WYKŁAD 3 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Transkrypt

1 Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 3 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

2 Plan wykładu - Podstawy technologii LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics, niskotemperaturowa współwypalana ceramika) Etapy wytwarzania modułu LTCC

3 Multichip Module (MCM) MCM MCM-C (ceramics) MCM-D (deposition) MCM-L (laminate) TFM (thick film) HTCC (high temp.) LTCC (low temp.) 850ºC 1000ºC Au, Ag, Cu 1600ºC 1800ºC;H 2 W, Mo HTCC High Temperature Co-fired Ceramics 850ºC 1000ºC Au, Ag, Cu LTCC Low Temperature Cofired Ceramics

4 MCM - C via metalizacja dielektryk ceramika (Al 2 O 3 ) metal 1 metal 2 metal 3 metal 4 HTCC/LTCC TFM: Naprzemienne drukowanie materiałów przewodzących, rezystywnych i dielektrycznych. Drukowane otwory przelotowe (via). via HTCC/LTCC: Nanoszenie materiałów przewodzących na poszczególne warstwy układu. Otwory przelotowe wycinane w poszczególnych warstwach i wypełniane materiałem przewodzącym.

5 Przekrój przez wielowarstwowy moduł LTCC ścieżki przewodzące elementy elektroniczne (R, L, C) czujniki i przetworniki kanały (gaz, ciecz) elementy optoelektroniczne układy grzejne, chłodzące

6 Ceramika LTCC Stosowane materiały: - ceramika (Al 2 O 3, ) - szkło (CaO-B 2 O 3 -SiO 2, ) - lepiszcze organiczne (PVB, ) -... Wytwarzanie folii LTCC (tape casting) M. Gongora-Rubio et al., SNA, 2001

7 Tape casting (odlewanie taśmowe) KEKO

8 LTCC etapy wytwarzania

9 Właściwości folii LTCC Maksymalny wymiar folii 30 x 30 cm 2 Grubość Przewodność cieplna m 3 W/mK Skurcz oś z % osie x, y % ( 0,2 %) Napięcie przebicia Up 1000 V / 25 m Przenikalność dielektryczna 4 12 (1 MHz) Wsp. rozszerzalności termicznej 3 8 ppm/k

10 Właściwości ceramiki LTCC Właściwość Ferro A6M Ferro L8 Przenikalność dielektryczna 5,9 (1-100 GHz) 7,2 (10 GHz) Stratność < 0,002 < 0,1 (10 GHz) Napięcie przebicia [V/25 m] > 750 > 900 Grubość green [ m] 127, , 127, 254 Moduł Younga [GPa] Skurcz osie x,y [%] 15,4 13,2 0,3 Skurcz oś z [%] 28,0 30 Wsp. rozszerzalności cieplnej [ppm/k] Przewodność cieplna [W/m.K] 7 6,0 2 2

11 Właściwości ceramiki LTCC DuPont DuPont

12 Właściwości ceramiki LTCC Heraeus (IKTS) Property Heraeus CT 2000 Heraeus HL 2000 Dielectric constant Dissipation factor Break. Volt. [V/25 m] > 1000 > 800 Thickness green [ m] 25, 50, 97, 127, Thickness fired [ m] 20, 40, 77, 102, Shrinkage x,y [%] Shrinkage z [%] CTE [ppm/k] Thermal cond. [W/m.K] 3 3

13 Zalety i wady układów LTCC Zalety bardzo dobre właściwości elektryczne i mechaniczne niezawodność łatwość wytwarzania - krótki czas od projektu do wyrobu integracja różnych elementów struktury w 3 wymiarach (3D) różnorodne zastosowania koszt Wady rozmiar mikro brak elementów aktywnych

14 LTCC etapy wytwarzania

15 Wycinanie i wypełnianie otworów przelotowych (połączeniowych, via) wybijak Wykrojnik mechaniczny System laserowy

16 Wykrojnik mechaniczny OTWORY Laser Otwory o średnicach (a) 50 µm (b) 75 µm (c) 100 µm Wang, Folk, Barlow, Elshabini, IEEE Tr EPM, 2006

17 Wypełnienie otworów Typu zygzak Typu Proste krzesełkowego NANTEL Engineering Otwory o średnicy 50 µm Hagen, Rebenklau, ESIT Conference, Dresden 2006

18 LTCC etapy wytwarzania

19 Drukowanie rakla pasta sito rama 1 emulsja podłoże 2 [P] Pasta na sicie sito pasta na sicie Pasta na podłożu pasta na podłożu podłoże czas t

20 Metody wytwarzania precyzyjnych ścieżek sitodruk precyzyjny (fine line printing) trawienie wysuszonej warstwy światłoczułej (photosensitive paste) trawienie wypalonej warstwy (photoimageable paste) druk offsetowy (gravure-offset) nanoszenie przez dysze (ink jet printing) wykorzystanie systemu laserowego (laser patterning)

21 LTCC etapy wytwarzania

22 Mikroobróbka laserowa Za pomocą lasera w surowych foliach lub laminatach ceramicznych wycina się: otwory przelotowe/połączeniowe (vias) połączenia elektryczne i termiczne typowe średnice: m w surowej foli ceramicznej wnęki (prostokątne otwory) dla dyskretnych elementów/układów scalonych wymiary: mm w surowej foli ceramicznej kanały dla układów mikroprzepływowych/chłodzących w surowej foli ceramicznej i laminatach inne kształty w surowej foli ceramicznej, laminatach, wypalonych strukturach G. Hagen, KMS, 2012

23 Mikroobróbka laserowa Wycinanie laserem CO 2 Nd:YAG Nd:YVO 4 Ekscymerowy bardzo dobra powtarzalność i precyzja (±0.5 m ±30 m) wykonywanie struktur o bardzo małych wymiarach ( m). wykonywanie otworów przelotowych (tzw. via) o średnicach m. nadawanie precyzyjnych kształtów ścieżką przewodzącym, rezystorom itp. Nd-YAG laser system (WEMIF, Politechnika Wrocławska)

24 Mikroobróbka laserowa Wycinanie laserem (wybrane parametry) moc, częstotliwość impulsu, długość fali (355 nm, 532 nm, 1064 nm) Prędkość przesuwu wiązki (stolika X-Y-Z(?)) Wzór wycięty w surowej foli ceramicznej (dobrze dobrane parametry procesu) Wzór pokryty warstwą szkliwa (źle dobrane parametry procesu)

25 Mikroobróbka laserowa Wycinanie laserem Pulseo , Heraeus CT700 1 x100 mm/s 1 / 2 / 3 / 4 x 500 mm/s G. Hagen, KMS, 2012

26 Mikroobróbka laserowa Wzór wycinania Profil głębokości G. Hagen, KMS, 2012

27 Mikroobróbka laserowa Wykonywanie otworów Laser CO 2 Przekrój przez podłoże LTCC z otworami wykonanymi za pomocą pojedynczego Impulsu lasera CO 2 Laser UV

28 Mikroobróbka surowej folii LTCC (frezarka CNC) CNC (computer numerical control) Bardzo dobra powtarzalność i precyzja Możliwość wykonywania różnych kształtów (~ 100 m). Wykonywanie otworów przelotowych (via) m. X Nie można używać do kształtowania ścieżek, rezystorów X Zużycie narzędzia X Mniej wydajne od systemu laserowego Mikroobróbka surowej folii LTCC frezarką CNC Source: M. Gongora-Rubio, SNA, 2001.

29 Mikroobróbka surowej folii LTCC (wykrojnik) Source: Wang et al., IEE, 2006

30 Mikroobróbka surowej folii LTCC (frezarka CNC) Otwór i kanał wykonane w surowej ceramice Source: Mole et al., CICMT, 2007

31 LTCC etapy wytwarzania

32 Proces laminacji p = 5 30 MPa T = o C t = 5 30 min laminacja Prasa jednoosiowa F laminacja Prasa izostatyczna Woreczek próżniowy Folie folia LTCC LTCC Pompa pompa

33 Proces laminacji Prasa izostatyczna (W12/Z9)

34 Proces laminacji

35 LTCC etapy wytwarzania

36 Proces wypalania

37 Proces wypalania Typ 1: Niereaktywny szkło jako składnik spajający (np. DP951) Typ 2: Krystalizujący użycie szkła ulegającego krystalizacji w trakcie wypału (np. Ferro A6) Typ 3: Reaktywny szkło ulega krystalizacji oraz wiąże ziarna ceramiczne (np. Motorola T2000) S. Dai, Motorola, 2007 Przed Szkło Po Faza krystaliczna

38 Technologia LTCC (montaż) Montaż

39 Technologia LTCC (przekrój przez moduł wielowarstwowy) Przekrój przez moduł LTCC Ścieżki przewodzące Układy scalone (np. MEMS) elementy bierne obudowa, podłoże

40 Porównanie

41 Zalety i wady czujników grubowarstwowych i LTCC Zalety - prosta i tania technologia - niski koszt i krótki czas opracowania nowego prototypu - dobre właściwości elektryczne i mechaniczne - różnorodność wykonywanych elementów - integracja czujników - odporność na wysoką temperaturę i wpływ otoczenia - odporność na chemiczna - integracja całego systemu (czujnik, przetwornik, elektronika) Wady - rozmiary - brak elementów aktywnych -...

42 Generacje modułów LTCC I generacja II generacja III generacja - ścieżki przewodzące i otwory połączeniowe (via) - ścieżki przewodzące i otwory połączeniowe (via) - elementy bierne (MCIC) - ścieżki przewodzące i otwory połączeniowe (via) - elementy bierne (MCIC) - czujniki i aktuatory (mikrosystemy)

43 Zastosowania techniki LTCC moduły wielowarstwowe obwody mikrofalowe elementy pasywne czujniki, aktuatory moduły fotoniczne inteligentne obudowy ogniwa paliwowe mikroreaktory mikrosystemy...

44 Podsumowanie - Podstawy technologii LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics, niskotemperaturowa współwypalana ceramika)