TINTAS POLÍMERAS DE CAPA GRUESA

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1 TINTAS POLÍMERAS DE CAPA GRUESA Neftalí Núñez Mendoza, Rubén Guerrero Merchán *Departamento de Electrónica Física. Universidad Politécnica de Madrid Las tintas polímeras de capa gruesa están proporcionando nuevas aplicaciones en las placas de circuito impreso, circuitos flexibles y circuitos híbridos. En este artículo se ponen al día sus cualidades y limitaciones, y se dan los resultados más relevantes de los ensayos de caracterización realizados a tintas polímeras resistivas. Introducción Los fabricantes de placas de circuito impreso (PCI), circuitos flexibles, y circuitos híbridos, trabajan en un mercado muy activo y competitivo, por lo que necesitan introducir nuevos materiales y procesos, que permitan ofrecer mejores características, y reducir el costo de su producto. Los más utilizados en las nuevas aplicaciones (móviles, ordenadores portátiles, calculadoras, etc.), son los compuestos polímeros, que dan un valor añadido a las tecnologías mencionadas. Se ofrecen como tintas conductoras, resistivas, dieléctricas, y de protección, así como todo tipo de pastas adhesivas conductoras y aislantes. La versatilidad de las tintas polímeras se debe a la facilidad para manipular sus propiedades físicas dopando el material base, polímero, con todo tipo de materiales; para obtener un buen conductor, resistencia, o dieléctrico, que pueden aplicarse por serigrafía, extrusión, o aerosol, pero sus mayores virtudes son la buena adhesión a casi todos los sustratos, y su baja temperatura de proceso, de 85ºC a 210ºC. Aplicadas mediante serigrafía permiten realizar un circuito flexible completo en capa gruesa con componentes pasivos integrados (resistencias), o parte de un circuito desarrollado con otra tecnología (circuito híbrido o PCI), incluyendo la sustitución de las soldaduras por adhesivo conductor en componentes de montaje superficial, además permiten conectar los chips directamente al sustrato ( flip chip ) y protegerlos. Aplicados con extrusión también se utilizan como adhesivos conductores o aislantes para componentes, y con métodos de aplicación especiales, se utiliza como dieléctrico en módulos multichip de capa fina. De las tecnologías enumeradas, la aplicación mediante serigrafía de tintas polímeras de capa gruesa (PTF*), es la más introducida en el mercado, por la simplicidad y su bajo costo, permitiendo sustituir a procesos mucho más caros y complejos. En la E.U.I.T. de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid, tenemos abierta una línea de investigación sobre las tintas polímeras, en la que se han realizado pruebas de calidad sobre las tintas resistivas polímeras que está desarrollando un fabricante de potenciómetros. Estas pruebas son necesarias cuando se van a introducir nuevos materiales en el proceso productivo, y en aquellas aplicaciones concretas en que debido al proceso o al tipo de sustrato, no estén caracterizadas por el fabricante de la tinta. En este artículo se describen las mejoras recientemente introducidas en las PTF, y se proporcionan recomendaciones útiles para los fabricantes de circuitos y componentes resistivos con PTF, basándonos en el resultado de las pruebas comparativas realizadas en un circuito patrón de resistencias, con el que se realizaron cinco tipos de circuitos distintos: un circuito híbrido con tinta resistiva cermet de 100K/ sobre sustrato de alúmina (Figura 1), dos de tintas polímeras de 10K/ y 100K/ (Figura 2) sobre alúmina, y dos de tintas polímeras de 10K/ y 100K/ sobre un sustrato flexible el poliestireno de tereftalato (PET). * PTF = Polymer Thick Film. 1

2 Figura 1. Circuito de tinta cermet sobre alúmina. Figura 2. Circuito de tinta polímera sobre alúmina. Sustratos Las tintas polímeras se pueden utilizar tanto en los sustratos cerámicos típicos de circuito híbrido, alúmina y nitruro de aluminio, como en otros más baratos con temperatura de fusión baja. De este grupo, los más utilizados en circuitos flexibles y potenciómetros son derivados de poliéster como el PET, o el Mylar comercializado por Dupont, pero también se pueden realizar circuitos sobre fibra de vidrio (FR-4), CEM, y materiales plásticos moldeables siempre que soporten la temperatura de curado de las tintas polímeras. Los sustratos utilizados en la prueba de tintas resistivas han sido la alúmina, un sustrato cerámico que soporta altas temperaturas y que tiene una gran estabilidad térmica, y el PET, un sustrato resistente, pero bastante sensible a la temperatura. (Tabla 1) Diseño y proceso de PTF Las normas de diseño van dirigidas a conseguir una buena serigrafía, y no se diferencian de las de un circuito híbrido. El tamaño mínimo de líneas conductoras, y el espacio entre ellas es de 0,2 mm a 0,25 mm, las tintas resistivas deben superponerse a las conductoras 0,25 mm, y tener un tamaño mínimo de 0,5 mm. Las resistencias se diseñan a un valor de un 20% inferior al deseado, y al finalizar el circuito, se reduce su anchura mediante un corte por láser (trimado), hasta obtener el valor con una tolerancia de hasta el ±0,1 %. Si el proceso está bien caracterizado, se pueden obtener directamente las resistencias con una tolerancia del ±10%. La resistencia típica de unión de un polímero conductor adhesivo de plata a un terminal de componente de montaje superficial es menor a 30 mω, y se pueden conectar componentes y chips con una distancia mínima entre terminales de 0,4 mm. La serigrafía se realiza con una pantalla de poliéster o acero inoxidable, de mesh/in para las tintas conductoras, y mesh/in para las resistivas y dieléctricas. El snap-off máximo es de 0,6 mm, y la velocidad máxima de 150 mm/s. El proceso de curado de las tintas, tiempo y temperatura, dependen del tipo de horno utilizado, y del fabricante de la tinta. Habitualmente, el curado está comprendido entre 85ºC y 210ºC, con tiempos que dependen del tipo de horno: en un horno de convección de 5-45 minutos, con horno de infrarrojos de 1-5 minutos, y con ultravioleta algunos segundos. Si se tienen varias posibilidades hay que elegir la que requiera menos tiempo de proceso, pues afectará menos a componentes y sustratos. Alúmina 96% Poliestireno de tereftalato (PET) Tabla 1. Características de los sustratos probados. Conductividad térmica Estabilidad dimensional Temperatura máxima de uso Constante dieléctrica Grosor W/mºC Expansión 5 9 ppm/ºc 1600 ºC 9,4-9,7 0,63mm de ºC 0,13 W/mºC 2 % de contracción, con 260 ºC fusión. 2,9 3,3 0,37mm 15 minutos a 180 ºC 180ºC durante horas. 2

3 El espesor de la tinta curada es de 18μ a 25μ, mayor al de las tintas de circuito híbrido. Si el circuito lleva varias tintas resistivas, se realiza un secado tras la serigrafía de cada una de ellas, y un solo curado al circuito completo, para evitar que los sucesivos curados afecten a los valores de las tintas. La temperatura de operación de las tintas está entre 40ºC y +85ºC, temperaturas mayores modifican excesivamente las características de la tinta, lo que no aconseja su utilización en circuitos de alta potencia. Tintas polímeras conductoras Las tintas polímeras conductoras, contienen partículas metálicas. En los últimos años se han mejorado sus características introduciendo metales nobles como la plata, que ofrece una conductividad de 8mΩ/ ; sin embargo las más utilizadas para circuitos de consumo (teclados, y conectores de borde de PCI), incluyen el cobre o el carbón/grafito, consiguiendo en el último caso una conductividad de 10Ω/ a un precio muy competitivo. Tintas polímeras dieléctricas Las tintas dieléctricas sirven de aislante entre las capas de conductores de los circuitos multicapa, se pueden realizar hasta 6 capas. Las vías pueden realizarse de varias formas, o bien se diseñan vías de 0,5 mm de diámetro en cada capa dieléctrica del circuito, o se realizarán al finalizar el circuito mediante punzón, fresa o láser, rellenándolas con conductor. Tintas polímeras adhesivas Actualmente las soldaduras polímeras aplicadas por serigrafía o extrusión, tienen una adherencia aceptable, pero menor a la del estaño/plomo. Como no tienen la propiedad de refluir, no centra los componentes en el proceso de soldadura, lo que obliga a una mayor precisión en la colocación de los componentes de montaje superficial. Tienen la ventaja de que la temperatura de proceso no afecta negativamente al componente, no es necesario limpiar el circuito al finalizar, y además las tintas no contienen plomo. Sus aplicaciones en gran consumo, donde las reparaciones no son necesarias, son cada vez más complejas. Aplicadas con serigrafía permiten el montaje de chips desnudos ( flip chip ) precisando además tinta que rellene bajo el chip, para proteger las conexiones de la diferencias de dilatación entre chip y sustrato. (Figura 3) Para montar chips con distancia entre pads Figura 3. Conexión de chip con polímeros. inferior a 0,4 mm hay que recurrir a técnicas fotolitográficas para realizar línea fina. Otro modo de aplicación es mediante una película de adhesivo anisotrópico debajo de todo el chip, que sólo tiene propiedades conductoras en el eje Z y no en sentido lateral. Las uniones conductoras se forman cuando se aporta calor, y mecánicamente el chip o componente (display plano) aplasta la película contra el circuito; se produce entonces una conducción vertical que permite las conexiones. Es una solución simple, pero con el inconveniente de que las partículas metálicas que quedan dispersas entre las uniones, pueden degradar el funcionamiento. Tintas polímeras resistivas Las tintas resistivas, se venden en un rango desde los 10Ω/ a los 10MΩ/, permitiendo integrar resistencias en el sustrato del circuito. Su principal limitación es su sensibilidad a la temperatura y la humedad. El valor de la resistencia se obtiene como: R = ( Resistividad por cuadro) Longitud Anchura Como tecnología de referencia para comparar la calidad de las tintas resistivas PTF se utilizó el circuito híbrido con tintas resistivas cermet, ya que su calidad está contrastada con su uso en sectores profesionales (aeronáutica, militar), y sus características son muy conocidas. Su 3

4 Tabla 2. Características del proceso de la tinta resistiva. Tipo de circuito Tinta del Circuito Tecnología Pantalla Emulsión fotosensible Velocidad serigrafía Secado K/ Tinta cermet 200 Mesh Film 40 μ 90 mm/s 10-15m sobre alúmina 20Nw/cm 150ºC K/ Tinta polímera 200 Mesh sobre alúmina 20Nw/cm 3 10 K/ K/ 5 10 K/ Tinta polímera sobre PET 200 Mesh 20Nw/cm Curado en horno Tª pico 850 ºC 10m Film 40 μ 90 mm/s ºC 30 minutos Film 40 μ 90 mm/s ºC 30 minutos coeficiente térmico (TCR) está entre ±50-±250 ppm/ºc medido entre 55ºC y 125ºC, y además posee una gran capacidad de disipación de mw/mm 2. La tinta resistiva polímera está compuesta por resinas poliméricas rellenas de compuestos de carbón y grafito. Su capacidad de disipación es de 50 mw/mm 2 y su TCR está entre ±200- ±800 ppm/ºc, dependiendo sensiblemente de la naturaleza del sustrato y del fabricante de la tinta. Las tintas resistivas cermet tienen mejores cualidades, pero su proceso de fabricación donde alcanza los 850ºC es más caro que el de las tintas polímeras. Por estas razones las tintas cermet se utilizan más en el sector profesional, y las polímeras en el sector consumo. Ensayos realizados a tintas resistivas Para realizar los ensayos se diseñó un circuito patrón con resistencias de varias dimensiones, siendo las más numerosas las de 1 x1 mm, sobre las que se caracterizaron los parámetros que se pueden extrapolar a otras dimensiones. Para el proceso de fabricación del circuito híbrido (materiales de Dupont) con tinta resistiva cermet se realizaron tres serigrafías (Figura 1): conductor de plata/paladio, tinta resistiva, y vidrio de protección, mientras que en las polímeras (Figura 2) se utilizaron sólo dos: conductor de plata (Epotecny E205 de dos compuestos ), y tinta resistiva en desarrollo por el fabricante de potenciómetros. (Tabla 2) Excepto indicación en contra las medidas se realizaron sobre tres circuitos de cada tipo, y sobre todas las resistencias de 1x1 mm; en total 36 resistencias. La medida del TCR se realizó sobre los cinco tipos de circuitos, y la del resto de parámetros sobre los tres tipos de circuito en sustrato de alúmina. Se caracterizaron sobre estos circuitos los parámetros que más influyen en la estabilidad de las resistencias, de los que damos los resultados más significativos. Se midió el coeficiente de tensión (VCR) de las tintas, en resistencias de 1x1 mm y de 1,5x1,5 mm. Las unidades del VCR son %/V/mm, e indica la variación en el valor de una resistencia en % sometido a un gradiente de tensión entre sus extremos. El valor depende de la longitud de la resistencia. Con el mismo ancho y con la misma tensión aplicada, una resistencia de 1 mm de longitud, tendrá una variación porcentual cinco veces mayor que si tuviese 5 mm. El VCR se ha medido siguiendo el procedimiento de Dupont basado en la norma MIL-STD 202C-Método 309, para lo que es necesario estimar el voltaje continuo de trabajo de la resistencia probada. La estimación se realiza a partir de la potencia nominal de la resistencia, esto es, se han utilizado 98V para las resistencias cermet, 72,8 V para las realizadas con tinta polímera de 100K/ y 22,3 V para la de 10K/. En los ensayos siempre se obtiene un coeficiente de tensión negativo, disminuye el valor de la resistencia al aplicar la tensión de prueba. Como se ha explicado el decremento porcentual del valor de R es menor en la resistencia más larga. Teniendo en cuenta la tensión de prueba, se observa que las resistencias cermet soportan mejor las altas tensiones que las polímeras. (Figura 4) 4

5 El valor del coeficiente térmico (TCR) está influenciado por el estrés mecánico del sustrato con la temperatura, por la geometría, y por la composición de la tinta, que se ve afectada por cambios en el proceso de quemado. La medida se ha realizado con el método G de Dupont, aplicando la ecuación: (R 2 R1) TCR = R T T ppm/º C Esta ecuación ofrece la variación de la resistencia en ppm/ºc entre dos temperaturas T 2 y T 1. La caracterización se realizó sobre todos los tipos de circuito. El TCR no es una función lineal con la temperatura, por lo que se ha calcula un TCR caliente ( hot ), y otro frío ( cold ). Para las resistencias sobre sustratos de alúmina se midió el TCR halu entre T 1 =25ºC y T 2 =125ºC, y el TCR calu entre T 1 =-25 y T 2 =25ºC; sobre sustrato PET, y debido a su problema de estabilidad dimensional (Tabla 1), se midió el TCR hpet entre T 1 =25ºC y T 2 =70ºC, y el TCR cpet entre T 1 =0ºC y T 2 =25ºC. En todos los casos al aumentar la temperatura disminuye el valor de la resistencia. Se obtiene que los TCR de la tinta cermet son mejores que los de las polímeras, y además, los resultados de las tintas polímeras sobre sustrato de alúmina son sensiblemente mejores a los obtenidos sobre PET, a pesar de haber realizado la prueba con menor estrés térmico. Esto indica la gran diferencia de estabilidad dimensional con la temperatura entre ambos sustratos. (Figura 5) Se realizó una prueba de choque térmico sobre los circuitos de alúmina. En la prueba se siguió el método MIL-STD-883C para determinar el comportamiento de los resistores a cambios extremos de temperatura, realizando 5 ciclos de 10 minutos pasando el circuito en 10 segundos de 0ºC a 100ºC. Se observa que el efecto del choque térmico sobre la pasta polímera es muy negativo. Aunque éste caso no se da en una situación real, indica que las tintas resistivas polímeras no deben someterse a choques térmicos fuertes. (Figura 6) Se ensayaron las resistencias con carga durante 1000 horas, para emular una condición real de funcionamiento. La potencia permitida en las resistencias es, según los fabricantes, de 96 mw/mm 2 para tinta cermet, y 53 mw/mm 2 para polímeras, y la prueba se realizó con aproximadamente el 50% de la potencia permitida. Como se puede apreciar los resultados son mucho mejores para las pastas polímeras que en 5

6 las pruebas de choque térmico, y pueden ser considerados aceptables. (Figura 7) tienen buena conductividad, sus adhesivos ofrecen nuevas aplicaciones, y sus resistencias integradas permiten mayor densidad de componentes y reducen el costo del circuito. Es previsible que las novedades producidas en estos materiales, aumenten su rango de aplicaciones de consumo, absorbiendo por su precio competitivo, circuitos que ahora se realizan en otras tecnologías. Autores La última prueba fue de almacenamiento de 1000 horas sin carga, obteniéndose buenos resultados en todos los casos. (Figura 8) Conclusiones Los resultados obtenidos con las tintas polímeras son aceptables, cuando no se somete a la resistencia a una potencia excesiva, o un incremento grande de temperatura. Estas son sus limitaciones, por lo que no pueden utilizarse en aplicaciones profesionales de potencia, y en estos casos es mejor utilizar resistencias cermet de montaje superficial. El tipo de sustrato utilizado influye claramente en el coeficiente térmico de la tinta resistiva, debido a que la estabilidad dimensional con la temperatura de la alúmina, es mucho mejor que la del sustrato PET. La temperatura de curado de la tinta resistiva polímera afectó a las dimensiones del sustrato PET, por lo que en este caso, es recomendable utilizar otro método de curado que reduzca la temperatura y el tiempo. La tecnología PTF es fácil de realizar, y se puede combinar con otras tecnologías ya conocidas. Los nuevos conductores con plata Neftalí Núñez Mendoza. Profesor asociado de Tecnología Microelectrónica en la E.U.I.T. de Telecomunicación de la U.P.M, e ingeniero en Telefónica Investigación y Desarrollo donde ha desarrollado numerosos Circuitos Híbridos. Mail: Rubén Guerrero Merchán. Ingeniero Técnico de Telecomunicación por la U.P.M. Referencias [1] Álvarez, R.: Caracterización de pastas polímeras. Eurofach, nº 215, pg [2] Álvarez Santos, R., Lerena A., Bedmar J., Arribas, J.A. Núñez. N. (1998) Curso sobre plasturgia electrónica. E.U.I.T.T. [3] Álvarez, R. Tecnología microelectrónica. Ciencia 3. [4] Cavero, J.M.,Rodriguez, A.: Polymer thick film technology for telecommunication application. Comunicaciones de Telefónica I+D, vol31. [5] Gilleo, K.(1996): Polymer thick Film, ITP. 6

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