Mikrosystemy ceramiczne

Transkrypt

1 Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 1 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni (M11 p. 144 ul. Długa) Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

2 Egzamin: 28 styczeń 2019, poniedziałek Wykłady dostępne na stronie www:

3 Mikrosystemy ceramiczne 1. Informacje ogólne 2. Podstawy technologii grubowarstwowej 3. Techniki nanoszenia i formowania warstw grubych na podłożach ceramicznych 4. Podstawy technologii LTCC 5. Techniki formowania przestrzennego ceramiki LTCC 6. Metody łączenia ceramiki LTCC z innymi materiałami 7. Mikrosystemy LTCC

4 Literatura M. Prudenziati et al., Thick Film Sensors, Elsevier Science, 1994 J.W. Gardner, Microsensors Wiley, 1994 L. Golonka, Zastosowanie ceramiki LTCC w mikroelektronice, 2001 L. Golonka, K. Malecha, Ceramic microsystems, 2011 A. Dziedzic i in., Technika grubowarstwowa i jej zastosowania, 1998

5 Literatura

6 Literatura Dostępne w DBC

7 Literatura

8 Literatura

9 Definicje Teledyne Ultra-compact microelectromechanical systems (MEMS) gyroscope incorporating wafer-scale vacuum packaging. MEMS, ang. Micro Electro Mechanical Systems lub Micromachined Electrical Mechanical Systems, mikrosystemy elektromechaniczne, stacjonarne albo ruchome struktury, urządzenia lub systemy, o wymiarach liniowych od pojedynczych cm do pojedynczych µm, wytwarzane za pomocą mikroobróbki materiałów. Ceramika - nieorganiczne i niemetaliczne materiały otrzymywane w wyniku procesu ceramicznego; także technologia wytwarzania takich materiałów oraz nauka obejmująca badania dotyczące ich otrzymywania, właściwości i zastosowania. Czujnik - urządzenie lub substancja, w których pod działaniem bodźców (np. promieniowania, zmian temperatury), pochodzących od badanego obiektu, zachodzą zmiany dostarczające informacji o tym obiekcie. Encyklopedia PWN

10 Rozmiary geometryczne tranzystor chip TV telefon mm włos 1 mm 1 m owad człowiek Część oka muchy MEMS pompa

11 Rozmiary geometryczne nanomateriały NEMS DNA atom wirus bakteria

12 Mikrosystemy Układy MEMS rozumiane jako mikrosystemy powinny składać się z: czujników wielkości fizycznych i chemicznych, procesorów, służących do przetwarzania informacji uzyskanych z czujników, oraz aktuatorów, tj. członów wykonawczych, sterowanych sygnałami wysyłanymi przez procesor. Do układów MEMS zalicza się też układy: MOEMS (ang. Micromachined Optical Electrical Mechanical Systems), RFMEMS (ang. Radio Frequency Micromachined Electrical Mechanical Systems) i BioMEMS. Układy MOEMS zawierają m.in.: zminiaturyzowane lustra, soczewki, a także sprzęgacze, mieszacze, rozdzielacze, filtry i multipleksery optyczne oraz matryce czujników fizycznych lub chemicznych. RFMEMS są układami MEMS pracującymi w zakresie częstotliwości radiowych pola elektromagnetycznego, w tym mikrofal; należą do nich: zminiaturyzowane filtry elektr., rezonatory, oscylatory, przełączniki antenowe. Najważniejszymi elementami układów BioMEMS są bioczujniki, odznaczające się specyficzną selektywną reakcją na obecność pewnych substancji organicznych, np. DNA, białek, glukozy. Termin BioMEMS jest związany z często używanymi terminami: biochip i laboratorium na chipie (ang. Labs on a chip). Encyklopedia PWN B. Licznerski

13 MOEMS

14 PORÓWNANIE TECHNOLOGII TECHNOLOGIA PÓŁPRZEWODNIKOWA - najdroższa (długie serie tanie) - najwyższa klasa czystości pomieszczeń - najmniejsze wymiary (nano, mikro) - elementy bierne i czynne Source: TECHNOLOGIA CIENKOWARSTWOWA - droga - średnia klasa czystości pomieszczeń - wymiary mikro - głównie elementy bierne, sensory Source: Qualtech Systems TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA - najtańsza (krótkie serie niedrogie) - wymiary mikro - elementy bierne, obudowy, sensory Source: Premier Solutions Source: CENS.com Technologie wzajemnie się uzupełniają

15 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 (polimerowe) - temperatura utwardzania o C

16 Technologia grubowarstwowa materiały i właściwości grubość warstw 5-15 mm (35-45 mm - dielektryk) szerokość ścieżek (min) 150 mm (50 mm - druk precyzyjny 15 mm - fotolitografia) warstwy przewodzące Au, Ag, PdAg... rezystancja powierzchniowa 5 m / warstwy rezystywne RuO 2, IrO 2, Bi 2 Ru 2 O 7,... rezystancja powierzchniowa R = / TWR 50 ppm/k

17 TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA rakla pasta sito rama emulsja podłoże Proces sitodruku

18 TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA Inne techniki wytwarzania warstw grubych: Druk strumieniowy (ink jet printing) Druk offsetowy (gravure-offset) Trawienie wypalonej warstwy (photoimageable paste) Warstwy światłoczułe (photosensitive paste) Formowanie za pomocą lasera (laser patterning)

19 Wielowarstwowe układy typu MCM (LTCC) MCM multichip module MCM moduł wielostrukturowy Struktura wielowarstwowa o bardzo dużej liczbie wewnętrznych połączeń elektrycznych pomiędzy nieobudowanymi układami scalonymi, głównie VLSI, połączonymi w dużą jednostkę funkcjonalną

20 Podział układów MCM MCM C (Ceramics) Zbudowane z podłoży ceramicznych wielowarstwowych współwypalanych lub wielowarstwowych układów grubowarstwowych na podłożu ceramicznym MCM D (Deposition) Wytworzone przez osadzanie cienkich warstw metalicznych lub dielektrycznych na krzemie, diamencie, ceramice lub podłożu metalowym MCM L (Lamination) Wykonane podobnie jak laminatowe wielowarstwowe obwody drukowane

21 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

22 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.

23 Multichip Module (MCM) MCM-L 24,0 x 24,0 MCM-C 12,5 x 12,5 x 7,5 MCM-D 23 x 11,5 Jednostka: mm Układ elektroniczny wykonany za pomocą trzech różnych technologii

24 MCM porównanie Parametr MCM-L (PCB) MCM-C (LTCC) MCM-D Podłoże FR-4, BT, FR-5 Szkło-ceramika Si, szkło, szafir Stała dielektryczna, e r 4,9 / 3,9 / 4, / 5 / 10 Współczynnik start, tgd 0,015 / 0,009 / 0,01 0,0003 0,003 0,005 / 0,003 / 0,0001 Przewodność cieplna (W/mK) Wsp. rozszerzalności cieplnej (ppm/k) 0,2 0,4 2 4,6 100 / 1,7 / / 15 / 13 4,4-7 2,6 / 1 / 8 Liczba warstw 8 ~30 (100) 6 Mat. przewodzące Cu Ag, PdAg, Au, Pt, Cu, PtAu, PdAu Al, Cu, Au Rezystywność (10-8 m) 1,7 1,2 1,7 2,6 / 1,7 / 2,1 Szerokość ścieżki (mm) Częstotliwość (GHz) < 10 < 25 (40) < 50 Koszt Niski (0.05) Średni (0.2) Wysoki (1) S. Dei, Motorola Labs

25 Ceramika Ceramika - nieorganiczne i niemetaliczne materiały otrzymywane w wyniku procesu ceramicznego; także technologia wytwarzania takich materiałów oraz nauka obejmująca badania dotyczące ich otrzymywania, właściwości i zastosowania. Ogólnie proces wytwarzania wyrobów ceramicznych obejmuje następujące czynności: przygotowanie masy do formowania, formowanie, suszenie, wypalanie, niekiedy szkliwienie i zdobienie. Wypalanie odbywa się w temperaturze ok C. W miarę podwyższania temperatury wzrasta stopień spieczenia, co powoduje zmniejszenie porowatości, wzrost wytrzymałości mechanicznej i odporności chemicznej oraz polepszenie właściwości dielektrycznych. Encyklopedia PWN

26 Właściwości ceramiki - odporność na działanie wysokich temperatur - odporność na korozję względem kwasów i zasad - wysoka twardość - wysoka wytrzymałość na ściskanie - niska wytrzymałość na rozciąganie - mała przewodność cieplna - niska rozszerzalność cieplna - duża kruchość O właściwościach materiałów ceramicznych w znacznym stopniu decyduje ich struktura krystaliczna i struktura fazy szklistej; w zależności od rodzaju i ilości składników, technologii wytwarzania i sposobu formowania można uzyskać gotowe wyroby o wymaganych właściwościach i kształtach.

27 Ceramika Politechnika Gdańska

28 Ceramika inżynierska podział ze względu na surowce Politechnika Gdańska

29 Właściwości ceramiki (elektronika) Właściwości ceramiki będącej dobrym izolatorem elektrycznym: Stała dielektryczna* ε 30 Rezystywność ρ (Ω cm) Współczynnik strat dielektrycznych tg δ 0,001 Wytrzymałość dielektryczna 5 kv/mm Ceramika (Al 2 O %): Stała dielektryczna ε = 8,8 10,1 Rezystywność ρ = (Ω cm) Współczynnik strat dielektrycznych tg δ = 0,0003 0,002 Wytrzymałość dielektryczna 9,9 15,8 kv/mm *Względna przenikalność elektryczna

30 Wybrane właściwości różnych ceramik stosowanych w elektronice Ceramika AlN Al 2 O 3 BeO LTCC Przewodność termiczna [W/m. K] Rozszerzalność termiczna [10-6 /K] ,6 7,3 5,4 5,8-7 Rezystywność [. m] 4x10 11 > > Przenikalność elektryczna e (1 MHz) 10 9,5 7 5,9-9

31 Technologia grubowarstwowa i LTCC - przykładowe zastosowania Elementy bierne Elementy bierne Czujniki siły Czujniki ciśnienia Elementy grzejne Czujniki temperatury Czujniki gazu Czujniki przepływu gazu Czujniki przepływu gazu

32 Technologia grubowarstwowa i LTCC - przykładowe zastosowania Czujnik przyspieszenia Obwody mikrofalowe Obwody mikrofalowe Komunikacja bezprzewodowa Układy czujnikowe Układy mikrofluidyczne Lab-on-chip Biosensory

33 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 -...

34 Etapy wytwarzania (technologia grubowarstwowa) Podłoże Sitodrukarka system laserowy Pasta Sitodruk Wypalanie Korekcja Montaż Obudowa Projekt Sito Urządzenie do montażu flip-chip Sito Piec

35 Etapy wytwarzania (technologia LTCC)

36 Wyposażenie Laboratorium Mikrosystemów Grubowarstwowych PWr Sitodrukarki Parametry» precyzja zgrywania: ± 12 µm» rozmiar sit: 14 14» regulacja stolika w osi X-Y: ± 12 mm» regulacja stolika w zakresie: ± 4» regulacja sita w osi Z: ± 6 mm» prędkości druku: mm/s» nacisk rakli: 1-16 kg» inspekcja optyczna nadruków» automatyczny system zgrywania AUREL VS 1520 A DEK 1202

37 Wyposażenie Laboratorium Mikrosystemów Grubowarstwowych PWr Prasa izostatyczna» max. ciśnienie (20 MPa)» stabilizacja temp. (up to 90 o C) Proces światłoczuły: Naświetlarka Urządzenie do wywoływania

38 Wyposażenie Laboratorium Mikrosystemów Grubowarstwowych PWr System laserowy Piec komorowy T max = 1600 o C» laser Nd-YAG» l max = 355 nm» rozdzielczość: 5 µm» średnica plamki: 15 µm» częstotliwość: Hz» średnia moc: 4.7 W Piec tunelowy» T max = 1050 o C» Możliwość wypalania w powietrzu lub azocie

39 Wyposażenie Laboratorium Mikrosystemów Grubowarstwowych PWr Flip chip Montaż powierzchniowy