 Ω 12 Ω 15 Ω 22 Ω 33 Ω 39 Ω 47 Ω 56 Ω 68 Ω 82 Ω 100 Ω 120 Ω 150 Ω 220 Ω 330 Ω 390 Ω 470 Ω 560 Ω 680 Ω 820 Ω 1,0 kω a) Typ konstrukcji rezystora Sztabka Wielosztabka Meander b) 5,6 kω 6,8 kω 22 Ω 33 Ω 39 Ω 47 Ω 56 Ω 68 Ω 82 Ω 100 Ω 120 Ω 150 Ω 220 Ω 330 Ω 390 Ω 470 Ω 560 Ω 680 Ω 820 Ω 1,0 kω 1,2 kω 1,5 kω 2,2 kω 3,3 kω 3,9 kω 4,7 kω Typ konstrukcji rezystora Sztabka Wielosztabka Meander
Topografia panelu testowego z uŝyciem laminatu 1R25/1 25 Ω / (obok podano szerokość rezystorów) 1,40 mm 1,00 mm 0,75 mm 0,33 mm 0,50 mm 0,25 mm
Topografia panelu testowego z uŝyciem laminatu 1A100/1 100 Ω / (obok podano szerokość rezystorów) 1,40 mm 1,00 mm 0,25 mm 0,33 mm 0,75 mm 0,50 mm
Warsztaty Technologia doświadczalna wbudowywania elementów rezystywnych i pojemnościowych wewnątrz płytki drukowanej Rezystory grubowarstwowe
Warsztaty Technologia doświadczalna wbudowywania elementów rezystywnych i pojemnościowych wewnątrz płytki drukowanej Do formowania rezystorów grubowarstwowych wykorzystywane są rezystywne materiały polimerowe. Zapewniają one zakresy rezystancji od 1 Ω/ do 1 MΩ/. Najczęściej są to materiały z wypełniaczem węglowym i grafitowym zawieszonym w Ŝywicy epoksydowej. Dostarczane są w postaci ciekłych past, które nadają się do druku przez sita lub szablony i posiadają stosunkowo niską temperaturę utwardzania.
Podstawowe właściwości past rezystywnych węglowych i węglowo-srebrowych Electra Polymers ED7100 200Ω i ED7500 20Ω i ED7500 5kΩ. Właściwości ED7100 200Ω ED7500 20Ω / ED7500 5kΩ Wypełniacz Proszek węglowy Proszek węglowy Rezystancja Proszek grafitowy 200 Ω/ /25µm Proszek grafitowy Proszek srebrny 20 Ω/ /25µm / 5 kω/ /25µm (200 Ω/ /25µm 1 MΩ/ /25µm) (1 Ω/ /25µm 1 MΩ/ /25µm) Przyczepność Bardzo dobra (spełnia wymagania IPC D-320) Odpowiednia w zastosowaniach na do sztywnych podłóŝ FR4 materiałach FR4, FR3, FR2, CEM1 i CEM3 Proces drukowania Sito: siatka poliestrowa od 55 do 77T. W przypadku wymaganych ścisłych tolerancji rezystancji zaleca się siatkę ze stali nierdzewnej 200 mesh (mniejsze odkształcanie sita). Sito: 200 mesh (siatka stalowa) 195 mesh (siatka poliestrowa) 39 % otwarcia Emulsja na sicie: grubość 25-28 µm Rakla: twardość 70-80 wg. Shore Proces suszenia 10 min. w 160 C lub 15 min. w 140 C Od 5 min do 10 min w 120 C Proces utwardzania Od 1 h do 2,5 h w 150-165 C MoŜna utwardzać w piecu konwekcyjnym (30 min w 150-200 C) lub w piecu tunelowym IR (6 min w 200 C ) Czas Ŝycia 6 miesięcy w temperaturze pokojowej, do 9 miesięcy w lodówce 12 miesięcy w temperaturze pokojowej
Pasty rezystywne i przewodzące firmy Acheson Industries Ltd. stosowane w technologii formowania polimerowych rezystorów grubowarstwowych. Charakterystyka ogólna Nazwa wyrobu Zastosowanie Wypełniacz Rezystancja [Ω/kwadrat/25 µm] Warunki utwardzania Electrodag 976SS HV Electrodag PR-011B Pasta srebrna na skrzyŝowania ścieŝek i do otworów przelotowych (zasysanie próŝniowe) Pasta miedziano-srebrna do wypełniania otworów przelotowych Proszek srebrny <0,025 Suszenie wstępne 70 C/30 min Utwardzanie 150-160 C/30 min Proszek srebrny Proszek miedziany powleczony srebrem <0,035 Suszenie wstępne 70 C/30 min Utwardzanie 150 C/30 min Electrodag PR-406B Standardowa pasta węglowa na skrzyŝowania ścieŝek i i osłonę kontaktów miedzianych Proszek węglowy <10 150 C/30 min Electrodag PR-400 Pasty do nadruku polimerowych Proszek węglowy <30 150 C/30 min Electrodag PR-401B warstw rezystywnych na sztywne podłoŝa z laminatów papierowo-fenolowych i szklano-epoksydowych weglowy/dielektryczny ok. 100 150 C/30 min Electrodag PR-402B weglowy/dielektryczny ok. 1000 150 C/30 min Electrodag PR-403B weglowy/dielektryczny ok. 10 000 150 C/30 min Electrodag PR-404B weglowy/dielektryczny ok. 100 000 150 C/30 min Electrodag PR-405B Proszek dielektryczny > 2 x 10 9 150 C/30 min
Pasty rezystywne i przewodzące firmy Asahi Chemical Research Laboratory, stosowane w technologii polimerowych rezystorów grubowarstwowych. Charakterystyka ogólna. PASTY PRZEWODZĄCE Nazwa materiału LS-506J ACP-051 TU-20S TU-10S Charakterystyka i zastosowanie Dobre przewodnictwo, na wyprowadzenia rezystora Dobre przewodnictwo, miedź lutowna Kontakty klawiszowe i obwody ze skrzyŝowaniami ścieŝek Kontakty klawiszowe i obwody ze skrzyŝowaniami ścieŝek Wypełniacz Proszek srebrny Proszek miedziany Węgiel/grafit Węgiel/grafit Proces utwardzania 150 Cx30 min 150 Cx30 min 150 Cx30 min 150 Cx30 min PASTY REZYSTYWNE Nazwa materiału TU- -5 BTU- -5 BTU- -7 Charakterystyka i zastosowanie Wypalane w wyŝszych temperaturach, zwykle na podłoŝa ceramiczne Rezystory obrotowe na płytkach ceramicznych Czujniki i urządzenia samochodowe o dobrej nieuszkadzalności Proces utwardzania w piecu komorowym 260 Cx5 min 260 Cx5 min 170 Cx1 h
Proces wytwarzania rezystorów grubowarstwowych metodą druku sitowego 1. 2. Wytrawienie mozaiki kontaktów Drukowanie pasty temp. temp. 3. 4. Suszenie Wygrzewanie
Geometria i rodzaj wyprowadzeń 300 µm 50 µm kontakty Cu 50 µm 300 µm W 125 µm kontakty Cu 125 µm A warstwa rezystywna A A W warstwa rezystywna A 350 µm L 200 µm L 350 µm A - A A - A Rezystory nadrukowane na wyprowadzenia miedziane Rezystory nadrukowane na wyprowadzenia miedziane w postaci cienkich ścieŝek
Geometria i rodzaj wyprowadzeń 300 µm 50 µm kontakty Cu pokryte warstwą Ni/Au 125 µm 300 µm 50 µm warstwa przewodząca (srebrowa) kontakt Cu 125 µm W W A warstwa rezystywna A A warstwa rezystywna A A - A 350 µm L Powłoka ochronna NiAu A - A 350 µm 350 µm 300 µm L Rezystory nadrukowane na wyprowadzenia zabezpieczone powłoką Ni/Au. Rezystory nadrukowane na wyprowadzenia srebrowe
UŜyteczne zakresy rezystancji i tolerancja UŜyteczny zakres rezystancji dla rezystorów cienkowarstwowych w przypadku posiadanych materiałów mieści się w przedziale 10 Ω 6,8 k Ω. Biorąc pod uwagę rezystancję dostępnych materiałów cienkowarstwowych OhmegaPly uŝyteczne zakresy rezystancji moŝna rozszerzyć o rezystancje moŝliwe do uzyskania przy pomocy materiału 250 Ω /. Przewidywany zakres maksymalny wynosiłby w tym przypadku 10-22 kω. UŜyteczny zakres rezystancji dla rezystorów grubowarstwowych w przypadku posiadanych materiałów mieści się w przedziale 10Ω 100 kω. Biorąc pod uwagę rezystancję dostępnych materiałów grubowarstwowych uŝyteczne zakresy rezystancji mogą wynosić 1-20 MΩ. Wielkość tolerancji rezystorów cienkowarstwowych wynosi 10%, natomiast grubowarstwowych poniŝej 15%. Stosując korekcję laserową oraz ścisły reŝim technologiczny tolerancja rezystancji rezystorów cienko- i grubowarstwowych wynosi co najmniej 5% (lepsze parametry są moŝliwe do osiągnięcia dla warstwy grubszej 25 Ω / oraz past o mniejszej rezystancji na kwadrat).
Koszt Koszt rezystorów przy $ 0,03 za podzespół przy $ 0,05 za podzespół zsumowanie kosztów małe serie średnio-niskie serie średnio-wysokie serie Centów/in 2 wysokie serie Zagęszczenie podzespołów/in 2
INSTYTUT TELE- I RADIOTECHNICZNY Centrum Zaawansowanych Technologii Technologia doświadczalna wbudowywania elementów rezystywnych pojemnościowych wewnątrz płytki drukowanej POIG.01.03.01-00-031/08 Dziękuję za uwagę