1. TINTAS POLÍMERAS DE CAPA GRUESA
Neftalí Núñez Mendoza, Rubén Guerrero Merchán
*Departamento de Electrónica Física. Universidad Politécnica de Madrid
nnunez@euitt.upm.es,
Las tintas polímeras de capa gruesa están proporcionando nuevas aplicaciones en las
placas de circuito impreso, circuitos flexibles y circuitos híbridos. En este artículo se ponen al
día sus cualidades y limitaciones, y se dan los resultados más relevantes de los ensayos de
caracterización realizados a tintas polímeras resistivas.
Introducción
Los fabricantes de placas de circuito impreso
(PCI), circuitos flexibles, y circuitos híbridos,
trabajan en un mercado muy activo y
competitivo, por lo que necesitan introducir
nuevos materiales y procesos, que permitan
ofrecer mejores características, y reducir el
costo de su producto.
Los más utilizados en las nuevas aplicaciones
(móviles, ordenadores portátiles, calculadoras,
etc.), son los compuestos polímeros, que dan un
valor añadido a las tecnologías mencionadas. Se
ofrecen como tintas conductoras, resistivas,
dieléctricas, y de protección, así como todo tipo
de pastas adhesivas conductoras y aislantes.
La versatilidad de las tintas polímeras se
debe a la facilidad para manipular sus
propiedades físicas dopando el material base,
polímero, con todo tipo de materiales; para
obtener un buen conductor, resistencia, o
dieléctrico, que pueden aplicarse por serigrafía,
extrusión, o aerosol, pero sus mayores virtudes
son la buena adhesión a casi todos los sustratos,
y su baja temperatura de proceso, de 85ºC a
210ºC.
Aplicadas mediante serigrafía permiten
realizar un circuito flexible completo en capa
gruesa con componentes pasivos integrados
(resistencias), o parte de un circuito desarrollado
con otra tecnología (circuito híbrido o PCI),
incluyendo la sustitución de las soldaduras por
adhesivo conductor en componentes de montaje
superficial, además permiten conectar los chips
directamente al sustrato (“flip chip”) y
protegerlos. Aplicados con extrusión también se
utilizan como adhesivos conductores o aislantes
para componentes, y con métodos de aplicación
especiales, se utiliza como dieléctrico en
módulos multichip de capa fina.
De las tecnologías enumeradas, la aplicación
mediante serigrafía de tintas polímeras de capa
gruesa (PTF*), es la más introducida en el
mercado, por la simplicidad y su bajo costo,
permitiendo sustituir a procesos mucho más
caros y complejos.
En la E.U.I.T. de Telecomunicación de la
Universidad Politécnica de Madrid, tenemos
abierta una línea de investigación sobre las
tintas polímeras, en la que se han realizado
pruebas de calidad sobre las tintas resistivas
polímeras que está desarrollando un fabricante
de potenciómetros. Estas pruebas son necesarias
cuando se van a introducir nuevos materiales en
el proceso productivo, y en aquellas
aplicaciones concretas en que debido al proceso
o al tipo de sustrato, no estén caracterizadas por
el fabricante de la tinta.
En este artículo se describen las mejoras
recientemente introducidas en las PTF, y se
proporcionan recomendaciones útiles para los
fabricantes de circuitos y componentes
resistivos con PTF, basándonos en el resultado
de las pruebas comparativas realizadas en un
circuito patrón de resistencias, con el que se
realizaron cinco tipos de circuitos distintos: un
circuito híbrido con tinta resistiva cermet de
100K/ sobre sustrato de alúmina (Figura 1),
dos de tintas polímeras de 10K/ y 100K/
(Figura 2) sobre alúmina, y dos de tintas
polímeras de 10K/ y 100K/ sobre un sustrato
flexible el poliestireno de tereftalato (PET).
* PTF = “Polymer Thick Film”.
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2. Figura 1. Circuito de tinta cermet sobre alúmina.
Figura 2. Circuito de tinta polímera sobre alúmina.
Sustratos
Las tintas polímeras se pueden utilizar tanto
en los sustratos cerámicos típicos de circuito
híbrido, alúmina y nitruro de aluminio, como en
otros más baratos con temperatura de fusión
baja. De este grupo, los más utilizados en
circuitos flexibles y potenciómetros son
derivados de poliéster como el PET, o el Mylar
comercializado por Dupont, pero también se
pueden realizar circuitos sobre fibra de vidrio
(FR-4), CEM, y materiales plásticos moldeables
siempre que soporten la temperatura de curado
de las tintas polímeras.
Los sustratos utilizados en la prueba de tintas
resistivas han sido la alúmina, un sustrato
cerámico que soporta altas temperaturas y que
tiene una gran estabilidad térmica, y el PET, un
sustrato resistente, pero bastante sensible a la
temperatura. (Tabla 1)
Diseño y proceso de PTF
Las normas de diseño van dirigidas a
conseguir una buena serigrafía, y no se
diferencian de las de un circuito híbrido.
El tamaño mínimo de líneas conductoras, y el
espacio entre ellas es de 0,2 mm a 0,25 mm, las
tintas resistivas deben superponerse a las
conductoras 0,25 mm, y tener un tamaño
mínimo de 0,5 mm.
Las resistencias se diseñan a un valor de un
20% inferior al deseado, y al finalizar el
circuito, se reduce su anchura mediante un corte
por láser (trimado), hasta obtener el valor con
una tolerancia de hasta el ±0,1 %. Si el proceso
está bien caracterizado, se pueden obtener
directamente las resistencias con una tolerancia
del ±10%.
La resistencia típica de unión de un polímero
conductor adhesivo de plata a un terminal de
componente de montaje superficial es menor a
30 mΩ, y se pueden conectar componentes y
chips con una distancia mínima entre terminales
de 0,4 mm.
La serigrafía se realiza con una pantalla de
poliéster o acero inoxidable, de 200-325
mesh/in para las tintas conductoras, y 145-200
mesh/in para las resistivas y dieléctricas. El
“snap-off” máximo es de 0,6 mm, y la velocidad
máxima de 150 mm/s.
El proceso de curado de las tintas, tiempo y
temperatura, dependen del tipo de horno
utilizado, y del fabricante de la tinta.
Habitualmente, el curado está comprendido
entre 85ºC y 210ºC, con tiempos que dependen
del tipo de horno: en un horno de convección de
5-45 minutos, con horno de infrarrojos de 1-5
minutos, y con ultravioleta algunos segundos. Si
se tienen varias posibilidades hay que elegir la
que requiera menos tiempo de proceso, pues
afectará menos a componentes y sustratos.
Tabla 1. Características de los sustratos probados.
Conductividad
térmica
15–35 W/mºC
Alúmina
96%
Poliestireno 0,13 W/mºC
de tereftalato (PET)
Estabilidad dimensional Temperatura
máxima de uso
Expansión 5–9 ppm/ºC 1600 ºC
de 40-400ºC
2 % de contracción, con 260 ºC fusión.
15 minutos a 180 ºC
180ºC durante
horas.
Constante Grosor
dieléctrica
9,4 - 9,7
0,63mm
2,9 – 3,3
0,37mm
2

3. El espesor de la tinta curada es de 18μ a 25μ,
mayor al de las tintas de circuito híbrido.
Si el circuito lleva varias tintas resistivas, se
realiza un secado tras la serigrafía de cada una
de ellas, y un solo curado al circuito completo,
para evitar que los sucesivos curados afecten a
los valores de las tintas.
La temperatura de operación de las tintas está
entre –40ºC y +85ºC, temperaturas mayores
modifican excesivamente las características de
la tinta, lo que no aconseja su utilización en
circuitos de alta potencia.
Tintas polímeras conductoras
Las tintas polímeras conductoras, contienen
partículas metálicas. En los últimos años se han
mejorado sus características introduciendo
metales nobles como la plata, que ofrece una
conductividad de 8mΩ/ ; sin embargo las más
utilizadas para circuitos de consumo (teclados, y
conectores de borde de PCI), incluyen el cobre
o el carbón/grafito, consiguiendo en el último
caso una conductividad de 10Ω/ a un precio
muy competitivo.
Tintas polímeras dieléctricas
Las tintas dieléctricas sirven de aislante
entre las capas de conductores de los circuitos
multicapa, se pueden realizar hasta 6 capas.
Las vías pueden realizarse de varias formas,
o bien se diseñan vías de 0,5 mm de diámetro en
cada capa dieléctrica del circuito, o se realizarán
al finalizar el circuito mediante punzón, fresa o
láser, rellenándolas con conductor.
Tintas polímeras adhesivas
Actualmente las “soldaduras” polímeras
aplicadas por serigrafía o extrusión, tienen una
adherencia aceptable, pero menor a la del
estaño/plomo. Como no tienen la propiedad de
refluir, no centra los componentes en el proceso
de soldadura, lo que obliga a una mayor
precisión en la colocación de los componentes
de montaje superficial. Tienen la ventaja de que
la temperatura de proceso no afecta
negativamente al componente, no es necesario
limpiar el circuito al finalizar, y además las
tintas no contienen plomo.
Sus aplicaciones en gran consumo, donde las
reparaciones no son necesarias, son cada vez
más complejas. Aplicadas con serigrafía
permiten el montaje de chips desnudos (“flip
chip”) precisando además tinta que rellene bajo
el chip, para proteger las conexiones de la
diferencias de dilatación entre chip y sustrato.
(Figura 3)
Para montar chips con distancia entre pads
Figura 3. Conexión de chip con polímeros.
inferior a 0,4 mm hay que recurrir a técnicas
fotolitográficas para realizar línea fina.
Otro modo de aplicación es mediante una
película de adhesivo anisotrópico debajo de
todo el chip, que sólo tiene propiedades
conductoras en el eje Z y no en sentido lateral.
Las uniones conductoras se forman cuando se
aporta calor, y mecánicamente el chip o
componente (display plano) aplasta la película
contra el circuito; se produce entonces una
conducción vertical que permite las conexiones.
Es una solución simple, pero con el
inconveniente de que las partículas metálicas
que quedan dispersas entre las uniones, pueden
degradar el funcionamiento.
Tintas polímeras resistivas
Las tintas resistivas, se venden en un rango
desde los 10Ω/ a los 10MΩ/ , permitiendo
integrar resistencias en el sustrato del circuito.
Su principal limitación es su sensibilidad a la
temperatura y la humedad.
El valor de la resistencia se obtiene como:
R = (Resistividad por cuadro ) ∗
Longitud
Anchura
Como tecnología de referencia para comparar
la calidad de las tintas resistivas PTF se utilizó
el circuito híbrido con tintas resistivas cermet,
ya que su calidad está contrastada con su uso en
sectores profesionales (aeronáutica, militar), y
sus características son muy conocidas. Su
3

4. Tabla 2. Características del proceso de la tinta resistiva.
Tipo de
circuito
1
Tinta del
Circuito
100 K/
2
100 K/
3
10 K/
4
100 K/
5
10 K/
Tecnología
Pantalla
Tinta cermet
sobre alúmina
Tinta polímera
sobre alúmina
Emulsión
Velocidad Secado
fotosensible serigrafía
200 Mesh Film 40 μ
90 mm/s 10-15m
20Nw/cm
150ºC
90 mm/s 200 Mesh Film 40 μ
20Nw/cm
Curado en
horno
Tª pico
850 ºC 10m
200 ºC
30 minutos
Tinta polímera
sobre PET
200 Mesh Film 40 μ
20Nw/cm
200 ºC
30 minutos
coeficiente térmico (TCR) está entre ±50-±250
ppm/ºC medido entre –55ºC y 125ºC, y además
posee una gran capacidad de disipación de 1001200 mW/mm2.
La tinta resistiva polímera está compuesta
por resinas poliméricas rellenas de compuestos
de carbón y grafito. Su capacidad de disipación
es de 50 mW/mm2 y su TCR está entre ±200±800 ppm/ºC, dependiendo sensiblemente de la
naturaleza del sustrato y del fabricante de la
tinta.
Las tintas resistivas cermet tienen mejores
cualidades, pero su proceso de fabricación
donde alcanza los 850ºC es más caro que el de
las tintas polímeras. Por estas razones las tintas
cermet se utilizan más en el sector profesional, y
las polímeras en el sector consumo.
Ensayos realizados a tintas resistivas
Para realizar los ensayos se diseñó un
circuito patrón con resistencias de varias
dimensiones, siendo las más numerosas las de 1
x1 mm, sobre las que se caracterizaron los
parámetros que se pueden extrapolar a otras
dimensiones.
Para el proceso de fabricación del circuito
híbrido (materiales de Dupont) con tinta
resistiva cermet se realizaron tres serigrafías
(Figura 1): conductor de plata/paladio, tinta
resistiva, y vidrio de protección, mientras que en
las polímeras (Figura 2) se utilizaron sólo dos:
conductor de plata (Epotecny E205 de dos
compuestos ), y tinta resistiva en desarrollo por
el fabricante de potenciómetros. (Tabla 2)
Excepto indicación en contra las medidas se
realizaron sobre tres circuitos de cada tipo, y
sobre todas las resistencias de 1x1 mm; en total
36 resistencias. La medida del TCR se realizó
sobre los cinco tipos de circuitos, y la del resto
de parámetros sobre los tres tipos de circuito en
sustrato de alúmina.
90 mm/s
-
Se caracterizaron sobre estos circuitos los
parámetros que más influyen en la estabilidad
de las resistencias, de los que damos los
resultados más significativos.
• Se midió el coeficiente de tensión (VCR)
de las tintas, en resistencias de 1x1 mm y de
1,5x1,5 mm. Las unidades del VCR son
%/V/mm, e indica la variación en el valor de
una resistencia en % sometido a un gradiente de
tensión entre sus extremos. El valor depende de
la longitud de la resistencia. Con el mismo
ancho y con la misma tensión aplicada, una
resistencia de 1 mm de longitud, tendrá una
variación porcentual cinco veces mayor que si
tuviese 5 mm.
El VCR se ha medido siguiendo el
procedimiento de Dupont basado en la norma
MIL-STD 202C-Método 309, para lo que es
necesario estimar el voltaje continuo de trabajo
de la resistencia probada. La estimación se
realiza a partir de la potencia nominal de la
resistencia, esto es, se han utilizado 98V para
las resistencias cermet, 72,8 V para las
realizadas con tinta polímera de 100K/ y 22,3
V para la de 10K/ .
En los ensayos siempre se obtiene un
coeficiente de tensión negativo, disminuye el
valor de la resistencia al aplicar la tensión de
prueba. Como se ha explicado el decremento
porcentual del valor de R es menor en la
resistencia más larga. Teniendo en cuenta la
tensión de prueba, se observa que las
resistencias cermet soportan mejor las altas
tensiones que las polímeras. (Figura 4)
4

5. • El valor del coeficiente térmico (TCR) está
influenciado por el estrés mecánico del sustrato
con la temperatura, por la geometría, y por la
composición de la tinta, que se ve afectada por
cambios en el proceso de quemado. La medida
se ha realizado con el método G- 1.5.5 de
Dupont, aplicando la ecuación:
TCR =
(R 2 − R 1 )
× 10 6 ppm/º C
R 1 T2 − T1
Esta ecuación ofrece la variación de la
resistencia en ppm/ºC entre dos temperaturas T2
y T1. La caracterización se realizó sobre todos
los tipos de circuito.
El TCR no es una función lineal con la
temperatura, por lo que se ha calcula un TCR
caliente (“hot”), y otro frío (“cold”). Para las
resistencias sobre sustratos de alúmina se midió
el TCRhalu entre T1=25ºC y T2=125ºC, y el
TCRcalu entre T1=-25 y T2=25ºC; sobre sustrato
PET, y debido a su problema de estabilidad
dimensional (Tabla 1), se midió el TCRhpet entre
T1=25ºC y T2=70ºC, y el TCRcpet entre T1=0ºC y
T2=25ºC.
En todos los casos al aumentar la temperatura
disminuye el valor de la resistencia. Se obtiene
que los TCR de la tinta cermet son mejores que
los de las polímeras, y además, los resultados de
las tintas polímeras sobre sustrato de alúmina
son sensiblemente mejores a los obtenidos sobre
PET, a pesar de haber realizado la prueba con
menor estrés térmico. Esto indica la gran
diferencia de estabilidad dimensional con la
temperatura entre ambos sustratos. (Figura 5)
• Se realizó una prueba de choque térmico
sobre los circuitos de alúmina. En la prueba se
siguió el método MIL-STD-883C para
determinar el comportamiento de los resistores a
cambios extremos de temperatura, realizando 5
ciclos de 10 minutos pasando el circuito en 10
segundos de 0ºC a 100ºC.
Se observa que el efecto del choque térmico
sobre la pasta polímera es muy negativo.
Aunque éste caso no se da en una situación real,
indica que las tintas resistivas polímeras no
deben someterse a choques térmicos fuertes.
(Figura 6)
• Se ensayaron las resistencias con carga
durante 1000 horas, para emular una condición
real de funcionamiento. La potencia permitida
en las resistencias es, según los fabricantes, de
96 mW/mm2 para tinta cermet, y 53 mW/mm2
para polímeras, y la prueba se realizó con
aproximadamente el 50% de la potencia
permitida.
Como se puede apreciar los resultados son
mucho mejores para las pastas polímeras que en
5

6. las pruebas de choque térmico, y pueden ser
considerados aceptables. (Figura 7)
tienen buena conductividad, sus adhesivos
ofrecen nuevas aplicaciones, y sus resistencias
integradas permiten mayor densidad de
componentes y reducen el costo del circuito.
Es previsible que las novedades producidas
en estos materiales, aumenten su rango de
aplicaciones de consumo, absorbiendo por su
precio competitivo, circuitos que ahora se
realizan en otras tecnologías.
Autores
• La última prueba fue de almacenamiento de
1000 horas sin carga, obteniéndose buenos
resultados en todos los casos. (Figura 8)
Conclusiones
Los resultados obtenidos con las tintas
polímeras son aceptables, cuando no se somete
a la resistencia a una potencia excesiva, o un
incremento grande de temperatura. Estas son sus
limitaciones, por lo que no pueden utilizarse en
aplicaciones profesionales de potencia, y en
estos casos es mejor utilizar resistencias cermet
de montaje superficial.
El tipo de sustrato utilizado influye
claramente en el coeficiente térmico de la tinta
resistiva, debido a que la estabilidad
dimensional con la temperatura de la alúmina,
es mucho mejor que la del sustrato PET. La
temperatura de curado de la tinta resistiva
polímera afectó a las dimensiones del sustrato
PET, por lo que en este caso, es recomendable
utilizar otro método de curado que reduzca la
temperatura y el tiempo.
La tecnología PTF es fácil de realizar, y se
puede combinar con otras tecnologías ya
conocidas. Los nuevos conductores con plata
Neftalí Núñez Mendoza. Profesor asociado
de Tecnología Microelectrónica en la E.U.I.T.
de Telecomunicación de la U.P.M, e ingeniero
en Telefónica Investigación y Desarrollo donde
ha desarrollado numerosos Circuitos Híbridos.
Mail: nnunez@euitt.upm.es
Rubén Guerrero Merchán. Ingeniero Técnico
de Telecomunicación por la U.P.M.
Referencias
[1] Álvarez, R.: “Caracterización de pastas
polímeras”. Eurofach, nº 215, pg. 78-81.
[2] Álvarez Santos, R., Lerena A., Bedmar J.,
Arribas, J.A. Núñez. N. (1998) “Curso sobre
plasturgia electrónica”. E.U.I.T.T.
[3]
Álvarez,
R.
“Tecnología
microelectrónica”. Ciencia 3.
[4] Cavero, J.M.,Rodriguez, A.:”Polymer
thick film technology for telecommunication
application”. Comunicaciones de Telefónica
I+D, vol31.
[5] Gilleo, K.(1996): “Polymer thick Film,
ITP.
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