WYKŁAD 5 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Transkrypt

1 Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 5 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

2 Plan wykładu - Materiały i procesy wykorzystywane do wytwarzania mikrosystemów mikroobróbka surowej folii LTCC cd. - wytłaczanie na gorąco - mokre trawienie - metoda fotolitograficzna - folie fotodefiniowalne proces laminacji surowych folii LTCC - laminacja termokompresyjna - laminacja przy niskim ciśnieniu

3 TECHNOLOGIA LTCC

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

5 Wytwarzanie ścieżek rakla pasta rama sito Druk offsetowy Nanoszenie przez dysze emulsja podłoże Formowanie laserem Sitodruk Pasty światłoczułe

6 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

7 Mikroobróbka folii LTCC laser frezarka numeryczna wytłaczanie inne metody 1 mm Nowak et al. Appl. Phys. A 2006 Forma do wykonywania cewki A. Albrecht et al., 14th European IMAPS Conf. 2003

8 Mikroobróbka surowych foli ceramicznych Cięcie laserem CO 2 Nd:YAG Nd:YVO 4 Excimer bardzo dobra powtarzalność i precyzja (±0.5 mm ±30 mm) wykonywanie struktur o bardzo małych wymiarach ( mm). wykonywanie otworów przelotowych (tzw. via) o średnicach mm. nadawanie precyzyjnych kształtów ścieżką przewodzącym, rezystorom itp. Nd-YAG laser system (WEMIF, Politechnika Wrocławska)

9 Mikroobróbka surowych foli ceramicznych Cięcie laserem (parametry procesu) 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)

10 Mikroobróbka surowych foli ceramicznych Wykrojniki mechaniczne sterowane numerycznie (CNC) Bardzo dobra powtarzalność i precyzja Możliwość wykonywania różnych kształtów (~ 100 mm). Wykonywanie otworów przelotowych (via) mm. X Nie można używać do kształtowania ścieżek, rezystorów X Zużycie narzędzia X Mniej wydajne od systemu laserowego

11 Mikroobróbka surowych foli ceramicznych Wytłaczanie na gorąco (hot embossing) Wzór odciskany jest w podłożu z surowej ceramiki LTCC, Proces prowadzony przy wysokim ciśnieniu oraz podwyższonej temperaturze, Możliwość wykonywania precyzyjnych wzorów o wymiarach charakterystycznych sięgających 25 mm. Przebieg procesu wygniatania z zastosowaniem ceramiki LTCC

12 Mikroobróbka surowych foli ceramicznych Wytłaczanie na gorąco (hot embossing) Formy do wygniatania wykonywane są z różnych materiałów (np. mosiądz, nikiel, polimery, kauczuk itd.) Formy wykonywane są za pomocą lasera lub precyzyjnych narzędzi mechanicznych Przykładowe formy do procesu wygniatania. Source: Rabe et al..int.j.app.cer.tech., 2007

13 Mikroobróbka surowych foli ceramicznych Wytłaczanie na gorąco (parametry procesu) zbyt wysoka temperatura procesu może prowadzić do przyklejania surowej ceramiki LTCC do formy, a zbyt niska temperatura może powodować pęknięcia foli ceramicznej za wysokie ciśnienie może powodować powstawanie pęknięć podłoża ceramicznego. Parametry procesu Source: Rabe et al..int.j.app.cer.tech., 2007 Wzory odciśnięte w surowej ceramice LTCC

14 Mikroobróbka surowych foli ceramicznych Wytłaczanie na gorąco (parametry procesu) Wykonywanie zagrzebanych struktur przestrzennych Schemat wykonywania zagrzebanych struktur przestrzennych w wielowarstwowych modułach LTCC Wielowarstwowy moduł LTCC z zagrzebaną wnęką. Source: Rabe et al..int.j.app.cer.tech., 2007

15 Mikroobróbka surowych foli ceramicznych Wytłaczanie na gorąco (parametry procesu) Wykonywanie elementów biernych Forma do wytłaczania (cewka indukcyjna) Albrecht et al., 14th European IMAPS Conf. 2003

16 Mikroobróbka surowych foli ceramicznych Mokre trawienie surowych folii ceramicznych trawienie lepiszcza organicznego foli ceramicznej za pomocą rozpuszczalnika (np. aceton) ziarna ceramiczne i szkliwo są usuwane przez pęd strumienia rozpuszczalnika wykonywanie różnych kształtów (np. otwory o średnicy 25 mm) Otwory wytrawione w surowej ceramice LTCC Schematyczny rysunek urządzenia do trawienia chemicznego parami acetonu Source: M. Gongora-Rubio, SNA, 2001.

17 Metoda Zalety Wady Frezarka CNC Laser Wytłaczanie Wykonywanie skomplikowanych kształtów wycięć o rozmiarach µm. Względnie duże struktury (> 1 mm). Wykonywanie skomplikowanych kształtów o rozmiarach µm. Metoda bezkontaktowa (bez zużywania narzędzi). Duża dokładność, duża gęstość otworów via. Wykonywanie skomplikowanych kształtów o rozmiarach µm. Duża wydajność. Ograniczona dokładność. Możliwość łatwego uszkodzenia narzędzi o małych rozmiarach (< 100 µm) Uszkodzenia termiczne. Otwory stożkowe. Średnia wydajność. Możliwość uszkodzenia formy. Głębokość kanałów ograniczona grubością surowej ceramiki. Występowania pęknięć. Przyklejanie surowej ceramiki do formy. Trawienie chemiczne Struktury o rozmiarach µm Trawienie mokre. Trudna kontrola szybkości trawienia.

18 Metoda fotolitograficzna Surowa ceramika LTCC jest spiekana w temperaturze niższej (T max = 810 o C) Częściowo spieczony materiał zawiera otwarte pory do których może dyfundować kwas trawiący Nałożenie emulsji światłoczułej (laminacja 70 o C) na częściowo wypalone podłoże LTCC Roztwór trawiący HF trawi składniki szkła w częściowo spieczonym materiale LTCC Rozmiary wykonanych struktur można otrzymać w zakresie od 10 mm do kilku centymetrów

19 Metoda fotolitograficzna

20 Metoda fotolitograficzna Szybkość trawienia ceramiki LTCC Przykładowe struktury LTCC Gongora-Rubio et al., SNA., 2001

21 Folie fotodefiniowalne Fotoczuła folia ceramiczna Składnikiem nośnika organicznego jest światłoczuły polimer Składnik organiczny oprócz plastyfikatora zawiera emulsję negatywową Fotoformowalna folia LTCC jest naświetlana metodą fotolitografii kontaktowej światłem UV Możliwość osiągnięcia rozmiaru wytworzonych elementów mniejszego niż 30 µm

22 Folie fotodefiniowalne Gongora-Rubio et al., SNA., 2001 Etapy wytwarzania struktury przestrzennej w światłoczułej folii ceramicznej

23 Folie fotodefiniowalne Przykładowe struktury wykonane w fotoczułej ceramice LTCC Zależność głębokości wnęki od czasu trawienia i ciśnienia cieczy trawiącej (węglan sodu) Gongora-Rubio et al., SNA., 2001

24 Metody mikroobróbki surowej folii LTCC Podsumowanie Min. Wymiar [mm] Mikroobróbka laserowa 25 Wykrojnik mechaniczny 50 Frezarka CNC 100 Wytłaczanie na gorąco 25 Trawienie chemiczne 25 Metody fotolitograficzne 10 Fotodefiniowalne folie LTCC 30

25 TECHNOLOGIA LTCC

26 Laminacja termokompresyjna Laminowanie wysokociśnieniowe Prasa jednoosiowa: Surowe folie ceramiczne są ściskane pod wysokim ciśnieniem tylko w jednym kierunku (oś z, ciśnienie 5 30 MPa). Folie LTCC są grzane powyżej punktu zeszklenia organicznego środka wiążącego Punkt zeszklenia organicznego środka wiążącego ~70 o C Obrót rotacyjny matrycy laminującej o 180 stopni jest wymagany po upływie połowy czasu.

27 Laminacja termokompresyjna Laminowanie wysokociśnieniowe Prasa izostatyczna Surowe folie ceramiczne są dociskane równomiernie w gorącej wodzie pod ciśnieniem 5 30 MPa Folie LTCC są grzane powyżej punktu zeszklenia organicznego środka wiążącego (~70 o C) Nie ma potrzeby obrotu o 180 stopni w czasie laminacji. Laminowane struktury są umieszczane w zamykanych próżniowo workach plastikowych.

28 Laminacja termokompresyjna Rysunek poglądowy opisujący łączenie folii LTCC, a) folie przed laminacją, b) struktura po laminacji, c) struktura po wypaleniu D. Jurków 2012

29 Laminacja termokompresyjna Struktury 3D Ken Peterson

30 Laminacja termokompresyjna Struktury 3D A cylindrical shell for cooling the fluid in a pipe: (a) schematic top view; (b) schematic cross-sectional side view; (c) LTCC prototype. Li J. et al., J. Micromech. Micr. 2002

31 Laminacja termokompresyjna Struktury 3D Zasada działania silnika sferycznego Poszczególne elementy silnika sferycznego Li J. et al., J. Micromech. Micr. 2002

32 Laminacja termokompresyjna Deformacja struktur przestrzennych po procesie laminacji metodątermokompresji Gongora Rubio 2001

33 Metody laminowania niskociśnieniowego Minimalizacja niepożądanych odkształceń struktur fluidycznych i wiszących. Folie LTCC łączone w temperaturze pokojowej przy zastosowaniu bardzo niskiego ciśnienia (< 5 MPa). Stosowanie dwustronnej taśmy klejącej (CLPL) lub rozpuszczalnika (CCL). Proces kompatybilny z większością past stosowanych w technologii grubowarstwowej.

34 Laminowanie niskociśnieniowe Metoda Cold Low Pressure Lamination (CLPL) Proces laminacji niskociśnieniowej z zastosowaniem taśmy klejącej (metoda CLPL) Roosen et al., JECS, 2001

35 Laminowanie niskociśnieniowe Metoda Cold Low Pressure Lamination (CLPL) taśma klejąca topi się w czasie procesu wypalania ciekły polimer dyfunduje do porów w ceramice pod wpływem sił kapilarnych siły kapilarne powodują powstawanie jednorodnej struktury ceramicznej Koła zębate wytworzone z ceramiki LTCC metodą CLPL Source: Roosen et al., JECS, 2010.

36 Laminowanie niskociśnieniowe Metoda Cold Low Pressure Lamination (CLPL) Otwory połączeniowe (via) Zagrzebane warstwy przewodzące Powierzchniowe kanały Laminowanie bez taśmy klejącej Laminowanie z taśmą klejącą Source: Roosen et al., JECS, 2010.

37 Laminowanie niskociśnieniowe Metoda Cold Chemical Lamination (CCL) Fournier, PhD dissertation Metoda podobna do techniki CLPL. Surowa ceramika jest pokrywana cienką warstwą rozpuszczalnika (sitodruk, malowanie pędzlem). Rozpuszczalnik rozpuszcza powierzchnie ceramik. Wytwarzanie kanałów w ceramice LTCC metodą laminacji CCL

38 Laminowanie niskociśnieniowe Metoda Cold Chemical Lamination (CCL) Kanały i wnęki Struktury wiszące D. Jurków, 2012

39 Laminowanie niskociśnieniowe Metoda Cold Chemical Lamination (CCL) D. Jurków 2012

40 Laminowanie niskociśnieniowe Metoda Cold Chemical Lamination (CCL) Wady metody : Nie można stosować do wytwarzania precyzyjnych struktur przestrzennych (< 100 μm) z powodu trawienia surowej folii ceramicznej w czasie procesu laminacji chemicznej. Metodą CCL nie można laminować cienkich folii ceramicznych (< 150 μm). Do każdego rodzaju materiału folii ceramicznych musi być dobrany odpowiedni rozpuszczalnik. Rozpuszczalnik może uszkadzać ścieżki przewodzące i rezystywne.

41 LTCC etapy wytwarzania

42 Proces wypalania

43 Technologia LTCC (montaż) Montaż

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

45 Podsumowanie - Materiały i procesy wykorzystywane do wytwarzania mikrosystemów mikroobróbka surowej folii LTCC cd. - wytłaczanie na gorąco - mokre trawienie - metoda fotolitograficzna - folie fotodefiniowalne proces laminacji surowych folii LTCC - laminacja termokompresyjna - laminacja przy niskim ciśnieniu