Electrical Properties and Surface Characterization of Thin Copper Films Subjected to Mechanical Vibrations

Abstract

Es van estudiar les característiques mecàniques i elèctriques de les pel·lícules fines de coure unides a laminats epoxi FR4, sota càrrega tèrmica i mecànica. A la 1a etapa, es van determinar paràmetres modals de manera experimental i analítica mitjançant un mètode d’elements finits per a quatre grups de mostres, per tal d’estudiar els efectes geomètrics i la presència d’un forat central de diferents diàmetres. S'ha comprovat que aquestes mides són adequades per utilitzar-se com a plaques de circuits electrònics que experimenten canvis de freqüència significatius que van des de 40 Hz fins a 1 kHz. Es va trobar que la freqüència de ressonància fonamental de tots els exemplars era inferior a 40 Hz i la influència d’un forat central no va ser significativa per afectar les propietats modals. Durant la segona etapa de la investigació realitzada, es va determinar l'efecte de les vibracions d'alta freqüència sobre les propietats elèctriques. Experimentalment, es va trobar que les tensions induïdes a les pel·lícules primes a causa de l’alta freqüència i el nombre de cicles afecten significativament la resistència de la làmina de material i altres propietats elèctriques com la resistivitat i la conductivitat. Aquestes càrregues mecàniques redueixen en última instància el rendiment elèctric de les pel·lícules fines de coure (PCB). Les imatges SEM van mostrar la formació d'esquerdes a prop de la zona d'alta tensió; aquestes esquerdes propaguen posteriorment la fallada de l'equip. El canvi de temperatura superficial de 25ºC a 45ºC va mostrar un petit canvi en la resistència de la làmina de les pel·lícules de coure primes. Aquesta tesi ha estat, doncs, una contribució a una millor comprensió de la relació entre l'acumulació de danys i el rendiment elèctric de les plaques PCB i MEMS i pot conduir a millores en la seva fabricació. Això fa que els resultats tinguin una gran importància pràctica i que la metodologia d’assaig desenvolupada es pugui estendre a altres pel·lícules primes.

Se estudiaron las características mecánicas y eléctricas de películas delgadas de cobre adheridas a laminados epoxi FR4, bajo carga térmica y mecánica. En la 1ª etapa se determinaron de forma experimental y analítica los parámetros modales como las frecuencias naturales y los ratios de amortiguamiento utilizando un método de elementos finitos para cuatro grupos de muestras, con el fin de estudiar los efectos geométricos y la presencia de un agujero central de diferentes diámetros. Se ha descubierto que estos tamaños son adecuados para su uso como placas de circuitos electrónicos que sufren cambios de frecuencia significativos que van desde 40 Hz a 1 kHz. Se encontró que la frecuencia de resonancia fundamental de todas las muestras era inferior a 40 Hz y la influencia de un orificio central no fue significativa para afectar las propiedades modales. Durante la segunda etapa de la investigación realizada, se determinó el efecto de las vibraciones de alta frecuencia sobre las propiedades eléctricas. Se encontró experimentalmente que las tensiones inducidas en las películas delgadas debido a la alta frecuencia y al número de ciclos afectan significativamente la resistencia de la hoja del material y otras propiedades eléctricas como la resistividad y la conductividad. Estas cargas mecánicas finalmente reducen el rendimiento eléctrico de las películas delgadas de cobre (PCB). Las imágenes SEM mostraron la formación de grietas cerca de la zona de alta tensión; estas fisuras propagan posteriormente la avería del equipo. El cambio de temperatura de la superficie de 25ºC a 45ºC mostró un pequeño cambio en la resistencia laminar de las películas delgadas de cobre. Por lo tanto, esta tesis ha sido una contribución a una mejor comprensión de la relación entre la acumulación de daños y el rendimiento eléctrico de las placas de PCB y MEMS y puede conducir a mejoras en su fabricación. Esto hace que los resultados sean de gran importancia práctica y la metodología de ensayo desarrollada se puede extender a otras películas delgadas.

Mechanical and electrical characteristics of thin copper films bonded to FR4 epoxy laminates, under thermal and mechanical loading, were studied. At the 1st stage modal parameters such as Natural frequencies and damping ratios were determined experimentally and analytically using a finite element method for four groups of samples, in order to study the geometric effects and the presence of a central hole of different diameters. It has been found that these sizes are suitable to be used as electronic circuit boards that undergo significant frequency changes ranging from 40 Hz to 1 kHz. The fundamental resonance frequency of all the specimens was found to be less than 40 Hz and the influence of a central hole was not significant to affect the modal properties. During the second stage of the accomplished research, the effect of high frequency vibrations on the electrical properties were determined. It was found experimentally that the stresses induced in the thin films due to high frequency and number of cycles significantly affect material sheet resistance and other electrical properties such as resistivity and conductivity. These mechanical loadings ultimately reduces electrical performance of thin copper films (PCBs). SEM images showed formation of cracks near the high stress zone; these cracks later propagates the failure of the equipment. The surface temperature change from 25ºC to 45ºC showed a little change in sheet resistance of thin copper films. This thesis has thus been a contribution to a better understanding of the relationship between damage accumulation and electrical performance of PCB boards and MEMS and may lead to improvements of their fabrication. This makes the results of great practical importance and the developed assay methodology can be extended to other thin films.