LTCC. Low Temperature Cofired Ceramics

Transkrypt

1 LTCC Low Temperature Cofired Ceramics Surowa ceramika - green tape Folia LTCC: µm, mieszanina ceramiki, szkła i nośnika ceramicznego Technika sitodruku: warstwy (ścieŝki przewodzące, rezystory, termistory, itp.) Wycięcie otworów połączeniowych (przelotki - vias) Stos wielowarstwowy Laminowanie 200 atm Wypalanie (850 o C) LTCC: historia, zastosowania Lata urządzenie radarowe samolotu F-22, firmy: DuPont, Hughes Boom 90 3 generacje układów: wielowarstwowe układy multichip modules (MCM) - wewnątrz struktury ścieŝki przewodzące, na powierzchni układy VLSI oraz bierne elementy powierzchniowe (lata 80) bierne elementy elektroniczne (R, C, L, warystory) wewnątrz struktury LTCC (elementy zagrzebane) wielowarstwowy układ ścieŝek, elementów biernych powierzchniowych i zagrzebanych typu 2D i 3D oraz sensorów i mikrosystemów 1

2 LTCC: przykłady zastosowań Motoryzacja: ABS, poduszki powietrzne, układ zapłonowy, automatyczne skrzynie biegów układy scalone: obudowy MCM telekomunikacja bezprzewodowa (telefony komórkowe, bezprzewodowe) zasilacze RF, elektronika satelitarna, stacje radarowe, sprzęt wojskowy układy MEMS, sensory (przepływu, gazu,..) komputery (stacje dysków), magnetowidy, DVD Rynek LTCC zastosowania a 2

3 Rynek LTCC podział geograficzny Ograniczenia technologii LTCC Skurcz w czasie współwypalania 15% techniki eliminowania: TOS (tape on substrate), ZST (Zero Shrink) 1% Wytrzymałość mechaniczna Wytrzymałość na zginanie 50% wartości Al 2 O 3 Folia EMCA T8800 (porównywalna) Przewodność cieplna około 3 W/(m K) metody poprawy: otwory wypełnione dobrym przewodnikiem ciepła (Au, Ag) 70 W/(m K), podłoŝa CuW, CuMoCu, układy chłodzące 3

4 Moduły wielostrukturowe MCM Definicja: Struktura wielowarstwowa o bardzo duŝej liczbie wewnętrznych połączeń pomiędzy nieobudowanymi IC (VLSI) zajmującymi min. 20% pow. podłoŝa, połączonymi w duŝą jednostkę funkcjonalną ν > 50 MHz. Sztywna konstrukcja mechaniczna Moduły wielostrukturowe MCM Budowa: wiele warstw izolacyjnych, siećścieŝek przewodzących i otworów (połączenie elektryczne pomiędzy poziomami, odprowadzenie ciepła) Połączenia elektryczne pól kontaktowych chipów i struktury MCM wykonuje się metodami: wire bonding, TAB tape automated bonding i flip chip 4

5 Moduły wielostrukturowe MCM Cel: zmniejszenie rozmiarów, masy, poprawa właściwości, zwiększenie częstotliwości, zwiększenia stopienia integracji zwiększenie liczby wyprowadzeń obniŝenie ceny ZaleŜność: liczba wyprowadzeń, liczba bramek (wzór Renta) a N = Kn N - liczba wyprowadzeń, K - stała, n - l. bramek w IC, a - 0,4-0,5 Moduły wielostrukturowe MCM GęstośćścieŜek przewodzących na podłoŝu Równanie Seraphina: N G p = 2, 25 S G p - gęstość linii połączeniowych N - liczba wyprowadzeń układów scalonych S - skok ustawienia struktur układów scalonych 5

6 Przekrój przez moduł MCM Moduły wielostrukturowe MCM Zalety: Ekstremalnie gęsta sieć połączeń: współczynnik F p (packaging efficiency) F p =100 A sc /A p F p wydajność upakowania, A SC powierzchnia chipu, A p powierzchnia obudowy 6

7 Moduły wielostrukturowe MCM MCM (Multichip Modules) 3 typy: MCM-D (D - deposition) MCM-L (L - lamination) MCM-C (C - ceramics) Wydajność upakowania dla modułów MCM 7

8 Porównanie technik montaŝu MCM Wartość modułów MCM w mln. $ 8

9 MCM-D MCM-D deposition: osadzanie cienkich warstw metalicznych lub dielektrycznych na krzemie, diamencie, ceramice lub metalu (techniki cienkowarstwowe) MCM-D 9

10 MCM-D (podłoŝa) Cechy podłoŝy: DuŜa przewodność cieplna Odpowiedni współczynnik rozszerzalności termicznej Wytrzymałość na wysokie temperatury Wysoka rezystywność izolacji Mała wartość stałej dielektrycznej Odporność chemiczna Gładkość i płaskość powierzchni Niski koszt MCM-D (podłoŝa) 10

11 Właściwości metali w technologii MCM-D Właściwości dielektryków w MCM-D 11

12 Połączenia wewnętrzne w układach MCM-D MCM-L lamination analogia do wielowarstwowych obwodów drukowanych Podstawowe parametry układów MCM-L: Szerokość ścieŝek i odległości µm Średnice otworów µm Odległości między otworami µm Min. grubość w. dielektrycznej 50µm Średnia liczba warstw 6-8 Gęstość połączeń 50/cm 12

13 MCM-L materiały dielektryczne MCM-L Wady: mała przewodność cieplna, duŝy współczynnik rozszerzalności Proces wytwarzania: 1. Wykonanie indywidualnych warstw dielektrycznych pokrytych folią Cu 2. Fotolitografia, trawienie, wytworzenie ścieŝek 3. Wiercenie otworów 4. Proces laminacji 5. Platerowanie otworów 13

14 MCM-L typowa konstrukcja 14

15 Moduły typu MCM-C Moduły MCM-C zbudowane z podłoŝy ceramicznych wielowarstwowych współwypalanych lub wielowarstwowych układów grubowarstwowych na podłoŝu ceramicznym 3 grupy: 1. Wielowarstwowe układy grubowarstwowe 2. HTCC (High Temperature Cofired Ceramics) 3. LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) Moduły typu MCM-C Wielowarstwowe układy grubowarstwowe UNIVAC (Unysis) warstw przewodzących i rezystorów Kolejne nanoszenie sitodrukiem na przemian past przewodzących i dielektrycznych, suszenie, wypalanie o C. PodłoŜe ceramika alundowa. ScieŜki przewodzące PdAg, PtAg, Au, Cu. Druk precyzyjny: trawienie wypalonych ścieŝek (fotolitografia) Wykonanie otworów w dielektryku metodą maskowania dyfuzyjnego (Diffusion Pattering) 15

16 Moduły typu MCM-C HTCC (układy z ceramiki wysokotemperaturowej) materiał wyjściowy - nie wypalona folia ceramiczna wykonanie otworów do metalizacji (laser) średnice µm naniesienie warstwy grubej W, Mo - metoda sitodruku suszenie, złoŝenie folii w stos, prasowanie, cięcie, wypalanie o C (atm wodoru) pokrycie pól kontaktowych Ni, Au (metoda platerowania) Zalety MCM-C: odporność klimatyczna, niezawodność, duŝa wytrzymałość mechaniczna 420MPa Wady:DuŜa rezystancja ścieŝek 16