VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV MIKROELKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF MICROELECTRONICS MĚŘENÍ TEPLOTNÍHO KOEFICIENTU ODPORU TLUSTÝCH VRSTEV THE TCR MEASUREMENT OF THICK-FILM LAYERS BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE DAVID POLÁŠEK AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR BRNO 2011 ING. MARTIN ADÁMEK PH.D.
2
Prohlášení Prohlašuji, že svoji bakalářskou práci na téma Měření teplotního koeficientu odporu tlustých vrstev jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne 16. prosince 2010... podpis autora Poděkování Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Martinu Adámkovi, Ph.D. za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování projektu. V Brně dne 16. prosince 2010... podpis autora 3
Klíčová slova: Tenká vrtsva, tlustá vrstva, teplotní koeficient odporu TKR, čtyřbodová metoda měření Key words: Thin film, thick film, temperature coefficient of resistance TCR, four point measurement method Anotace: Práce se zabývá metodami měření teplotního koeficientu odporu tlustovrstvých past v technologii tlusté vrstvy, která je jednou ze základních mikroelektronických technologii. Vrstvové technologie jsou popsány v úvodní části práce, která je zaměřená na výrobu vlastních vrstev. Teplotní koeficient odporu, jeho výpočet, návrh vzorku pro měření, návrh metodiky pro měření a testování měření teplotního koeficientu odporu jsou uvedeny v další části práce. Annotation: The work focuses on measurement methods of temperature coefficient of resistance of thick-filmed paste in thick-film technology, which is one of basic mikroelectronic technologies. Layer technologies are described in the beginning of the essay, where I focus on production of my own layers. The temperature coefficient of resistance, its calculation, design of sample for measurement, procedure of measurement and testing of measuring temperature coefficient of resistance are mentioned in the following part of the essay. 4
Obsah Úvod... 8 1.Mikroelektronické technologie... 9 1.1.Tenké vrstvy... 9 a)vakuové napařování...10 b)katodové naprašování...11 1.2.Tlusté vrstvy...12 a)pasty pro tvorby tlustých vrstev... 12 b)nanášení tlustovrstvých past... 13 c)vlastnosti a výroba sít... 15 d)navrhová doporučení pro vytvoření tusté vrstev... 17 2.Teplotní koeficient odporu TKR... 20 2.1.Výpočet teplotního koeficientu odporu... 20 2.2.Návrh odporového monitoru... 22 2.3. Návh metody měření teplotního koeficientu odporu... 24 2.4. Měření teplotního koeficientu odporu... 27 3.Závěr... 39 Seznam použité literatury... 40 5
Seznam obrázků Obr. 1.1 Základní princip vakuového napařování...10 Obr. 1.2 Základní princip katodového naprašování...12 Obr. 1.3 Proces sitotisku... 13 Obr. 1.4 Zjednodušený pohled na tlstovrstvou struktůru...14 Obr. 1.5 Teplotní profil pro výpal tlustovrstvých past... 15 Obr. 1.6 Znázornění parametrů síta... 16 Obr. 1.7 Znázornění sitotiskových šablon... 17 Obr. 1.8 Základní navrhová pravidla... 19 Obr. 2.1 Tlustovrstvý odpor... 22 Obr. 2.2 Navrhovaný odporový monitor...24 Obr. 2.3 Foto natisklého a vypáleného odporového monitoru... 24 Obr. 2.4 Měřící hlava pro čtyřbodovou metodu... 25 Obr. 2.5 Měřící hlava s ramenem... 25 Obr. 2.6 Měřící stanoviště... 26 Obr. 2.7 Teplotních závislost odporu pasta R15... 27 Obr. 2.8 Teplotních závislost odporu pasta R16... 28 Obr. 2.9 Teplotních závislost odporu pasta R19... 29 Obr. 2.10 Teplotních závislost odporu pasta R1... 30 Obr. 2.11 Teplotních závislost odporu pasta R35... 31 Obr. 2.12 Teplotních závislost odporu pasta R15... 32 Obr. 2.13 Teplotních závislost odporu pasta R16... 33 Obr. 2.14 Teplotních závislost odporu pasta R19... 34 Obr. 2.15 Teplotních závislost odporu pasta R1... 35 Obr. 2.16 Teplotních závislost odporu pasta R35... 36 Obr. 2.8 Teplotních závislost odporu pasta R15... 37 6
Seznam tabulek Tab.1 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R15... 27 Tab.2 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R16... 28 Tab.3 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R19... 29 Tab.4 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R1... 30 Tab.5 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R35... 31 Tab.6 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R15... 32 Tab.7 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R16... 33 Tab.8 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R19... 34 Tab.9 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R1... 35 Tab.10 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R35... 36 Tab.11 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pro pastu R15... 37 Tab.12 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pro pastu R16... 37 Tab.13 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pro pastu R19... 37 Tab.14 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pro pastu R1... 37 Tab.15 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pro pastu R35... 38 7
Úvod V posledních letech dochází k rozvoji elektroniky ve všech oblastech lidské tvorby a tudíž se i zvyššují nároky na elektronická zařízení. S rostoucími požadavky na spolehlivost elektronických obvodů a stálost parametrů elektronických součástek je třeba zlepšovat parametry výrobních technologií. Miniaturizace elektronických systémů vede rovněž k vylepšování stávajících výrobních technologií a k tvorbě zcela nových technologií. S nástupem integrovaných obvodů se do popředí dostaly vrstvové technologie a to tlustovrstvé a tenkovrsvé. Dále došlo k rozvoji hybridních integrovaných obvodu a s tím související miniaturizace některých elektronických součástek. Vysoké nároky jsou také kladeny na metody měření a proto i na návrh metod měření a na výrobu měřících vzorku. V neposlední řadě ovšem i na návrh a výrobu přípravku pro měření nebo zdokonalování stávajících přípravku pro měření. Mezi parametry měření taky patří dodržení stabilních definovaných parametrů po dobu měření. V práci se čtenář postupně seznámí s některými mikroelektronickými technologiemi a to hlavně s vrstvovými technologiemi, které jsou postupně rozebrány v první části práce. V další části práce je čtenář postupně seznámen s pojmem teplotní koeficinet odporu. Určitá část práce je zaměřena na měření teplotního koeficientu odporu a návrhu metody meření. Navržena metoda je posléze otestována na vybraných odporech, které se nacházejí na navrženém odporovém monitoru. V neposlední řadě se práce zabývá i návrhem vzorku pro měření teplotního koeficientu odporu a samozřejmě i jeho výpočtem. 8
1.Mikroelektronické technologie Průmyslové odvětví elektroniky se vyznačuje nespočetným množstvím nových vyvojových trendů, jež jsou založeny na řadě nových technologií, které určují to, že se výrobky stále přibližují požadavkům trhu. Zákazník se stáva prvním článkem určujícím trendy. Mikroelektronické technologie tvoří základní aplikační a realizační část elektronických systémů. Představitelem mikroelektronických technologii jsou polovodičové a vrstvové technologie které jsou charakteristické svojí strukturou, jenž se vyznačuje definovanou tloušťkou vrstvy. Tato tloušťka má zasadní význam pro konečné vlastnosti. Základním rysem je přitom postupné nanášení jednotlivých vrstev vodivých, odporových a dielekrických na povrch nosného izolačního materiálu požadovaného rozměru, nazývaného substrát, jenž tvoří zakladní nosnou část vytvářeného obvodu. Materiálem substrátu jsou převážně keramické hmoty, pro většinu aplikaci korund (Al2O3), případně AlN nebo také BeO. Používají se i ocelové substráty s glazurou na povrchu, které jsou levnější a pro některé aplikace flexibilnější.[3] Podle toho jak se vrstvy nanášeji, jakou mají výslednou strukturu a jakou mají hloubky vrstvy dělíme technologie na: Tenkovrstvá (styl nanášení vakuové napařování, katodové naprašování, hloubka vrstvy desetiny μm) Tlustovrstvá (styl nanášení sítotisk, šablonový tisk, hloubka vrstvy jednotky až desitky μm) 1.1.Tenké vrstvy Tenké vrstvy jsou amorfní, polykrystalické nebo monokrystalické struktury. Nejčastěji se vytvářejí řízeným nanášením ve vakuovém prostředí pomocí fyzikálních metod napařování nebo naprašování. V případě kdy je třeba nanášet materiál jen cíleně se používá k dané metodě ještě maskování pomocí fotorezistu. Tloušťka tenkých vrstev se pohybuje v rozmezí desetin až jednotek μm. 9
a) Vakuové napařování Vakuové napařování se provádí v uzavřeném prostoru nejčastěji zvonového nebo kabinového tvaru z něhož je odčerpán vzduch, aby došlo po zahřátí nanášeného materiálu k uvolnění molekul jak je znázorněno na obr. 1.1. Fyzikální podstatou vakuového napařování je uvolnění molekul napařovaného materiálu důsledkem jeho zahřívání v uzavřeném systému. V něm se ustanoví rovnovážný tlak nazývaný tenze nasycených par. Dojde-li k porušení rovnováhy systému v uzavřeném prostoru a v určitém místě je teplota nižší, dochází v tomto místě ke kondenzaci par. Tím se vytváří podmínky pro přenos materiálu z místa s nejvyžší teplotou, tedy z výparníku, na chladnější substrát (podložku). Na něm dochází ke kondenzaci par, a tím i k růstu zárodků odpařovaného materiálu, tvoření ostrůvků až do vytvoření souvislé vrstvy. Aby dráha vypařovaných částic byla přímočará a střední volná dráha molekul co nejdelší, probíhá celý proces ve vakuu (10-4 až 10-6 Pa). [3] Obr. 1.1 Základní princip vakuového napařování. Pravděpodobnost p, že se částice dostanou z výparníku na substrát [3]: d p[1 exp ] Kde: (1.1) d je vzdálenost (dráha), kterou musí urazit molekuly, λ je střední volná dráha molekul. 10
Odpařování materiálu z výparníku může probíhat pomocí energie získané např. odporovým ohřevem, ohřebem iontovým svazkem, vysokofrekvenčním ohřevem, molekulovým svazkem. Počet částic Nv odpařených za jednotku času z jednotkové plochy je roven [3]: 22 1 / 2 (1.2) N v 3,5 10 pn / M T Kde: pn je rovnovážný tlak, M je molekulární hmotnost, T je teplota. Nejčastěji napařované materiály jsou Al, Au, Cr, NiPt, Ti, Be, Ag. b) Katodové naprašování Princip katodového naprašování je založen na fyzikálním ději využívajícím uvolňování částic materiálu umístěného jako katoda, který se nachází v uzavřeném systému, v němž působí doutnavý výboj, za přítomnosti přívaděného inertního plynu a při sníženém tlaku v tomto prostoru. V doutnavém výboji není potenciál mezi elektrodami rozložen rovnoměrně, ale vytváří u katody strmou část tzv. katodový spád. V důsledku tohoto katodového spádu jsou přiváděné kladné ionty inertního plynu urychlovány tak, že dopadají na katodu a vyráží z ní částice naprašovaného materiálu, jež se šíří prostorem a usazují se na anodě na vhodně umístěných substrátech, na nichž vzniká tenká vrstva. Rychlost naprašování roste s rostoucí atomovou hmotností a je tedy růrná pro různé materiály. Princip je zobrazen na obr. 1.2.[3] Množství materiálu napášené za jednotku času [3]: Qk U i / p d Kde: (1.3) k je konstanta úměrnosti, Ui je pracovní napětí, p je tlak, d je vzdálenost mezi katodou a anodou. 11
Obr. 1.2 Základní princip katodového naprašování. 1.2.Tlusté vrstvy Tlusté vrstvy jsou tvořeny amorfní strukturou a používají se pro vytvoření vodivých, odporových a dielektrických vrtev. Vytvářejí se nejčastěji pomocí sitotisku a následným výpalem při teplotách kolem 850 C. Tloušťka vrstvy je po výpalu v desítkách Technologie tlusté vrstvy se μm. používá ve speciálních aplikacích a k výrobě hybridních integrovaných obvodů. a) Pasty pro tvorbu tlustých vrstev Tlustovrstvé pasty představují heterogenní systém, tj. systém s více složkami o různých chemických a fyzikálních vlastnostech s odděleným povrchovým rozhraním. Pasty se vyznačují řadou charakteristických vlastnosti, z nichž je důležitá především definovaná viskozita. S tím jsou spojeny dobré tixotropní vlastnosti, což znamená, že jejich viskozita se mění v závislosti na mechanickém tlaku. Nejnižší viskozity dosahují v okamžiku přenosu pasty ze síta na podložku v důsledku psobení tlaku stěrky. Viskozita je v procesu sítotisku nepřímo úměrná tlaku stěrky. To umožňuje protlačování pasty volnými oky síta, jež tvoří masku nanášeného obrazce, a po odtrhu síta vytvoří na keramickém substrátu požadovaný 12
motiv. [3] Pasty pro sítotisk jsou přípravovány mícháním a roztíráním. Velikost částic je <5μm tak abychom zaručili dobré tiskové vlastnosti a homogenitu struktury. Složky tlustovrstvých past: funkční, tavivová, pojivová. Funkční složka určuje charakter pasty zda to bude pasta vodivá, odporová či dielektrická. Je tvořena částicemi drahých kovů u past vodivých, v dielektrických pastách je tvořena skelnou fritou. Pro odporové pasty se používájí směsi drahých kovů (např. PdAg) nebo oxidy (např. Ru2O). Hodnota odporu se nastavuje poměrem funkční a tavivové složky. Částice mají velikost řádově μm. Tavivová složka se skládá ze skleněné frity a má za úkol vytvořit vazbu mezi funkční složkou a substrátem. Pro tvorbu tavivové složky se používájí nízkotavná skla s teplotou měknutí od 600 C. Při výpalu dochází k měknutí nikoli k roztavení a tím se vytvoří nosná matice pro funkční složku. Pojivová složka zajišťuje tiskové vlastnosti pasty viskozitu. Je tvořena organickými látkami např. terpioneol, butyldiglykolacetát. Pří výpalu se tato složka odpaří. b) Nanášení tlustovrstvých past Nejčastěji používaný způsob je sitotisk, technika známá již řadu let. Výhoda tohoto postupu je nevakový, nenáročný způsob nanašení definovaného množství pasty na substrát. Obr 1.3 Proces sitotisku: a) stav před tiskem b) tisk pohybem stěrky c) stav po tisku. 13
Šablonový tisk je velmi podobný sítotisku. Hlavní rozdíl je v tom, že se nepoužívá síto ale kovová šablona s vyleptaným motivem bez odtrhu. Šablonový tisk je používán pro tisk souvislých ploch ne pro tisk složitých čar. Nejčastější použití je tudiž pro tisk pájecí pasty. Nanášení pasty popisem je nejmeně rozšířen pro svou technickou a ekonomickou náročnost. Nanášení pasty se děje pomocí řízeného disperzního zařízení. Po nanesení materiálu na keramický substrát dochází k jeho výpalu. Během tohoto děje se vytváří vlastní struktura. Funkční složka se usadí na povrchu a částečně v pojivové složce. Obr 1.4 Zjednodušený pohled na tlustovrstvou strukturu. Teplotní profil průběžné pece pro výpal tlustých vrstev znázorněný na obr. 1.5 je regulován v několika zónách s vysokou přesností (±2 C), aby byla zajištěna reprodukovatelnost procesu. Důležitý je jak pozvolný nárust teploty, tak i pozvolné chlazení ( 50 C/min). Teplota žárového pásma odpovídá teplotě, kdy dochází k měknutí tavivové části pasty, ale přitom funkční složka je v pevné fázi, tedy bez výrazných změn. Vzhledem k tomu, že se stále rozšiřuje oblast tlustovrstvých past a některé vyžadují přesný teplotní profil, moderní konstrukce pecí mají více zón (šest až osm), což umožňuje nejen nastavit velmi přesný, definovaný teplotní profil, ale tento také kontrolovat a automaticky dostavovat.[3] 14
Obr. 1.5 Teplotní profil po výpal tlustovrstvých past. c) Vlastnosti a výroba sít Síta jsou tkána ze dvou zakladních materiálu a to z ocelových nebo umělých vláken. Vyznačují se pravidelnou osnovou s definovanými parametry. Hustota tkaniny n je počet ok na jednotku délky [3]: n 10 w d Kde: (1.4) w je rozměr strany volné plochy oka (mm), d je průměr vlákna (mm). Světlost A0 je otevřená plocha síta [3]: 2 A0 Kde: w d % w d (1.5) w je rozměr strany volné plochy oka (mm), d je průměr vlákna (mm). 15
Pokud chceme hustotu tkaniny na délkovou jednotku palec, udává se v jednotkách MESH a plati pro ní vztah [3]: n Kde: 25,4 w d (1.6) w je rozměr strany volné plochy oka (mm), d je průměr vlákna (mm). Obr. 1.6 Znázornění parametrů síta: a) poměr vlákno volná plocha b) světlost síta Z uvedených vstahů vyplývá, že pro hrubá síta (použivaná pro nanášení tlustších ale meně přesných vrstev) je např. n50ok/cm respektive 120 MESH, zatímco pro jemná síta používaná pro vysoké rozlišení (0,1mm a méně) mají n155ok/cm, respektive 400 MESH.[3] Na počtu ok je nepřímo závislý průměr vláken a tím i výška nanesené vrstvy. Síta jsou k dodání s lišicí se osnovou. Jako materiál osnovy se používá nerezová ocel nebo polyester. Síta z nerezové oceli se používají k nanášení velmi přesných struktur, kdy dosažena šířka čáry se pohybuje kolem μm. Vyznačují se vyžší životností než síta polyesterová. Polyesterová síta jsou levnější a používají se pro nanášení méně přesných struktur. Používají se dva základní typy sitotiskových šablon a to přímá šablona a nepřímá šablona. Přímá šablona (obr. 1.7a) je vytvořena nanesením fotocitlivé emulze na síto (do jehož ok je přímo vtlačena) a následnou expozicí přes masku s požadovaným motivem. Osvitem dochází k polymeraci (vytvrzení) emulze a po oplachu proudem vody zůstávají na sítu volná oka jen v místech, kde bude nanášena pasta.[3] 16
Nepřímé šablony (obr. 1.7b) mají motiv vytvořen na folii (plastové nebo kovové), jenž není na počátku přímo součástí síta, ale je s ním před sitotiskem pevně spojena. Nepříme masky mohou být jako světlocitlivé emulze na plastovém nosiči (jenž se po exponování a spojení se sítem sejme), nebo jako kovové folie, jenž se na síto lepí. V tomto případě je motiv do kovové folie buď vyleptán nebo vypálen s pomocí laseru.[3] Obr. 1.7 Znázornění sitotiskových šablon: a) přímá b)nepřímá. d) Navrhová doporučení pro vytvoření tlusté vrstvy Doporučené rozměry kontaktových plošek jsou 2x2 mm s rozestupem 2,5 mm. Rozměr je volen jak s ohledem na vyráběné rozteče vývodů, tak i na dosažení požadovaných mechanických vlastností. Šířka vodiče je optimálně volena 0,5 mm s tím že mezera mezi vodičí je také 0,5 mm. Vodiče jsou vedeny v pravoúhlém souřadnicovém systému. Oproti měděným vodičům mají vodiče vytvořené technologii tlusté vrstvy větší odpor 1 až 20 mω/. Pro odpory se nedoporučuje šířka odporu méně než 1 mm z důvodu rozptylu jmenovité hodnoty odporu v důsledku působení nahodných vlivů. Pro dodržení minimálního rozptylu jmenovité hodnoty je třeba dodržet následující vztah [3]: 1 l 3,5 3,5 w Kde: l je délka odporu, w je šířka odporu. (1.7) 17
velikost plochy odporu je [3]: S R Kde: P P0 (1.8) P je výkonové zatížení rezistoru [W], P0 je měrné výkonové zatížení pro daný typ pasty [W/mm2]. Po dosazení dostaneme pro šířku rezistoru [3]: P P P 0 l P 0 A w Kde: A (1.9) je počet čtverců. Nebo obdobně pro délku rezistoru [3]: l P A P0 (1.10) Počet čtverců v tlustovrstvém odporu se vypočte podle vztahu [3]: A l w (1.11) Pomocí tlustovrstvé technologie je pasivní síť vytvořena postupným nanášením vodivých, odporových a dielektrických vrstev s následným výpalem. 18
Obr. 1.8 Základní navrhová pravidla: a) kontaktní plošky b) vedení vodičů c) velikost odporu. 19
2.Teplotní koeficient odporu TKR Teplotní součinitel odporu rezistoru (TKR) umožňuje určit změnu odporu rezistoru způsobenou změnou jeho teploty. Udává největší poměrnou změnu odporu součástky odpovídající nárůstu oteplení o 1ºC, v rozsahu teplot, ve kterých je tato změna vratná. Teplotní součinitel odporu TKR je jedním z nejdůležitějších parametrů tištěných odporů. Vyjadřuje se v jednotkách %/ºC nebo v ppm/ºc. Velikost TKR je dána především materiálem, ze kterého je odporová pasta vytvořena. Volí se takový materiál, který má vhodný průběh závislosti odporu na teplotě a s tím související co nejnižší teplotní součinitel odporu TKR. Výsledný TKR tlustovrstvých tištěných odporů závisí kromě materiálů odporových past také na tvaru tištěných rezistorů, tj. na jejich tloušťce, délce, šířce a také na způsobu jejich vypalování. Čisté kovy mají obvykle pozitivní TKR, uhlíkové a grafitové rezistory s polymerními plnidly mají negativní TKR. 2.1.Výpočet teplotního koeficientu odporu Teplotní součinitel odporu je dán vztahem [3]: 1 dr TKR R dt Kde: (2.1) R je hodnota odporu rezistoru, dr je změna hodnoty odporu, dt je změna teploty. 20
U pozitivního TKR se s rostoucí teplotou zkracuje střední doba mezi srážkami a tím dochází k růstu rezistivity podle vztahu [3]: R R0 [1 T T 0 ] Kde: (2.2) R0 je hodnota odporu rezistoru na počátku (při teplotě 0ºC), T je teplota při které je hodnota odporu právě R, T0 je počáteční teplota při které je hodnota odporu právě R0, α je koeficient změny odporu TKR. Koeficient změny odporu se vypočíta podle vztahu [3]: Kde: R R0 R0 T T 0 (2.3) R0 je hodnota odporu rezistoru na počátku (při teplotě 0ºC), T je teplota při které je hodnota odporu právě R, T0 je počáteční teplota při které je hodnota odporu právě R0. Termistory s negativním koeficientem TKR jsou realizovány z polovodivých materiálů. Při zvyšování teploty dochází ke zvyšování koncentrace nosičů náboje a tudíž k snižování rezistivity. Teplotní závislost odporu pro negativní teplotní koeficient TKR je dána vztahem[3]: [ R R0 exp Kde: 1 1 ] T0 T (2.4) β je koeficient změny odporu TKR, R0 je hodnota odporu rezistoru na počátku (při teplotě 0ºC), T je teplota při které je hodnota odporu právě R, T0 je počáteční teplota při které je hodnota odporu právě R0. 21
Koeficient změny odporu se vypočítá podle vztahu [3]: R R0 1 1 T0 T ln Kde: (2.5) R0 je hodnota odporu rezistoru na počátku (při teplotě 0ºC), T je teplota při které je hodnota odporu právě R, T0 je počáteční teplota při které je hodnota odporu právě R0. 2.2.Návrh odporového monitoru Při návrh odporového monitoru pro měření teplotního koeficientu je vycházeno ze základního rozměru keramického substrátu a to 50x50 mm. Při návrhu se nemusí počítat s vykonovým zatířením jelikož odporový monitor nebude výkonově namáhán, ale bude jen na testování teplotního koeficientu odporu. Úkolem při návrhu je to aby se na základním substrátu vyskytovaly různě velké odpory s různou orientací (svisle nebo vodorovně). Dále je snahou aby byly různé odpory zastoupeny ve všech částech základního keramického substrátu. Obr 2.1 Tlustovrstvý odpor. 22
Výpočet jednotlivých velikostí odporu: Je zvolena šířka odporu 0,5mm a podle počtu čtverců v něm obsažených se dopočítá délká odporu. Je zvoleno A5čtverců lw A0,5 52,5 mm Je zvoleno A8čtverců lw A0,5 84mm Dálší zvolenou šířkou odporu je 1mm Je zvolen počet čtverců A2,5 lw A1 2,52,5 mm Je zvolen počet čtverců A4 lw A1 44mm Třetí zvolenou šířkou odporu je 1,5mm Je zvolen počet čtverců A1,66 lw A1,5 1,662,5 mm Další zvolenou šířkou odporu je 2,5mm Je zvolen počet čtverců A1 lw A2,5 12,5 mm Další zvolenou šířkou odporu je 5mm Je zvolen počet čtverců A0,5 lw A0,5 52,5 mm 23
Obr 2.2 Navrhovaný odporový monitor. Obr 2.3 Foto natisklého a vypáleného odporového monitoru. 2.3. Návrh metody měření teplotního koeficientu odporu Jako nejvhodnější metoda měření teplotního koeficientu odporu byla zvolena čtyřbodová metoda. Měření je prováděno pomocí měřící hlavy se čtyřmi hroty. Dva krajní hroty se používají jako proudové a prostřední hroty se používají pro měření napětí. Ohřev probíhá pomocí plotýnky s regulací teploty. Pro uchycení měřící hlavy bylo navrženo a sestaveno i nosné rameno ze stavebnice MERKUR. Pomocí změřeného napětí a známeho proudu je vypočítán odpor podle vzorce 2.6. 24
R Kde: U I (2.6) U změřené napětí, I dodáváný proud. Obr 2.4 Měřící hlava pro čtyřbodovou metodu. Obr 2.5 Měřící hlava s ramenem. 25
Navržený postup pro měření teplotního koeficientu odporu pomocí čtyřbodové metody: 1) Zapojíme do obvodu digitální multimetr Agilent. 2) Vnadstavení multimetru Agilent přepneme měření odporu čtyřvodičovou metodou 4W. 3) Destička je zahřátá na teplotu 25 C, měření provádíme muldimetrem METEX. 4) Po ustálení teploty se zapíše změřená hodnota napětí do tabulky. 5) Zvýší se teplota o 20 C a počkáme než dojde k jejímu ustálení. 6) Opakujeme body 4) a 5) dokud není dosaženo konečné teploty 260 C. 7) Z naměřených hodnot vyneseme závislost závislosti na teplotě. 8) Vypočteme hodnoty teplotního koeficientu odporu. Obr 2.6 Měřící stanoviště. 26
2.4. Měření teplotního koeficientu odporu Měření probíhalo na navrženém a vyrobeném odporovém monitoru. Nejprve se měřilo na odporech s velikostí 4x0,5mm na všech pastách. Tab.1 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R15 t[ C] 35 50 70 85 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Rohřev [Ω] Rochlazení[Ω] 116,98 114,67 114,02 111,33 111,16 113,56 115,05 113,83 114,56 113,08 113,73 113,13 110,83 111,77 117,46 117,35 117,56 117,83 117,39 116,92 116,48 117,34 114,58 116,3 114,81 114,75 113,15 112,35 Výpočet TKR pro pastu R15: TKR R280 R35 111,77 116,98 181 ppm/ºc R35 T 280 T 35 116,98 280 35 TKR R280 R35 112,35 117,46 177 ppm/ºc R35 T 280 T 35 117,46 280 35 teplotní závislost odporu pasty R15 4x0,5mm 120 118 116 R[Ω] 114 112 110 108 106 0 50 150 t[ C] Rohřev[Ω] Obr 2.7 Teplotní závislost odporu pasta R15. 27 Rochlazení[Ω] 200 250 300
Tab.2 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R16 t[ C] 35 50 70 85 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Rohřev [kω] Rochlazení[kΩ] 2,42 2,41 2,4 2,39 2,39 2,38 2,38 2,37 2,37 2,36 2,36 2,35 2,35 2,35 2,42 2,42 2,4 2,4 2,39 2,39 2,38 2,37 2,37 2,36 2,36 2,35 2,35 2,35 Výpočet TKR pro pastu R16: TKR R280 R35 2350 2420 118 ppm/ºc R35 T 280 T 35 2420 280 35 TKR R280 R35 2350 2420 118 ppm/ºc R35 T 280 T 35 2420 280 35 Teplotní závislost odporu pasty R16 4x0,5mm 2,44 2,42 R[kΩ] 2,4 2,38 2,36 2,34 2,32 2,3 0 50 150 t[ C] Rohřev[Ω] Rochlazení[Ω] Obr 2.8 Teplotní závislost odporu pasta R16. 28 200 250 300
Tab.3 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R19 t[ C] 35 50 70 85 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Rohřev [MΩ] Rochlazení[MΩ] 35,11 34,92 34,84 34,78 34,75 34,71 34,64 34,61 34,59 34,58 34,61 34,58 34,48 34,43 35,1 35,01 34,91 34,85 34,79 34,74 34,7 34,68 34,64 34,31 34,56 34,51 34,49 34,46 Výpočet TKR pro pastu R19: TKR R280 R35 34,43 35,11 79 ppm/ºc R35 T 280 T 35 35,11 280 35 TKR R280 R35 34,46 35,1 74 ppm/ºc R35 T 280 T 35 35,1 280 35 Teplotní závislost odporu pasta R19 4x0,5mm 35,2 35 34,8 R[MΩ] 34,6 34,4 34,2 34 33,8 0 50 150 t[ C] Rohřev[Ω] Obr 2.9 Teplotní závislost odporu pasta R19. 29 Rochlazení[Ω] 200 250 300
Tab.4 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R1 Rohřev [Ω] t[ C] 35 50 70 85 120 140 160 180 200 220 240 260 Rochlazení[Ω] 99,56 101,12 102,51 103,29 104,88 105,95 108,61 109,73 110,58 111,18 111,96 111,49 111,36 98,35 99,22 103,49 104,02 105,98 106,58 109,44 111,51 111,57 111,37 111,05 110,93 110,52 Výpočet TKR pro pastu R1: TKR R240 R35 111,49 99,56 58 ppm/ºc R35 T 240 T 35 99,56 240 35 TKR R220 R35 111,05 98,35 69 ppm/ºc R35 T 220 T 35 98,35 220 35 Teplotní závislost odporu R1 4x0,5mm 115 110 R[Ω] 105 95 90 0 50 150 t[ C] Rohřev[Ω] Rochlazení[Ω] Obr 2.10 Teplotní závislost odporu pasta R1. 30 200 250 300
Tab.5 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R35 t[ C] 35 50 70 85 120 140 160 180 200 220 240 260 Rohřev [kω] Rochlazení[kΩ] 973,99 955,17 895,49 849,67 822,15 892,95 835,33 947,14 915,19 815,46 913,85 937,12 942,74 975,44 970,02 966,58 961,19 959,86 956,95 940,46 913,53 742,55 970,35 932,78 863,53 872,13 Výpočet TKR pro pastu R35: TKR R260 R35 942,74 973,99 142 ppm/ºc R35 T 260 T 35 973,99 260 35 TKR R260 R35 872,13 975,44 470 ppm/ºc R35 T 260 T 35 975,44 260 35 Teplotní závislost odporu pasta R35 4x0,5mm 0 950 900 R[kΩ] 850 800 750 700 650 600 0 50 150 t[ C] Rohřev[Ω] Obr 2.11 Teplotní závislost odporu pasta R35. 31 Rochlazení[Ω] 200 250 300
Další měření čtyřbodovou metodou probíhalo na odporech velikosti 2,5x2,5mm naa každé pastě. Tab.6 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R15 t[ C] 35 50 70 85 120 140 160 180 200 220 240 260 Rohřev [Ω] Rochlazení[Ω] 67,18 67,17 67,05 66,94 66,84 66,48 65,04 64,79 64,57 64,83 64,78 64,66 64,4 67,73 67,55 67,28 67,15 67,03 66,85 66,84 66,59 66,36 65,95 65,55 65,22 64,74 Výpočet TKR pro pastu R15: TKR R260 R35 64,4 67,18 183 ppm/ºc R35 T 260 T 35 67,18 260 35 TKR R260 R35 64,74 67,73 196 ppm/ºc R35 T 260 T 35 67,73 260 35 Teplotní závislost odporu pasty R15 2,5x2,5mm 69 68 67 R[Ω] 66 65 64 63 62 0 50 150 t[ C] Rohřev[Ω] Obr 2.12 Teplotní závislost odporu pasta R15. 32 Rochlazení[Ω] 200 250 300
Tab.7 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R16 t[ C] 35 50 70 85 120 140 160 180 200 220 240 260 Rohřev [kω] Rochlazení[kΩ] 465,92 464,21 462,56 461,55 460,34 459,13 458,32 457,48 456,39 455,68 455,68 454,09 453,95 466,23 464,72 463,07 461,72 460,55 459,68 458,61 457,64 456,77 456,29 455,73 455,03 454,88 Výpočet TKR pro pastu R16: TKR R260 R35 453,95 465,92 114 ppm/ºc R35 T 260 T 35 465,92 260 35 TKR R260 R35 454,88 466,23 108 ppm/ºc R35 T 260 T 35 466,23 260 35 Teplotní závislost odporu pasty R16 2,5x2,5mm 470 465 R[kΩ] 460 455 450 445 0 50 150 t[ C] Rohřev[Ω] Obr 2.13 Teplotní závislost odporu pasta R16. 33 Rochlazení[Ω] 200 250 300
Tab.8 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R19 t[ C] 35 50 70 85 120 140 160 180 200 220 240 260 Rohřev [MΩ] Rochlazení[Ω] 7,64 7,66 7,67 7,68 7,69 7,73 7,79 7,83 7,84 7,68 7,71 7,65 7,67 7,65 7,66 7,67 7,66 7,72 7,7 7,71 7,63 7,61 7,61 7,76 7,68 7,65 Výpočet TKR pro pastu R19: TKR R260 R35 7,67 7,64 17 ppm/ºc R35 T 260 T 35 7,64 260 35 TKR R220 R35 7,76 7,65 77 ppm/ºc R35 T 220 T 35 7,65 220 35 Teplotní závislost odporu pasta R19 2,5x2,5mm 7,9 7,85 7,8 R[MΩ] 7,75 7,7 7,65 7,6 7,55 7,5 7,45 0 50 150 t[ C] Rohřev[Ω] Rochlazení[Ω] Obr 2.14 Teplotní závislost odporu pasta R19. 34 200 250 300
Tab.9 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R1 t[ C] 35 50 70 85 120 140 160 180 200 220 240 260 Rohřev [Ω] Rochlazení[Ω] 78,61 78,6 78,54 78,49 78,46 78,38 78,35 78,32 78,29 78,34 78,36 78,41 78,4 79,21 78,45 78,34 77,91 78,02 78,38 78,38 78,38 78,38 78,39 78,43 78,42 78,33 Výpočet TKR pro pastu R1: TKR R260 R35 78,4 78,61 12 ppm/ºc R35 T 260 T 35 78,61 260 35 TKR R260 R35 78,33 79,21 49 ppm/ºc R35 T 260 T 35 79,21 260 35 Teplotní závislost odporu R1 2,5x2,5mm 79,5 79 R[Ω] 78,5 78 77,5 77 0 50 150 t[ C] Rohřev[Ω] Rochlazení[Ω] Obr 2.15 Teplotní závislost odporu pasta R1. 35 200 250 300
Tab.10 Naměřené hodnoty odporu vyrobené pastou R35 t[ C] 35 50 70 85 120 140 160 180 200 220 240 260 Rohřev [kω] Rochlazení[kΩ] 572,2 567,3 550,2 534,8 512,2 515,8 511,1 519,4 526,4 485,2 445,1 508,3 482,7 437,8 477,9 477,8 480,6 480,4 480,4 480,5 481,7 479,5 479,1 477,8 475,7 445,7 Výpočet TKR pro pastu R35: TKR R260 R35 482,7 572,2 695 ppm/ºc R35 T 260 T 35 572,2 260 35 TKR R260 R50 445,7 477,9 320 ppm/ºc R50 T 260 T 50 477,9 260 50 Teplotní závislost odporu pasta R35 2,5x2,5mm 600 580 560 540 R[kΩ] 520 500 480 460 440 420 400 0 50 150 t[ C] Rohřev[Ω] Obr 2.16 Teplotní závislost odporu pasta R35. 36 Rochlazení[Ω] 200 250 300
Další měření proběhlo při 25 C a bylo provedeno jen proto aby se porovnaly teoretické hodnoty odporu a skutečné hodnoty odporu po výrobě odporového monitoru. Tab.11 Naměřené hodnoty odporu pro pastu R15 Číslo rezistoru rozměry l/w 1 2,5/0,5 2 2,5/1 3 2,5/2,5 4 4,0/1,0 5 2,5/5 6 2,5/1,5 7 4/0,5 Teoreticka hodnota odporu 500Ω 250Ω Ω 400Ω 50Ω 166Ω 800Ω 1 399 305 136,8 480 78,2 276 1105 skutečná hodnota rezistoru [Ω] 2 3 406 598 286 198 188 119,4 471 738 62,8 84,1 375 268 1228 1224 4 489 119,5 173,1 485 54,9 132 985 Průměrná hodnota ϕ 473 227,13 154,33 543,5 70 262,75 1135,5 skutečná hodnota rezistoru [kω] 2 3 6,12 3,65 2,69 1,98 1,15 0,96 3,98 4,56 0,85 0,87 2,05 1,56 7,85 8,24 4 5,69 2,98 1,58 4,25 0,45 1,98 7,56 Průměrná hodnota ϕ 4,95 2,45 1,13 3,88 0,64 1,75 7,78 skutečná hodnota rezistoru [kω] 2 3 45,2 72,3 20,6 29,4 9,2 12,5 36,7 50,9 4,39 6,84 15,5 16,1 89,4 74,9 4 46,1 30,5 9,4 45,1 5,36 17,2 85,1 Průměrná hodnota ϕ 56,28 28,03 11,18 47,38 5,78 17,85 85,68 skutečná hodnota rezistoru [Ω] 2 3 425 681 199,1 327,6 82,6 98,4 352,4 436 58,6 43,7 129,4 208,7 856 721,8 4 498 213,7 123,5 379,5 54,9 148,2 749,1 Průměrná hodnota ϕ 532,5 292,85 104,15 396,73 46,15 187,83 763,48 Tab.12 Naměřené hodnoty odporu pro pastu R16 Číslo rezistoru rozměry l/w 1 2,5/0,5 2 2,5/1 3 2,5/2,5 4 4,0/1,0 5 2,5/5 6 2,5/1,5 7 4/0,5 Teoreticka hodnota odporu 5kΩ 2,5kΩ 1kΩ 4kΩ 500Ω 1,66kΩ 8kΩ 1 4,32 2,14 0,82 2,72 0,39 1,39 7,48 Tab.13 Naměřené hodnoty odporu pro pastu R19 Číslo rezistoru rozměry l/w Teoreticka hodnota odporu 1 2,5/0,5 50kΩ 2 2,5/1 25kΩ 3 2,5/2,5 10kΩ 4 4,0/1,0 40kΩ 5 2,5/5 5kΩ 6 2,5/1,5 16,6kΩ 7 4/0,5 80kΩ 1 61,5 31,6 13,6 56,8 6,52 22,6 93,3 Tab.14 Naměřené hodnoty odporu pro pastu R1 Číslo rezistoru rozměry l/w 1 2,5/0,5 2 2,5/1 3 2,5/2,5 4 4,0/1,0 5 2,5/5 6 2,5/1,5 7 4/0,5 Teoreticka hodnota odporu 474,5Ω 237,25Ω 94,9Ω 379,6Ω 47,45Ω 157,53Ω 759,2Ω 1 526 431 112,1 419 27,4 265 727 37
Tab.15 Naměřené hodnoty odporu pro pastu R35 Číslo rezistoru rozměry l/w 1 2,5/0,5 2 2,5/1 3 2,5/2,5 4 4,0/1,0 5 2,5/5 6 2,5/1,5 7 4/0,5 Teoreticka hodnota odporu 4,595MΩ 2,2975MΩ 919kΩ 3,676MΩ 459,5kΩ 1,5255MΩ 7,252MΩ 1 4,52 1,56 0,78 4,65 0,56 1,86 7,56 skutečná hodnota rezistoru [MΩ] 2 3 5,36 3,98 2,98 2,45 1,32 0,87 3,21 3,85 0,35 0,44 1,25 1,09 7,32 8,01 4 4,85 1,96 1,09 4,06 0,51 2,04 6,93 Průměrná hodnota ϕ 4,68 2,24 1,02 3,94 0,47 1,56 7,46 Hodnoty změřených odporu se liší od hodnot teoretických vypočtených se známe hodnoty počtu čtverců a odporu Ω/. Z důvodu tohoto malého rozdílu se hodnoty odporu po výpalu měří a dostavují. 38
3.Závěr V práci se čtenář seznámil s vrstvovými technologiemi a to jak s tenkovrstvými tak tlustovrsvými technologiemi. U tlostovrstvých technologii jsme se seznámili kromě principu výroby i s návrhem obvodu v této výrobní technologii. V další části se čtenář seznámil s pojmem teplotní koeficient odporu, jeho výpočtem a také s metodou jeho měření u tlustovrstvých odporů. Navržena metoda měření teplotního koeficientu odporu byla následně otestováná v praxi na několika odporech. Pro pastu R15 TT5021 s odporem Ω/ bylo měřením a výpočty zjíštěno teplotní koeficient -180ppm/ºC a výrobcem udáváná hodnota je až 150 ppm/ºc. Pro pastu R16 TT5031 s odporem 1kΩ/ bylo měřením a výpočty zjíštěno teplotní koeficient -110ppm/ºC a výrobcem udáváná hodnota je -53 až +38 ppm/ºc. Pro pastu R19 TT5021 s odporem 10kΩ/ bylo měřením a výpočty zjíštěno teplotní koeficient -75ppm/ºC pro dlouhé odpory a pro krátké odpory 50ppm/ºC a výrobcem udáváná hodnota je -34 až +19 ppm/ºc. Pro pastu R1 ESL2712 s odporem 94,9Ω/ bylo měřením a výpočty zjíštěno teplotní koeficient 62ppm/ºC pro dlouhé odpory a pro krátké odpory -30ppm/ºCa výrobcem udáváná hodnota je -30 až +62 ppm/ºc. Pro pastu R35 ESL3916 s odporem 919kΩ/ bylo měřením a výpočty zjíštěno teplotní koeficient -300ppm/ºC a výrobcem udáváná hodnota je -144 až -192 ppm/ºc. Při vypracování práce byla vyzkoušena v praxi i metoda návrhu tlustovrstvých obvodů s rezistory a vodivými cestami a k výrobě měřící hlavy s ramenem pro měření čtyřbodovou metodou. 39
Seznam použité literatury: [1] Szendiuch,I.:Mikroelektronické montážní technologie, Nakladatelství VUT v Brně, VUTIUM, 1997, ISBN 80-214-0901-0 [2] Szendiuch,I. A kol.: Technologie elektronických obvodů a systémů, Nakladatelství VUT v Brně, VUTIUM, 2002, 80-214-2072-3 [3] Szendiuch, I., Hejátková, E.,Řezníček, M., Buršík, M., Adámek, M., Prášek, J.: Mikroelektronika a technologie součástek, Nakladatelství NOVOPRESS s.r.o., 2009, ISBN 987-80-214-3960-3 40