WYKŁAD 2 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Transkrypt

1 Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 2 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

2 Plan wykładu - Podstawy technologii grubowarstwowej - Materiały i procesy

3 TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA Układy grubowarstwowe wytwarza się nanosząc techniką sitodruku warstwy przewodzące, rezystywne i dielektryczne na podłoża izolacyjne (ceramika). Warstwy poddawane są następnie obróbce termicznej. Układy wysokotemperaturowe - temperatura wypalania o C Układy niskotemperaturowe temperatura utwardzania o C

4 Technologia grubowarstwowa zalety - niski koszt - łatwość automatyzacji - opłacalność krótkich serii - miniaturyzacja - dobre właściwości elektryczne - różnorodność wykonywanych elementów - odporność na wysokie temperatury - wytrzymałość mechaniczna

5 TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA Etapy wytwarzania układu grubowarstwowego

6 Etapy wytwarzania - podłoża Materiały: - ceramika alundowa ( 96% Al 2 O 3 ) - ceramika AlN - ceramika berylowa - podłoża stalowe Właściwości: - odporność na wysokie temperatury - izolacja elektryczna - przewodność cieplna - rozszerzalność termiczna - wymiary geometryczne

7 Etapy wytwarzania - podłoża Ceramika AlN Al 2 O 3 BeO LTCC Przewodność termiczna [W/m. K] Rozszerzalność termiczna [10-6 /K] ,6 7,3 5,40 5,8-7 Rezystywność [. m] 4x10 11 > > Przenikalność dielektryczna (1 MHz) 10 9,5 7 5,9-9

8 TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA PODŁOŻA PASTY PASTY PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA Etapy wytwarzania układu grubowarstwowego

9 Pasty wysokotemperaturowe składnik podstawowy w. przewodzące - Au, Ag, PdAg,... w. rezystywne - RuO 2, IrO 2, Bi 2 Ru 2 O 7,... (właściwości elektryczne) szkło PbO - B 2 O 3 - SiO 2 (ρ, α, η=f (T) ) (lub bez PbO) (przyczepność do podłoża) nośnik organiczny rozpuszczalnik - korekcja η, (reologia) - zmniejszenie napięcia pow. - poprawa zwilżalności etyloceluloza - przyczepność do podłoża po suszeniu w temperaturze 120 o C

10 Wydajność past Au Pt-Au Pd-Ag Pt-Ag Cu Pasta dielektryczna Pokrycie powierzchni [cm 2 /g] Sito [M] Grubość emulsji : μm M gęstość sita (ilość oczek na 1 cal długości)

11 Rezystancja powierzchniowa Rezystancja powierzchniowa (R ) R = / d = [ / ], gdzie: R = R. n n = L / w - rezystywność warstwy rezystywnej d grubość warstwy R rezystancja n ilość kwadratów

12 Pasty przewodzące R = m / (R = /d - rezystywność; d grubość warstwy) wypalane w powietrzu: Au, PtAu, PdAu Ag, PtAg, PdAg (wady: Au rozpuszczalność w lutowiu Ag dyfuzja) wypalane w azocie: Cu - zastosowanie (elektrody, połączenia, wyprowadzenia zewnętrzne, pola lutownicze itp.) - wymagania (mała rezystywność, adhezja, lutowność, możliwość montażu...)

13 Pasty przewodzące Rezystancje powierzchniowe R różnych warstw przewodzących Materiał R [m / ] Materiał R [m / ] Au 2 10 PdAg Pt-Au Pt Pd-Au Cu * 2 Ag 2 10 Ni * 7 40 * proces wypalania w atmosferze azotu

14 Warstwy rezystywne Temperaturowy współczynnik rezystancji (TWR) TWR = (R 2 R 1 )x10 6 /[R 1 (T 2 T 1 )] = (50 300) [ppm/k] gdzie:r 1 - rezystancja w temperaturze T 1 R 2 - rezystancja w temperaturze T 2 Zimny TWR (T 1 = 25 o C, T 2 = -55 o C) Gorący TWR (T 1 = 25 o C, T 2 = 125 o C)

15 Obciążalność Obciążalność (p r ) maksymalna gęstość mocy dla warstwy rezystywnej p r = p/s r = 8 15 [W/cm 2 ] (dla podłoży alundowych 96% Al 2 O 3 chłodzonych swobodnie) gdzie: p r - gęstość mocy w warstwie p - moc rozproszona w warstwie s r - powierzchnia warstwy rezystywnej Dopuszczalna gęstość mocy (p p ) - dla całego podłoża podłoża alundowe 0,25 1 [W/cm 2 ]

16 Właściwości piezorezystywne Współczynnik czułości odkształceniowej (GF - Gauge Factor) GF = ( R/R)/( l/l) = gdzie: R przyrost rezystancji R - rezystancja początkowa l - przyrost długości l - długość początkowa

17 Efekt piezorezystywny R/R GF = ( R/R)/( l/l) = l/l

18 Inne pasty - dielektryczne - izolacyjne - lutownicze - termistorowe - warystorowe - magnetorezystywne - czujnikowe -...

19 Etapy wytwarzania PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA

20 Projektowanie rezystorów Projekt Podstawowe kształty rezystorów grubowarstwowych: Warstwa rezystywna Warstwa przewodząca

21 (i) w nawiasach podano wartości minimalne Projekt Oznaczenie Typowe wymiary rezystorów grubowarstwowych Długość [ m] Uwagi L 1000 (500) 0,5<L/W<5 (0,3<L/W<10) W D (125) D (125) D (200) zakładka szerokość zależy od tolerancji i mocy D (375) odległość od warstwy przewodzącej D (500) odległość od krawędzi podłoża D (500) odległość od warstwy dielektrycznej

22 Ilość 10 3 kilka Warstwa rezystywna Warstwa przewodząca

23 Projektowanie rezystorów Projekt Podstawowe parametry techniczne rezystorów grubowarstwowych: R TWR d - grubość warstwy rozrzuty wartości R ± 20% P r (podłoże alundowe 96% Al 2 O 3 ) 8 W/cm 2 P p (powierzchnia całego podłoża) 0,25 W/cm 2 1 / 100 M / ± 50 ppm/ C ± 300 ppm/ C 15 μm S - wskaźnik szumów db

24 Projekt Projektowanie kondensatorów Podstawowe kształty kondensatorów grubowarstwowych:

25 Projektowanie rezystorów Projekt Podstawowe parametry techniczne rezystorów grubowarstwowych: C wartość pojemności (F) TWC temperaturowy współczynnik pojemności (ppm/ C) Tolerancja pojemności (%) tg d współczynnik strat dielektrycznych U napięcie pracy (V)

26 Projekt Projektowanie cewek Podstawowe kształty cewek grubowarstwowych:

27 Etapy wytwarzania PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA

28 Sito

29 SITO a % open = (a-b) 2 a 2 x 100 a b sito 200: a= 1/200''= 0.005'' b= '' lub '' ( ) 2 b= '' % open= (0.005) 2 x 100 = 33.64% b= '' % open= 46.25% mesh b [μm] % open grubość druku [μm] sito 250: b b= " % open= 42.25% sito 325: b= " % open= % Zależności grubości nadrukowanej warstwy (po wysuszeniu) od gęstości sita (mesh)

30 SITO (a) (b) Zdjęcia SEM sita pokrytego emulsją. Emulsja: (a) za cienka, (b) właściwa grubość B. Dziurdzia, AGH Rozprawa doktorksa1998 (a) (b) (c) Emulsja: (a) za cienka, (b) odpowiednia, (c) za gruba

31 Sitodruk PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA

32 Sitodruk rakla pasta sito rama 1 [P] sito podłoże 3 sito podłoże 10 2 pasta na sicie - lepkość pasty pasta na podłożu czas t

33 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)

34 Sitodruk precyzyjny Sito kalandrowane ( Ultra thin super stainless steel mesh (SS) Müller, et al., 1st MacroNano Coll. on LTCC RF and Microsystem Int., Ilmenau 2006

35 Trawienie wysuszonej warstwy światłoczułej (FODEL) (1) (2) (1) (3) (2) (3) (4) 15 µm min. szerokość ścieżki 25 µm min. odległość między ścieżkami (4)

36 Trawienie wysuszonej warstwy światłoczułej (FODEL) sitodruk w = 100 m FODEL w = 25 m 15 µm min. szerokość ścieżki 25 µm min. odległość między ścieżkami

37 Trawienie wypalonej warstwy

38 Trawienie wypalonej warstwy Złote ścieżki na podłożu ceramicznym (Müller, et al., TU Ilmenau 2006) 25 µm min. szerokość ścieżki 25 µm min. odległość między ścieżkami

39 Druk offsetowy (gravure-offset) (1) (2) 15 µm min. szerokość ścieżki 25 µm min. odległość między ścieżkami

40 Nanoszenie przez dysze (ink jet printing) 30 µm min. szerokość ścieżki 30 µm min. odległość między ścieżkami

41 Nanoszenie przez dysze (ink jet printing) 30 µm min. szerokość ścieżki 30 µm min. odległość między ścieżkami Source: Nishi, CICMT Conference, Denver 2007 Linie przewodzące naniesione metodą ink-jet

42 Formowanie laserem (Laser patterning) Cewka formowana laserem: 10 µm szerokość ścieżki 10 µm odległość między ścieżkami Swenson et al., CICMT Conference, Denver 2007

43 Wytwarzanie wąskich ścieżek minimalne wymiary szer./odległość [μm] sitodruk standardowy 100/100 sitodruk precyzyjny 40/75 trawienie przed wypaleniem 15/25 trawienie po wypaleniu 25/25 druk offsetowy 15/25 nanoszenie przez dysze 30/30 formowanie laserem 10/10

44 Proces suszenia PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE (120 o C, 10 min) Proces suszenia (polimeryzacja etylocelulozy) KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA

45 Proces wypalania PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE WYPALANIE KOREKCJA (850 o C, 10 min cały cykl 60 min) MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA

46 Suszenie i wypalanie a) po nadrukowaniu b) po wysuszeniu c) po wypaleniu

47 Korekcja PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA

48 Korekcja rezystorów Korekcja - rozkład rezystancji a) po wypaleniu b) po korekcji

49 Rodzaje korekcji Korektor piaskowy strumień proszku korundowego ciśnienie powietrza: 6 at średnica dyszy: μm ZALETY: - cena - prostota WADY: - szybkość - jakość nacięcia Korektor laserowy laser: Nd-YAG (1064 nm) moc: 5 10 W średnica wiązki: μm ZALETY: - szybkość - jakość nacięcia WADY: - cena

50 Korekcja laserowa

51 Montaż PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE Flip chip SMT KOREKCJA Flip chip SMT MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA

52 Montaż struktur flip chip montaż drutowy montaż powierzchniowy

53 Układ z montażem flip chip Urządzenie do montażu struktur flip chip W12 Z9

54 PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA

55 Etapy wytwarzania - podsumowanie Podłoże Sitodrukarka system laserowy Pasta Sitodruk Wypalanie Korekcja Montaż Obudowa Projekt Sito Urządzenie do montażu flip-chip Sito Piec

56 Podsumowanie - Podstawy technologii grubowarstwowej - Materiały i procesy