WYKŁAD 4 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Transkrypt

1 Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 4 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

2 Plan wykładu - Podstawy technologii LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics, niskotemperaturowa współwypalana ceramika) Wykonywanie elementów biernych LTCC Montaż dyskretnych elementów elektronicznych Kontrola skurczu ceramiki LTCC

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

4 LTCC etapy wytwarzania

5 Projekt modułu LTCC Terminologia przekrój

6 Projekt modułu LTCC Terminologia widok z góry Przed wypaleniem Po wypaleniu metalizacja Wpływ nierównomiernego naniesienia metalizacji

7 Plan wykładu - Podstawy technologii LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics, niskotemperaturowa współwypalana ceramika) Wykonywanie elementów biernych LTCC Montaż dyskretnych elementów elektronicznych Kontrola skurczu ceramiki LTCC

8 Wykonywanie elementów biernych Rezystory Element planarny powierzchniowy Elektrody Element planarny zagrzebany Element trójwymiarowy Element trójwymiarowy powierzchniowy zagrzebany Elektrody Rezystory planarne (2D) powierzchniowe i zagrzebane Rezystory objętościowe (3D) powierzchniowe i zagrzebane J. Kita, rozprawa dr Typowe kształty rezystorów

9 Sposoby korekcji rezystorów LTCC: a) typowa korekcja laserowa, b) korekcja przez jedną warstwę ceramiki, c) korekcja przez otwór wycięty w górnej warstwie, d) korekcja za pomocą impulsów wysokonapięciowych. J. Kita, rozprawa dr Wykonywanie elementów biernych Rezystory (korekcja)

10 Wykonywanie elementów biernych Rezystory (korekcja) Rezystory powierzchniowe (z lewej) i zagrzebane (z prawej) wykonane techniką LTCC po korekcji laserowej. J. Kita, rozprawa dr

11 Wykonywanie elementów biernych Mikrorezystory Elektrody mikrorezystora wykonane przez nacięcie warstwy przewodzącej laserem oraz mikrorezystor z elektrodami J. Kita, rozprawa dr

12 Wykonywanie elementów biernych Rezystory Typ Zalety Wady Naniesiony na wypalone podłoże LTCC (postfired) - Właściwości takie same jak klasycznych rezystorów grubowarstwowych - Możliwość korekcji - Możliwość wykonania tylko na powierzchni podłoża Współwypalany (powierzchniowy) - Możliwość korekcji - Wpływ procesu współwypalania na właściwości - Problemy z kompatybilnością z innymi wspówypalanymi warstwami Współwypalany (zagrzebany) - Oszczędność powierzchni (dla elementów aktywnych) - Wpływ procesu współwypalania na właściwości - Specjalne pasty - Problemy z korekcją

13 Wykonywanie elementów biernych Kondensatory elektroda Ag Ag conductor paste LTCC LTCC Tape Typowe kształty kondensatorów powierzchniowych E. Miś, rozprawa dr Kondensatory zagrzebane wykonane techniką LTCC a) Nadruk warstwy dielektrycznej b) Folia LTCC o dużej przenikalności elektrycznej c) Fragment foli o dużej przenikalności elektrycznej umieszczony w otworze wyciętym w typowej foli LTCC d) Otwory przelotowe wypełnione pastą/folią o dużej przenikalności elektrycznej J. Kita, rozprawa dr

14 Wykonywanie elementów biernych Cewki Cewki przestrzenne (3D) powierzchniowe i zagrzebane Cewka wielowarstwowa J. Kita, rozprawa dr Cewki planarne (2D) powierzchniowe i zagrzebane

15 Wykonywanie elementów biernych Cewki (zastosowanie lasera) Sitodruk Suszenie Wycinanie laserem Laminacja Wypalanie J. Kita, rozprawa dr

16 Wykonywanie elementów biernych Rezystory, cewki, kondensatory (LTCC) R Rezystory rezystancja powierzchniowa powierzchniowe 10 / do 1 M / (tolerancja 1% do 2%) zagrzebane 10 / to 100 k / (tolerancja 10% do 20%) L Cewki - indukcyjność 5 nh do 200 nh C Kondensatory pojemność 20 pf/cm 2 przy zastosowaniu standardowej folii LTCC (dokładność 10%-20%) do 25 nf/cm 2 przy zastosowaniu specjalnych past/foli dielektryczncyh

17 Wykonywanie elementów biernych Rezystory, cewki, kondensatory (LTCC) - zastosowania Filtr pasmowoprzepustowy Oscylator Podłoże PCB Podłoże LTCC Zagrzebane elementy RLC tworzące filtr pasmowoprzepustowy Ścieżki przewodzące Elementy bierne Ścieżki przewodzące Masa Kondensator Cewka Symetryzator Filtr LC

18 Wykonywanie elementów biernych Rezystory, cewki, kondensatory (LTCC) - zastosowania Filtr pasmowoprzepustowy Oscylator Podłoże PCB Podłoże LTCC Zagrzebane elementy RLC tworzące filtr pasmowoprzepustowy Ścieżki przewodzące Elementy bierne Ścieżki przewodzące Masa Kondensator Cewka Symetryzator Filtr LC

19 Plan wykładu - Podstawy technologii LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics, niskotemperaturowa współwypalana ceramika) Wykonywanie elementów biernych LTCC Montaż dyskretnych elementów elektronicznych Kontrola skurczu ceramiki LTCC

20 Montaż Montaż

21 Wire Bonding Step 1: Melting a ball Step 4: Lift and wire tear off Step 2: 1st bond (ball) Chip Step 3: Loop and 2nd bond (wedge)

22 Flip chip

23 Montaż

24 Montaż Z. Drozd

25 Plan wykładu - Podstawy technologii LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics, niskotemperaturowa współwypalana ceramika) Wykonywanie elementów biernych LTCC Montaż dyskretnych elementów elektronicznych Kontrola skurczu ceramiki LTCC

26 LTCC etapy wytwarzania

27 Proces wypalania

28 Skurcz ceramiki LTCC ~15% ± 0,5% T. Rabe, Int. J. Appl. Cer. Techn., 2005

29 Skurcz ceramiki LTCC skurcz tylko w osi z (grubość) T. Rabe, Int. J. Appl. Cer. Techn., 2005

30 Kontrolowany skurcz ceramiki LTCC Constrained sintering ( Ograniczony skurcz) Surowa ceramika LTCC Surowa ceramika LTCC Sztywne podłoże Metoda tape on substrate Surowa ceramika LTCC Sztywne podłoże Skurcz x,y: 0,2% Skurcz z: 30% Powtarzalność x,y : ± 0,05% Metoda sacrificial tape T. Rabe, Int. J. Appl. Cer. Techn., 2005 Warstwa pomocnicza Surowe folie LTCC Warstwa pomocnicza Warstwa pomocnicza Wypalony moduł LTCC Warstwa pomocnicza

31 T. Rabe, Int. J. Appl. Cer. Techn., 2005 Kontrolowany skurcz ceramiki LTCC Pressure-assisted sintering (PAS, Wypalanie wspomagane ciśnieniem) Płyta z materiału porowatego Warstwa pomocnicza Surowe folie LTCC Warstwa pomocnicza Płyta z materiału porowatego - Połączenie pieca z prasą jednoosiową Skurcz x,y: 0,2% Skurcz z: 30% Powtarzalność x,y : ± 0,008% komora pieca próbka z folią ograniczającą pręty dociskające materiał porowaty

32 Kontrolowany skurcz ceramiki LTCC Self-constrained sintering (ceramika bez skurczowa) Stosowane materiały: - ceramika (Al 2 O 3, ) - szkło (CaO-B 2 O 3 -SiO 2, ) - lepiszcze organiczne (PVB, ) -... T. Rabe, Int. J. Appl. Cer. Techn., 2005 Wytwarzanie folii LTCC (tape casting) M. Gongora-Rubio et al., SNA, 2001

33 Kontrolowany skurcz ceramiki LTCC Self-constrained sintering (ceramika bezskurczowa) Szkło o niskiej temperaturze zeszklenia, krystality Ceramika i środek zwilżający do szkła Szkło o niskiej temperaturze zeszklenia, krystality Skurcz x,y: 0,2% Skurcz z: 32% Powtarzalność x,y : ± 0,04% Przekrój przez moduł LTCC wykonany z ceramiki bez skurczowej T. Rabe, Int. J. Appl. Cer. Techn., 2005

34 Kontrolowany skurcz ceramiki LTCC Self-constrained sintering (laminowanie różnych ceramik LTCC) LTCC B: 75/25% vol. szkło/ceramika LTCC A: 55/45% vol. Szkło/ceramika Skurcz x,y: 0,5% Skurcz z: 35% Powtarzalność x,y :? T. Rabe, Int. J. Appl. Cer. Techn., 2005

35 Kontrolowany skurcz ceramiki LTCC Porównanie metod Metoda Zalety Wady Ograniczony skurcz (klasyczny) Ograniczony skurcz (warstwy pomocnicze) Laminacja wspomagana ciśnieniem (PAS) Ceramika bezskurczowa Laminowanie różnych typów ceramik LTCC Łatwa implementacja Stosunkowo łatwa implementacja Minimalny skurcz w osi x, y (0,2%) Dostateczna powtarzalność (± 0,05%) Minimalny skurcz w osi x, y (0,2%) Najlepsza powtarzalność (± 0,008%) Kompatybilna ze standardowym procesem LTCC Minimalny skurcz w osi x, y (0,2%) B. dobra powtarzalność (± 0,02%) j.w. Wynikiem jest trapezoidalne podłoże Gorsza powtarzalność Dodatkowe materiały (warstwy pomocnicze) Dodatkowe kroki technologiczne (nakładanie i usuwanie warstw pomocniczych) Możliwe uszkodzenie warstw na powierzchni modułu LTCC j.w. Koszt (specjalny piec) Droższa od standardowej ceramiki LTCC Gorsze właściwości mechaniczne wypalonego modułu LTCC Wrażliwa na warunki procesu Dobór ceramik LTCC o odpowiednim składzie może być problematyczne Brak informacji o powtarzalności

36 Plan wykładu - Podstawy technologii LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics, niskotemperaturowa współwypalana ceramika) Wykonywanie elementów biernych LTCC Montaż dyskretnych elementów elektronicznych Kontrola skurczu ceramiki LTCC