Analysis of pulse durability of thin-film and polymer thick-film resistors embedded in printed circuit boards

• Autorzy: Kłossowicz A. , Dziedzic A. , Winiarski P. , Stęplewski W. , Kozioł G.

Warianty tytułu

PL

Analiza odporności impulsowej grubo- i cienkowarstwowych rezystorów wbudowanych w płytki obwodów drukowanych

• Konferencja: 35th International Microelectronics and Packaging IMAPS - IEEE CPMT Poland Conference ; 21-24.09. 2011 ; Gdańsk Sobieszewo, Poland
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The passives (resistors, capacitors, inductors] embedded in printed circuit boards (PCBs) can improve electrical properties and reliability of electronic systems. Pulse durability is an important parameter of passive components and active devices. In the case of resistors it allows to determine many properties including maximum power dissipation, resistance change or phenomena occurring in resistor structures after pulse surging. Furthermore pulse durability defines utility for pulse circuits. Thus this work presents pulse durability of thin-film and polymer thick-film resistors made on the surface or embedded in Printed Circuit Boards (PCBs). Investigated test structures were made of nickel-phosphorus (Ni-P) alloy or polymer thick-film resistive inks on FR-4 laminate with similar sheet resistance (25Ω/sq or 100 Ω/sq for Ni-P alloys and 20 Ω/sq or 200 Ω/sq for polymer thick-film inks). Pulse durability was determined by calculating the maximum nondestructive electric field, maximum nondestructive surface power density or maximum nondestructive volume power density. These parameters were determined and compared for both kind of resistors in dependence on pulse duration, resistor geometry (length, width, aspect ratio], sheet resistance, interface between resistive film and termination material, type of cladding. Based on experimental results the similarities and dissimilarities in pulse durability of both group of resistors were analyzed.

PL

Elementy bierne (rezystory, kondensatory, cewki] wbudowane w płytki obwodów drukowanych (PCB] mogą polepszyć właściwości oraz niezawodność układów elektronicznych. Stabilność impulsowa jest ważnym parametrem zarówno elementów biernych jak i urządzeń aktywnych W przypadku rezystorów pozwala ona określić szereg właściwości takich jak np. maksymalna moc rozproszona, zmiana rezystancji lub zjawiska występujące wewnątrz struktury rezystora po przepłynięciu impulsu wysokonapięciowego. Co więcej odporność impulsowa określa użyteczność rezystora w obwodach pracujących impulsowo. Dlatego też w artykule przedstawiono wyniki badań odporności impulsowej cienkowarstwowych i polimerowych grubowarstwowych rezystorów utworzonych na powierzchni bądź wbudowanych w płytki obwodów drukowanych. Badane struktury zostały wytworzone z stopu fosforku niklu (Ni-P) lub polimerowej pasty rezystywnej na laminacie FR-4 o podobnych wartościach rezystancji powierzchniowej (25 Ω/kw lub 100 Ω/kw dla stopu Ni-P oraz 20 Ω/kw lub 200 Ω/kw dla polimerowych past rezystywnych]. Odporność impulsowa została określona na podstawie wyznaczonych parametrów: maksymalnego nieniszczącego pola elektrycznego, maksymalnej nieniszczącej powierzchniowej gęstości mocy oraz maksymalnej nieniszczącej objętościowej gęstości mocy. Parametry te zostały ustalone oraz porównane dla obu rodzajów rezystorów w zależności od czasu trwania impulsu, geometrii rezystora (długości, szerokości, współczynnika proporcji), rezystancji powierzchniowej, rodzaju materiału zastosowanego między warstwą rezystywną a jej kontaktem oraz rodzajem pokrycia. Na podstawie otrzymanych wyników przeprowadzonych badań przeanalizowano podobieństwa i różnice w odporności impulsowej dla obu rodzajów rezystorów.

Słowa kluczowe

EN

printed circuit board; embedded resistor; pulse durability; nickel-phosphorous; thin film; thick film

PL

płytki obwodów drukowanych; rezystory wbudowane; odporność impulsowa; fosforek niklu; płytki cienkowarstwowe; płytki grubowarstwowe

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 53, nr 1
• Strony: 51--55
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., il., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kłossowicz A.

autor

Dziedzic A.

autor

Winiarski P.

autor

Stęplewski W.

autor

Kozioł G.

• Faculty of Microsystem Electronics and Photonics, Wrocław University of Technology

Bibliografia

• [1] C. H. Seager, G. E. Pike: Electrical field induced changes in thick film resistors. Proc. Int. Microelectronics Symp. (ISHM-USA) 1976, p. 115-122.
• [2] J.-P. Constantin et al.: Effect of surge voltages on thin and thick film resistors, Proc. 2nd Int. Microelectronics Conf. (ISHM-Japan), 1982, p. 51-55.
• [3] J. M. Kozłowski, M. Tańcula: The influence of electrical pulses on thick film (Du Pont 1421 Birox) resistors. Electrocomponent Science and Technology, vol. 9 (1982), p. 185-189.
• [4] R. F. Szeloch et al.: Computer controlled step-stress method for thick film resistive layers testing. Proc. RELECTRONIC'88 (7th Symp. on Reliability in Electronics), Budapest 1988, p. 606-610.
• [5] D. Bonfert et al.: Electrical stress on film resistive structures on diffrent substrates. Proc. 34th ISSE Conf., Tatranska Lomnica (Slovakia), May 2011.
• [6] T. Tobita, H. Takasago: New trimming technique for a thick film resistor by the pulse voltage method. IEEE Trans. on Comp. Hybr. and Manuf. Technol. vol. CHMT-14 (1991), p. 613-617.
• [7] J. Muller et al.: Trimming of buried resistors in LTCC-circuits. Proc. 33rd ISHM Nordic Conf., Helsingor (Denmark) 1996, p. 166-173.
• [8] J. Kita et al.: Pulse durability of polymer, cermet and LTCC thick-film resistors. Proc. 12th Eur. Microelectronics and Packaging Conf., Harrogate, 1999, p. 313-319.
• [9] A. Dziedzic et al.: Some remarks about „short” pulse behaviour of LTCC microsystems. Proc. 1st Eur. Microelectronics Packaging and Interconnection Symp., Prague, 2000, p. 194-199.
• [10] W. Ehrhardt, H. Thust: Trimming of thick-film resistors by energy of high voltage pulses and its influence on microstructure. Proc. 13th Eur. Microelectronics and Packaging Conf., Strasbourg, 2001, p. 403-407.
• [11] A. Dziedzic et al.: Advanced electrical and stability characterization of untrimmed and variously trimmed thick-film and LTCC resistors. Microelectronics Reliab., vol. 46 (2006), p. 352-359.
• [12] S. Vasudevan: Effect of design parameters on overstress characterization of thick film resistors for lighting surge protection. Proc. 1997 Int. Symp. on Microelectronics (IMAPS-US), 1997, p. 634-640.
• [13] A. R. Batchelor, J. R. Smith: Time-current characteristic of miniature zinc-element electric fuses for automotive applications. IEE Proc. - Sci. Meas. Technol., vol. 146 (1999), p. 210-216.
• [14] D. Ortolino et al.: Investigation of the short-time high-current behaviour of vias manufactured in hybrid thick-film technology. Microelectronics Reliab., vol. 51 (2011), p. 1257-1263.
• [15] W. Smetana, R. Reicher, H. Homolka: Improving reliability of thick film initiators for automotive applications based on FE-analyses. Microelectronics Reliab., vol.45 (2005), p. 1194-1201.
• [16] A. Dziedzic et al.: Wybrane właściwości elektryczne i stabilność elementów biernych wbudowanych w płytki obwodów drukowanych. Przegląd Elektrotechniczny, 87 (2011), no. 10, p. 39-44.
• [17] W. Stęplewski et al.: Investigations of passive components embedded in printed circuit boards. Proc. 35th IMAPS/CPMT Poland Int. Conference, Gdańsk-Sobieszewo, Sept. 2011.