Лазерная подгонка и функциональная настройка компонентов и изделий электронной техники
В середине 1970 г. возникла потребность в развитии лазерной технологии, пригодной для подгонки номинала резисторов с толстопленочным покрытием с точностью 10-5 от его номинала. Для решения данной задачи в ЭНИМС на базе непрерывного гранатового лазера с акустооптической модуляцией добротности был разработан 2-координатный станок с программным управлением. Он отличался и тем, что в нем впервые была использована созданная специалистами ЛЭМЗ (г . Ленинград) процессорная система программного управления, способная комплексно управлять всеми параметрами технологического процесса в соответствии с алгоритмом подгонки, разработанным специалистами краснодарского завода измерительных приборов.
Принцип подгонки состоял в том, что лазером производилось прорезание толстопленочного покрытия на длину, при которой его сопротивление укладывается в требуемый допуск. При проведении этой операции велось непрерывное измерение сопротивления. По достижении требуемого номинала с требуемой точностью измеритель выключает лазер.
В 1977 г. шесть станков были внедрены в производство на заводе ЗИП в г. Краснодаре. А уже в 2001 г. в мире более 70 % компаний-производителей аналоговой и цифровой электроники использовали прецизионную лазерную обработку для настройки, подстройки и доводки выпускаемых ими различных компонентов и изделий электронной техники.
Традиционная лазерная аналоговая подстройка какого-либо электрического параметра изделия или схемы осуществляется с помощью удаления излучением части топологического рисунка на каком -либо элементе схемы , изготовленного по пленочной технологии (резистора, конденсатора, кварца , линии задержки и т.д.), что обеспечивает требуемое изменение настраиваемого (измеряемого) параметра.
Различают пассивную лазерную подгонку компонентов (в том числе и в составе схемы) и активную или функциональную настройку. В первом случае целью является доведение лазером выбранного отдельного компонента или группы компонентов до заданных целевых и точностных номиналов . Во втором случае целью подгонки компонентов является настройка требуемых выходных функциональных характеристик работающей схемы, например подстройка несущей частоты МС-генератора, или линеаризация характеристик входных делителей ИС АЦП, или нормировка коэффициента усиления ОУ и т.д.
От лазерной обработки во всех описанных случаях требуется быстрое контролируемое удаление тонких или толстых резистивных или проводящих паст или пленок по выбранным прецизионным траекториям «надреза», причем без повреждения подложки и без существенного изменения характеристик резистивного или проводящего материала по краям реза. В некоторых особо прецизионных случаях подгонка осуществляется лазерной перерезкой шунтирующих перемычек в специально созданных «лестничных « или «меандровых» пленочных микроструктурах.
Использование волоконного лазера для подгонки тонкопленочных резисторов обеспечивает повышенную производительность за счет возможности увеличения скорости резания . Но точность подгонки не зависит от типа лазера.
На лазерных технологических установках, выпускаемых НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ», возможны два режима подгонки: ручной и автоматический.
В ручном режиме оператор вручную управляет перемещением сфокусированного излучения в зоне обработки, но команда на выключение лазера поступает от измерительной системы по достижении заданного номинала. Недостатками данного метода являются меньшая скорость, а также сложность подгонки мелких резисторов. Преимущество — более низкая стоимость оборудования.
Прецизионная точность подгонки обоих типов резисторов составляет обычно 0,1 % от их номинала. Но существуют резисторы с тонкопленочным покрытием, которые необходимо подгонять с точностью 0,005 % от номинала. Такая точность обеспечивается специальной конструкцией резистора и алгоритмами подгонки.
Ширина реза определяет плавность изменения сопротивления во время его подгонки. Следовательно, от нее зависит точность подгонки. Чем плавнее происходит изменение, тем выше точность. Но при этом ширина реза не должна быть меньше величины, при которой возможно образование перемычек в резе. Обычно допустимая ширина реза находится в пределах 15- 40 мкм. Реализовать такую ширину реза при использовании фокусирующих объективов с фокусным расстоянием, равным f = 58, 100 и 163 мм, возможно только за счет использования одномодового лазера , генерирующего импульсы наносекундного диапазона.
Глубина реза ограничивается толщиной нанесенного резистивного слоя. Повреждение керамической, кремниевой или сапфировой под ложки, как правило, не допускается. Отсюда следует, что скорость резания определяется также данным условием. Оно выполнимо при использовании импульсов наносекундного диапазона, минимизирующих зону теплового влияния и обеспечивающих абляцию, в составе которой превалирует испаренная фаза.