Fabricación de circuitos impresos sobre
teflón compatible con procesos de
microelectrónica
Por:
Ing. Abel Pérez Fajardo.
Tesis sometida como requisito parcial para obtener el grado de
MAESTRO EN CIENCIAS EN LA
ESPECIALIDAD DE ELECTRÓNICA
en el
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica
Noviembre 2011 Tonantzintla, Puebla
Supervisada por:
Supervisada por:
Dr. Alfonso Torres Jácome Investigador Titular del INAOE
Dr. Reydezel Torres Torres Investigador Titular del INAOE
©INAOE 2011
Derechos Reservados
El autor otorga al INAOE el permiso de
reproducir y distribuir copias de esta tesis en su
totalidad o en partes mencionando la fuente.
Resumen
Actualmente las tarjetas de circuito impreso (PCBs) tienen considerables pérdidas, generalmente son asociadas a efectos del dieléctrico y conductor. Las pérdidas de las PCBs son inherentes a sus materiales y de sus procesos de fabricación. En este trabajo se propone una alternativa para fabricar PCBs con menos pérdidas. Por lo cual se implementa la fabricación de circuitos impresos con substrato de teflón.
Lo anterior permite disminuir las pérdidas, tanto las debidas al dieléctrico, como al conductor. Para disminuir las pérdidas por dieléctrico simplemente se utiliza un material como el teflón, que tiene pocas pérdidas al utilizarlo como substrato en PCBs.
Parte de las pérdidas asociadas al conductor, son debidas a la rugosidad que presenta en la intarfase entre el dieléctrico y el metal. Esta rugosidad se utiliza en la mayoría de las PCBs para asegurar una buena adherencia entre el metal y el dieléctrico. Sin embargo, la rugosidad produce un aumento en la resistividad de las interconexiones de la PCB y por lo tanto un aumento de las pérdidas.
Además de disminuir las perdidas utilizando teflón como dieléctrico en este trabajo, también se utiliza un proceso de fabricación no es necesaria la rugosidad para asegurar una buena adherencia entre el metal y dieléctrico. Con lo cual, las pérdidas asociadas al conductor se ven disminuidas comparadas con PCBs que necesiten rugosidad.
La presente tesis no hubiera podido ser realizada sin el apoyo
económico brindado por el CONACYT, lo cual agradezco.
Agradezco al INAOE, institución que me brindo todo lo necesario para
la realización del presente trabajo.
Agradezco al Dr. Alfonso Torres Jácome por la confianza puesta en mí y
por su ayuda incondicional en el proceso del desarrollo de la tesis.
Al Dr. Reydezel Torres Torres por su guía e inagotables sugerencias para
obtener un trabajo de mejor calidad.
Quiero darles las gracias a los miembros del jurado Dra. Claudia Reyes
Betanzo, Dr. Mario Moreno Moreno, Dr. Pedro Rosales Quintero por el
tiempo dedicado para revisar este trabajo.
A los técnicos del laboratorio de microelectrónica, al personal del taller
de óptica y al personal del taller mecánico, por toda su colaboración
para que esta tesis fuera realizada.
Al Ing. Juan Pablo Aburto Espinoza por la ayuda brindada en este
proyecto.
Al Maestro Germán Andrés Álvarez Botero por su apoyo brindado para
realizar mediciones.
Gracias también a mis queridos amigos por el apoyo y compañía, que
me brindaron durante toda la maestría. Alejandro, Cesar, Dulce, Jesús,
A mis padres por su apoyo y cariño incondicional a lo largo de mi vidad.
A mi hermano por su guía, apoyo y cariño.
A mi hermanito por enseñarme la forma de luchar en la vida y que no
existe ninguna causa pérdida ni meta que no se pueda alcanzar .
Y por último pero no menos importante la persona que más felicidad la
ha dado a mi vida mi amada Kari.
A todos gracias.
Índice
Capítulo 1 Introducción 1
1.1. Tendencias tecnológicas asociadas con la Ley de Moore 2
1.2. Sistema en empaquetamiento (SiP) 4
1.3. Niveles de empaquetamiento de IC 6
1.4. Circuitos impresos 6
1.4.1. Desafíos de las PCBs 7
1.4.2. Alternativas de los materiales utilizados como substratos en las
PCBs 8
1.5. Justificación 10
1.6. Organización de la tesis 11
Capítulo 2 Tecnología de PCBs
13
2.1. PCBs con substrato de FR4 13
2.1.1. Materiales de un PCB fabricada con FR4 14
2.1.2. Proceso de fabricación de PCBs con substrato de FR4 14
2.1.3. Efectos no deseados de circuitos impresos hechos en FR4 16
2.2. PCBs de teflón 20
2.3. Justificación de la utilización de teflón como substrato de PCBs 22
2.3.1. Características químicas del PTFE 22
2.3.2. Características Físicas del PTFE 23
2.3.3. Características eléctricas del PTFE 24
2.4. Integración de procesos en un solo laboratorio 25
2.5. Conclusiones del capítulo 26
Capítulo 3 Proceso de fabricación
28
3.1. Pulido 29
3.1.1. Desbastado 33
3.1.2. Esmerilado 35
3.1.3. Pulido 39
3.2. Evaporación de una capa delgada de cobre sobre el teflón 42
3.2.1. Limpieza 42
3.2.2. Tratamiento de plasma 43
3.2.3. Evaporación de cobre 44
3.3. Electrodepósito de cobre 45
3.4.-Devastado mecánico 48
3.5. Conclusiones del capítulo 49
Capítulo 4 Resultados
50
4.1. Diseño de prototipos 50
4.1.1. Diseño de una CPW 51
4.1.2. Diseño de línea microstrip 53
4.2. Implementación 54
4.2.1. Implementación para medición con puntas 55
4.3. Mediciones 58
4.3.1. Descripción del equipo de medición 59
4.3.2. Calibración 59
4.3.2.1. Calibración con puntas 60
4.3.2.2. Calibración con terminación coaxial 61
4.3.3. Descripción de mediciones 62
4.3.3.1. Descripción de mediciones con las puntas 63
4.3.3.2. Descripción de mediciones con coaxiales 64
4.4. Análisis de resultados 65
4.4.1. Análisis de resultados de líneas coplanares 66
4.4.2. Análisis de resultados de líneas microstrip 69
4.5. Conclusiones del capítulo 78
Capítulo 5 Conclusiones y trabajo futuro
79
5.1. Conclusiones 79
5.2. Trabajo Futuro 80
Referencias
81
Lista de Tablas 84
Lista de Figuras 84
1
Capítulo 1. Introducción
El circuito integrado es uno de los avances tecnológicos que más ha impactado en nuestra vida cotidiana, a tal grado que uno de los co-inventores de este concepto (Jack Kilby) fue galardonado con el Premio Nobel en el año 2000. Un circuito integrado (IC por sus siglas en inglés) para ser usado en cualquier aplicación, necesita ser empaquetado y así poder comunicarse con otros dispositivos y ser manipulado con mayor facilidad. Un IC se puede empaquetar de muy diversas formas para ser montado sobre la plataforma de un sistema electrónico, como por ejemplo una tarjeta de circuito impreso (PCB por sus siglas en inglés).
Dispositivo Pasivo
PCB IC
IC
Empaquetado
Figura 1.1 Muestra el empaquetamiento hasta el nivel de PCB.
Antes de continuar, se define el término “empaquetado”, éste servirá para referirse a uno o varios ICs que están contenidos en un solo encapsulado, y pueden verse como un solo dispositivo con entradas y salidas. Posteriormente, este empaquetado puede formar parte de un sistema electrónico más complejo. Por otra parte, todo el proceso que se necesita para integrar un sistema completo incluyendo interconexiones, encapsulados, componentes pasivos, ICs y otros dispositivos será referido como “empaquetamiento”. La Fig. 1.1 muestra un sistema implementado mediante el empaquetamiento de diferentes componentes.
El empaquetamiento de los ICs se ha vuelto un problema complejo debido a que con las tecnologías actuales de dispositivos semiconductores se puede fabricar una gran cantidad de transistores por unidad de área. Lo
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anterior ha permitido que la cantidad de datos que se pueden procesar por unidad de tiempo en dispositivos electrónicos (computadoras, celulares, etc.) aumente considerablemente. En consecuencia, tanto el ancho de banda requerido para el bus de datos como la frecuencia de operación de los dispositivos han aumentado, lo que demanda un mejor desempeño de los empaquetados en altas frecuencias [1].
Además de tener un incremento en la densidad de circuitos integrados en un proceso de empaquetamiento, ha emergido el concepto de “sistemas convergentes”. Éste se refiere a integrar diversas funciones en un dispositivo; por ejemplo, celulares con la opción de capturar video. Debido a esto, en un solo dispositivo se tiene diferentes componentes desarrollando diferentes funciones como: sistemas microelectromecánicos (MEMS, por sus siglas en inglés), biochips, actuadores y sensores, entre otros. Así, teniendo en consideración las diferentes especificaciones para el empaquetamiento de los componentes antes mencionados, existen muchos retos para la implementación de sistemas confiables en esta tecnología. El ejemplo anterior es solo una muestra de la importancia y versatilidad requerida en los sistemas electrónicos modernos, en donde en gran medida el desempeño de estos, es resultado de un buen proceso de empaquetamiento. Este proceso ha emergido entonces como uno de los grandes temas de investigación para la implementación de sistemas electrónicos confiables, y su desarrollo se ha ligado a la continuidad y continuo crecimiento de la industria electrónica como se explica a continuación.
1.1. Tendencias tecnológicas asociadas con la Ley de Moore
Los retos tecnológicos existentes en las tecnologías de empaquetamiento a través de los años han ido en aumento y tienen actualmente un alto grado de complejidad. Un factor que afecta a esto es la vigencia de “ley de Moore”.
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Ésta describe que en cierto tiempo (de 18 a 24 meses) se duplican el número de transistores por unidad de área dentro de un chip. Las predicciones de que la Ley de Moore perderá vigencia en el futuro inmediato debido a limitaciones tecnológicas se han escuchado durante años, siendo hasta el momento prematuras. Sin embargo, dichas predicciones están haciéndose realidad al estar alcanzando los límites fundamentales en el escalamiento de la tecnología CMOS, que están asociados con dimensiones que ya involucran tratamiento cuántico. Por esta razón, para seguir manteniendo una tasa de crecimiento en el desempeño de los sistemas electrónicos, será necesario el concepto "Más que Moore" [2], a través de la integración más estrecha de los componentes al nivel del proceso de empaquetamiento. Este concepto se ilustra gráficamente en la Fig. 1.2.
Figura 1.2 Más allá de la escala CMOS [2].
Además de las tendencias impuestas por aspectos tecnológicos, las cuales se dirigen hacia una alta integración de circuitos electrónicos y empaquetados, existen las demandas del mercado. Éstas imponen por sí
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mismas necesidades que apuntan al incremento del desempeño en espacios compactos y a un bajo costo. Actualmente, la solución a estas demandas tiene que ver con el empaquetamiento e interconexión de los IC. Sin embargo, las necesidades antes mencionadas no pueden ser cubiertas por métodos convencionales de empaquetamiento.
Entre las soluciones basadas en el proceso de empaquetamiento existen diversos conceptos. Dos de éstas son conocidas como Sistema en Chip (SoC, por sus siglas en inglés) y Sistema en Empaquetado (SiP) [2]. Estas tecnologías proveen el camino para el mejoramiento en el futuro inmediato del desempeño, así como para la reducción del consumo de potencia, costo y tamaño de sistemas electrónicos.
Las tecnologías antes mencionadas por si mismas no son una solución única, por esto, dependiendo de la aplicación se utiliza una u otra. Sin embargo, como se ha visto anteriormente, la diversificación de funciones de los dispositivos electrónicos hace que estas dos tecnologías se tengan que utilizar en conjunto.
1.2.-Sistema en empaquetamiento (SiP)
En la presente sección se define y describe el concepto SiP debido al enfoque de este proyecto, que tiene particular interés en el empaquetamiento de circuitos integrados.
El SiP puede ser definido como la combinación de múltiples dispositivos electrónicos activos con diferente funcionalidad, ensamblados en una sola unidad que proporciona múltiples funciones de un sistema o subsistema. Así, un SiP puede contener dispositivos pasivos, MEMS, componentes ópticos, e incluso otros empaquetados [2].
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Una vez definido el concepto de SiP, se proceden a discutir los requerimientos demandados a este tipo de tecnología. Dichos requerimientos pueden variar dependiendo de la aplicación, pero en general se pueden considerar que los sistemas implementados en tecnología SiP requieren de:
Pequeños y especializados factores de forma (form factor) Alta densidad de funcionalidad
Alta frecuencia de operación Disipación térmica
Gran capacidad de memoria Alta confiabilidad
Bajo costo de empaquetado Bajo costo de desarrollo
Rápido tiempo de salida al mercado
Comunicación inalámbrica (GPS, Bluetooth, celular, etc.)
Ahora bien, se describe algunos de los conceptos mencionados anteriormente. El factor de forma, no es simplemente la forma y el tamaño que debe de tener el empaquetado para cubrir las necesidades de funcionalidad (por ejemplo: el tamaño máximo que puede tener un celular para no ser impráctico). Sino también todas las adecuaciones necesarias para la compatibilidad de características físicas de todos los elementos que conformar el dispositivo.
Un factor más que influye en el empaquetamiento de IC es la alta densidad de funcionalidad. Esto es, que en dispositivo relativamente pequeño como un smartphone, contiene múltiples funciones como: captura y reproducción de video, procesador de texto y comunicaciones inalámbricas, entre otros. Para que un dispositivo sea capaz de capturar video de alta calidad, éste debe de contar con gran capacidad de memoria, ya que el
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usuario demanda la reproducción de eventos que considera importantes y espera que el tiempo de grabado no sea una limitación severa.
1.3. Niveles de empaquetamiento de IC
Existen diferentes niveles de empaquetamiento de IC, generalmente se clasifican en tres:
a) Nivel uno: Este nivel se refiere al ensamblado entre el dado (se define como el pedazo de semiconductor que contiene el IC) y su empaquetado.
b) Nivel dos: Este nivel contiene a la PCB, además de todas las interconexiones de ella y las conexiones hacia los empaquetados, también las conexiones de los dispositivos pasivos (resistencias, capacitores, inductores, etc.) que se encuentran en la PCB.
c) Nivel tres: Este nivel contiene las conexiones entre PCBs, conectores y los cables.
1.4. Circuitos impresos
El objetivo del empaquetamiento es que todos los componentes deben ser interconectados y ensamblados en forma funcional para que operen en un sistema. El diseño y la manufactura de estas interconexiones han evolucionado dentro de una disciplina separada llamada electrónica de empaquetamiento. Desde principios de los años de 1950 el bloque básico de la electrónica de empaquetamiento es la tarjeta de circuito impreso [3].
El propósito de una PCB utilizada en los actuales sistemas electrónicos es proveer, aparte de otras cosas, soporte mecánico para los dispositivos del sistema, disipación del calor que generan los dispositivos, las
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conexiones entre los chips y otros elementos del sistema. Así, las PCBs se pueden considerar como de una o varias capas de metal y aislante intercaladas. Generalmente, el material utilizado como aislante es un tejido de fibra de vidrio con resina epóxica, plásticos, cerámica u otros, y el metal comúnmente utilizado es el cobre, pero también puede utilizarse aluminio, plata u oro dependiendo de la aplicación.
1.4.1. Desafíos de las PCBs
Desde la invención de la tablilla de circuito impreso, muchos métodos y procesos se han desarrollado para la manufactura de PCBs, la mayoría de ellos no han cambiado significativamente a lo largo de los años. Sin embargo, algunas tendencias específicas tienen una influencia importante en los tipos de requerimientos y de procesos de fabricación de PCBs. Estas tendencias están relacionadas principalmente con los siguientes productos:
1.- Computadoras y equipo móvil de telecomunicaciones que requiere de circuitos, tarjetas y materiales que trabajen a altas frecuencias. Además, requieren disipar el calor generado por los dispositivos electrónicos.
2.- Productos de consumo que han incorporado sistemas electrónicos digitales dentro de su diseño, requiriendo más funcionalidad y cada vez menos costo.
3.- En los dispositivos electrónicos dedicados al sector salud se necesita una alta precisión y confiabilidad.
4.- En algunos casos se necesitan empaquetados muy robustos que puedan soportan las inclemencias de medios ambientes extremos, por ejemplo en dispositivos para medir las condiciones de la atmosfera y dispositivos en satélites.
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Es necesario mencionar que los productos continuarán aumentando sus funciones cada vez en menor espacio, conduciendo a incrementar el número de IC dentro del empaquetado. Esto requiere que las PCBs se vean actualmente como parte de la solución a los problemas asociados a la vigencia de la Ley de Moore y en consecuencia de la industria electrónica. En este sentido, una de las propuestas es el uso de substratos con mejores características dieléctricas. Adicionalmente, se están desarrollando maneras alternativas de producir las tarjetas de circuito impreso [3].
1.4.2. Alternativas de los materiales utilizados como substratos en las PCBs
Existe una gran cantidad de materiales para la fabricación de PCBs. En esta sección se mencionan algunos de los más representativos que presentan la característica de ser homogéneos e isotrópicos, lo que significa que su interacción con estímulos electromagnéticos no depende de la posición ni de la orientación de estos estímulos. Además, se mostrarán las propiedades del material más común utilizado como substrato de las PCBs, el FR4 (retardador de flama de tipo 4, por sus siglas en inglés), que servirá de referencia y que no presenta isotropía ni homogeneidad.
La Tabla 1.1 muestra algunos materiales isotrópicos con los que se pueden hacer PCBs indicando algunas de sus propiedades y comparándolas con el FR4. Como ya se mencionó, éste es un material anisótropico, debido a su composición de tejido de fibra de vidrio y resina epóxica.
En el presente trabajo se ha elegido utilizar el Politetrafluoroetileno (teflón o PTFE) como substrato para fabricar PCBs. Se pretende desarrollar las bases para una tecnología de PCBs a partir de teflón, contribuyendo así a una de las múltiples partes que forman el proceso de empaquetamiento de ICs. En este desarrollo se van a considerar los requerimientos ya
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mencionados anteriormente para tratar de cumplir con las demandas actuales y futuras de la tecnología de empaquetamiento.
Tabla 1.1 Propiedades de algunos materiales que pueden servir como substrato de PCBs [3].
Materia Propiedad Poliimida (Kapton) Poliéster (Mylar) Fluoropolimeros (Teflón) FR4 Constante Dieléctrica
3.4 - 4.0 3.3 2.0 – 2.3 4.65
Tangente de pérdidas (tan δ)
0.003 –0.01 0.005 - 0.015 0.00025 0.018
Rigidez dieléctrica (V/mil)
7650 7500 5000 _
Resistencia a la tensión (Mpa)
230 160 – 175 20 – 30 _
Estabilidad dimensional (%)
0.18 – 1.25 1.4 – 1.5 0.3 – 0.5 _
CTE (ppm/oC)* 20 – 45 28 – 31 10 – 15 (xy) 6 – 12 (Z) 65 - 80 * Es una constante que describe cuantos micrómetros se expande el material por cada metro que tiene éste debido a un incremento de un grado centígrado.
Para verificar y demostrar la viabilidad de la presente propuesta, se diseñarán e implementarán vehículos de prueba, éstos son basados en líneas de transmisión. Estas líneas se encuentran en toda PCB sirviendo de interconexiones y permitiendo que los circuitos integrados cumplan eficientemente su función, así como llevar a cabo su conexión al exterior con otras partes de un sistema electrónico.
Las líneas de transmisión antes mencionadas serán medidas eléctricamente, obteniendo sus parámetros S. A partir de estas mediciones se llevará a cabo un proceso de análisis que será detallado en este trabajo, y de las que se obtendrán figuras de mérito, que serán comparadas con
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vehículos de prueba implementados en un substrato de FR4, lo cual evidenciará las ventajas de la propuesta.
1.5. Justificación
Se ha propuesto el uso de teflón como material base para el desarrollo de una nueva tecnología de fabricación de PCBs ya que se obtendrán múltiples ventajas sobre otros materiales propuestos o en uso para dar vigencia y continuidad a la Ley de Moore. Entre otras se pueden mencionar:
A diferencia del FR4, el teflón es un material isotrópico, con lo cual se evita hacer un modelo complejo para describir sus propiedades.
La atenuación en una línea de transmisión se debe principalmente a dos tipos de pérdidas, por conductor y por dieléctrico [4]. Al utilizar PTFE se reducen las pérdidas por dieléctrico, ya que éstas son proporcionales a la tangente de pérdidas. Esto se debe a que el teflón pertenece al grupo de los Fluoropolímeros, y se puede observar en la Tabla 1.1 que éstos tienen constante dieléctrica y tangente de pérdidas bajas. Por lo cual las pérdidas de dieléctrico en una línea de transmisión realizada con teflón son más bajas que en substratos convencionales. Esto produce PCBs de mejor desempeño y que pueden ser utilizadas en altas frecuencias.
Los IC generan calor, de aquí la importancia de que el empaquetado se deforme lo menos posible en presencia de un incremento de temperatura. Como se observa en la Tabla 1.1 los fluoropolímeros presentan una deformación similar al material hecho con fibra de vidrio al incrementar la temperatura y aún con la ventaja de que su deformación es uniforme en sus tres dimensiones.
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En la forma en que se fabricaran las PCBs en teflón descritas en el presente trabajo se reduce la rugosidad para disminuir las pérdidas asociadas con el conductor. Esto a diferencia de otros procesos, donde la rugosidad del substrato es determinante para tener una buena adherencia entre el metal y el dieléctrico.
1.6. Organización de la tesis
El presente trabajo se ha divido en cinco capítulos, éstos tienen la finalidad de sustentar la viabilidad de fabricar PCBs utilizando teflón como substrato en un proceso microelectrónico; así mismo plantea las ventajas de este material y se justifica su elección. Además, se comprueba su adecuado desempeño mediante el diseño, fabricación y caracterización de líneas de transmisión, lo cual permite también hacer una comparación con estructuras similares en tecnologías actuales.
En el capítulo 2 se presenta la tecnología del teflón, mencionado por qué se ha elegido este material, describiendo sus características y cómo pueden ser aprovechadas en procesos de fabricación de PCBs. Además, se muestran algunos procesos de fabricación similares al que se desarrolla en el presente trabajo. También se mencionan las ventajas que obtendrá el INAOE al contar con su propia tecnología para el empaquetamiento de circuitos integrados.
En el capítulo 3 se describe detalladamente el proceso de fabricación de las PCBs sobre teflón, desde que se toma la materia prima (teflón en este caso), hasta tener un producto terminado. En este caso las estructuras de prueba.
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En el capítulo 4 se muestra el análisis experimental de las líneas de transmisión, obteniendo figuras de mérito con el objeto de demostrar las ventajas de las PCBs fabricadas con el presente proceso contra PCBs comerciales.
Y por último, en el capítulo 5 se mencionan las conclusiones generales del trabajo y se proponen algunos trabajos futuros.
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Capítulo 2. Tecnología del teflón
El teflón es el material propuesto como sustrato para el desarrollo de un proceso de fabricación de PCBs de alto rendimiento, es entonces pertinente conocer detalladamente algunas de características más importantes de este material que justificaran su selección como material para desarrollar un proceso de fabricación de PCBs compatible con los procesos usados en la fabricación de dispositivos microelectrónicos. La descripción de procesos de fabricación de PCBs con otros materiales se incluye también en este capítulo con el propósito de comparar las ventajas que el teflón ofrece sobre los ya existentes. Se describe el proceso más común de fabricación de PCBs que usa FR4 como material inicial [3] y se utiliza como referente para hacer una comparación de las características eléctricas entre líneas equivalentes. A partir de esto, es posible demostrar la factibilidad de tener un proceso de empaquetamiento confiable utilizando equipo disponible en laboratorios de microelectrónica.
2.1. PCBs con substrato de FR4
Los materiales FR4 han sido los más exitosos y comúnmente utilizados en la fabricación de circuitos impresos por muchos años. El termino FR4 en realidad abarca un gran número de tipos de materiales, aunque éstos comparten ciertas propiedades. La característica común de estos materiales es que están hechos a base de fibra de vidrio y resina epóxica. La resina epóxica tiene muchos usos fuera de la fabricación de PCBs, lo cual ha contribuido a su diversificación, motivando la mejora de algunas de sus propiedades. En lo referente la fibra de vidrio, existe también con una gran cantidad de tipos de tejidos y propiedades eléctricas que permiten darle estructura al substrato, así como modificar sus características para aplicaciones específicas.
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2.1.1.- Materiales de un PCB fabricada con FR4
Los materiales utilizados en la fabricación del FR4, particularmente el tejido de fibras de vidrio y la resina epóxica proporcionan una buena combinación para ofrecer las características térmicas, eléctricas, mecánicas y costos adecuados para la fabricación de PCBs. Como ya se ha mencionado, existen gran cantidad de tipos de resina epóxica, pero una de las más comunes en la fabricación de circuitos impresos es la que se forma a partir de la reacción entre el epiclorohidrin y el bisfenol A. Estos compuestos, al reaccionar proveen un retardo en la formación de la flama, de ahí el nombre del FR4 (para el retardo de flama, del tipo 4, por sus siglas en inglés). Con respecto del tejido de fibra de vidrio, a éste lo constituyen hilos conformados de diferentes materiales y porciones; sin embargo, los más comunes se pueden consideran los siguientes: dióxido de silicio, oxido de calcio, oxido de aluminio, oxido de boro y oxido de magnesio [3]. Así, con la combinación de los materiales anteriores, es posible producir un substrato para PCBs.
Cobre es el material generalmente utilizado para formar las estructuras conductoras en una PCB, cuyo proceso de adherencia al substrato dieléctrico será tema de discusión a lo largo de varias secciones posteriores en esta tesis. Por el momento, después de mencionar los materiales que conforman una PCB de FR4, se procederá a describir brevemente su proceso de fabricación.
2.1.2.- Proceso de fabricación de PCBs con substrato de FR4
A partir de láminas de cobre y rollos de tejido de fibra de vidrio, se comienza el proceso de fabricación de PCBs utilizando el material FR4 como substrato. Primero, el tejido de fibra de vidrio es llevado con la ayuda de rodillos hacia donde se encuentra la resina y es humedecido con ésta. Después de que el tejido se encuentra impregnado con la resina, éste pasa por varios
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tratamientos térmicos, para que la resina adquiera las condiciones físicas y químicas deseables, como la dureza y la resistencia a la flama. Al terminar los tratamientos térmicos, el material es cortado para poder ser combinado con placas de cobre que también han sido previamente cortadas. Éstas son acomodadas alternativamente de forma que una lámina de cobre se coloca sobre una de tejido impregnado, proceso que es repetido alternadamente dependiendo de los requerimientos de la PCB (multicapas, de una sola cara o por ambas caras). Así, ya estando colocadas adecuadamente las láminas, se pasa a prensarlas y al mismo tiempo se les aplica calor para unir las placas de metal con las de dieléctrico. Al finalizar el presando, se hacen pruebas de calidad y sí las PCBs pasan a ser cortadas del tamaño adecuado y por ultimo empacadas para su venta.
A manera de resumen, el proceso descrito anteriormente se muestra en el bosquejo de la Figura 2.1. Algo que es importante mencionar de este proceso, es que para tener una adherencia adecuada entre el FR4 y el cobre, se debe de contar con cierta rigurosidad entre ellos, normalmente ésta varía entre 1 y 0.5 μm [12], lo que introduce características eléctricas indeseables y que deben ser minimizadas cuando las tarjetas se utilizarán en la implementación de circuitos operando en altas frecuencias (p.ej. de microondas).
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Tejido de fibra de vidrio Resina
epóxica Tratamientos térmicos
Cortado del tejido impregnado con resina
Cortado de la lámina de cobre
Prensado Térmico
Prueba de calidad
Recortado
Figura 2.1. Bosquejo simplificado que muestra el proceso de fabricación de una tarjeta para PCBs en FR4.
2.1.3.-Efectos no deseados de circuitos impresos hechos en FR4
Como se ha descrito anteriormente, de la forma de fabricación y los materiales del FR4, se pasa ahora a describir algunos efectos que ocurren en el material FR4. Principalmente, debido a la falta de homogeneidad y a la anisotropía del FR4, algunos efectos no deseados ocurren en las interconexiones que se implementan en estos substratos. Adicionalmente, existe un efecto causado por la rugosidad de la interfaz entre el dieléctrico y el metal.
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(a) (b)
Figura 2.2 (a) Acercamiento del material FR4. (b) Líneas microstrip sobre FR4 [13].
La anisotropía del FR4 es debida a que este material está hecho en base a un tejido de fibra de vidrio (véase Figura 2.2a). Por lo cual, si se fabrican dos líneas geométricamente idénticas, pero en diferente parte del substrato como lo muestra la Figura 2.2b, la permitividad efectiva ( ) de las
líneas es diferente. Este parámetro es muy importante ya que define tanto la impedancia característica de la línea como la velocidad a la cual viaja una señal en ella.
Es fácil de observar que la línea “L2” a lo largo de su longitud está sobre una hebra de hilos, mientras la línea “L1” cruza sobre hebras de hilos y pura resina epóxica alternadamente a lo largo de su longitud. Entonces, debido a que la permitividad del hilo de fibra de vidrio es de alrededor de 3 y la de la resina epóxica es aproximadamente de 6, la permitivad efectiva de “L1” es mayor a la de “L2”. Este efecto hace que existan variaciones en las características de línea a línea en el circuito, introduciendo problemas de acoplamiento y variación de fase. La Figura 2.3 muestra el corte lateral de la Figura 2.2b. En esta figura se muestra claramente que la parte de la línea “L2” tiene como dieléctrico la combinación de fibra de vidrio y resina epóxica; por otro lado, la parte de la línea “L1” que se observa en la figura, solamente tiene como dieléctrico resina epóxica.
L
1L
2
re3.7
18
Figura 2.3 Corte transversal del material FR4 con dos líneas microstrip.
Otra característica no deseable en las líneas de transmisión fabricadas en FR4 es la rugosidad que existe en las interfases metal–dieléctrico (véase Figura 2.4). Esta se asocia a las pérdidas por conductor mediante un factor de rugosidad (kr). El cual es un factor que multiplica las pérdidas por conductor ideales (sin rugosidad) de una línea microstrip.
Figura 2.4 Corte transversal de una PCB donde se resalta la rugosidad entre el metal y el dieléctrico.
El fenómeno asociado con la rugosidad se ve magnificado a altas frecuencias (del orden de los gigahertz) debido a que es una consecuencia
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del efecto piel. Así en altas frecuencias la corriente en una línea metálica fluye principalmente en la superficie del conductor, que es donde existe una rugosidad finita. De esta forma, aumenta la resistencia de la línea debido principalmente a la reducción del área transversal por donde fluye la corriente; por lo tanto, se incrementan las pérdidas correspondientes. En la Figura 2.5, se muestra el parámetro kr en función de diferentes rugosidades a diferentes frecuencias. Al aumentar este factor, aumenta la resistencia de la línea y consecuentemente las pérdidas que sufre una señal al propagarse. De aquí la necesidad de tener una rugosidad lo más pequeña posible.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
k
r
Frecuencia (GHz)
1.8 M hRMS 0.8 M hRMS 0.3 M hRMS
Figura 2.5. El factor de pérdidas por conductor para diferentes valores de rugosidad a diferentes frecuencias.
El valor hRMS de la rugosidad se refiere al promedio de la altura de los picos que se forman en la interfaz entre el dieléctrico y el metal. Así, valores hRMS entre 1.8 y 0.8 µm son comunes de encontrar en PCBs comerciales. Éstas, como se ve en la Figura 2.5, presentan un factor kr relativamente alto. El caso contrario ocurre con las PCBs que tienen una rugosidad hRMS de 0.3 µm. Desafortunadamente, no son tan comunes en el mercado debido a su alto costo, ya que para proporcionar suficiente adherencia entre los
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materiales, requieren de procesos secretos o patentados que elevan su precio.
Las ventajas del teflón serán descritas más adelante a detalle; por el momento, es importante mencionar que al utilizarlo como sustrato se pueden disminuir las perdidas asociadas a los efectos de la rugosidad. Esto debido a que el teflón en el proceso de fabricación descrito en este trabajo no necesita de rugosidad considerable para proporcionar una buena adherencia con placas metálicas. Además, al ser un material homogéneo e isotrópico, evita variaciones de la permitividad efectiva en líneas de transmisión geométricamente iguales.
2.2.- PCBs de teflón
Actualmente, existen PCBs sobre teflón que ya están en mercado. De hecho, en Internet es posible encontrar algunos fabricantes que ofrecen PCBs basados en este material, puede verse por ejemplo la ref. [5]. Sin embargo, los fabricantes no brindan muchos datos que permitan hacer una comparación directa de los procesos. No obstante, uno dato destacado que sí se proporciona es la constante dieléctrica, la cual comúnmente se reporta de alrededor de 2.5. Debido a que este valor difiere del que corresponde originalmente al teflón (2.2) se puede deducir que la fabricación de estas PCBs mediante los procesos que utilizan algunos fabricantes altera la permitividad dieléctrica del sustrato. Un ejemplo de esto, podría ser la utilización de algún tipo de sustancia adhesiva que sirva para unir el teflón con la placa metálica. Al alterar las propiedades de un buen dieléctrico, como en este caso, en la fabricación de PCBs, no se aprovecha a su máximo sus propiedades, ya que la velocidad de propagación de las señales se ve disminuida.
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Además de las PCBs mencionadas en [5], se han reportado otras en [6]. Éstas inclusive ya se encuentran como parte de procesos SiP y tampoco existe información pública de su fabricación. En realidad en [6], sólo muestra un compendio de tecnologías actuales utilizando teflón como substrato en PCBs, mencionando sus ventajas sobre las tecnologías convencionales. Sin embargo, al igual que las anteriores también reportan valores de permitividad dieléctrica diferentes al valor nominal que corresponde al teflón. Aún más, las PCBs que se muestran en [6] son utilizadas para algunas aplicaciones avanzadas, militares y aeroespaciales entre ellas, lo que indica que el costo es prohibitivo para aplicaciones comerciales comunes. Por ejemplo, en el empaquetamiento de un microprocesador y ocho memorias RAM en un sólo paquete puede optimizarse la velocidad del procesamiento de datos del sistema en un proceso con teflón. Aunado a esto, se menciona que este compendio de tecnologías se tiene un bajo volumen de producción, en general por debajo de 1000 unidades por mes.
En otra referencia [7], se describe la construcción de una línea coplanar (CPW) sobre un substrato de vidrio, en el cual es depositado aluminio mediante una evaporadora de cañón de electrones. El aluminio es depositado con diferentes espesores, porque se trata de ver el efecto que tienen diferentes espesores de aluminio sobre el Factor Q. Ya que la línea CPW se pretende utilizar como un resonador, simplemente dejándola a circuito abierto. Sin embargo, este proceso tiene algunas limitaciones, por ejemplo, el espesor de aluminio es delgado (de unos cuantos micrómetros) para aplicaciones de circuito impreso. Además de que el vidrio no es tan buen dieléctrico como el teflón, al tener el vidrio una permitivdad (de 4.82), significativamente más alta que la del teflón.
El proyecto descrito en este trabajo se puede ver como la continuación y mejoramiento de uno previo que se ha desarrollado en el INAOE [8]. El cual es la realización de PCBs sobre teflón utilizando aluminio como metal
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depositado a través de una evaporadora de cañón de electrones. Teniendo la limitación de que sólo crecer delgadas capas del metal (llegando un máximo de 2 μm). Además, sus vehículos de prueba (línea coplanar) se hicieron mediante procesos litográficos.
Se tuvo un gran avance en comparación con el proyecto antes mencionado. Primero se redujo el tiempo de pulido de 12 a 3 hrs. Aún más se logró controlar el espesor tanto del dieléctrico como del conductor. Esto contribuyó a generar vehículos de prueba diversos, para este caso líneas coplanares y de microcinta.
2.3.- Justificación de la utilización de teflón como substrato de PCBs
Para seleccionar un substrato para la fabricación de PCBs, se tienen que considerar las propiedades, químicas, físicas y eléctricas. Las cuales deben de ser compatibles con los materiales y procesos utilizados en el proceso de fabricación. A continuación se enlistan algunas propiedades del teflón y un breve análisis de cómo pueden servir éstas en los procesos de fabricación y las ventajas de éste para utilizarlo como substrato de PCB.
2.3.1.- Características químicas del teflón
Una de las principales características del teflón es que tiene una alta resistencia química, inclusive en algunos casos se considera casi inerte. No reacciona con ninguna sustancia química excepto en situaciones muy especiales. Esto hace al teflón compatible con casi cualquier proceso químico, incluyendo la mayoría, sino es que todos los procesos para fabricar PCBs. Resultado esto de la composición del teflón.
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El teflón es un material orgánico formado a partir de la polimerización (i.e, proceso químico por el que los reactivos, que son compuestos de bajo peso molecular llamados monómeros se agrupan químicamente entre sí, dando lugar a una molécula de gran peso, llamada polímero) de tetrafluoretileno (TFE) como se ve en la Figura 2.6. Debido a este tipo de formación de la molécula del teflón, presenta propiedades deseables para su utilización como substrato de PCBs [10].
F
F
F
F
C C F
F
F
F C C
F F
F F
C C
Polimerización
n
Tetrafluoretileno TFE Politetrafluoretileno PTFE
Figura 2.6 Formación del PTFE a través de la polimerización.
La estabilidad química del teflón se asocia a su estructura, donde se encuentran dos tipos de enlaces. Los cuales son: enlaces carbón–carbón y flúor–carbón, los últimos enlaces son de los más fuertes y estables encontrados en los polímeros. Además, los átomos de flúor son más grandes que los átomos de carbón, proporcionando una envoltura protectora a los enlaces más débiles carbón–carbón. Así, este material se hace impenetrable para la mayoría de las sustancias y con una alta estabilidad frente a la acción de solventes, ácidos, bases, agentes oxidantes y radiación ultravioleta [9].
2.3.2.- Características Físicas del PTFE
El PTFE, además de tener propiedades químicas excelentes, también tiene propiedades físicas favorables para usarse en la fabricación de PCBs; por
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ejemplo, su estabilidad térmica es muy buena, prueba de ello es que no sufre cambios en su forma hasta los 260 oC.
Además, debido a su estructura molecular, el teflón presenta la propiedad de antiadherencia, igualmente es hidrófobico, lo que significa que no puede ser mojado. Posee el coeficiente de fricción más bajo de los materiales solidos entre 0.05 y 0.09, y cuenta con una tensión superficial de 20 dinas/cm. Por todas las razones anteriores, es casi imposible que el teflón se pueda adherir a otro material, es por esta razón que no se ha popularizado su utilización en la fabricación de PCBs. Sin embargo, en el capítulo 3 se describe cómo a partir de un tratamiento al PTFE puede dársele propiedades que permiten su adherencia con placas metálicas.
2.3.3.- Características eléctricas del PTFE
Las características físicas de un material engloban a sus características eléctricas. Como estas últimas son de suma importancia en la selección de un substrato para la fabricación de PCBs, se dedica su estudio en la presente sección.
Primero el PTEF es un buen aislante, debido a que su valor de rigidez dieléctrica es de 450 V/mil (18 V/µm). Esta propiedad se define como el voltaje mínimo al cual un aislante se convierte en eléctricamente conductivo [10] y que depende del grosor del dieléctrico. Aunado a esto, ya se había mencionado en el capítulo anterior que el teflón tiene valores bajos de permitividad relativa ( ) y de tangente de perdidas ( ), con lo cual las pérdidas por el dieléctrico en una PCB con este material son bajas. Esto se demuestra cuantitativamente en el capítulo 4. La tangente de pérdidas de un dieléctrico hace referencia a que tanta energía es absorbida de un campo electromagnético que pasa a través de él.
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2.4.- Integración de procesos en un solo laboratorio
Como se ve en el Capítulo 1, las demandas del mercado están haciendo que las tecnologías converjan, de aquí la importancia de hacer procesos de empaquetamiento en el mismo lugar donde se fabrican dispositivos conductores. Lo anterior engloba a la mayoría de laboratorios donde se fabrican ICs incluyendo al laboratorio de microelectrónica del INAOE.
El INAOE es un generador de dispositivos electrónicos a base de materiales semiconductores, éstos son fabricados en el laboratorio de microelectrónica dentro del instituto, la mayoría de los dispositivos se pueden medir directamente del dado de la oblea en que son fabricados, ya que en él se cuenta con estaciones diseñadas para éste fin. Algunos, sin embargo, tienen que ser empaquetados para su medición. Además los chips deben ser empaquetados para poder ser incorporados dentro de sistemas electrónicos.
La tecnología con la que actualmente cuenta el INAOE para encapsular los dispositivos semiconductores se puede describir de la siguiente manera. Los ICs se fabrican sobre obleas de silicio, regularmente no se empaqueta toda la oblea junta, sino pequeñas porciones de ella. Éstas se denominan dados. El dado incluye pads previamente fabricados que son utilizados para aplicar y medir estímulos eléctricos (señales de entrada y salida como también la alimentación eléctrica). Se suelda un extremo de un alambre micrométrico (25 μm) sobre los pads y el otro extremo del alambre es unido a una pista en un PCB o una estructura de un encapsulado. Las uniones de los extremos de los alambres son realizadas con soldadura ultrasónica.
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Figura 2.7 Alambrado utilizando soldadura ultrasónica elaborada en el INAOE.
Tanto las estructuras utilizadas para encapsular los dados como la mayoría de las PCBs no son fabricadass en el INAOE, de aquí la necesidad de tener y desarrollar la tecnología necesaria para el empaquetamiento de circuitos integrados. Lo anterior ayudaría en la obtención de un producto electrónico de alta calidad, debida a que se controlaría los procesos de empaquetamiento y de creación del chip. Con lo cual, ambos procesos se podrían diseñar para ser compatibles y optimizando el producto final, en este caso un dispositivo electrónico.
2.5.-Conclusiones
En el presente capítulo se ha mostrado los efectos no deseados dentro de un circuito impreso convencional (fabricado con FR4), como los provocados a la anisotropía del substrato y la rugosidad de éste. Éstos son debidos a los proceso de fabricación y a los materiales utilizados en estas PCBs. De aquí la necesidad de utilizar otros materiales y procesos para la fabricación de PCBs, para eliminar o disminuir estos efectos.
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Un material excelente que cubre todos los requerimientos para fabricar PCBs es el teflón, debido a todas sus propiedades fiscas y químicas. Las cuales lo hacen compatible con casi cualquier proceso de fabricación. Por lo tanto compatibles con procesos microelectrónicos.
Como ya se ha mencionado, las PCBs sobre teflón ya existen, pero éstas son costosas y sólo son utilizadas en reducidas aplicaciones avanzadas. Por lo anterior es necesario la creación de un proceso de fabricación compatible con la producción en grandes volúmenes para reducir los costos de creación de las PCBs de teflón.
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Capítulo 3. Proceso de fabricación
Una de las principales aportaciones durante el desarrollo de un nuevo proceso de fabricación es su fácil entendimiento y reproducibilidad, es por eso, que en el presente capítulo se detalla uno para la fabricación de PCBs con substrato de teflón. Al terminar el proceso de fabricación descrito se obtienen vehículos de prueba para verificar su calidad. Algunos de los pasos en este proceso se llevan a cabo de cierta forma, de manera que puedan aprovecharse las ventajas de los materiales utilizados. Por ejemplo, ya que el teflón es un buen dieléctrico, la adhesión del metal en su superficie se realiza mediante una evaporación y después un electrodepósito, los cuales no afecta sus propiedades dieléctricas. Además, en estos pasos se logran espesores de metal similares a los obtenidos con procesos comerciales, con lo cual se facilita la formación de líneas de transmisión. Esto permite tener PCBs de teflón compatibles con tecnologías de fabricación convencionales. Por esta razón, además de facilitar la creación de vehículos de prueba, se da un paso hacia la fabricación en masa de las PCBs descritas en el presente trabajo.
En el desarrollo de este proceso de fabricación, se tuvieron que enfrentar múltiples dificultades, las cuales se abordarán a lo largo de este capítulo. Es importante mencionar que inicialmente se exploró el uso de procesos litográficos para fabricar las estructuras de prueba. Sin embargo, no se llegaron a resultados aceptables debido a las adaptaciones rudimentarias y a la falta de las sustancias de alta calidad requeridas. A pesar de que finalmente esta opción no fue utilizada, investigaciones posteriores podrían llegar a desarrollarse para obtener resultados similares a los que aquí se reportan.
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Antes de comenzar con la descripción detallada del proceso, se mencionan a continuación los cuatro subprocesos en los que es dividido:
a) Pulido.
b) Depósito de una capa delgada de cobre sobre el teflón (0.1 µm de espesor).
c) Electrodepósito.
d) Devastado mecánico.
Cada uno de estos subprocesos tiene una justificación e impacto dentro del proceso completo de fabricación. El pulido tiene como propósito principal disminuir hasta el mínimo posible las pérdidas asociadas al conductor. Como se describe adelante, no es necesaria la rugosidad en este proceso para una buena adherencia del metal al dieléctrico. Una delgada película de Cu es usada como semilla para el posterior electrodepósito y engrosamiento de esta. Finalmente el devastado mecánico es la técnica usada en este trabajo para la definición de las estructuras de prueba.
Cada uno de éstos es explicado en las siguientes secciones. Cabe mencionar que este capítulo tiene la intención de explicar cada detalle de la fabricación de los prototipos de prueba, de manera que puedan obtenerse posteriormente, si es necesario, resultados reproducibles en procesos de fabricación que utilicen como base el proceso propuesto.
3.1. Pulido
Todo el proceso de pulido se desarrolla en el taller de óptica del INAOE. El pulido tiene la finalidad de reducir la rugosidad del teflón. Para obtener un factor de rugosidad kr cercano a la unidad, de tal manera obteniendo pérdidas por conductor sin el efecto de la rugosidad.
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Inicialmente, se cuenta con láminas de teflón relativamente grandes, de 30 cm por lado. Éstas se deben de cortar del tamaño y forma deseados considerando las capacidades de las máquinas y herramientas que se han de utilizar posteriormente para procesar las muestras. Las herramientas que se utilizan en el proceso de pulido se pueden observar en la Figura 3.1. Así, las piezas no deben tener un área mayor a la de estas herramientas. Además de recortar las piezas de teflón, se les hace un bisel en todo el borde, lo cual ayuda a tener un pegado uniforme y evita que haya desprendimiento en algún paso del proceso de pulido. Otro aspecto para asegurar el buen pegado es la limpieza, que se debe de efectuar tanto en las herramientas como en el teflón. En caso de que no existan residuos más que la suciedad típica de la herramienta, se puede limpiar con acetona, de la misma manera para el caso del teflón.
Figura 3.1. Herramientas utilizadas en el proceso de pulido con un diámetro aproximado de 14 cm.
Después de la limpieza se procede a pegar las muestras a la herramienta. El pegado de este tipo de muestra comúnmente hace con cera. Sin embargo, no es práctico y la adherencia que ésta proporciona para mantener fijo al teflón no es buena. Esto ocasiona que las piezas de teflón se despeguen en un paso del proceso de pulido, además de que se tiene la
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desventaja de requerir largo tiempo para calentar y enfriar la cera, lo cual podría llegar a más de dos horas.
Por todo lo anterior, alternativamente a la cera se utiliza cinta adhesiva de doble cara, la cual es fácil de manipular y resistente para esta aplicación. En este caso, primero se procede a colocar cinta sobre la parte superior de la herramienta (véase Figura 3.2), tratando de cubrir toda la superficie y evitando que la cinta se encime sobre otro pedazo de ella.
Figura 3.2. Herramienta siendo cubierta de cinta adhesiva de doble cara.
Al terminar de cubrir la totalidad de la superficie de la herramienta con cinta, se cortan los sobrantes. Una forma de asegurar un buen pegado, es presiona la cara de la herramienta contra una superficie haciendo suaves movimientos y después se desprende la parte de la cinta que cubre al pegamento por un lado.
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Una vez que la herramienta está completamente cubierta con cinta (véase Figura 3.3) se colocan las placas de teflón (recortadas) cuidando de que ningún borde de las piezas quede fuera de la herramienta. Si un borde quedará afuera es recomendable cortarlo. De lo contrario, la pieza se podría desprender durante algún proceso. Después, las piezas de teflón se colorean con un marcador de cera como muestra en la Figura 3.4. El color sobre el teflón sirve como indicador para saber cuándo la generadora lo empieza a desbastar. La generadora es una máquina utilizada generalmente para controlar espesores y radios de curvatura en objetos de vidrio.
Como se observa en la Figura 3.4, se tienen tres cuadros completos de teflón y otras figuras. Las piezas que son de utilidad son los cuadros, pero es necesario colocar las otras piezas ya que servirán de ayuda igualando el esfuerzo de las herramientas de esmerilado y pulido sobre la superficie de las muestras, manteniendo así la planaridad de todo el teflón que se pule. Otra opción es recortar el teflón del tamaño de la superficie de la herramienta.
Figura 3.4. Teflón pegado sobre la herramienta.
Una vez que se tiene el teflón sobre la herramienta, éste ya es compatible con la mayoría de los procesos que se realizan en el taller de pulido. El proceso de pulido se puede separar en tres grandes subprocesos: devastado, esmerilado, pulido. Éstos se explican a continuación.
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3.1.1. Desbastado
Ya que se tiene el teflón pegado sobre la herramienta, se procede a hacer el desbastado. Previamente a esto, se deben verificar varios detalles de la máquina para desbastar (generadora). Primero, se revisa que la máquina cuente con lubricante para después proceder a la colocación de la broca (herramienta con filo, la cual al ser puesta adecuadamente dentro de la generadora es la encargada de desbastar). En general, cualquiera sirve, pero de preferencia se usa la menos áspera para producir líneas de generado menos profundas, lo cual permite ahorrar tiempo en el proceso de esmerilado.
Otro aspecto de la generadora que se tiene que verificar es el ángulo de desbastado. El cual se debe poner a cero grados para no producir superficies cóncavas o convexas, sino planas. Esto es de suma importancia, ya que la forma que se dé al substrato en este paso se mantendrá a lo largo del proceso de fabricación. Por otra parte, existen varias características de los vehículos de prueba que dependen del espesor del dieléctrico. Por lo cual, si varía el espesor del substrato dieléctrico debido a una variación del ángulo de desbastado, las propiedades de los vehículos de prueba finales variarán.
Figura 3.5. Alineación de la muela con una broca: a) vista de la herramienta, y b) detalle.
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Posteriormente, como se ve en la Fig. 3.5, se alinea la broca con una punta. La anterior alineación se hace para asegurar un desbastado uniforme, que también contribuye a tener un grosor de dieléctrico igual en toda la pieza de teflón.
Después de la alineación, se retira la punta y se pone la herramienta con el teflón adherido en la generadora (véase Figura 3.6). Así, el último paso antes de encender la generadora es colocan los acrílicos de protección de la máquina. Lo cual evita posibles accidentes.
Figura 3.6. La generadora con la herramienta que tiene el teflón.
Tomando las medidas de seguridad, se pone a trabajar la generadora.
De hecho, se puede controlar con cierta precisión la cantidad que se quiere devastar del teflón mediante un controlador manual que tiene como división mínima 1 mil (25 µm). El control del grosor del dieléctrico en la fabricación de PCBs es de suma importancia. Éste determina algunos parámetros en el diseño como la impedancia característica. Aún más, si se desea una línea transmisión (principalmente microcinta) extremadamente angosta y con un valor de impedancia definido, se puede ajustar el espesor del dieléctrico para este fin.
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Además de que el espesor del dieléctrico define parámetros para el diseño de líneas de transmisión, también en este caso sirve para definir si la PCBs es rígida o flexible. Considerando láminas de teflón con espesores de un 1 mm o menores son flexibles, mientras que para espesores por encima de 1 mm es rígido.
Ya que se tiene el espesor del teflón deseado, se deja reposar y no se mueve el controlador antes mencionado por treinta minutos. Al terminar este tiempo, se acciona una palanca con la cual se activa un pistón, y la herramienta desciende, procediendo a apagar la máquina. Con ésta apagada y sin movimiento se procede a retirar los acrílicos, obteniendo acceso a la herramienta y retirándola de la máquina. Cuando se desea pulir por ambos lados, el devastado del teflón sólo se hará hasta borrar todo el color del marcador de cera que tenga el teflón y al hacer el proceso de la otra cara se le dará el espesor deseado.
3.1.2. Esmerilado
Después del debastado, la herramienta se lava con agua corriente, apresurando su secado con aire a presión. Ya estando el teflón limpio, se lleva a una máquina conocida como máquina eje donde se esmerila (véase Figura 3.7). Aquí, a la herramienta que tiene el teflón se le coloca un reductor de la cuerda en la parte posterior (véase Figura 3.8), para poder ser esmerilada con la cara hacia abajo. De esta manera se evita, en la medida de lo posible, que el esmeril se incruste sobre el teflón.
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Figura 3.7. Máquina eje.
Una característica del teflón es el ser un material muy blando. Esto provoca que parte de las sustancias que se utilizan para pulirlo (sólidos en suspensión), se incrusten en él, retrasando el proceso y en algunos casos dejando la muestra inutilizable. Lo anterior se resolvió adaptando herramientas y poniendo el peso adecuado en la herramienta de pulido, entre otras adecuaciones.
(a) (b)
Figura 3.8. Muestra la herramienta sin reductor a) y con reductor b).
Otro reto que se enfrentó por la falta de dureza del teflón fue la necesidad de fabricar una herramienta de vidrio. Ésta ha sido una adaptación, ya que en un proceso de pulido convencional (en general para pulir vidrio) se utilizan herramientas metálicas o de chapopote con algún tipo de grabado. Estas herramientas fueron probadas para esmerilar el teflón
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pero no resultaban en lo esperado, ya que las muestras mostraban ralladuras en la superficie supuestamente pulida.
Algunas consideraciones que se deben de tener para la fabricación de la herramienta de vidrio son: i) debe ser aproximadamente 20% más grande que la herramienta donde se encuentra pegado el teflón, y ii) su superficie debe de ser plana y lisa. Lo anterior se hace con el fin de obtener buenos resultados.
(a) (b)
Figura 3.9. Muestra la herramienta de vidrio.
El proceso de esmerilado inicia cuando la superficie de la herramienta de vidrio es recubierta con esmeril del número 25 (partículas de óxido de aluminio, con un tamaño máximo de 25 µm, diluidas en agua) véase Figura 3.9a. A continuación se coloca la herramienta con teflón cara a cara con la herramienta de vidrio y se enciende el eje con la velocidad mínima (entre 10 y 20 revoluciones por minuto). El uso de una velocidad relativamente lenta, evita que el teflón se raye. Para hacer un esmerilado adecuado, se debe ajustar la “carrera” (el recorrido que hace la herramienta superior entre dos posiciones), para así obtener un esmerilado uniforme en todas las piezas de teflón como se muestra en la Figura 3.10.
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(a) (b)
Figura 3.10 (a) Posición inicial para el proceso de esmerilado. (b) Posición final para el proceso de esmerilado.
Un factor muy importante a considerar en el esmerilado, es el peso que es aplicado en el eje. Éste debe de ser controlado para evitar que el esmeril destruya el teflón. Sin embargo, si el peso no es suficiente el proceso tardara demasiado. Después de varios intentos de procesos de esmerilado, se encontró que un peso adecuado es de 1 a 2 kg por cada 5 cm de diámetro de la herramienta con teflón (considerando el peso de la herramienta con teflón). Con este peso, el tiempo del esmerilado usando esmeril de 25 µm varía entre una hora y una hora con 40 minutos. Una forma de saber que este paso terminó, es la verificación de que todas las líneas que produjo la generadora han desaparecido.
Al finalizar el tiempo de esmerilado con # 25, se detiene el eje, se limpian las herramientas y el eje, se repite el proceso de esmerilado pero se usa el esmeril del # 15 (partículas de óxido de aluminio, con un tamaño máximo de 15 µm, diluidas en agua). A diferencia del esmerilado con el # 25, el que utiliza # 15 sólo dura 40 minutos.
Durante el proceso de esmerilado se tiene que colocar constantemente el esmeril sobre la herramienta de vidrio, si no se hiciera así el esmeril tiende a
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enterrarse sobre el teflón. Generalmente, el esmeril se aplica con una brocha y evitando el contacto con la herramienta de vidrio, porque cualquier fibra de la brocha podría rayar el teflón. Al terminar el proceso de esmerilado, se debe de limpiar todo con agua. Lo anterior se hace con el fin de evitar la contaminación de las herramientas con partículas más grandes que las que se utilizan en el proceso siguiente.
(a) (b)
Figura 3.11. a) Herramienta de vidrio de 10 cm. b) Se cubre la herramienta con un paño de lana.
3.1.3. Pulido
Con las herramientas limpias y secas se procede a hacer el pulido de las muestras. Antes de comenzar con este paso, es necesario implementar una herramienta adicional de vidrio de aproximadamente 10 cm de diámetro (véase Figura 3.11a), a la cual se le coloca un paño de lana (véase Figura 3.11b), éste se debe de poner lo más tensionado posible. Este paño es resistente y suave a la vez, y tiene la finalidad de evitar que el teflón se raye con la herramienta.
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(a) (b)
Figura 3.12 (a) Posición inicial para el proceso de pulido. (b) Posición final para el proceso de pulido.
El pulido se realiza en la misma máquina donde se llevó a cabo el esmerilado. Sin embargo en este caso, a la herramienta que contiene el teflón se le quita el reductor y es colocada en la parte inferior de la máquina (i.e., donde se encontraba la herramienta de vidrio utilizada en el proceso de esmerilado), mientras que la herramienta con paño se coloca en la parte superior (i.e., donde estaba la herramienta con teflón) tal como se muestra en la Figura 3.12. El paño es humedecido con pulidor (partículas de óxido de aluminio, con un tamaño máximo de 1 µm, diluidas en agua) que debe ser aplicado aproximadamente cada 5 minutos.
Para el pulido, el peso que se debe de utilizar en el eje es de la misma magnitud que el utilizado en el esmerilado pero ahora se tiene que tomar en cuenta en el cálculo el diámetro de la herramienta de vidrio. Por otra parte, la velocidad de giro de la herramienta debe ser la más rápida que la máquina permita porque esto permite realizar este paso en un menor tiempo. De hecho, siguiendo estos pasos, el pulido tiene una duración de 40 minutos a una hora. Al finalizar el pulido, la herramienta con teflón se limpia con agua
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corriente, mientras que la herramienta del paño sólo se guarda en un recipiente de plástico para prevenir su contaminación.
Una vez que se tienen las piezas de teflón pulido es necesario despegarlas de la herramienta. Esto se facilita calentando la herramienta sobre una estufa para que la cinta adhesiva se despegue, permitiendo separar el teflón sin esfuerzo. Debe de evitarse, sin embargo, un calentamiento excesivo que podría provocar que el teflón se deforme.
Para verificar qué tan exitoso ha sido el proceso anterior, se hizo la medición de la rugosidad de las muestras mediante el uso de un microscopio de fuerza atómica (AFM, por sus siglas en inglés), obteniendo una rugosidad promedio (RSM) de 30 nm. Cabe mencionar que el teflón base que se utilizó en este proyecto tiene una rugosidad intrínseca de alrededor de 1 μm. La Fig. 3.13 muestra la morfología de la superficie obtenida después del pulido.
Figura 3.13. Morfología de la superficie del teflón después del pulido, obtenida mediante AFM.
A continuación se hace un resumen de los pasos más importantes del proceso descrito anteriormente, sus tiempos de duración y los pesos utilizados. Esto es mostrado en la en la Tabla 3.1. Lo cual se hace con la finalidad de concentrar la información para ser de ayuda al lector.
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Tabla 3.1. Pasos principales del proceso de pulido
Proceso Duración Peso
Esmerilado con 25
Una hora a hora y 40 minutos
1 a 2 kg por 5 cm de diámetro de la herramienta Esmerilado con
15
40 minutos 1 a 2 kg por 5 cm de diámetro de la herramienta Pulido 40 minutos 1 a 2 kg por 5 cm de diámetro
de la herramienta
3.2. Evaporación de una capa delgada de cobre sobre el teflón
El paso de la evaporación de cobre, se desarrolló en el laboratorio de microelectrónica del INAOE. En éste solo se deposita una pequeña capa de cobre (de 0.1 µm) al teflón que servirá como semilla para hacer crecer cobre mediante electrodepósito. De esta forma se obtendrá la cantidad de cobre deseado.
3.2.1. Limpieza
Antes de empezar cualquier proceso en el laboratorio de microelectrónica, se deben de limpiar las muestras, lo cual es muy importante, no sólo para garantizar un proceso adecuado, sino también para cuidar los niveles de limpieza de los equipos que se utilizan. Así, la limpieza para las piezas de teflón inicia sumergiéndolas en tricloroetileno por 15 minutos, para después sumergirlas en acetona por otros 15 minutos y al final hacer un enjuague con agua deionizada. Para secar las muestras, simplemente se dejan a flujo laminar de aire.
