CC BY
17УДК 621.316.8
Об ограничении значений допускаемого отклонения и стабильности сопротивления тонкопленочных
чип-резисторов
А.Н. Лугин, М.М. Оземша
Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов (г. Пенза)
Показано, как термомеханические воздействия, сопутствующие технологии монтажа на поверхность, и тензоэффект в резистивном элементе приводят к изменению нормированного значения допускаемого отклонения и нестабильности сопротивления. При расчетах использован ряд ограничений и допущений, приемлемых для наиболее применяемых в отечественной промышленности материалов: ситалла СТ50-1-1-0,6, керамики ВК-91-2, стеклотекстолита СТФ-1, кермета К20С.
Ключевые слова: чип-резистор, подложка, монтажная плата, технология поверхностного монтажа, нестабильность сопротивления, допускаемое отклонение сопротивления, тензочувствительность, термомеханические напряжения.
При производстве радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) все большее распространение получают технология поверхностного монтажа и применение чип-поверхностно-монтируемых электронных компонентов, в частности чип-резисторов, в том числе прецизионных тонкопленочных. Они в наибольшей степени отвечают растущим требованиям рынка на пассивные компоненты с более жесткими нормами на допускаемое отклонение, временную и температурную нестабильность сопротивления и на условия их эксплуатации в РЭА [1].
За рубежом выпускаются тонкопленочные чип-резисторы с допускаемым отклонением ±0,01%, временной нестабильностью ±0,05% за 2000 ч при Т = 70 °С и температурной нестабильностью ±5 10-6 1/ °С [2]. Лучшие значения указанных параметров отечественных тонкопленочных чип-резисторов НР1-8МП составляют ±0,05%, ±0,5% за 1000 ч при Р = Рмах и Т = 70 °С и ±5 10-6 1/ °С соответственно [3].
Проведенные исследования тензоэффекта [4] и изменений сопротивления при термомеханических напряжениях в корпусных тонкопленочных резисторах [5] показали, что в многослойных плоских системах возможно искажение электрических параметров из-за различий физико-механических свойств материалов и температуры нагрева конструктивных элементов. Это в полной мере относится и к системе «чип-резистор -монтажная плата».
В настоящей работе исследовано и оценено влияние воздействия монтажной платы на сопротивление тонкопленочных резисторов (ТПР) для поверхностного монтажа (рис.1) в системе «чип-резистор - плата». Ипользованы методика расчетов, изложенная в [1], [5], и программа для ПЭВМ "БеАоКМ" [6]. Для проведения расчета сделаны следующие допущения:
- плата для поверхностного монтажа ограничена размерами чип-резистора;
© А.Н. Лугин, М.М. Оземша, 2012
- паяный шов в зоне контактов чип-резистора заменен паяным швом по всей нижней поверхности чипа и верхней поверхности платы для монтажа (аналогично клеевому шву для варианта, показанного на рис.1);
а 6
Рис.1. Схематическое изображение чип-резистора, монтируемого на поверхность платы: а - пайкой контактов непосредственно к металлизации платы; б - посадкой на клей на поверхность платы и проволочным соединением контактов с металлизацией платы
- применяемые материалы монтажной платы и подложки чип-резистора изотропные и упругие;
- резистивный и контактный слои толщиной до 0,05 мкм и 2 мкм соответственно по сравнению с толщиной подложки тонкопленочного чип-резистора в расчетах не учитываются и в его расчетной схеме не показаны;
- физико-механические постоянные материалов конструкции, а также коэффициент тензочувствительности резистивного материала в исследуемом диапазоне температур и термомеханических воздействий постоянны и имеют одинаковое значение в объеме материала;
- между контактным и резистивным слоем и подложкой осуществляется жесткая связь, т.е. проскальзывание этих слоев относительно друг друга отсутствует;
- удельное поверхностное сопротивление резистивного слоя в исходном состоянии (до монтажа на плату) одинаково по всей поверхности подложки;
- используется материал резистивного слоя - кермет К20С на основе металлосили-цидного сплава РС-4800;
- монтаж на поверхность платы чип-резисторов производится оплавлением в печи (подложка и плата нагреваются на одинаковую температуру).
Расчетная схема тонкопленочного чип-резистора, установленного на монтажную плату, приведена на рис.2.
В расчете использованы характеристики наиболее применяемых в отечественной промышленности материалов - ситалл СТ50-1-1-0,6, керамика ВК-91-2 толщиной 0,6 мм для подложки чип-резисторов и толщиной 1,5 мм для монтажной платы, стеклотекстолит СТФ-1.
Исследовался чип-резистор с типоразмером 2010 по стандартам Е1А (5,08x2,54 мм). Исходные данные для расчета следующие.
21,а
Рис.2. Расчетная схема тонкопленочного чип-резистора, установленного на монтажную плату: 1 - плата для поверхностного монтажа; 2 -паяный (клеевой) слой; 3 - подложка тонкопленочного чип-резистора; 4 - резистивный элемент; 2La и 2Lb - длина и ширина тонкопленочного чип-резистора; 2la , 2Lb - длина и ширина резистивного элемента; X, Y, Z - оси координат
Габаритные размеры подложки, мм:
длина, 2Ьа....................................................................5,08
ширина, 2ЬЬ.................................................................2,54
Габаритные размеры резистивного элемента, мм:
длина, 21а.....................................................................4,08
ширина, 2ЬЬ.................................................................2,54
Толщина слоев, мм:
платы, Н\........................................................................1,5
паяного (клеевого) шва, Н2...........................................0,1
подложки, Н3..................................................................0,6
Модуль упругости материала, МПа:
платы из керамики, Е\................................................4105
платы из стеклотекстолита, Е1...............................1,7-104
подложки из керамики, Е3.........................................4105
подложки из ситалла, Е3............................................1105
Коэффициент Пуассона:
платы и подложки из керамики, ц3......................0,22
платы из стеклотекстолита, .....................................0,3
подложки из ситалла, ц3.............................................0,25
Модуль сдвига, МПа:
клеевого шва, 02...............................................................5
паяного (клеевого) шва, 02..........................................500
Удельное поверхностное сопротивление
резистивной пленки р, Ом/^...............................................500
Температурный коэффициент линейного расширения, 110-6 1/ °С:
платы и подложки из керамики, аь а3.........................8,0
платы из стеклотекстолита, а1.....................................8,6
подложки из ситалла, а3...............................................5,2
Температура плавления припоя
при поверхностном монтаже, °С [7]..................................180
Верхнее значение рабочей температуры
окружающей среды (монтажной платы), °С.......................85
Перегрев чип-резистора от мощности
рассеяния (Джоулева тепла), °С...........................................40
При проведении расчета направление тока для чип-резистора совпадает с осью X. В этом случае выражение для определения относительного изменения сопротивления ТПР от термомеханических воздействий имеет вид [4]
= Кх 80 + Ку 8П,
где Кх и Ку, 8о и 8П - тензочувствительность и относительные деформации ТПР при механическом воздействии в направлении X и У соответственно.
С учетом известных преобразований [4] и того факта, что направление тока в резисторе совпадает только с осью X, приведенное выражение относительного удельного поверхностного сопротивления преобразуется к виду
К о аХ
5Я = 0 ,
Ез
где К0 = 1,4 - продольная по оси X тензочувствительность ТПР на основе металло-
3 Т—Г
силицидных сплавов в направлении оси X [4]; а , МПа - термомеханические
нормальные напряжения на верхней поверхности диэлектрической подложки в направлении X.
При подстановке численных значений получим:
_Л О _2 3
• для подложки из ситалла ЪЯ = 0,1410 • ах или ЪЯ = 0,1410 ах [%];
• для подложки из керамики ЪЯ = 0,035 10-4а^) или ЪЯ = 0,035•Ю-2а3х [%].
В качестве примера на рис.3 приведены результаты расчета изменения удельного поверхностного сопротивления по 1/4 части поверхности резистивного элемента для
случая максимального изменения, в которых X = X/Ьа и У = У]^ . Интегральная
оценка изменения сопротивления резистора проводилась согласно методике, изложенной в [8].
Результаты итоговых расчетов приведены в таблице:
Изменение сопротивления чип-резистора,
установленного на монтажную плату, %
Подложка - плата при нормальной при верхнем значении при перегреве под-
температуре окру- температуры окру- ложки и платы при
жающей среды, без жающей среды, без нормальной темпе-
электрической на- электрической на- ратуре окружающей
грузки резистора грузки резистора среды
Ситалл - керамика 0,007 0,004 0,01
Ситалл - стекло-
текстолит 0,006 -0,003 0,08
Керамика - керамика 7,3-10-10 -410-10 -0,0003
Керамика - стекло-
текстолит 0,001 -0,001 -0,004
На рис.4 показаны результаты расчета изменения удельного сопротивления по поверхности резистивного элемента для случая эластичного клеевого шва с величиной модуля сдвига G = 5 МПа. Интегральная оценка изменения сопротивления при применении данного клеевого шва дает значение 0,0001%.
По результатам расчета можно сделать следующие выводы и рекомендации.
При монтаже и работе смонтированных на плату для поверхностного монтажа чип-резисторов возникают значительные термомеханические напряжения, приводящие к изменению нормированного значения допускаемого отклонения, которое может достигать ±0,01%, что ограничивает возможности по снижению допускаемого отклонения и стабильности сопротивления тонкопленочных чип-резисторов.
Учитывая наличие значительных термомеханических напряжений и их воздействие на временную и температурную стабильность сопротивления тонкопленочных резисторов [9,10], можно утверждать, что временная и температурная стабильность сопротивления тонкопленочных чип-резисторов, смонтированных на плату для поверхностного монтажа, будет отличаться от нормированных значений для собственно чип-резисторов.
В целях удовлетворения потребности в чип-резисторах высокой точности (с допускаемым отклонением ±0,01% и менее) для монтажа на поверхность платы необходимо создавать тонкопленочные резисторы в безвыводных корпусах типа QLCC с использованием эластичных клеев для монтажа в корпус, способные снизить термомеханические воздействия, возникающие в системе «чип-резистор - монтажная плата».
Рис.4. Изменение отклонения удельного поверхностного сопротивления по поверхности чип-резистора, установленного на монтажную плату посадкой на клей при нормальной температуре окружающей среды, при наличии перегрева подложки. Плата - керамика, подложка - ситалл
Литература
1. Лугин А.Н., Оземша М.М. Воздействие давления окружающей среды на электрическое сопротивление тонкопленочных прецизионных резисторов // Изв. вузов. Электроника. - 2005. - № 1. - С. 19-24.
2. Vishay, США. - URL: http://www.vishay.com/.
3. ОАО "НПО "Эркон", РФ. - URL: http://www.erkon-nn.ru/.
4. Лугин А.Н. Тензоэффект в пленочных резисторах // Изв. вузов. Электроника. - 2000. - № 6. -С. 55-59.
5. Лугин А.Н., Оземша М.М. Изменение поверхностного сопротивления тонкопленочных резисторов при термомеханическом воздействии // Электронная промышленность. - 2009. - № 1. - С. 95-104.
6. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612165. - 2005. -Лугин А.Н., Литвинов А.Н., Оземша М.М., Литвинов М.А. Расчет напряженно-деформированного состояния конструкции тонкопленочных резисторов "DefoRM".
7. Информационный портал по технологиям производства электроники, РФ. - URL: http ://www. elinform. ru/.
8. Лугин А.Н., Оземша М.М. Тонкопленочные резисторы с функциональным распределением удельного поверхностного сопротивления // Изв. вузов. Электроника. - 2002. - № 1. - С. 44-48.
9. Лугин А.Н. Температурная и временная стабильность сопротивления прецизионных тонкопленочных резисторов в условиях термомеханических воздействий // Электронная техника. Сер. 5. Радиодетали и радиокомпоненты. - 1992. - Вып. 2-3 (87-88). - С. 27-32.
10. Кулык Е.В., Матвийкив М.Д., Минаев А.С. Влияние внутренних напряжений на временную стабильность тонкопленочных резисторов // Электронная техника. - 1981. - Вып. 2(92). - (Сер. 3, Микроэлектроника). - С. 20-22.
Статья поступила 14 апреля 2011 г.
Лугин Александр Николаевич - кандидат технических наук, начальник отдела Научно-исследовательского института электронно-механических приборов (г. Пенза). Область научных интересов: технология прецизионных тонкопленочных резисторов. E-mail: niiemp025@yandex.ru
Оземша Михаил Михайлович - начальник лаборатории Научно-исследовательского института электронно-механических приборов (г. Пенза). Область научных интересов: моделирование конструкций и технологий изготовления тонкопленочных наборов резисторов.
