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 zostaną wykonywane technologią sekwencyjnego nabudowywania warstw. 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

Podstawowe właściwości materiałów systemu Ohmega-Ply® RCM Typ materiału (jednostronny ; dwustronny) Rezystywność Tolerancja rezystywności 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 / □ 0,40 µm 1R50/1 ; 1R50/1R50 50 Ω / □ 0,20 µm -60 ppm / °C 1A100/1 ; 1R100/1R100 100 Ω / □ 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. Przygotowanie materiału 2. Nakładanie fotorezystu 3. Definiowanie szerokości rezystora 4. Trawienie miedzi (1 etap) 5. Stripowanie fotorezystu fotorezyst miedź warstwa rezystywna warstwa dielektryczna

Proces wytwarzania rezystorów cienkowarstwowych metodą trawienia warstwy rezystywnej (cd) 6. Trawienie warstwy rezystywnej 7. Nakładanie fotorezystu 8. Definiowanie długości rezystora 9. Trawienie miedzi (2 etap) 10. 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: 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.

40 dm3 roztworu trawiącego 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 Grzałka Trawiona płytka 40 dm3 roztworu trawiącego Stanowisko laboratoryjne do trawienia warstwy rezystywnej NiP

Drugi proces fotochemiczny Drugi proces fotochemiczny przebiegał podobnie jak pierwszy; przygotowywano powierzchnię miedzi do nakładania fotopolimeru (usunięcie 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 Prasowanie płytki czterowarstwowej z RCC

Prasowanie płytki sześciowarstwowej z RCC

Prasowanie płytki czterowarstwowej z preimpregnatem 1080

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   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.

realizowany jest w ramach 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.