Оптимизация параметров пленочных резисторов, формируемых в диэлектричсеких структурах гибридных многослойных печатных плат

УДК 621.318

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ, ФОРМИРУЕМЫХ В ДИЭЛЕКТРИЧСЕКИХ СТРУКТУРАХ ГИБРИДНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ

ПЛАТ

С А. Донец, ЮН. Чикова, НИ. Шамарина

В работе рассматриваются вопросы оптимизации параметров резисторов, получаемых на основе тонкопленочной и толстопленочной технологий

Ключевые слова: компоненты, материалы, технология, оптимизация

В современных радиоэлектронных средствах широко используются компоненты поверхностного монтажа. Применение пассивных и активных компонентов поверхностного монтажа вместо компонентов с гибкими выводами дает ряд преимуществ радиоэлектронным модулям, которые в значительной степени определяют качество изделий различного назначения [1]. Особенностью развития пассивных компонентов поверхностного монтажа является постоянное уменьшение их размеров, что диктуется процессом микроминиатюризации радиоэлектронных средств, протекающим в последние годы весьма интенсивно. О высокой динамике минимизации компонентов поверхностного монтажа свидетельствуют статистические данные изменения спроса на конденсаторы в период с 1981 по 2005 годы [2]. Так, если в 1988 году наибольшим спросом пользовались конденсаторы поверхностного монтажа с установочным размером на печатной плате, равным 2,15^1,4 мм (типоразмер 0805), то в настоящее время отдается предпочтение другим компонентам, например, типоразмера 0402 (1,1*0,6 мм). По имеющимся прогнозам в ближайшие годы будут доминировать сверхминиатюрные компоненты поверхностного монтажа, в том числе типоразмера 0201 (0,6 *0,3 мм). Указанная тенденция изменения размеров компонентов поверхностного монтажа требует решения двух основных задач.

1. Создание высокоточного технологического оборудования установки компонентов на печатные платы.

2. Обеспечение воспроизводимости структуры паяных соединений. Решение этой задачи становится тем сложнее, чем меньше объемы паяных соединений, которые однозначно зависят от размеров компонентов поверхностного монтажа. Объясняется это тем, что по мере уменьшения доз припоя, наносимых на контактные площадки печатных плат, усиливается влияние многочисленных факторов,

Донец Сергей Анатольевич - ВГТУ, канд. техн. наук, старший преподаватель, тел. (4732) 43-76-13 Чикова Юлия Николаевна - ВГТУ, студент, E-mail: MioRica@yandex.ru

Шамарина Наталья Игоревна - ВГТУ, студент, E-mail: Meletris@yandex.ru

свойственных сложному физико-химическому процессу пайки, вследствие чего в паяных соединениях возникают разного рода структурные дефекты, снижающие их надежность [2]. Поэтому можно полагать, что проблемы производства новых типов сборочно-монтажного оборудования и достижения требуемой надежности более миниатюрных паяных соединений неизбежно будут выступать в качестве главных ограничений тенденции изменения геометрических параметров пассивных компонентов поверхностного монтажа. Эти проблемы становятся незначимыми при встраивании резисторов, конденсаторов и индуктивностей в структуру гибридных многослойных печатных плат [3-5].

В работе [3] изложена технология гибридных многослойных печатных плат с толстопленочными резисторами на основе сплавов Бе-Сг и №-Сг. Предложены два варианта получения резисторов: непосредственно из ленты толщиной 3 мкм и после ее стравливания до 0,2 мкм. При этом удельное поверхностное сопротивление р возрастает от 0,5 до 7 Ом/а Такие значения р позволяют изготавливать только низкоомные резисторы, если они занимают установочную площадь компонентов поверхностного монтажа. Например, при площади 0,18 мм2 (типоразмер 0201) максимальное сопротивление Ям толстопленочного резистора составляет около 360 Ом. Данная величина сопротивления в десятки раз меньше Ям тонкопленочных поверхностно-монтируемых резисторов [6]. Преимущество толстопленочных резисторов, получаемых из резистивных лент, состоит в высокой температурной и временной стабильности сопротивлений. Кроме того, их изготовление базируется на традиционной технологии печатных плат. В связи с этим целесообразна интеграция толстопленочной и тонкопленочной технологий для улучшения функциональных свойств гибридной печатной платы.

Цель настоящей работы - расширение диапазона сопротивлений и оптимизация параметров пленочных резисторов гибридных печатных плат, предназначенных для высокочастотных аналоговых и быстродействующих цифровых радиоэлектронных модулей.

Важнейшими параметрами резисторов, определяющими предельные рабочие частоты аналоговых и быстродействие цифровых устройств, являются паразитные индуктивности ЬП и емкости СП.

Из-за паразитных параметров пользуются моделью реального резистора, изображенной на рис. 1.

Для приближенного расчета Ьп и СП можно пользоваться формулами [8,9].

Я

Ьп

Сп

Рис. 1. Электрическая модель резистора

Полное сопротивление Ъ реального резистора вычисляется по формуле

Ъ =

(Я + ХЬ)ХС я + Хь + Хс

где Я - сопротивление идеального резистора, Ом; Хь=2л™ЬП - индуктивное сопротивление;

ХС1=1/2лЛОп - емкостное сопротивление;

f - частота синусоидального сигнала, Гц; ЬП в генри; СП в фарадах. Чтобы оценить возможность применения реального резистора в различных электрических цепях необходим критерий у=(Я-2)/К Однако у стандартных поверхностно-монтируемых резисторов этот критерий не нормируется, вследствие чего не может быть осуществлено качественное схемотехническое и конструкторское проектирование устройств. В этом отношении пленочные резисторы гибридных печатных плат выгодно отличаются от поверхностно-монтируемых резисторов, поскольку возможна оценка величин ЬП и СП и их корректировка в процессе проектирования топологии гибридной печатной платы.

Пленочные резисторы подразделяются на линейные и криволинейные типа «меандр». Прямолинейные резисторы просты по конструктивному исполнению и более надежны, чем криволинейные резисторы. Эти отличительные признаки послужили основанием для использования в гибридных печатных платах резисторов первого типа (рис. 2).

1 2

2 1

Рис. 2. Конструктивное исполнение резистора: 1 - печатный проводник; 2 - вывод резистора; 3 - резистивный элемент; 4 - слой диэлектрика

При фотолитографическом варианте осаждения тонких пленок Ьі=0,1 мм [7].

Ьп = ^0» 2р

2Ь 1 _

------+ —) ,Гн,

w +1 2

сп ="

0,55 е Ь

1»

1,9Ь

•10-10, Ф,

v0,8w+1,

где ц0=4п -10-/ - магнитная постоянная; Ь - длина резистора, м; w и 1 - ширина и толщина резистивного элемента, м; е - диэлектрическая проницаемость материала изоляционных слоев платы; И - толщина (м) двух слоев диэлектрика полосковой линии, между которыми размещен резистор (рис. 3).

1

Рис. 3. Поперечное сечение полосковой линии: 1 - проводящие покрытия; 2 - слои диэлектрика; 3 - резистор

Сопротивление резистора находится из выражения:

Ь - 2Ь1

w

= сК

ф'

где ру - удельное объемное сопротивление резистивного материала, Ом• м; Кф=(Ь-2Ь1)М - число квадратов пленки.

Известно достаточно много материалов, пригодных для получения тонкопленочных резисторов. Наибольшее распространение получили нихром (20 % Сг и 80 % N1) и силициды хрома, железа, никеля и других металлов, отличающиеся р и температурным коэффициентом сопротивления а [10, 11]. Свойства нихрома и лучших силицидов приведены в табл. 1.

Таблица 1 Свойства резистивных материалов

Наименование и марка материала р, Ом/^ 0 ъ о

Нихром 70 25

Силицид РС4206 1000 50

Силицид РС2005 80000 1200

Значения р соответствует толщине резистивной пленки, равной примерно 0,02 мкм.

3

Для изготовления качественных резисторов особое значение имеют свойства диэлектриков, на которые осаждаются резистивные пленки. Эти материалы должны обладать следующими свойствами.

1. Кроме предельно малой диэлектрической проницаемости, слабо выраженной ее температурной зависимостью. Термостабильность е особенно важна при эксплуатации гибридной печатной платы в жестких климатических условиях, так как колебания температуры окружающей среды в широком интервале могут привести к существенному изменению СП и, соответственно, критерия у.

2. Влагостойкостью, исключающей коррозионное разрушение резисторов под действием влаги окружающей среды.

3. Коэффициентом термического расширения Og , меньшим коэффициента термического расширения материала резистивной пленки ап. Если ag > ап, то при нагревании в резистивной пленке возникают растягивающие напряжения:

у =^g - бп) ЕДТ,

где Е - модуль упругости материала пленки; ДТ - разность температур.

При с большем предела прочности пленки в резистивном элементе будут образовываться трещины.

4. Теплостойкостью, достаточной для предотвращения деградации подложки во время реализации тонкопленочной технологии и обусловленных этим явлением структурных дефектов резистивной пленки. Если резистивные пленки осаждаются ионно-лучевым, магнетронным или катодным методами, то максимальная рабочая температура диэлектрика должна быть не ниже 2000С. К наиболее теплостойким материалам относятся отечественный стеклотекстолит СФВН (е = 4,7 на частоте 1 МГц) и диэлектрики, разработанные зарубежными фирмами [1,12-14]). Среди них полностью удовлетворяет перечисленным требованиям диэлектрик RO 3003 фирмы Rogers с ag, близким к коэффициентам термического расширения меди и резистивных материалов. Ему присуща высокая влагостойкость и способность выдерживать тепловые перегрузки при 2800С в течение длительного времени. Диэлектрик RO 3003 имеет е = 3 , практически не изменяющуюся в области температур от - 600С до 1300С и в диапазоне частот до 10 ГГц.

Как следует из выражений (1) - (4) и табл. 1, задача оптимизации параметров резисторов может быть решена путем выбора резистивных материалов и варьирования величинами е, w и h. Исходя из изложенных требований к диэлектрикам и учитывая, что увеличение h нежелательно с точки зрения получения как можно меньшей толщины гибридной печатной платы, примем ширину резистивной пленки в качестве переменной величины, определяющей частотную зависимость у резисторов разных номиналов.

На рис. 4 представлены зависимости y=F(f) резистора сопротивлением 50 Ом, выполненного из материалов с pv = 70 Ом/^ и размещенного между диэлектрическими слоями толщиной 0,1 мм.

Рис. 4. Частотные зависимости у при ширине резистивного элемента: 0 , 3 мм ( 1 ), 0 ,2 мм (2), 0,14 мм (3), 0 , 1 мм (4 ) и 0 ,0 5 мм ( 5 ) .

Видно, что при ширине резистивного элемента

0,05 мм, 0,1 мм, 0,2 мм и 0,3 мм увеличение частоты свыше 100 МГц сопровождается возрастанием критерия у в области его положительных и отрицательных значений. Оптимальной является ширина резистивного элемента 0,14 мм, при которой критерий у слабо зависит от частоты до 20 ГГц. Такой характер изменения зависимостей у=Рф обусловлен перераспределением вкладов Хь и ХС в полное сопротивление резистора.

Резисторы с сопротивлением 50 Ом часто используют в качестве нагрузки печатных линий передачи аналоговых и цифровых сигналов. Одним из основных требований к нагрузочным резисторам является частотная независимость сопротивлений. В случае импульсных сигналов верхняя граничная частота спектра определяется по формуле [15]

^ = '0Г,

где тФ - длительность фронтов сигнала, с. В быстродействующих цифровых системах длительность фронтов сигнала может составлять доли наносекунд и менее. Если, например, фф = 0,05 нс, то £р равна

10 ГГц. Очевидно, нагрузочный резистор на частоте £р должен иметь возможно меньшее у, в противном случае будет происходить искажение формы импульсного сигнала.

Следует отметить, что нагрузочные резисторы могут быть изготовлены из резистивных лент для линий передачи, работающих на более низких частотах. Причина этого ограничения связана с тем, что значения ЬП и СП у толстопленочных резисторов больше, чем у тонкопленочных резисторов.

При проектировании гибридной печатной платы надо иметь ввиду наличие связи между номиналом резистора и граничной частотой, соответсвую-щей определенному значению критерия у. В качестве примера в табл. 2 указанны £р для разных номиналов резисторов при у = 0,1 и w = 0,14 мм.

Таблица 2

Граничные частоты резисторов___________

p, Ом/^ R, Ом ц ,Г a <4-f

1000 4,2-108

70 10000 6,5-105

100000 7-103

1000 3,5109

1000 10000 8,5-106

100000 9,2-103

1000000 1103

80000 100000 3,5106

1000000 6,7-104

Определяющим фактором £р является, в основном, отношение Я/ХС. Так как емкостное сопротивление подключено параллельно Я, то в соответствии с выражением (1) увеличение номинала резистора приводит к снижению граничной частоты при прочих равных условиях. Из табл. 2 следует, что используя вышеупомянутые резистивные материалы, можно обеспечить проектирование пленочных резисторов для многих приложений.

Важность полученных результатов проиллюстрируем сравнением кривой 3 на рис. 4 с данными исследования частотной зависимости 2/Я нескольких типов резисторов с номинальным сопротивлением 50 Ом [16]. Лучшие частотные характеристики 2/Я получены у резисторов ММА 0204 ИБ и ММи 0102 ИБ, отличающихся от обычных поверхностно-монтируемых резисторов тем, что для достижения минимальной паразитной индуктивности в них применена «импульсная» топология формирования резистивных элементов. Критерий у этих резисторов находится в пределах от 0,5 до 0,8 на частоте 20 ГГц, т.е. в десятки раз превышает его значение при оптимальной ширине резистивного элемента (кривая 3).

Литература

1. Донец А. М. Проектирование технологических процессов изготовления радиоэлектронных модулей: учеб. пособие/А.М. Донец, С. А. Донец. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2005. - 145 с.

2. Нинг-Ченг Ли. Технология пайки оплавлением, поиск и устранение дефектов: поверхностный монтаж, BGA, CSP и FLIP CHIP технологии/ Нинг-Ченг Ли. - М.: издательский дом «Технологии», 2006. - 392 с.

3. Муратов А. В. Технология гибридных многослойных печатных плат с металлическими резисторами/А. В. Муратов, С. А. Донец, Н. Ю. Жукова//Автоматизация и современные технологии. 2008. № 12. - С. 20-23.

4. Муратов А. В. Проектирование и технология многослойных печатных плат со встроенными конденсаторами/А. В. Муратов, С. А. Донец, Н. Ю. Жукова//Проекти-рование и технология электронных средств. 2006. №4. -С. 20-25.

5. Муратов А. В. Проектирование и технология многослойных печатных плат со встроенными катушками индуктивности/А. В. Муратов, С. А. Донец, Н. Ю. Жуко-ва//Вестник Воронежского государственного технического университета. 2007. Том 3. № 4. - С. 14 - 19.

6. http://www.compitech.ru/ html.cgi/arhiv/02_08/staat 34.htm.

7. http://www.tech-e.ru/2007_ 2_64.php.

8. Калантаров П. Л. Расчет индуктивностей/П.Л. Ка-лантаров, Л. А. Цейтлин. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. -488 с.

9. Кечиев Л. Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры/Л. Н. Кечиев. - М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. - 616 с.

10. http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/03_04/stat_ 16.htm.

11. http://elanina.narod.ru/lanina/index.files/student/teh-nology/ text /page14.htm.

12. http://www.eltm.ru/index.sema=pagesid=224.

13. http://www.rogerscorp.com/ acm/literature.aspx.

14. http://www.komp-leckt.ru.

15. Говард Джонсон. Конструирование высокорост-ных цифровых устройств: начальный курс черной магии: Пер. с англ. - М.: издательский дом «Вильямс», 2006. -624 с.

16.http://www.chipnews.ru/html.cgi/arhiv/00_10/stat_ 32.htm.

Воронежский государственный технический университет CHARACTERISTICS OPTIMIZATION OF FILM RESISTORS, WHICH ORGANIZED IN DIELECTRIC STRUCTURES OF MULTILAYER HYBRID PRINTER CIRCUIT BOARD S.A. Donets, U.N. Chikova, N.I. Shamarina

This article submits for consideration questions of characteristics optimization of resistors, which organized on basis of thin-film and thick-film technology

Keywords: components, materials, technology, optimization