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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,
Rafael y Ramón.
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
4.2.2. Implementación para medición con conectores coaxiales 57
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
Apéndice A 87
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
ICEmpaquetado
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
2
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”.
3
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
4
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].
5
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
6
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
7
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.
8
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
9
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
10
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.
11
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.
12
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.
13
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.
14
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
15
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).
16
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.
17
(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.
L1
L2
re
3.7
re
3.5
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
19
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 9 101.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
kr
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
20
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.
21
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
22
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.
23
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
FC C
F
F
F
FC C
F F
F F
C CPolimerización
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
24
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.
25
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.
26
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.
27
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.
28
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.
29
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.
30
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
31
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.
Figura 3.3. Herramienta totalmente cubierta de cinta.
32
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.
33
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.
34
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.
35
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.
36
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
37
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.
38
(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
39
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.
40
(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
41
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.
42
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.
43
3.2.2. Tratamiento de plasma
Encontrándose las muestras limpias y antes de que se deposite en ellas el
cobre, se necesita hacer un tratamiento de plasma. Éste es para mejorar la
adherencia de la superficie del teflón y evitar desprendimientos de la capa de
cobre que se le evaporará.
El teflón presenta poca adherencia de aquí la necesidad de realizar un
tratamiento para modificar esta característica. El tratamiento que se le dio al
teflón para incrementar su adherencia se realizó en presencia de plasma de
argón, en el sistema PECVD. Éste generalmente se utiliza para depositar
películas delgadas a bajas presiones y controlando la temperatura. Las
condiciones con las que se aplica el tratamiento de plasma al teflón se
pueden ver en la Tabla 3.2.
Tabla 3.2: Condiciones del tratamiento de plasma de argón [8]
Tiempo Frecuencia Potencia Presión Flujo de gas
Temperatura
120 segundos
111 KHz 250 Watts
0.3 Torr (300 sccm) Ambiente
Al aplicar el plasma de argón sobre la superficie del PTFE suceden
tres cosas importantes que incrementan la adherencia. La primera es que la
superficie del PTFE se vuelve más uniforme en la superficie [14]. La segunda
es que se crean radicales [15]. La creación de estos radicales conduce a la
formación de enlaces covalentes entre las cadenas del polímero, que
favorecen la adherencia. La tercera es que los iones que penetran la
superficie rompen algunos de los enlaces de carbón-flúor, desprendiendo
átomos de flúor, de esta manera al depositar el metal se crean enlaces
carbón-cobre. O en su defecto creando un enlace carbón y algún elemento
que se encuentre en la atmosfera del laboratorio, por ejemplo oxígeno.
44
Al utilizar el procedimiento de plasma para lograr adherir películas de
metal sobre el dieléctrico. Con lo cual no es necesario poner rugosidad
sobre el substrato y tampoco utilizar algún tipo de pegamento. Al no utilizar
pegamento para la unión del dieléctrico con el metal, se evita cambiar las
propiedades eléctricas del substrato (principalmente la permitividad relativa y
la tangente de pérdidas).
3.2.3. Evaporación de cobre
Una vez realizado el tratamiento con plasma, la superficie está lista para
depositar el metal (cobre para este caso). Éste es realizado mediante un
sistema de evaporación al alto vacío, este funciona con un cañón de
electrones. El funcionamiento de este sistema es simple, primero se colocan
las piezas de teflón dentro del mismo, así como el cobre a depositar en un
crisol de bronce recubierto con Ni. Después, se lleva el sistema hasta una
presión base de 1x10-5 torr y se enciende el cañón de electrones que
bombardea el metal, provocando que éste se evapore y se deposite de
manera uniforme sobre las piezas de teflón.
Al llevar a cabo la evaporación de metales sobre teflón, se debe de
tener cuidado de que las piezas de teflón no se deformen por exceso de
calentamiento, ya que el vapor del metal condensa sobre la superficie de
este. Una forma de evitar lo anterior es depositando capas muy delgadas,
con lo cual se evita que el substrato de teflón se caliente lo suficiente para
deformarse. En este caso se deposita 0.1 µm de cobre aproximadamente en
5 minutos, con razones de depósito entre 3 y 8 Å/s.
45
Figura 3.14. Placa de teflón con depósito de cobre 0.1 µm de espesor.
3.3. Electrodepósito de cobre
El tener una pequeña capa de metal crecida en el substrato de teflón,
simplifica el proceso de electrodepósito ya que esta capa funciona como un
electrodo en este proceso. El electrodepósito de cobre se puede hacer de
diversas formas dependiendo de las sustancias con cual se realice. Al menos
tres son reportadas en el Electroplating Engineering Handbook [16], de los
cuales se ha elegido la que tiene en su composición sulfato cúprico y ácido
sulfúrico. Esto debido a su sencillez, ya que al realizar la solución para el
proceso no se tiene que controlar el PH (Potencial de Hidrogeno), sino
simplemente las porciones en las que están los elementos que forman la
solución.
A grandes rasgos, el proceso de electrodepósito se puede describir de
la siguiente forma. Primero se necesita una fuente de metal que
regularmente es una sal (sulfato cúprico en este caso) y una sustancia para
generar iones a partir de la sal (ácido sulfúrico en este caso). También se
necesitan dos electrodos para generar un diferencial de potencial entre ellos.
La función de éste es arrastrar los iones de metal hacia un electrodo en
donde se depositará. Una ilustración de este proceso se muestra en la Fig.
3.15.
46
PTFE Cu
A
Solución
Figura 3.15. Esquema del electrodepósito.
3.3.1.-Implementación del dispositivo de electrodepósito
Al determinar las porciones empleadas en el baño de cobre, fue de gran
ayuda utilizar los rangos que se describen en [3,4]. Sin embargo, se tuvieron
que hacer algunos pequeños ajustes para obtener resultados adecuados,
quedando las porciones de la siguiente manera:
100 gramos de sulfato cúprico por cada litro de agua
deionizada.
De 50 a 100 ml de ácido sulfúrico por cada litro de agua
deionizada.
Para realizar la solución, primero se mide la cantidad de agua
deionizada que sea necesaria en un vaso de precipitado o el instrumento
adecuado para este fin. Una vez teniendo el nivel de agua adecuado, se
procede a agregar el sulfato cúprico en el agua y se utiliza un agitador para
acelerar el proceso disolución. Cuando la solución es homogénea, tendrá un
color azul claro.
Ya que se disolvió todo el sulfato cúprico en el agua, se le agrega el
ácido sulfúrico, lentamente o por partes, dejando un intervalo de tiempo de 5
47
a 10 minutos para completar la cantidad de este ácido. Éste, al ser mezclado
con el agua, provoca una reacción exotérmica que debe tratarse con mucho
cuidado. Es recomendable dejar enfriar la solución antes de utilizarla en el
electrodeposito mientras se evita salirse de los rangos de temperatura
marcados por [3,4].
Al finalizar la solución para el electrodepósito, se puede montar el
dispositivo en el cual se lleva a cabo éste (véase Figura 3.15). Teniendo el
sistema adecuado para hacer el electrodepósito, un factor primordial a
controlar es la corriente por unidad de área. Ésta define el grosor de la capa
que se deposita. Por ejemplo, si se aplica una corriente de 1.88 A/dm2
durante una hora, se obtendrá un espesor de depósito de 25 µm [3]. Para
este proyecto, la corriente seleccionada fue de 376 mA/dm2. Con lo cual, en
seis horas el espesor que se logra de cobre es de 30 µm. Con esta finalidad,
se ha elegido una corriente pequeña que evite obtener granos de cobre muy
grandes y así conseguir un depósito homogéneo.
Con el espesor antes mencionado, la placa de teflón con cobre es
comparable y compatible con la de los procesos de fabricación
convencionales. Esto es una gran ventaja, porque con arreglos tecnológicos
menores se puede utilizar todo o la mayor parte de un proceso usado en la
fabricación de PCBs basados en FR4. Hasta este punto se puede considerar
que se desarrolló un proceso donde se pueden hacer PCBs en teflón. Sin
embargo, es necesario demostrar la calidad de las muestras obtenidas.
3.4.-Desbastado mecánico
Para demostrar qué tan eficientes son las PCBs en teflón desarrollas en este
trabajo, es necesario construir vehículos de prueba basados en líneas de
transmisión. Éstas son hechas mediante un desbastado mecánico ya que el
INAOE cuanta con todos los recursos para llevarlo a cabo.
48
Antes de hacer el desbastado de las líneas, éstas tienen que ser
dibujadas respetando sus dimensiones, en programas de dibujo vectorial.
Por ejemplo AutoCAD, L-Edit, CorelDraw, entre muchos otros. Después
deben se importados a Circuitcam. Éste es un programa que sólo sirve de
interfaz, entre un programa de dibujo vectorial y el software de la maquina
(PROTOMAT C40 LPKF). En él se puede seleccionar el tipo de herramientas
a utilizar y la ruta que seguirán éstas.
Ahora bien, ya con todo lo necesario para empezar a maquinar la PCB
de teflón. Ésta es pegada con cinta adhesiva, sobre una PCB de FR4 que es
compatible con la PROTOMAT. Lo anterior se hace para evitar hacer
modificaciones a la máquina de desbastado. Sorteando ésta y otras
dificultades menores por fin se logra tener vehículos de prueba.
Figura 3.16. Maquinado de líneas de transmisión sobre PCB de teflón.
Nota: En ninguna parte del presente capítulo se han mencionada
algún tipo de medidas de seguridad. Sin embargo, es pertinente mencionar
que durante el desarrollo de todos los pasos del proceso mencionado se han
seguido las indicaciones de los manuales de seguridad, en donde estos
existen y/o los consejos de los técnicos a cargo del laboratorio/herramienta.
49
3.5. Conclusiones
Al describir un proceso en detalle como lo mostrado en este capítulo, se
pretende lograr la reproducibilidad del mismo con una mayor facilidad.
Con el proceso de pulido se logró la disminución (casi desaparición)
de la rugosidad del sustrato comparada con sustratos comerciales. Esto
permite tener menos perdidas en las líneas de transmisión.
Llevando a cabo la fabricación de PCBs mediante el proceso descrito
en este capítulo, se potencializan las propiedades del uso del teflón. Esto
debido que para unir el metal con el teflón no se modifican las características
de éste.
El resultado es un proceso que en su parte final es compatible con
tecnologías convencionales. Lo cual facilita la elaboración de un producto
terminado, en este caso líneas de transmisión. Aún más, se da un paso muy
importante hacia la fabricación en masa, con la posibilidad de costos bajos
del producto final (PCBs sobre teflón), ya que proceso aquí presentado es
escalado a la producción en masa fácilmente. Lo anterior es realizado con
espesores de metal y sustrato compatibles con tecnologías actuales.
50
Capítulo 4. Resultados
El análisis experimental de líneas de transmisión fabricadas sobre teflón con
el proceso propuesto y descrito en este trabajo, se presenta en este capítulo.
A partir de la medición de parámetros S de estas líneas en un rango de
frecuencias que abarca un rango en las decenas de gigahertz, se obtiene los
parámetros de funcionamiento de estas líneas. Esto permite estudiar las
características eléctricas tanto del substrato dieléctrico como de las tiras
conductoras utilizadas para formar las líneas. De esta manera se muestra la
factibilidad de hacer implementaciones prácticas de circuitos impresos en
esta tecnología.
A continuación se describen tanto el diseño de los prototipos en teflón
como el proceso de medición y análisis de resultados.
4.1. Diseño de prototipos
Existen distintos tipos de líneas de transmisión [4]. Debido a que la
tecnología de circuitos impresos está basada en la implementación de
interconexiones planares, resulta conveniente llevar a cabo los experimentos
de este proyecto en líneas de transmisión de este tipo. Así, se realiza el
diseño e implementación de guías de onda coplanares (CPW, por sus siglas
en inglés) y de microcinta (o microstrip). Una breve descripción de los
factores que intervienen en la definición de las propiedades eléctricas y su
relación con las dimensiones físicas y materiales que conforman una CPW y
una microstirp se da a continuación. El objetivo principal al resaltar los
detalles del proceso de diseño de las líneas, es la inclusión de las fórmulas y
ecuaciones típicamente utilizadas con este fin tanto para CPWs como para
microstrips.
51
Es importante mencionar que el proceso básico de diseño consiste en
determinar la geometría requerida para obtener una impedancia igual a 50 Ω
o lo más cercano posible, ya que esta es la impedancia estándar más común
en sistemas electrónicos. Diseños más avanzados consideran además
parámetros como atenuación, retraso de fase y otros. Sin embargo, para
propósitos de prueba de concepto, en este trabajo se parte del diseño
básico.
4.1.1. Diseño de una CPW
Las CPWs son de gran utilidad para mantener confinados los campos
electromagnéticos guiados mediante líneas fabricadas en un mismo plano.
Una línea CPW consiste de tres tiras de metal sobre un dieléctrico
separadas cierta distancia. Un bosquejo de este tipo de línea se muestra en
la Figura 4.1.
En una línea de transmisión, uno de los parámetros más importantes
es la impedancia característica (Z0). Este parámetro depende tanto de las
dimensiones de la línea como de los materiales utilizados para su
implementación. Para obtener fórmulas cerradas que permitan su cálculo, se
utiliza un factor (K), que es el argumento de una función que involucra
integrales elípticas [4]. Cabe mencionar que se realizan este tipo de
integrales debido a que la forma del campo eléctrico asociado con esta línea,
el cual se asemeja a elipses.
De esta manera, las expresiones que se utilizan para el cálculo de Z0
son [4]:
(4.1)
52
√
(4.2)
(4.3)
√
(4.4)
donde K() y K’() representan la integral elíptica de primer tipo y su
complemento, respectivamente. Una precisa pero simple expresión para el
cálculo cociente en K()/K ()’ es:
√ √ (4.5)
√ √ . (4.6)
Es importante mencionar que las ecuaciones anteriores han sido
obtenidas de un análisis cuasiestatico [4], donde es la permivitidad
relativa efectiva, la cual incluye el efecto conjunto del aire y el material, que
presenta una permitividad relativa . Esto porque el campo electromagnético
viaja por ambos medios.
Teflón Cobre
S S
W
t
Figura 4.1 Guía de onda coplanar sobre teflón.
53
Para el diseño de las estructuras coplanares se consideran
dimensiones utilizadas en aplicaciones prácticas, pero también las
capacidades del proceso y las limitaciones impuestas por el equipo de
medición. Entre las limitaciones se encuentra la separación minima entre
líneas que se puede fabricar y las dimensiones de las puntas empleadas en
la medición. Tomando esto en consideración, las dimensiones obtenidas
fueron: ancho de linea, W = 1.6 mm, y separación entre líneas, S = 100 µm.
Lo que resultó en una impedancia caracteristica calculada Z0 = 56.4 Ω.
4.1.2. Diseño de línea microstrip
Un segundo tipo de línea que se fabricó, muy utilizado en circuitos impresos
es la de microstrip, que consiste de una línea metálica separada por un
dieléctrico del plano de tierra que sirve para el retorno de la señal, como se
puede observar en la Figura 4.2.
W
h
t
Teflón Cobre
Línea de
metal
Plano de
tierra
Figura 4.2 Estructura de una microstrip sobre teflón.
Al igual que en las líneas coplanares, existen ecuaciones para hacer
el cálculo de la impedancia característica (Z0) que han sido obtenidas de un
análisis cuasiestático [4]. Sin embargo, en contraste con el caso anterior,
54
éste es mucho más sencillo, debido a que la forma del campo eléctrico en
una microstrip es más simple que en una línea coplanar al existir sólo una
lámina conductora como plano de tierra. Así, la impedancia puede obtenerse
de:
√ ,
- (
) (4.7)
√ ,
(
)- (
) (4.8)
donde , y:
(4.9)
. (4.10)
De esta manera, cuando se utiliza un substrato de teflón con un
espesor de 400 µm, de las ecuaciones anteriores se obtiene que con un
ancho de la línea de cobre de 1.3 mm el valor de la impedancia
característica es de 49.5 Ω.
4.2. Implementación
Al fabricar las estructuras de prueba se debe tener en cuenta que los
parámetros S correspondientes serán obtenidos experimentalmente, por lo
cual las líneas necesitan ser compatibles con el equipo de medición. Existen
diversas formas de tener acceso a las líneas de transmisión, se pueden usar
conectores y pads de prueba, entre otras. Debido a que las líneas microstrip
requieren contacto en ambos lados del substrato para aplicar la señal, se les
55
coloca conectores coaxiales de banda ancha para simplificar su fabricación
(de otra forma sería necesario hacer vias metálicas para interconectar los
pads de tierra con el plano de referencia). Por otra parte, las CPWs no
presentan ese problema, por lo que son compatibles con puntas de prueba
coplanares y su patrón geométrico incluye pads para llevar a cabo la
medición.
4.2.1. Implementación para medición con puntas
Las líneas CPW fueron diseñadas para ser medidas con puntas de prueba
coplanares del tipo tierra-señal-tierra (GSG, por sus siglas en inglés) con una
separación entre agujas de 250 µm (i.e., la distancia entre G y S) como se
aprecia en la Figura 4.3(a). Como la estructura coplanar es relativamente
ancha con respecto a la separación de las puntas es necesario adecuar el
patrón geométrico de las CPWs incluyéndoles pads para su prueba.
250 um
(a) (b) (c)
Figura 4.3. Puntas de prueba planares: (a) ejemplificando la distancia entre la punta de señal (S) y la referencia de tierra (G) (en el caso de este trabajo de 250 µm), (b) acercamiento de una punta marca Picoprobe de la serie 50A al ser calibrada con un carga, y (c) fotografía en perspectiva de la punta.
56
Las puntas fueron selecionadas tomando en consideración las
caracteristicas del proceso de fabricación. Por ejemplo, el utilizar un proceso
de devastado mecánico para hacer el trazado de la línea de transmisión, se
limita la dimensión mínima de separación S entre líneas metálicas, en este
caso S = 100 μm y no se pueden obtener estructuras con dimensiones más
pequeñas. Por tal motivo, cualquier punta que tenga una separación entre
agujas igual o menor a S no podrá ser utilizada.
Una vez sabiendo qué puntas se han de utilizar, se pueden diseñar los
pads, quedando la estructura para ser medida que se puede observa en la
Figura 4.4.
350um150 um
Teflón Cobre400 um
Figura 4.4. Bosquejo de la vista superior de una línea CPW con pads.
Los pads son necesarios en las estructuras para poder ser medidas. Sin
embargo, introducen un efecto de discontinuidad eléctrica, el cual puede ser
modelado como un circuito pasivo que contiene capacitores e inductores.
Posteriormente se detalla el proceso que se utiliza para obtener los datos
experimentales correspondientes a la línea en sí, sin incluir el efecto de los
pads de prueba.
57
4.2.2. Implementación para medición con conectores coaxiales
A diferencia de las líneas CPW, las microstrip no se midieron con puntas.
Esto por la limitación que en este momento existe en el proceso de
fabricación para interconectar verticalmente el plano de tierra con el plano
donde se encuentra la tira de metal de la microstrip. Por esta razón, fue
necesario utilizar conectores coaxiales. El conector que se utilizó es de la
marca SOUTHWEST (véase Apéndice A) y está garantizado por el
fabricante para medir hasta una frecuencia de 50 GHz, ya que hasta esta
frecuencia las pérdidas por inserción correspondientes son menores a –20
dB.
Al utilizar conectores coaxiales sobre la microstrip, es necesario
formar pads en la terminación de la línea como se puede observar en la
Figura 4.5. Esto con la intención de tener un buen acoplamiento y reducir los
efectos parásitos que pudieran existir entre la línea y el conector. Dichos
pads se diseñan teniendo en cuenta las dimensiones físicas del conector.
Teflón Cobre Perforaciones
Figura 4.5 Bosquejo de la vista superior de la estructura microstrip con los pads para colocar los conectrores coaxiales
58
Después de realizar el maquinado de las líneas. Los conectores
fueron montados sobre ellas y fueron soldados para llevar a cabo un buen
contacto. De la misma forma que en el caso de puntas de prueba, el efecto
de estos conectores debe ser removido de las mediciones para analizar las
características de las líneas. Esto también se verá más adelante.
Figura 4.6. Líneas de transmisión microstrip con conectores coaxiales de tres
y dos centímetros incrustadas en soportes de teflón.
4.3. Mediciones
Una vez que las estructuras se encuentran terminadas, se procede a su
medición. Por tal motivo, se llevó a cabo un montaje y la calibración del
equipo, utilizando diferentes estructuras para este fin. La calibración es
realizada para remover los errores sistemáticos de los datos medidos. Esto
se detalla en esta sección.
59
4.3.1. Descripción del equipo de medición
Es recomendable conocer las características del equipo de medición para
hacer un uso adecuado de éste. Las mediciones se han realizado con un
analizador de redes vectorial (VNA, por siglas en inglés) marca Agilent
modelo E8361A. Tiene un rango dinámico de 94 dB y su rango en frecuencia
es 10 MHz a 67 GHz. Además, puede incluir en el barrido de frecuencia un
número máximo de 16,001 puntos. Es importante mencionar también que
sus algoritmos de procesamiento interno permiten el uso de diferentes tipos
de calibraciones, las cuales pueden variar con el tipo de estructura de
prueba.
4.3.2. Calibración
La calibración es un aspecto muy importante, ya que reduce a un mínimo
aceptable los errores sistemáticos que ocurren al realizar mediciones. Estos
errores se asocian con los efectos parásitos de cables, conectores y puntas,
según sea el caso.
El procedimiento de puesta en marcha y calibración del VNA comienza
con la configuración de diferentes parámetros a través del software del
equipo, (e.g., potencia aplicada, tipo de estructuras de prueba, rango de
frecuencia de medición, rango de frecuencia de medición, número de pasos y
el tipo de calibración). Después, a los puertos del VNA se le conectan cables,
éstos tienen conectores en sus extremos. El montaje de estos cables se lleva
a cabo utilizando una llave con torque medido para evitar el daño en los
conectores de los cables y los del VNA. Su finalidad es darle mayor alcance y
manejo al sistema de medición. En función del tipo de estructura a medir (i.e.,
con conectores o utilizando puntas) se efectúan los pasos descritos en los
siguientes apartados.
60
Figura 4.7. Muestra un puerto del VNA y algunas de las herramientas
utilizadas para montar los cables.
4.3.2.1. Calibración con puntas
Las puntas son muy pequeñas como para tener control de ellas sin equipo
especial, por lo cual deben de ser montadas sobre bases en una estación de
medición para un adecuado manejo. Después se conectan a los cables del
VNA (véase la Figura 4.8); nuevamente utilizando la llave con torque medido.
Figura 4.8. Montaje del equipo para medir con puntas
Es importante mencionar que se deben acomodar las puntas de tal
manera que puedan medir estructuras de prueba (véase Figura 4.3 (b)), en el
substrato. Posteriormente, se procede a la calibración del equipo utilizando
un substrato con estructuras estándar proporcionadas por el fabricante de las
61
puntas. La calibración seleccionada fue del tipo corto-abierto-carga-a través
(SOLT, por sus siglas en inglés), la cual es conveniente para el rango de
frecuencias y el tamaño físico de las estructuras a medir.
Figura 4.9. Muestra la forma en que se calibran puntas coplanares utilizando
un substrato.
Se describirán algunas características del substrato que ha sido
utilizado para la calibración de las puntas y que se puede observar en la
Figura 4.9. Este substrato es de marca Picoprobe, modelo CS-5, y contiene
distintas estructuras estándares, lo que permite hacer diferentes tipos de
calibraciones. Además, sus estructuras son compatibles con puntas con
separación entre agujas entre 50 y 250 μm.
4.3.2.2. Calibración con terminación coaxial
La calibración para utilizar los conectores coaxiales es hecha con estructuras
del kit 85056A de Agilent (Figura 4.10), el cual permite llevar a cabo una
calibración SOLT. Para hacer esto, utilizando el software del VNA se
selecciona la configuración adecuada que permite medir paso a paso las
estructuras que se conectan para calibrar cada puerto.
62
(a) (b)
Figura 4.10 Dos vistas del estándar coaxial hembra en circuito abierto del kit 85056A.
Los conectores de un lado de los cables son enroscados a los puertos
del VNA y del otro lado a los dispositivos que se desean medir mediante una
llave con el torque medido (ver Figura 4.11), evitando trasroscar los
conectores y dañar los dispositivos.
(a) (b)
Figura 4.11 (a) Conectando el dispositivo „a través‟ a ambos cables. (b) Conectando un cable al puerto 1 del VNA.
4.3.3. Descripción de mediciones
El VNA mide los parámetros S y los puede mostrar al instante (ver Figura
4.12), esto es de gran utilidad ya que en tiempo real es posible darse cuenta
de algún error en la calibración o conexión; también se determina si las
mediciones fueron correctas o corresponden a lo esperado.
63
Siendo el proceso de calibración laborioso y que requiere de mucho
cuidado y precisión, debe de hacerse una planeación adecuada de las
mediciones a realizar, de manera que los parámetros S puedan ser medidos
a todas las estructuras en una misma sesión. Además, esto es una buena
práctica debido al deterioro que sufren los estándares de calibración con el
uso reiterado. En cualquier caso, al hacer mediciones en días diferentes es
recomendable volver a calibrar. Por otra parte, el proceso de calibración
requiere de mucha atención para evitar la adquisición de datos erróneos
inútiles o que puedan llevar a interpretaciones equivocadas.
Figura 4.12 Visualización de los parámetros “S” de la estructura de la Figura
4.14.
4.3.3.1. Descripción de mediciones con las puntas
La estructura coplanar se ha fabricado sobre una placa de teflón con cobre.
La cual para ser medida es sujetada mediante vacío y las puntas son
colocadas sobre los acopladores de la línea, como se muestra en la Figura
4.13.
64
Los parámetros seleccionados para hacer mediciones son: rango de
frecuencia de 10 MHz a 67 GHz. Con una potencia de –12 dBm; esta última
se refiere a la potencia de la señal que va a ser aplicada a la muestra.
Adicionalmente, para hacer el barrido en frecuencia se han seleccionado
6,401 puntos.
Figura 4.13 Muestra cómo es sujetada la placa de teflón para colocar las
puntas sobre la línea coplanar para ser medida.
4.3.3.2. Descripción de mediciones con coaxiales
Al finalizar la calibración mencionada anteriormente, se monta la línea
microstrip sobre dos soportes como lo muestra la Figura 4.14, evitando que
la estructura tenga movimiento y se minimice así el riesgo de dañarla, de
dañar el equipo de medición u obtener mediciones erróneas. Después, al
igual que todos los conectores usados en la medición de calibración, los de
la muestra se deben conectar a los cables con una llave de torque medido.
En este caso, los parámetros seleccionados para la medición usando
el VNA son: rango en frecuencia de 10MHz a 50GHz, potencia de –12 dBm
y 1,601 puntos.
65
Figura 4.14. Montaje de la estructura sobre dos soportes que evitan que se
mueva.
4.4. Análisis de resultados
Los parámetros S brindan gran información sobre qué tipo de estructura se
está midiendo. Además, ofrecen la ventaja de poderse convertir a diferentes
parámetros de redes más intuitivos, como los ABCD. De hecho, estos últimos
son de gran interés en este trabajo, ya que a partir de ellos se puede
determinar de manera directa la impedancia característica, la constante de
propagación y otros parámetros importantes en una línea de transmisión.
La relación entre los parámetros ABCD y los parámetros
fundamentales de una línea de transmisión homogénea y propagando
energía electromagnética en el modo transversal electromagnético (TEM) se
expresa fácilmente utilizando la siguiente ecuación matricial [17]:
*
+ [
] (4.11)
En esta ecuación puede verse que:
(4.12)
Lo que permite determinar la impedancia característica a partir de:
66
√
. (4.13)
Así entonces, utilizando (4.13) es posible determinar la impedancia
característica de una línea de transmisión como las que se estudian en este
trabajo. Nótese que si los parámetros S son medidos a una línea que puede
ser considerada homogénea en el rango de frecuencias del experimento,
entonces la aplicación de (4.13) es directa. En los siguientes apartados se
aborda este tema con más detalle.
4.4.1. Análisis de resultados de líneas coplanares
A partir de los parámetros S se obtienen los parámetros ABCD utilizando una
simple transformación, lo que permite calcular la impedancia característica en
función de la frecuencia de la ecuación (4.13). En la Figura 4.15 se muestra
tanto la parte real como la imaginaria de esta impedancia, donde se pueden
apreciar dos líneas prácticamente constantes en todo el rango de la
frecuencia graficada. A pesar de que se observan algunas fluctuaciones en
las curvas, éstas son debidas al efecto de los pads que se incluyen para
poder realizar las mediciones y pueden corregirse utilizando procedimientos
adicionales. No obstante, es evidente que la parte real de la impedancia
característica se encuentra muy cercana a los 50 Ω.
67
0 10 20 30 40 50 60
0
10
20
30
40
50
Z0(O
hm
s)
Frecuencia (GHz)
Real(Z0)
Imaginaria(Z0)
Figura 4.15. Muestra la impedancia caracteristica de una línea CPW con las
siguientes dimensiones: W=1.6 mm, S=100 μm y L=8 mm.
Además de la línea anterior, tambien se fabricaron otros líneas CPW.
Variando la dimensión W para corroborrar la fiabilidad de las ecuaciones
utilizadas en el diseño. Al cambiar el valor de W y utilizar las ecuaciones (4.1
a 4.6) se obtuvo una variación en el valor de la impedancia calculada, lo
anterior lo veremos de manera resumida en la Tabla 4.1. En contraste, al ser
medidas las línes coplanares con diferente ancho (W) no se encontró una
variación en la impedancia característica. Lo que se justifica más adelante.
Tabla 4.1 Variación de la impedancia de un línea CPW en función de su ancho.
Dimensiones de la Línea CPW Impedancia
W(mm) S(µm) t(μm) Z0(Ω)
1.6 100 25 56.4
1.4 100 25 58.1
0.8 100 25 66.4
0.5 100 25 99.1
68
Por otra parte, se ha elegido para su análisis la línea que presentó
menores fluctuaciones. A los datos experimentales que le corresponden a
esta línea (mostrados en la Figura 4.16) se le quitará el efecto de los pads.
En este caso, se puede corregir este efecto mediante el proceso descrito en
[17], donde se desincrustan los efectos parásitos asociados con las
transiciones eléctricas conociendo el modelo que los representa. Este
procedimiento se realiza mediante la aplicación de operaciones matriciales a
los parametros ABCD. Cabe mencionar que el retirar el efecto de los pads,
resulta relativamente sencillo hasta una frecuencia cercana a las 50 GHz
para las líneas estudiadas. Lo anterior se debe en parte a que las puntas
coplanaras sólo estan garantizadas por el fabricante hasta la frecuencia
antes mencionada y al hacer las mediciones muy cercanas a ella hay que
considerar efectos parasitos adicionales.
0 10 20 30 4044
45
46
47
48
49
50
51
52
Z0(O
hm
s)
Frecuencia(GHz)
Z0'
Z0
Figura 4.16. Impedancia caracteristica de la línea CPW (con las siguientes dimensiones W=1.6 mm, S=100 μm y L=8 mm). Z‟0 es la impedancia sin
corregir, es decir, que incluye los efectos de los pads; Z0 ya ha sido corregida.
69
Para explicar la no variación de la impedacia de la línea CPW en
función de su ancho, se modela culitativamente el flujo de corriente en una
línea coplanar como puede ser observada en la Figura 4.17.
Teflón Cobre Volumen donde circula la corriente
W
Figura 4.17 Se aprecia cómo la corriente es confinada a ciertas partes de
CPW.
Por la forma de una CPW que no tiene plano de tierra, la corriente se
confina en las zonas que se muestran en la Figura 4.17. Así, un cambio en W
no influye en la impedancia a menos que decrezca tanto que las zonas de
confinamiento de la corriente de la línea central se traslapen. En ese caso,
cambiaría el valor de la impedancia ya que la zona por donde circula el flujo
de corriente se modificaría. Con lo cual cambiaría el tamaño y forma de las
elipses del campo eléctrico que es transportado por la línea coplanar.
4.4.2. Análisis de resultados de líneas microstrip
Las líneas microstrip también se ven afectadas por efectos no deseados al
ser medidas. Éstos son debidos a la transición entre el conector coaxial y la
línea microstrip, ya que existe un cambio en la manera en que viaja el campo
electromagnético. En la Figura 4.18 se observa la impedancia de la línea de
70
transmisión y cómo existen fluctuaciones cuando no se ha removido el efecto
de la transición mencionada previamente.
El método utilizado para corregir el efecto de las transiciones en la
impedancia característica obtenida experimentalmente es el reportado en
[17]; sin embargo, se utiliza otro circuito que describe efecto de la transición,
el cual es tomado de la referencia [2], para una discontinuidad de coaxial a
microstrip. El resultado se muestra en la Figura 4.18.
0 10 20 30 40 5030
40
50
60
Z0(O
hm
s)
Frecuencia(GHz)
Z'0
Z0
Figura 4.18. Impedancia característica de una línea microstrip de dos
centímetros de longitud en teflón, Z‟0 sin corregir y Z0 quitando el efecto de los pads.
A partir de la parte real de la impedancia característica ( ) se
pueden calcular las pérdidas por conductor ( ) y por dieléctrico ( ).
Además del retraso de fase ( ). Utilizando las siguientes ecuaciones (4.13-
4.18) obtenidas de la referencia [19].
Es sencillo calcular las pérdidas por resistividad conociendo la
conductividad del cobre y las dimensiones de la microstrip. Explícitamente, la
71
resistencia por unidad de longitud ( ) puede ser calculada de la
conductividad del cobre ( ) y de la sección de área transversal (W∙t). La
resistividad en corriente alterna ( ) depende de la frecuencia ( ), es
determinada por el efecto piel. Para incorporar el efecto de la rugosidad de la
superficie, un factor de rugosidad ( ) empírico es añadido a la fórmula de
. El factor de rugosidad depende de la raíz cuadrada media de la
rugosidad ( ), para este caso se toma el medido en el capítulo 3, de la
superficie del teflón.
(4.13)
(4.14)
√
(4.15)
(4.16)
√
(4.17)
√
(4.18)
donde c es la velocidad de la luz y es .
Para la microstrip en teflón el factor de rugosidad es casi uno;
entonces, la rugosidad del substrato es despreciable. Al tener muy
cercano a la unidad a diferencia de un valor mayor. Se ven disminuidos tanto
las pérdidas por conductor como el retraso de fase. En líneas de transmisión
comerciales, alcanza valores aproximados de dos, teniendo rugosidades
rms de 0.5 a 1 µm. Sólo por ese hecho casi se duplican las pérdidas por
conductor de las líneas comerciales comparadas a las fabricadas en teflón.
72
En la mayoría de las líneas de transmisión operando en el orden de
decenas de gigaherz, las pérdidas están dominadas por efectos en el
dieléctrico. Por otra parte, en líneas de trasmisión con substrato de teflón
esto no pasa. Lo anterior es debido a la tangente de pérdidas del teflón, la
cual es mucho más pequeña comparada con la de los substratos
comerciales. Ya que las pérdidas por dieléctrico son directamente
proporcionales a la tangente de pérdidas.
0 10 20 30 40 50
10-1
100
101
102
103
10-1
100
101
102
103
(R
ad/m
)
(d
B/m
)
Frecuencia(GHz)
Figura 4.19. Pérdidas y retraso de fase de una línea microstrip de dos
centímetros de longitud en teflón.
En la Figura 4.20 es evidente que la mayor aportación a las pérdidas
totales, son debidas al conductor. Si la tendencia de la curva continúa, a
frecuencias más allá de los gigahertz las curvas se invertirían, las pérdidas
por dieléctrico serían mayores.
73
0 10 20 30 40 500.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
(d
B/m
)
Frecuencia(GHz)
Pérdidas totales
Pérdidas por conductor
Pérdidas por dieléctrico
Figura 4.20. Pérdidas de una línea microstrip de dos centímetros de longitud
en teflón.
Los datos anteriores son comparados contra una línea microstrip
realizada en FR4, donde el substrato tiene una constate de pérdidas de 0.02
y una permitividad relativa de 4.4. Las dimensiones de este línea son
aproximadamente las siguientes: un ancho W = 150 μm, con un grosor de
dieléctrico h = 100 µm.
La decisión de tomar una línea microstrip, fabricada sobre FR4, se
debe que este es uno de los materiales más comunes que existen en la
actualidad para hacer PCB‟s.
74
0 10 20 30 40 5010
-1
100
101
102
103
10-1
100
101
102
103
(R
ad/m
)
(d
B/m
)
Frecuencia (GHz)
Figura 4.21. Constante de propagación de una línea microstrip fabricada en
FR4 (W = 150 μm y h = 100 μm).
Se empieza por comparar el retraso de fase. Este parámetro es
importante debido a que da información de qué tanto cambia la fase de la
señal de entrada con respecto a la salida, medida en el mismo tiempo;
obviamente, considerando la longitud de la línea y la frecuencia. La Figura
4.22 muestra el retraso de fase tanto de la línea microstrip sobre teflón como
la de FR4.
75
0 10 20 30 40 500
500
1000
1500
2000
(R
ad
/m)
Frecuencia(GHz)
FR4
PTFE
Figura 4.22. Retraso de fase de líneas microstrip sobre teflón y FR4.
Se tiene menos retraso de fase en una línea sobre teflón comparado
con un en FR4. Lo cual es evidente sobre todo alrededor de los 50 GHz. Sin
embargo, este parámetro no es el único que se puede comparar. A
continuación se comparan las pérdidas de las líneas.
0 10 20 30 40 500
5
10
15
20
25
d
B/m
Frecuencia(GHz)
Pérdidas por conductor
Pérdidas por dieléctrico
Pérdidas totales
Figura 4.23 Las pérdidas de la línea microstrip en FR4.
76
Antes de comparar las pérdidas, será de gran beneficio separar las
pérdidas de la línea en FR4, en pérdidas por conductor y pérdidas por
dieléctrico para una mejor visualización de los elementos a cotejar. El método
utilizado para separar las pérdidas, a partir de las pérdidas totales, es el
reportado en [20]. Quedando como resultado lo esbozado en la Figura 4.23.
Las pérdidas en una línea microstrip fabricada en FR4 son mucho más
grandes (tres órdenes de magnitud) con las de una línea microstrip fabricada
en teflón. Esto resulta muy evidente al observar las Figuras 4.20 y 4.23.
Además, la mayor aportación para las pérdidas en una línea microstrip en
FR4 son las pérdidas por dieléctrico. Al contrario de una línea microstrip
fabricada en teflón, donde la mayor parte de las pérdidas son aportadas por
el conductor.
Para tener una mejor comparación entre las líneas antes
mencionadas, se realizara una tabla (Tabla 4.2). En la cual se ponen algunos
valores de las pérdidas de las líneas a cierta frecuencia.
Tabla 4.2. Comparación de las pérdidas de líneas microstrip con substrato de teflón y de FR4 medidas a diferentes frecuencias.
aterial del
substrato
FR4 Pérdidas(dB/m)
Teflón Pérdidas (dB/m)
Frecuencia (GHz)
Totales Dieléctrico Conductor Totales Dieléctrico Conductor
0.1 0.0653 0.0389 0.0264 0.0260 0.0002 0.0258
1 0.5206 0.4325 0.0881 0.0694 0.0024 0.0670
5 2.3595 2.1624 0.1971 0.1553 0.0119 0.1434
10 4.6483 4.3682 0.2801 0.2078 0.0215 0.1863
20 9.0441 8.6499 0.3942 0.3221 0.0477 0.2744
30 13.4576 12.9749 0.4827 0.4065 0.0716 0.3349
40 17.8573 17.2999 0.5574 0.4810 0.0955 0.3855
50 22.2482 21.6249 0.6233 0.5496 0.1194 0.4302
77
Al analizar la tabla anterior, se observa que las pérdidas de una línea
microstrip con substrato de teflón medidas en una frecuencia de 50
gigahertz, son similares a las de una línea microestrip con substrato FR4,
pero estas pérdidas medidas a un gigahertz.
Además, al comparar los tipos de pérdidas de las dos líneas, es
notorio que mientras las pérdidas por conductor de ambas líneas son
equiparables. En contraste, las pérdidas por dieléctrico de la línea en FR4
son mucho más grandes, comparándolas con las pérdidas de la línea de
teflón en todo el rango de frecuencia medido.
Ahora bien, para tener más claro cuál es la aportación de las pérdidas
debidas al conductor y al dieléctrico para ambos materiales, a continuación
plantearemos las aportaciones de los elementos antes mencionados en
porcentajes de las pérdidas totales a diferentes frecuencias.
Tabla 4.3. Porcentaje de aportación de pérdidas debidas a conductor y
dieléctrico.
aterial del substrato
FR4 Pérdidas (%)
Teflón Pérdidas (%)
Frecuencia (GHz)
Dieléctrico Conductor Dieléctrico Conductor
0.1 60.9 39.1 0.8 99.2
1 83.1 16.9 3.5 96.5
5 91.6 8.4 6.7 92.3
10 94.0 6.0 9.3 89.7
20 95.6 4.4 14.8 85.2
30 96.4 3.6 17.6 82.4
40 96.9 3.1 19.9 80.1
50 97.2 2.8 21.7 78.3
Se puede apreciar en la Tabla 4.3, que a mayores frecuencias el porcentaje
de las pérdidas debidas al dieléctrico se incrementa. Lo contrario ocurre con
las pérdidas debidas al conductor, su porcentaje de aportación disminuye
como aumenta la frecuencia. Esto ocurre para las dos líneas, tanto las
78
fabricadas en substrato de teflón como en FR4. Sin embargo, el porcentaje
de aportación de las pérdidas por dieléctrico de la línea con substrato de
teflón es menor que el porcentaje de las pérdidas por conductor en todo el
rango de frecuencia medido.
4.5. Conclusiones
En el presente capítulo se ha demostrado satisfactoriamente, las ventajas al
fabricar líneas de transmisión sobre teflón a las fabricadas en FR4.
En una línea coplanar, si se mantiene la distancia entre la línea de
referencia y la de señal (S), no importa si se cambia el ancho de la línea (W).
No variará su impedancia considerablemente a menos que W se reduzca
tanto que las regiones donde se encuentra el flujo de corriente se traslapen.
En líneas sobre teflón las pérdidas son dominadas por la resistividad
del conductor. Las mayores pérdidas por conductor son las asociadas a la
resistividad en función de la frecuencia, La cuál en su ecuación es
directamente proporcional al factor de rugosidad, el cual depende de la
morfología de la superficie. Por lo tanto es importante tener valores rms de
rugosidad despreciables. Con lo cual se obtienen perdidas bajas.
Como se ha descrito antes, entre mayor sea la frecuencia, las
pérdidas de una línea tienen mayor aportación de las pérdidas asociadas al
dieléctrico. Por lo tanto, si se quiere utilizar líneas de transmisión eficientes a
altas frecuencias, es necesaria la utilización de un substrato con bajas
perdidas como el teflón.
79
Capítulo 5. Conclusiones y trabajo futuro.
5.1.- Conclusiones
En el presente trabajo se demostró la viabilidad de hacer PCBs utilizando
teflón como substrato. Al desarrollar una nueva tecnología para resolver un
problema altamente estudiado y demostrar sus ventajas sobre tecnología
existente, se realiza un aporte significativo al estado del arte de las
tecnologías de PCBs con alto desempeño. Además de las ventajas que este
material ofrece sobre los substratos convencionales y en base del trabajo
aquí presentado podemos elaborar las siguientes conclusiones:
El diseño de líneas sobre un substrato como el teflón simplifica el
diseño al evitar el uso de algoritmos complicados y mediante fórmulas
sencillas se llega a resultados con un mínimo de error. Un ejemplo
claro de esto, es que el valor calculado (mediante fórmulas de análisis
cuasiestático) de la impedancia característica de una línea microstrip,
resulta muy cercano al valor medido, además que dicho valor no
presenta variaciones a lo largo del rango medido.
La etapa final de fabricación es compatible con las tecnologías
convencionales. Esto resulta de que los vehículos de prueba descritos
en este trabajo, fueron maquinados mediante devastado mecánico, la
que es una tecnología muy utilizada para la fabricación en masa de
PCBs convencionales. Esto es, se propone un método de fabricación
de PCBs en masa de muy alto desempeño.
Uno de las grandes dificultades de usar Teflón como sustrato en la
fabricación de PCBs, es la poca adherencia de metales u otros
materiales a su superficie. Problema que tradicionalmente se ha
solucionado al introducir rugosidad para tener una buena adherencia
entre el metal y el material dieléctrico. En esta propuesta no es
necesaria la inserción de rugosidad entre ellos. Aún más, en este
80
proceso se trata de disminuir al mínimo la rugosidad, para evitar que
ésta incremente las pérdidas en las líneas de transmisión.
Finalmente, las PCBs sobre teflón desarrolladas en este trabajo
presentan bajas perdidas cuando operan en altas frecuencias (del
orden de decenas de gigaherzt), lo que aunado a las excelentes
propiedades térmicas, físicas y mecánicas del sustrato aquí
demostrado, incrementa de gran manera la posibilidad de ser
incorporadas a un tipo de empaquetamiento SiP, que pueda cumplir
con las demandas futuras de la industria electrónica.
5.2.- Trabajo futuro
Como trabajo futuro se propone la fabricación de PCBs sobre teflón mediante
el uso de tecnicas fotolitográficas. Con esto se pretende reducir a un mínimo
los errores de registro en el caso PCBs de capas múltiples y así aumentar
tanto su desempeño como las capacidades. Esto, se abre la posibilidad de
incorporar elementos pasivos y realizar sobre este sustrato toda un
tecnología de fabricación de SiP. para las futuras necesidades de la
industria electrónica.
81
Referencias
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2011.
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the package (SiP). Enero 2011
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82
[10] Pontificia Universidad Católica del Perú. Estudio de la modificación de
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83
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[19] aarten Cauwe and Johan De Baets. „Broadband aterial Parameter
Characterization for Practical High-Speed Interconnects on Print Circuit
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conductor and dielectric losses in PCB transmission lines. Electrical
Performance of Electronic Packaging and Systems, 2009. EPEPS '09. IEEE
18th Conference on 19-21 Oct. 2009.On pages: 235 – 238.
84
Lista Tablas
Tabla 1.1 Propiedades de algunos materiales que pueden servir como substrato de PCBs [3].
9
Tabla 3.1. Pasos principales del proceso de pulido. 42 Tabla 3.2: Condiciones del tratamiento de plasma de argón [8]. 43 Tabla 4.1 Variación de la impedancia de un línea CPW en función de su ancho.
67
Tabla 4.2. Comparación de las pérdidas de líneas microstrip con substrato de teflón y de FR4 medidas a diferentes frecuencias.
76
Tabla 4.3. Porcentaje de aportación de pérdidas debidas a conductor y dieléctrico.
77
Lista de Figuras
Figura 1.1 Muestra el empaquetamiento hasta el nivel de PCB. 1 Figura 1.2 Más allá de la escala CMOS [2]. 3 Figura 2.1. Bosquejo simplificado que muestra el proceso de fabricación de una tarjeta para PCBs en FR4.
16
Figura 2.2 (a) Acercamiento del material FR4. (b) Líneas microstrip sobre FR4 [13].
17
Figura 4.3 Corte transversal del material FR4 con dos líneas microstrip [13].
18
Figura 2.4 Corte transversal de una PCB donde se resalta la rugosidad entre el metal y el dieléctrico.
18
Figura 2.5. El factor de pérdidas por conductor para diferentes valores de rugosidad a diferentes frecuencias [13].
19
Figura 2.6 Formación del PTFE a través de la polimerización 23 Figura 2.7 Alambrado utilizando soldadura ultrasónica elaborada en el INAOE.
26
Figura 3.1. Herramientas utilizadas en el proceso de pulido con un diámetro aproximado de 14 cm.
30
Figura 3.2. Herramienta siendo cubierta de cinta adhesiva de doble cara.
31
Figura 3.3. Herramienta totalmente cubierta de cinta. 31 Figura 3.4. Teflón pegado sobre la herramienta. 32 Figura 3.5. Alineación de la muela con una broca: a) vista de la herramienta, y b) detalle.
33
Figura 3.6. La generadora con la herramienta que tiene el teflón. 34 Figura 3.7. Máquina eje. 36 Figura 3.8. Muestra la herramienta sin reductor a) y con reductor b). 36 Figura 3.9. Muestra la herramienta de vidrio. 37 Figura 3.10 (a) Posición inicial para el proceso de esmerilado. (b) 38
85
Posición final para el proceso de esmerilado. Figura 3.11. a) Herramienta de vidrio de 10 cm. b) Se cubre la herramienta con un paño de lana.
39
Figura 3.12 (a) Posición inicial para el proceso de pulido. (b) Posición final para el proceso de pulido.
40
Figura 3.13. Morfología de la superficie del teflón después del pulido, obtenida mediante AFM.
41
Figura 3.14. Placa de teflón con depósito de cobre 0.1 µm de espesor. 45 Figura 3.15. Esquema del electrodepósito. 46 Figura 3.16. Maquinado de líneas de transmisión sobre PCB de teflón. 48 Figura 4.1 Guía de onda coplanar sobre teflón. 52 Figura 4.2 Estructura de una microstrip sobre teflón. 53 Figura 4.3. Puntas de prueba planares: (a) ejemplificando la distancia entre la punta de señal (S) y la referencia de tierra (G) (en el caso de este trabajo de 250 µm), (b) acercamiento de una punta marca Picoprobe de la serie 50A al ser calibrada con un carga, y (c) fotografía en perspectiva de la punta.
55
Figura 4.4. Bosquejo de la vista superior de una línea CPW con pads. 56 Figura 4.5 Bosquejo de la vista superior de la estructura microstrip con los pads para colocar los conectrores coaxiales.
57
Figura 4.6. Líneas de transmisión microstrip con conectores coaxiales de tres y dos centímetros incrustadas en soportes de teflón.
58
Figura 4.7. Muestra un puerto del VNA y algunas de las herramientas utilizadas para montar los cables.
60
Figura 4.8. Montaje del equipo para medir con puntas 60 Figura 4.9. Muestra la forma en que se calibran puntas coplanares utilizando un substrato.
61
Figura 4.10 Dos vistas del estándar coaxial hembra en circuito abierto del kit 85056A.
62
Figura 4.11 (a) Conectando el dispositivo „a través‟ a ambos cables. (b) Conectando un cable al puerto 1 del VNA.
62
Figura 4.12 Visualización de los parámetros “S” de la estructura de la 63 Figura 4.13 Muestra cómo es sujetada la placa de teflón para colocar las puntas sobre la línea coplanar para ser medida.
64
Figura 4.14. Montaje de la estructura sobre dos soportes que evitan que se mueva.
65
Figura 4.15. Muestra la impedancia caracteristica de una línea CPW con las siguientes dimensiones: W=1.6 mm, S=100 μm y L=8 mm.
67
Figura 4.16. Impedancia caracteristica de la línea CPW (con las siguientes dimensiones W=1.6 mm, S=100 μm y L=8 mm). Z‟0 es la impedancia sin corregir, es decir, que incluye los efectos de los pads; Z0 ya ha sido corregida.
68
Figura 4.17 Se aprecia cómo la corriente es confinada a ciertas partes de CPW.
69
Figura 4.18. Impedancia característica de una línea microstrip de dos 70
86
centímetros de longitud en teflón, Z‟0 sin corregir y Z0 quitando el efecto de los pads. Figura 4.19. Pérdidas y retraso de fase de una línea microstrip de dos centímetros de longitud en teflón.
72
Figura 4.20. Pérdidas de una línea microstrip de dos centímetros de longitud en teflón.
73
Figura 4.21. Constante de propagación de una línea microstrip fabricada en FR4 (W = 150 μm y h = 100 μm).
74
Figura 4.22. Retraso de fase de líneas microstrip sobre teflón y FR4. 75 Figura 4.23 Las pérdidas de la línea microstrip en FR4. 75
87
Apéndice A
Fuente: http://mpd.southwestmicrowave.com/pdf/modelNums/1492-03A-5.pdf