Transcript Prezentacja multimedialna

INSTYTUT TELE- I RADIOTECHNICZNY
Centrum Zaawansowanych Technologii
Technologia doświadczalna wbudowywania elementów rezystywnych
i pojemnościowych wewnątrz płytki drukowanej
POIG.01.03.01-00-031/08
Opracowanie podstaw technologicznych i konstrukcyjnych wbudowanych rezystorów
cienkowarstwowych
mgr inż. Wojciech Stęplewski
dr inż. Janusz Borecki
dr Grażyna Kozioł
mgr inż. Halina Hackiewicz
Przyjęto następujące założenia:
1.Do formowania rezystorów zostanie wykorzystany materiał Ohmega-Ply® RCM
o grubości warstwy rezystywnej 0,4 lub 0,1 µm. Rezystywność tej warstwy
wynosi odpowiednio 25Ω/□ lub 100Ω/□. Folia rezystywna jest nałożona na
laminat FR-4.
2.Płytki drukowane z wbudowanymi rezystorami planarnymi
wykonywane technologią sekwencyjnego nabudowywania warstw.
zostaną
3.Ocena jakości wytworzonych rezystorów wbudowanych będzie prowadzona
w oparciu o:
 kontrolę mikroskopową topografii rezystorów
 pomiary rezystancji elektrycznej rezystorów.
4.Próby doświadczalne, w części dotyczącej formowania rezystorów, będą
prowadzone w warunkach laboratoryjnych, natomiast w zakresie wytwarzania
płytek, na urządzeniach produkcyjnych będących na wyposażeniu Zakładu C1 Centrum Innowacji Technologii Płytek Drukowanych Instytutu Tele- i
Radiotechnicznego
Ohmega-Ply® RCM (Resistor-Conductive Material)
Cu
NiP
FR-4
Cu
Podstawowe właściwości materiałów systemu Ohmega-Ply® RCM
Typ materiału
Tolerancja Grubość warstwy
Rezystywność
(jednostronny ; dwustronny)
rezystywności
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
Proces wytwarzania rezystorów cienkowarstwowych
metodą trawienia warstwy rezystywnej
1.
3.
2.
Nakładanie fotorezystu
Przygotowanie materiału
4.
Definiowanie szerokości
rezystora
5.
Trawienie miedzi
(1 etap)
Stripowanie fotorezystu
fotorezyst
miedź
warstwa
rezystywna
warstwa
dielektryczna
Proces wytwarzania rezystorów cienkowarstwowych
metodą trawienia warstwy rezystywnej (cd)
6.
7.
Nakładanie fotorezystu
Trawienie warstwy rezystywnej
9.
8.
Definiowanie długości
rezystora
10.
Trawienie miedzi
(2 etap)
Stripowanie fotorezystu
fotorezyst
miedź
warstwa
rezystywna
warstwa
dielektryczna
Wartość rezystancji elektrycznej projektowanego rezystora można wyznaczyć
na podstawie poniższej zależności:
gdzie:
R – zakładana rezystancja rezystora [Ω]
ρ – rezystywność materiału rezystywnego
h – grubość warstwy rezystywnej
Rs – rezystywność warstwy rezystywnej [Ω / □]
L – długość rezystora [j.m.]
W – szerokość rezystora [j.m.]
Co jest równoważne:
R  RS  N
gdzie:
N – liczba kwadratów
Konstrukcje cienkowarstwowych rezystorów wbudowanych
Sztabka
Wielosztabka
Meander
Badania
doświadczalne
procesu
wbudowywania
rezystorów
wewnątrz
płytki
drukowanej były oparte na próbach wytwarzania rezystorów o różnej konstrukcji.
Zaprojektowano płytkę testową z różną budową rezystora (sztabka, wielosztabka,
meander), płytkę z rezystorami o różnej orientacji oraz płytkę zawierającą różną
geometrię wyprowadzeń rezystorów. W celu otrzymania płytek wielowarstwowych
założono, że projekty będą wykonywane techniką sekwencyjnego nakładania warstw.
W projektach zastosowano również mikropołączenia pomiędzy kolejnymi warstwami
w tym mikropołączenia wewnętrzne. Mikrootwory zostały wykonane techniką laserową.
Złożeniowy panel produkcyjny z podstawowymi konstrukcjami rezystorów w różnej skali
(sztabka, wielosztabka i meander o szerokości: 1,40 mm; 1,00 mm; 0,75 mm; 0,50 mm; 0,33 mm i 0,25 mm)
Topografia płytki testowej
(warstwa wewnętrzna) do badań budowy i
orientacji rezystorów wbudowanych
Topografia płytki testowej (warstwa wewnętrzna)
sposobów formowania i geometrii wyprowadzeń
rezystorów oraz mikropołączeń wewnętrznych
Pierwszy procesu fotochemiczny
Po nałożeniu fotopolimeru wykonywano naświetlanie w automatycznej kopioramie
światłem skolimowanym o energii 35 mJ/cm2. Proces wywoływania wykonywano w
urządzeniu z natryskiem roztworu węglanu sodu (Na2CO3) o stężeniu 1,0 % wag. w
temperaturze 30 °C. Czas dobierano tak aby całkowite zmycie z płytki nie
naświetlonego fotopolimeru następowało w połowie komory wywołującej tj. ok.
5060% długości komory wywołującej. Na koniec przeprowadzana była kontrola
wywołanego obrazu pod kątem szerokości ścieżek utwardzonego fotopolimeru,
występowania ewentualnych wad w postaci otworów szpilkowych i nieliniowości
krawędzi. Zdefiniowana fotopolimerem mozaika definiuje szerokość rezystora.
Pierwszy proces trawienia miedzi i stripowanie fotorezystu
Proces trawienia polegający na usunięciu miedzi z miejsc niezabezpieczonych
rezystem wykonywano w amoniakalnym roztworze miedzi w urządzeniu
produkcyjnym Schmid Combi Etch. Przed procesem trawienia sprawdzano skład
chemiczny roztworu, temperaturę oraz pH, tak aby wszystkie te parametry
mieściły się w zalecanym zakresie: temperatura roztworu 43-44C, pH 8,2-8,8
(optymalne 8,4), ciężar właściwy roztworu 1,20-1,22 g/cm3. Skład roztworu:
roztwór wodny amoniaku 5-10%, chlorek amonu 20-25%. Parametrem, którym
sterowano, aby otrzymać optymalną szybkość trawienia była prędkość
przesuwu transportera. Odpowiednio ustawiając wartość tego parametru
dążono do uzyskania zaplanowanej szerokości ścieżek mozaiki. W trawiarce
wytrawiano najpierw płytkę testową, której mozaikę mierzono następnie na
mikroskopie metalograficznym. Regulowano prędkość przesuwu transportera
tak aby uzyskać zaplanowane szerokości linii na płytce testowej z dokładnością
do 1m.
Opracowanie procesu trawienia warstwy rezystywnej
Proces trawienia warstwy rezystywnej NiP opracowano w oparciu o zalecenia producenta laminatu.
Skład roztworu trawiącego zawiera pięciowodny siarczan miedzi w ilości 250g/dm3 z dodatkiem 2ml/dm3
stężonego kwasu siarkowego. Temperatura roztworu trawiącego powinna wynosić 94 ± 2 °C. Czas
prowadzenia procesu trawienia powinien zawierać się w przedziale kilku minut i uzależniony jest od
grubości warstwy rezystywnej.
~ 230 V
Termometr
stykowy
40 dm3
roztworu
trawiącego
Trawiona
płytka
Grzałka
Stanowisko laboratoryjne do trawienia warstwy rezystywnej NiP
Drugi proces fotochemiczny
Drugi proces fotochemiczny przebiegał podobnie jak pierwszy; przygotowywano
powierzchnię
miedzi
do
nakładania
(usunięcie
fotopolimeru
tlenków,
zanieczyszczeń, rozwinięcie powierzchni), nakładano fotopolimer i dokonywano
naświetlania. Po naświetlaniu sprawdzano poprawność naświetlenia mozaiki
metodą
analizy
optycznej
okiem
nieuzbrojonym
i
za
pomocą
lupy
o powiększeniu 5x. Kontrola na tym etapie jest wymagana, ponieważ
szczególnie przy najmniejszych rezystorach (szerokość poniżej 0,75 mm)
przesunięcia mogłyby w kolejnym procesie trawienia miedzi powodować
niedotrawienia lub przetrawienia co negatywnie wpływałoby na dokładność
rezystancji rezystora.
Drugi proces trawienia miedzi i stripowanie fotorezystu
Drugi proces trawienia miedzi przebiegał w identyczny sposób jak pierwszy, czyli po
ustawieniu optymalnych parametrów roztworu trawiącego wykonywano trawienie
testowe, dobierano optymalną prędkość przesuwu transportera i trawiono formatki
technologiczne. Po usunięciu fotorezystu wykonywano obserwacje optyczne i
pomiary
na
mikroskopie
metalograficznym
jakości
i
długości
uzyskanych
rezystorów. Dokładność trawienia, w oparciu o pomiary geometrii ścieżek na płytce
testowej, uzyskiwano na podobnym poziomie jak w pierwszym procesie trawienia
miedzi. Dokładny pomiar długości rezystorów na mikroskopie metalograficznym z
podziałką był niemożliwy ze względu na ograniczone pole widzenia mikroskopu
przy wymaganym powiększeniu. Po procesie trawienia na stanowisku do pomiarów
elektrycznych kontrolowano rezystancję elektryczną wytypowanych rezystorów.
Proces nakładania tlenków miedzi
Przed procesem prasowania należy przygotować powierzchnie miedzi w celu
zapewnienia dobrego przylegania naprasowywanej warstwy preimpregnatu.
Standardowo stosuje się tutaj dwa procesy: pumeksowanie (zastępowane
mikrotrawieniem) oraz wytwarzanie na powierzchni miedzi tlenków w procesie
chemicznym. W przypadku rezystorów cienkowarstwowych zastosowanie
pumeksowania jest niedozwolone ze względu na uszkodzenia mechaniczne
warstwy rezystywnej powodowane przez ten proces.
Proces prasowania
RCC
RCC
RCM
RCM
temp.
ciśnienie
FR-4
Rezystor
RCC
Prasowanie płytki czterowarstwowej z RCC
FR-4
Rezystor
RCC
RCC
RCC
RCM
RCM
FR-4
temp.
ciśnienie
FR-4
Rezystor
RCC
Rezystor
RCC
RCC
RCC
RCC
RCC
RCM
FR-4
RCM
temp.
ciśnienie
Rezystor
RCC
FR-4
Rezystor
RCC
RCC
RCC
Prasowanie płytki sześciowarstwowej z RCC
Cu
1080
Cu
1080
RCM
RCM
FR-4
temp.
ciśnienie
Rezystor
1080
Cu
Prasowanie płytki czterowarstwowej z preimpregnatem 1080
FR-4
Rezystor
1080
Cu
Wygląd warstwy rezystywnej 25 Ω/□, mikroskop optyczny, pow. 1000x
Wygląd warstwy rezystywnej 100 Ω/□, mikroskop optyczny, pow. 1000x
Wygląd warstwy rezystywnej 25 Ω/□, mikroskop skaningowy, pow. 500x
Wygląd warstwy rezystywnej 25 Ω/□, mikroskop skaningowy, pow. 3000x
Wygląd warstwy rezystywnej 100 Ω/□, mikroskop skaningowy, pow. 3000x
Badania modeli płytek z wbudowanymi rezystorami
Rezystory w obudowach
dyskretnych (SMT)
podlegające zastąpieniu
przez elementy
rezystancyjne
wbudowane wewnątrz
płytki drukowanej
Topografia mozaiki modelowej płytki drukowanej, strona TOP
Topografia mozaiki modelowej płytki drukowanej, strona BOTTOM
8 x 45 Ω
8 x 27 Ω
Konfiguracja rezystorów cienkowarstwowych 27 Ω i 45 Ω na stronie TOP
33 Ω
22 Ω
Konfiguracja rezystorów cienkowarstwowych 22 Ω i 33 Ω na stronie BOTTOM
Podsumowanie
Na końcową wartość rezystancji ma wpływ bardzo wiele czynników, przede
wszystkim jest to dokładność odwzorowania parametrów geometrycznych rezystora,
ale także mechaniczne i cieplne narażenia podczas procesu prasowania. Dużą
dokładność wymiarową rezystora można uzyskać optymalizując procesy trawienia
poprzez zastosowanie płytek testowych, a uwzględnienie współczynników zmiany
rezystancji podczas prasowania daje możliwość zaprojektowania rezystora tak, aby
jego rezystancja po prasowaniu mieściła się w pożądanym zakresie tolerancji.
Projekt: „Technologia doświadczalna wbudowywania elementów
rezystywnych i pojemnościowych wewnątrz płytki drukowanej”
Nr UDA-POIG.01.03.01-14-1031/08-00
realizowany jest w ramach
Programu Operacyjnego 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.