Analysis of long-term stability of thin-film and polymer thick-film resistors embedded in Printed Circuit Boards

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

Warianty tytułu

PL

Analiza stabilności długoczasowej rezystorów cienkowarstwowych oraz polimerowych rezystorów grubowarstwowych 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

This work presents long-term stability 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 (25 Ω/sq or 100 Ω/sq for Ni-P alloys and 20 Ω/sq. 200 Ω/ sq or 5 kΩ/sq for polymer thick-film inks) but decidedly different thickness of resistive layers - 0.1 or 0.4 μu thick Ni-P alloy and about 10...12 μm for polymer resistive films). Part of the Ni-P samples was covered with two different coatings - Resin Coated Copper (RCC] or Laser Drillable Prepreg (LDP). Polymer thick-film resistors were printed on Cu contacts or Cu contacts with Ni/Au coating and were covered by RCC film. The In-Situ accelerated ageing process (resistance of test samples performed directly at the ageing conditions] was carried out to perform long-term behaviour analysis. The results showed quite different behaviour of both group of resistors. In case of Ni-P thin-film resistors resistor geometry almost not affect long-term stability. However a significant influence on the behaviour of resistors was due to sheet resistance, type of encapsulation and ageing temperature. Measurement results revealed the square-root-of-time dependence of the resistance changes, which represent a single ageing mechanism. In temperature domain resistance drift can be described by the Arrhenius equation. The extrapolation of these results could be used to predict behaviour of resistors in various temperature and times of ageing. Such an extrapolation is almost impossible for polymer-thick film resistors, where the increase of ageing temperature leads to change relative resistance drift versus ageing time from positive to negative. In the case of these structures the interface between resistive films and termination materials plays a very important role on the level of observed relative resistance changes.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań stabilności dlugoczasowej rezystorów cienkowarstwowych oraz polimerowych rezystorów grubowarstwowych wykonanych na powierzchni lub wbudowanych w płytki obwodów drukowanych (PCB). Badane struktury testowe zostały wykonane ze stopu fosforku niklu (Ni-P) lub grubowarstwowych past polimerowych na podłożu FR-4, z podobnymi rezystancjami powierzchniowymi (25 Ω/kw lub 100 Ω/kw dla stopów Ni-P oraz 20 Ω/kw, 200 Ω/kw lub 5 kΩ/kw dla grubowarstwowych past polimerowych), lecz zdecydowanie różnej grubości warstw rezystywnych - 0.1 lub 0.4 μm dla stopów Ni-P oraz około 10...12 μm dla polimerowych warstw rezystywnych. Część próbek z rezystorami Ni-P pokryto dwoma typami warstwy ochronnej - laminatem RCC (Resin Coaled Copper] lub preimpregnatem LDP (Laser Drillable Prepreg). Grubowarstwowe rezystory polimerowe zoslaly nadrukowane na kontaktach Cu lub Cu z powłoką Ni/Au oraz zostaly pokryte warstwą laminatu RCC. Aby przeprowadzić analizę zachowania długoczasowego elementów wykorzystano metodę procesu przyśpieszonego starzenia oraz pomiarów In-Situ (pomiar rezystancji w warunkach narażeń). Wyniki wykazały zupełnie inne zachowanie się obu grup rezystorów. W przypadku rezystorów cienkowarstwowych Ni-P geometria niemal nie wpływa na stabilność długoczasową. Jednak znaczny wpływ na zachowanie się rezystorów był związany z rezystancją powierzchniową, typem pokrycia oraz temperalurą starzenia. Wyniki pomiarów ujawniły iż zmiany rezystancji są proporcjonalne do pierwiastka czasu, co prezentuje pojedynczy mechanizm starzenia. W dziedzinie czasu zmiany rezystancji mogą być opisane równaniem Arrheniusa, ekstrapolacja tych wyników może być użyta do przewidywania zachowania się rezystorów w różnych temperaturach oraz czasach starzenia.Taka ekstrapolacja jest prawie niemożliwa dla polimerowych rezystorów grubowarstwowych, gdzie wzrost temperatury starzenia prowadzi do zmian relatywnego dryftu rezystancji względem czasu z dodatniego na ujemny. W przypadku tych struktur połączenie pomiędzy warstwą rezystywną a materiałem kontaktu gra istotną rolę w obserwowanym poziomie względnych zmian rezystancji.

Słowa kluczowe

EN

embedded resistors; printed circuit board; long-term stability; thermal ageing; Nickel-Phosphorus (Ni-P); polymer thick film resistor

PL

rezystory wbudowane; płytka obwodu drukowanego; stabilność długoczasowa; thermal ageing; fosforek niklu; Ni-P; polimerowe rezystory grubowarstwowe

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 53, nr 1
• Strony: 55--58
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz., il., wykr.

Twórcy

autor

Winiarski P.

autor

Dziedzic A.

autor

Kłossowicz A.

autor

Stęplewski W.

autor

Kozioł G.

• Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Bibliografia

• [1] Dziedzic A.: Electrical and structural investigations in reliability characterization of modern passives and passive integrated components. Microelectronics Reliability, 42 (2002), pp. 709-719.
• [2] Khanna P. K., Bhatnagar S. K., Gust W.: On the thermally accelerated ageing of thick film resistors. Physica Status Solidi (a) 143, K33 (1994), pp. 15-18.
• [3] www.ohmega.com (Ohmega Technologies Inc. website), 21-08-2010.
• [4] Dziedzic A., Kłossowicz A., Winiarski P., Nitsch K., Piasecki T., Kozioł G., Stęplewski W.: Wybrane właściwości elektryczne i stabilność elementów biernych wbudowanych w płytki obwodów drukowanych. Przegląd Elektrotechniczny, 87 (2011), no. 10, pp. 39-44.
• [5] Stęplewski W., Serzysko T. Kozioł G., Janeczek K., Dziedzic A.: Investigations of passive components embedded in printed circuit boards. Proc. 35th International Conference of IMAPS - IEEE CPMT Poland, Gdańsk-Sobieszewo, September, 2011.
• [6] De Schepper L., De Ceuninck W. Stulens H., Stals L. M., Vanden Berghe R., Demolder S.: A new approach to the study of the intrinsic ageing kinetics of thick film resistors. Hybrid Circuits, No. 23, September 1990, pp. 5-13.
• [7] Coleman M.: Ageing mechanisms and stability in thick film resistors. 4th European Hybrid Microelectronics Conference 1983, Copenhagen, pp. 20-30.
• [8] Morten B., Prudenziati M.: Thermal ageing of thick-film resistors. Hybrid Circuits, no. 3 Autumn 1983, pp. 24-26.