Leszek Golonka ZASTOSOWANIE CERAMIKI LTCC W MIKROELEKTRONICE

Transkrypt

1 Leszek Golonka ZASTOSOWANIE CERAMIKI LTCC W MIKROELEKTRONICE Wroc³aw 2001

2 SPIS TREŒCI Akronimy WSTÊP MODU Y WIELOSTRUKTUROWE MCM Modu³y typu MCM-D Modu³y typu MCM-L Modu³y typu MCM-C TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA Informacje ogólne Etapy wytwarzania TECHNOLOGIA I PROJEKTOWANIE MODU ÓW LTCC Materia³y Procesy technologiczne W³aœciwoœci modu³ów LTCC Projekt ZASTOSOWANIA LTCC Mikrofale Wielostrukturowe uk³ady scalone (MCIC Multichip Integrated Circuits) Czujniki, mikrosystemy Pó³przewodnikowy czujnik gazu Elektrochemiczny czujnik gazu Impulsowa woltametria temperaturowa Czujnik prêdkoœci przep³ywu cieczy Czujnik ciœnienia Czujniki do pomiaru w³aœciwoœci plazmy Czujnik zbli eniowy Mikrosystemy (mezosystemy) wykonywane technik¹ LTCC Uk³ady ch³odz¹ce, grzejne i analizuj¹ce rozk³ad temperatury Rura cieplna Uk³ady ch³odz¹ce Uk³ady grzejne Sieæ termistorów do analizy rozk³adu temperatury w module LTCC Obudowy uk³adów MEMS Wyœwietlacze plazmowe ZAKOÑCZENIE Literatura

3 Akronimy Akronim Nazwa w jêzyku angielskim Nazwa w jêzyku polskim BGA Ball Grid Array metoda monta u typu BGA CSP Chip Size Package obudowa wielkoœci chipu GF Gauge Factor wspó³czynnik czu³oœci odkszta³ceniowej HDP High Density Packaging obudowy wielkiej gêstoœci upakowania LTCC Low Temperature Cofired niskotemperaturowa Ceramic wspó³wypalana ceramika LTCC-M uk³ad LTCC na pod³o u metalicznym MCM Multichip Module modu³y wielostrukturwe MCM-C Multichip Module-Ceramics modu³u wielostrukturowe ceramiczne MCM-D Multichip Module-Deposition modu³y wielostrukturowe wykonywane metod¹ nanoszenia warstw cienkich MCM-L Multichip Module-Lamination modu³y wielostrukturowe wykonywane metod¹ laminatowych obwodów drukowanych MCIC Multichip Integrated Circuits modu³ wielostrukturowy zawieraj¹cy elementy bierne zagrzebane MEMS Micro Electro Mechanical mikrosystem System MMIC Monolithic Microwave mikrofalowy monolityczny Integrated Circuits uk³ad scalony MOEMS Micro Opto Electro mikrosystem optoelektroniczny Mechanial Systems PDP Plasma DispIay Panel panel wyœwietlacza plazmowego PWB Printing Wiring Board obwód drukowany SMD Surface Mounting Device uk³ad do monta u powierzchniowego SMT Surface Mounting Technique metoda monta u powierzchniowego TFM Thick Film Multilayer grubowarstwowy uk³ad wielowarstwowy TOS Tape On Substrate folia LTCC na pod³o u ZST Zero Shift Shrinkage skurcz zerowy folii LTCC µtas micro Total Analysis System mikrosystem do analizy

4 1. WSTÊP Wielowarstwowe modu³y mikroelektroniczne typu LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) s¹ wytwarzane z surowej ceramiki (tzw. green tape). Folia LTCC gruboœci wyjœciowej od oko³o 100 µm do 200 µm jest mieszanin¹ ceramiki, szk³a i noœnika organicznego. Na poszczególnych foliach wykonuje siê technik¹ sitodruku warstwy o ró nych w³aœciwoœciach elektrycznych (np. œcie ki przewodz¹ce, rezystory, termistory itp.). Po wyciêciu otworów po³¹czeniowych i nadrukowaniu odpowiednich warstw poszczególne folie s¹ sk³adane razem w stos wielowarstwowy, laminowane pod ciœnieniem 200 atm i wypalane w temperaturze oko³o 850 C. Technologi¹ LTCC mo na wykonaæ nie tylko obudowy uk³adów mikroelektronicznych z sieci¹ wewnêtrznych œcie ek przewodz¹cych tworz¹cych po³¹czenia elektryczne, ale równie elementy bierne o sta³ych skupionych (rezystory, kondensatory, cewki) [63, 81, 85, 87, 99, 149, 214]. Technologia LTCC powsta³a w latach osiemdziesi¹tych. Pierwszy uk³ad LTCC zastosowano praktycznie w roku 1989 w urz¹dzeniu radarowym samolotu F-22. Wykona³y go dwie firmy amerykañskie DuPont i Hughes. Prawdziwy rozwój tej technologii nast¹pi³ na pocz¹tku lat dziewiêædziesi¹tych, gwa³towny wzrost ró norakich zastosowañ natomiast pod koniec lat dziewiêædziesi¹tych. Na podstawie obserwacji rozwoju technologii LTCC na przestrzeni lat mo na wyró niæ trzy ró ne generacje tych uk³adów: Pierwsza generacja pocz¹tki technologii LTCC w latach osiemdziesi¹tych. Stosowano technologiê LTCC do wykonywania wielowarstwowych uk³adów MCM (Multichip Modules modu³y wielostrukturowe) zawieraj¹cych wewn¹trz struktury tylko œcie ki przewodz¹ce o bardzo du ej gêstoœci upakowania. Na powierzchni struktury montowano obudowane lub nieobudowane uk³ady wielkiej skali integracji oraz wykonywano bierne elementy powierzchniowe technik¹ grubowarstwow¹ lub cienkowarstwow¹. Druga generacja uk³ady LTCC zawieraj¹ce dodatkowo bierne elementy elektroniczne (rezystory, kondensatory, cewki, warystory) wykonane wewn¹trz struktury LTCC (elementy zagrzebane). Trzecia generacja struktur LTCC sk³ada siê z wielowarstwowego uk³adu œcie ek przewodz¹cych, elementów biernych powierzchniowych i zagrzebanych (p³askich typu 2D i przestrzennych typu 3D) oraz sensorów i mikrosystemów. Mog¹ to byæ uk³ady typu MCM z do³¹czonymi z zewn¹trz uk³adami o wielkiej skali integracji lub samodzielne

5 6 1. Wstêp urz¹dzenia hybrydowe, jak np. obudowy struktur MEMS, uk³ady µtas, emitery polowe, wskaÿniki, mikrozawory itp. W porównaniu z innymi technologiami wykonywania uk³adów MCM, pod wzglêdem kosztów produkcji, LTCC jest zaliczana do œredniej. Jest dro sza od techniki obwodów drukowanych, ale jest konkurencyjna wzglêdem technologii grubowarstwowych uk³adów wielowarstwowych (TFM). Rynek produktów LTCC zwiêkszy³ siê gwa³townie w ci¹gu ostatnich kilku lat. Technologia ta odgrywa i bêdzie odgrywaæ znacz¹c¹ rolê w wytwarzaniu obudów MCM o najwiêkszej gêstoœci upakowania elementów i o doskona³ych parametrach elektrycznych i mechanicznych. Technologia LTCC ma wiele w³aœciwoœci, które umo liwiaj¹ wykonywanie tanich uk³adów MCM o bardzo du ej niezawodnoœci. Rozwój nowych systemów folii ceramicznych oraz biernych elementów zagrzebanych zmniejszy³ koszt modu³ów z jednoczesn¹ popraw¹ ich parametrów. Technologia LTCC mo e byæ rozszerzana na wiele nowych komercyjnych i przemys³owych zastosowañ dziêki poprawie w³aœciwoœci termicznych, ma³ym stratom dielektrycznym oraz pojawieniu siê nowych folii ceramicznych do zastosowañ wysokoczêstotliwoœciowych o zarówno ma³ych, jak i du ych sta³ych dielektrycznych. G³ówne obszary aktualnych zastosowañ LTCC to motoryzacja (ABS, poduszki powietrzne, uk³ad zap³onowy, automatyczne skrzynie biegów), uk³ady scalone (obudowy MCM), telekomunikacja bezprzewodowa (telefony komórkowe, telefony bezprzewodowe), zasilacze urz¹dzeñ RF, elektronika satelitarna, stacje radarowe powietrzne i naziemne, pojazdy kosmiczne, sprzêt wojskowy, uk³ady MEMS (obudowy), czujniki (przep³ywu, œwiat³a, gazu, zbli eniowe, grzejniki do czujników, mikrosystemy), komputery (stacje dysków, laptopy), sprzêt medyczny, sprzêt powszechnego u ytku (magnetowidy, kamery, sprzêt DVD). W roku 1999 po oko³o 17% uk³adów LTCC stosowano w motoryzacji i telekomunikacji (rys. 1.1). Przewiduje siê, e w roku 2003 liczba ta zwiêkszy siê odpowiednio do 31% i 40%. Najwiêksz¹ potêg¹ w zakresie technologii LTCC by³a w roku 1999 Japonia, gdzie wyprodukowano a 60% uk³adów LTCC w skali globalnej. W Europie wytwarzano w tym czasie tylko 12% uk³adów. Ostatnio obserwuje siê bardzo szybki roz Rys Rynek LTCC podzia³ ze wzglêdu na zastosowania

6 1. Wstêp 7 w pojazdach kosmicznych, które wezm¹ udzia³ w planowanych misjach kosmicznych na Europê (ksiê yc Jowisza) [175]. Scrantom i Gravier uwa aj¹, e LTCC jest technologi¹ teraÿniejszoœci i bêdzie w przysz³oœci kamieniem wêgielnym nowych obudów i monta u elementów elektronicznych ( The authors believe that LTCC is today's technology and will be tomorrow's electronic packaging cornerstone ) [175]. Oprócz zmniejszenia kosztów oraz zwiêkszenia gêstoœci i stopnia integracji obudów, technologia LTCC umo liwia wykonanie elementów o nastêpuj¹cych w³aœciwoœciach: bardzo w¹skie œcie ki oraz minimalne odstêpy miêdzy nimi (po zastosowaniu procesu fotolitografii nawet µm), otwory o bardzo ma³ych œrednicach, ma³e rezystancje œcie ek przewodz¹cych ( 5 mω/ Ag, Au), doskona³e charakterystyki wysokoczêstotliwoœciowe (ma³e straty w zakresie mikrofal, ma³y tg δ i ma³a przenikalnoœæ dielektryczna ε), elastycznoœæ w projektowaniu ró norodnych struktur (np. obudowy MEMS), mo liwoœæ wykonywania zagrzebanych elementów biernych. Na module LTCC mo na wykonaæ ró ne elementy cienko- i grubowarstwowe, co dodatkowo zwiêksza mo liwoœci wykorzystania obudowy wykonanej t¹ technologi¹. Grubowarstwowe rezystory, kondensatory i cewki mog¹ byæ wykonywane zarówno na powierzchniach górnej, jak i dolnej struktury LTCC z tolerancj¹ po korekcji 1 2%. Zagrzebane elementy bierne grubowarstwowe wykonuje siê z du ¹ precyzj¹: rezystory z dok³adnoœci¹ ±15 30%, kondensatory ±10 20%, cewki ±5 10% [175]. Rezystory i konwój technologii LTCC w Ameryce P³n. i Europie. Przewiduje siê, e w 2003 r. udzia³ Japonii zmniejszy siê do 40%, a Ameryki Pó³nocnej i Europy zwiêkszy siê natomiast odpowiednio do 30% i 20% (rys. 1.2) [100]. Amerykañska firma JPL zastosowa³a technologiê LTCC do wytwarzania sprzêtu elektronicznego znajduj¹cego siê na pok³adzie statku kosmicznego Deep Space II wystrzelonego w kierunku Marsa w 1999 r. Projektuje siê wykorzystanie modu³ów LTCC Rys Rynek LTCC podzia³ geograficzny

7 8 1. Wstêp densatory o jeszcze lepszych w³aœciwoœciach mog¹ byæ do³¹czane do wykonanych pól monta owych po obu stronach struktury LTCC, w koñcowym procesie metod¹ monta- u powierzchniowego. S¹ trzy podstawowe ograniczenia technologii LTCC: skurcz w czasie wspó³wypalania, wytrzyma³oœæ mechaniczna i przewodnoœæ cieplna. Skurcz modu³u LTCC w kierunku osi x i y po wypaleniu wynosi najczêœciej oko³o 15±0,2%. Specjalne techniki eliminuj¹ skurcz w kierunku osi x i y. Metod¹ TOS (Tape on Substrate) i ZST (Zero Shrink) mo na wykonaæ modu³, którego skurcz jest mniejszy od 1±0,02% [175]. Wytrzyma³oœæ na zginanie dotychczasowych struktur LTCC jest oko³o po³owê mniejsza od wytrzyma³oœci pod³o y Al 2. Ostatnio uda³o siê poprawiæ w³aœciwoœci mechaniczne folii. Najnowsza folia EMCA T8800 ma wytrzyma³oœæ na zginanie porównywaln¹ z wytrzyma³oœci¹ ceramiki alundowej, z zachowaniem doskona³ych w³aœciwoœci elektrycznych. Ma³a przewodnoœæ cieplna folii LTCC ( 3 W/(m K)) mo e stanowiæ du e ograniczenie w razie zastosowania technologii LTCC do wykonywania typowych modu³ów MCM. Bardzo du e gêstoœci mocy wystêpuj¹ce w najnowszych modu³ach tego typu wymagaj¹ odprowadzania du ych iloœci ciep³a z wnêtrza modu³u w celu zapewnienia odpowiedniej temperatury i du ej niezawodnoœci. Rozwi¹zaniem tego problemu, w przypadku modu³ów LTCC, stanowi wykonywanie otworów termicznych wype³nionych srebrem lub z³otem, poprawiaj¹cych efektywn¹ przewodnoœæ do 70 W/(m K). W przypadku koniecznoœci dalszego zwiêkszenia iloœci odprowadzanego ciep³a mo na stosowaæ warstwy przewodz¹ce na spodzie lub wewn¹trz struktury lub montowaæ modu³y LTCC na materiale o bardzo du ej przewodnoœci ciep³a (np. CuW lub CuMoCu). Metoda ta (nazywana TOS lub LTCC-M) poprawia przewodnoœæ struktury, poniewa modu³ jest wytwarzany na pod³o u o du ej przewodnoœci cieplnej. W typowych zastosowaniach MCM tylko niewielka liczba elementów jest Ÿród³em du ej iloœci ciep³a. W wiêkszoœci przypadków ciep³o w wystarczaj¹cym stopniu jest odprowadzane przez otwory termiczne i warstwy o du ej przewodnoœci cieplnej. W wyj¹tkowych przypadkach elementy elektroniczne o du ej mocy mog¹ byæ montowane wprost do radiatorów (heat spreader) technik¹ chip down. Mo na to wykonaæ w prosty i tani sposób w technice LTCC, tworz¹c specjalne wnêki [175]. Innymi metodami zwiêkszania iloœci odprowadzanego ciep³a z modu³u LTCC jest stosowanie ró nego typu uk³adów ch³odz¹cych wykonanych wewn¹trz struktury (rura cieplna heat pipe, kana³y ch³odz¹ce z obiegiem wody itp.). Uk³ady takie opisano w rozdziale 5. Prezentowana monografia informuje o podstawach, procesach wytwarzania i mo - liwoœciach technologii LTCC. Przeznaczona jest dla szerokiego krêgu odbiorców studentów i specjalistów z wielu dziedzin nauki, w których LTCC znalaz³a, lub mo e znaleÿæ zastosowanie. Z tego wzglêdu w niniejszej monografii bardzo szeroko zaprezentowano ró nego typu modu³y LTCC. Przedstawiono kilka konkretnych rozwi¹zañ konstrukcyjnych i technologicznych struktur LTCC, maj¹cych zastosowania w bardzo ró nych dziedzinach.

8 1. Wstêp 9 Podano ogólne informacje o technologii LTCC, jej wadach i zaletach oraz kierunkach zastosowañ (rozdz. 1). Opisano ró ne techniki wykonywania modu³ów MCM struktury typu MCM-D (Multichip Module Deposition), MCM-L (Multichip Module Lamination) i MCM-C (Multichip Module Ceramics) (rozdz. 2). Opis technologii grubowarstwowej, bêd¹cej podstaw¹ techniki LTCC zawarto w rozdz. 3. Przedstawiono szczegó³owo materia³y stosowane w technologii LTCC, poszczególne procesy technologiczne i w³aœciwoœci modu³ów LTCC (rozdz. 4). W rozdziale tym podano równie podstawowe informacje dla osób projektuj¹cych struktury LTCC. Opisano w nim tak e specjalne metody wytwarzania modu³ów LTCC. Obszerny przegl¹d zastosowañ struktur LTCC - uk³ady mikrofalowe do telekomunikacji bezprzewodowej, uk³ady MCIC (Multichip Integrated Circuits), czujniki i mikrosystemy zawiera rozdz. 5. Podano konstrukcjê, technologiê, zasadê dzia³ania i parametry ró nych czujników (gazu, ciœnienia, temperatury, prêdkoœci przep³ywu, przemieszczenia). Opisano sondê LTCC do pomiaru w³aœciwoœci plazmy, uk³ady ch³odz¹ce i grzejne, mikrozawory, mikrokana³y, urz¹dzenia µtas i wskaÿniki PDP. W podsumowaniu przedstawiono najwa niejsze informacje na temat w³aœciwoœci i zastosowañ LTCC oraz perspektywy rozwoju i kierunki badañ LTCC w przysz³oœci.

9 10 2. MODU Y WIELOSTRUKTUROWE MCM Rozwój urz¹dzeñ elektronicznych zmierza w kierunku zmniejszenia ich wymiarów i wagi, poprawy w³aœciwoœci (wiêksze czêstotliwoœci pracy, wiêksze szybkoœci dzia³ania, lepsza niezawodnoœæ) oraz obni enia ceny. Ci¹gle roœnie stopieñ integracji uk³adów oraz liczba wyprowadzeñ. Zale noœæ miêdzy liczb¹ wyprowadzeñ, a liczb¹ bramek scalonych w uk³adzie mo na wyraziæ wzorem empirycznym Renta [92]: N = Kn a gdzie: N liczba wyprowadzeñ, K sta³a, n liczba bramek w uk³adach scalonych, a 0,4 0,7 wspó³czynnik zale y od technologii i typu uk³adu. Coraz doskonalsze technologie s¹ stosowane w celu uzyskania jak najwiêkszej gêstoœci po³¹czeñ elektrycznych miêdzy coraz mniejszymi strukturami uk³adów scalonych umieszczanymi jak najbli ej siebie. Gêstoœæ œcie ek przewodz¹cych na pod³o u przedstawia równanie Seraphina [195]: N G p = 2, 25 S gdzie: G p gêstoœæ linii po³¹czeniowych, N liczba wyprowadzeñ uk³adów scalonych, S skok (raster) ustawienia struktur uk³adów scalonych. Maksymaln¹ gêstoœæ upakowania elementów elektronicznych mo na osi¹gn¹æ stosuj¹c modu³y wielostrukturowe MCM (Multichip Modules). Modu³ MCM mo e byæ zdefiniowany jako struktura wielowarstwowa o bardzo du- ej liczbie wewnêtrznych po³¹czeñ elektrycznych pomiêdzy nieobudowanymi uk³adami scalonymi, g³ównie VLSI, zajmuj¹cymi minimum 20% powierzchni pod³o a, po³¹czonymi w du ¹ jednostkê funkcjonaln¹ mog¹c¹ pracowaæ dla czêstotliwoœci powy ej 50 MHz (zapewniaj¹c¹ mo liwoœæ transmisji sygna³ów z prêdkoœci¹ wiêksz¹ ni 50 MB). Uk³ad stanowi sztywn¹ konstrukcjê mechaniczn¹ [203]. Produkcja uk³adów MCM szybko zwiêksza siê. Wartoœæ wyprodukowanych w Ameryce Pó³nocnej uk³adów wynosi³a oko³o 350 mln $ w roku 1993 [173]. Przewidywane wartoœci uk³adów MCM produkowanych w latach przedstawiono w tabeli 2.1.

10 2. Modu³y wielostrukturowe MCM 11 Tabela 2.1. Wartoœæ modu³ów MCM produkowanych w latach (w mln. $) [48] Miejsce Rok Azja USA Europa Suma Modu³y MCM mo na podzieliæ na 3 podstawowe typy: MCM-D (D deposition osadzanie) wytworzone przez osadzanie cienkich warstw metalicznych lub dielektrycznych na krzemie, diamencie, ceramice lub pod³o u metalowym. MCM-L (L lamination laminowanie) wykonane podobnie jak laminatowe wielowarstwowe obwody drukowane. MCM-C (C ceramics ceramika) zbudowane z pod³o y ceramicznych wielowarstwowych wspó³wypalanych (cofired ceramics) lub wielowarstwowych uk³adów grubowarstwowych na pod³o u ceramicznym. Modu³ MCM sk³ada siê z wielu warstw izolacyjnych, sieci œcie ek przewodz¹cych i otworów zapewniaj¹cych po³¹czenie elektryczne miêdzy poszczególnymi poziomami lub spe³niaj¹cych specjaln¹ rolê w odprowadzaniu ciep³a. Po³¹czenia elektryczne pól kontaktowych chipów i struktury MCM wykonuje siê metodami wire bonding (po³¹czenia drutowe), TAB (tape automated bonding) i flip chip. Na rysunku 2.1 przedstawiono przekrój przez przyk³adowy modu³ MCM. Rys Przekrój przez modu³ MCM

11 12 2. Modu³y wielostrukturowe MCM G³ówn¹ zalet¹ uk³adów MCM jest mo liwoœæ wykonania ekstremalnie gêstej sieci po³¹czeñ elektrycznych dla do³¹czenia maksymalnej liczby chipów. W celu porównania w³aœciwoœci ró nych modu³ów MCM wprowadzono wspó³czynnik F p (packaging efficiency wydajnoœæ upakowania) zdefiniowany przez Recke [160] jako: A Fp = 100 A gdzie: F p wydajnoœæ upakowania, A sc powierzchnia chipu, A p powierzchnia obudowy. Porównanie wydajnoœci F p ró nych typów modu³ów MCM pokazano na rys Na rysunku 2.3 przedstawiono liczbê po³¹czeñ mo liwych do uzyskania z zastosowaniem ró nych technik monta u. Pierwsze próby wytwarzania uk³adów wielowarstwowych typu MCM podjêto pod koniec lat szeœædziesi¹tych. Prawdziwy rozwój uk³adów MCM nast¹pi³ w latach osiemdziesi¹tych. Obecnie prace nad technologiami MCM prowadzi siê w wielu oœrodkach. Liczba firm zajmuj¹cych siê t¹ tematyk¹ przekracza 100. Liczba publikacji poœwiêconych MCM stale zwiêksza siê (~200 rocznie) [92]. Porównanie ró nych technik wytwarzania uk³adów MCM przedstawiono w tabelach 2.2 i 2.3 [49, 80]. sc p 100 F p wydajnoœæ upakowania 50 MCM-D MCM-C MCM-L hybrydy SMT szerokoœæ œcie ek [ µ m] Rys Porównanie wydajnoœci upakowania F p ró nych typów modu³ów MCM

12 2. Modu³y wielostrukturowe MCM 13 iloœæ punktów ³¹czonych na pow. 1 dm ,3 do 0,5 mm 300 µ m 200 µ m 50 µ m 1,27 mm 3 10 raster 2,54 mm monta przewlekany SMT SMT MCM-C MCM-L MCM-D techniki monta u Rys Zale noœæ liczby ³¹czonych punktów od rodzaju techniki monta u Tabela 2.2. Porównanie technik wytwarzania uk³adów MCM MCM-D MCM-L MCM-C Pod³o e Polimery PWB laminat Ceramika na krzemie wspó³wypalana Materia³ Poliimid BCB Epoksyd szklany Al 2 Przenikalnoœæ dielektryczna 2,6 4 2,8 4,5 4,5 10 Odprowadzanie ciep³a œrednie ma³e wysokie Szerokoœæ œcie ki [µm] Raster wysoki niski œredni Gêstoœæ I/O wysoka niska œrednia Koszt pod³o a MCM wysoki niski œredni

13 14 2. Modu³y wielostrukturowe MCM Tabela 2.3. Porównanie ró nych technologii Ceramika Materia³ organiczny LTCC warstwy cienkie FR 4 materia³ PTFE zaawansowany W³aœciwoœci termiczne ++ + W³aœciwoœci elektryczne Rezystory + + Zintegrowane elementy bierne ++ Struktury 3D ++ Gêstoœæ po³¹czeñ + + Rozmiar p³yta/pod³o e Proces przyjazny mikroelektronice + + Niezawodnoœæ Infrastruktura projektowania Infrastruktura wykonania wskaÿnik wielkoœci zalet 2.1. Modu³y typu MCM-D W przypadku uk³adów MCM-D (D deposition osadzanie) pod³o e pe³ni rolê elementu konstrukcyjnego. Warstwy przewodz¹ce i dielektryczne nak³ada siê technik¹ cienkowarstwow¹. Uk³ady MCM-D stwarzaj¹ najwiêksze mo liwoœci w zakresie miniaturyzacji spoœród wszystkich typów modu³ów MCM i dlatego s¹ obecnie najbardziej intensywnie rozwijane [22, 75, 110, 148, 154]. Typowy przyk³ad uk³adu MCM-D przedstawiono na rys Podstawowe informacje na temat materia³ów najczêœciej stosowanych do wytwarzania uk³adów MCM-D zamieszczono w tabeli pod³o e 2 warstwa zaporowa 3 warstwy metaliczne 4 warstwy dielektryczne 5 warstwa zabezpieczaj¹ca Rys Typowy przyk³ad uk³adu MCM-D

14 2.1. Modu³y typu MCM-D 15 Tabela 2.4. Podstawowe informacje o uk³adach MCM-D Jednostka Typowe materia³y lub wartoœci Pod³o e Si, Al, ceramiki Al 2, AlN Warstwa przewodz¹ca Al, Cu, Ag, Au Liczba warstw 2 5 Gruboœæ warstwy przewodz¹cej µm 2 5 Szerokoœæ œcie ki przewodz¹cej µm min. 10, zwykle 25 Odleg³oœæ miêdzy œrodkami œcie ek µm min. 50 Pole kontaktowe Al lub Ni/Au Warstwa dielektryczna SiO 2, poliimid, BCB Gruboœæ warstwy dielektrycznej µm 3 15 Œrednica otworu µm Sposób do³¹czania elementów zewnêtrznych druty Al lub Au, flip chip Pod³o a Pod³o e musi spe³niaæ odpowiednie wymagania termiczne, elektryczne i mechaniczne. Aby osi¹gn¹æ optymalne parametry uk³adów MCM-D, pod³o e powinno mieæ nastêpuj¹ce w³aœciwoœci [203]: du ¹ przewodnoœæ ciepln¹, odpowiedni wspó³czynnik rozszerzalnoœci termicznej (dostosowany do do³¹czanych elementów i obudowy), wytrzyma³oœæ na wysokie temperatury procesu, wysok¹ rezystywnoœæ izolacji, ma³¹ wartoœæ sta³ej dielektrycznej, odpornoœæ chemiczn¹ na stosowane procesy technologiczne, g³adk¹ powierzchniê bez defektów, p³askoœæ powierzchni (ca³kowite wygiêcie mniej ni µm), ma³y koszt. Do wytwarzania uk³adów MCM-D najczêœciej stosuje siê pod³o e z ceramiki Al 2. Charakteryzuj¹ siê one du ¹ wytrzyma³oœci¹ mechaniczn¹, stabilnoœci¹ termiczn¹ i chemiczn¹ oraz du ¹ rezystywnoœci¹ elektryczn¹. G³ówn¹ wad¹ ceramiki Al 2 jest ma³a przewodnoœæ cieplna. Wiêksz¹ przewodnoœci¹ ciepln¹ charakteryzuj¹ siê ceramiki AlN, BeO i SiC. Wspó³czynniki rozszerzalnoœci termicznej AlN i SiC s¹ zbli one do wspó³czynnika Si. G³ówn¹ wad¹ ceramiki AlN jest trudnoœæ w uzyskaniu dobrej adhezji warstw metalicznych wskutek braku mo liwoœci wytworzenia wi¹zañ poprzez tlenki metali. Du e ziarna ceramiki AlN s¹ przyczyn¹ wystêpowania du ych otworów na powierzchni. Wad¹ SiC jest du a przenikalnoœæ dielektryczna. Toksycznoœæ tlenków BeO jest g³ównym problemem wystêpuj¹cym w produkcji tego typu ceramiki. Ró ne rodzaje metali stosuje siê na pod³o e uk³adów MCM-D najczêœciej Al i Cu. Pod³o a metalowe charakteryzuj¹ siê du ¹ przewodnoœci¹ ciepln¹, ³atwoœci¹ obróbki

15 16 2. Modu³y wielostrukturowe MCM mechanicznej i nisk¹ cen¹. Wad¹ pod³o y Al i Cu jest podatnoœæ na trawienie stosowanymi zwykle œrodkami trawi¹cymi oraz du a wartoœæ wspó³czynnika rozszerzalnoœci termicznej, znacznie wiêksza ni wspó³czynnik dla krzemu. Ze wzglêdu na du y modu³ elastycznoœci i ma³¹ wartoœæ wspó³czynnika rozszerzalnoœci termicznej dobrymi materia³ami na pod³o e jest molibden i wolfram. Niestety, metale te maj¹ du y ciê ar w³aœciwy i s¹ trudne do obróbki. Molibden stosuje siê do odprowadzania ciep³a i jako materia³ do kompensacji ró nicy wspó³czynników rozszerzalnoœci termicznej. Krzem jest korzystnym materia³em pod³o owym ze wzglêdu na du ¹ przewodnoœæ ciepln¹ i idealne dopasowanie rozszerzalnoœci termicznej do krzemowych uk³adów scalonych. G³ówn¹ wad¹ krzemu jest ma³a wartoœæ modu³u mechanicznego oraz du o mniejsza rozszerzalnoœæ termiczna ni rozszerzalnoœæ warstw dielektrycznych, co powoduje wyginanie uk³adów podczas stosowania poliimidów o du ych wspó³czynnikach rozszerzalnoœci termicznej. Ostatnio zaczêto stosowaæ diament jako materia³ na pod³o e. Jest to spowodowane ekstremalnie du ¹ przewodnoœci¹ ciepln¹ diamentu (1600 W/(m K)), czterokrotnie wiêksza od przewodnoœci miedzi, bardzo du ymi wartoœciami modu³ów mechanicznych i rozszerzalnoœci¹ termiczn¹, zbli on¹ do rozszerzalnoœci krzemu. Niestety, pod³o e diamentowe jest bardzo drogie. Parametry ró nych materia³ów na pod³o e stosowanych w technice MCM-D przedstawiono w tabeli 2.5. Metalizacja Materia³y przewodz¹ce maj¹ trojakiego rodzaju zastosowanie w technologii uk³adów MCM-D [203]: œcie ki przewodz¹ce tworz¹ce sieæ po³¹czeñ elektrycznych, metale nanoszone na powierzchnie graniczne spe³niaj¹ce rolê bariery dyfuzyjnej lub materia³u zwiêkszaj¹cego przyczepnoœæ, œcie ki górne, do których s¹ do³¹czane elementy zewnêtrzne. W³aœciwoœci metali najczêœciej stosowanych w technice MCM-D przedstawiono w tabeli 2.6 [203]. Typowe procesy metalizacji, stosowane w uk³adach MCM-D, pokazano na rysunku 2.5. Materia³y metaliczne nanosi siê technik¹ rozpylania, parowania, platerowania jonowego i elektroplaterowania. Najwa niejsze wymagania stawiane warstwom przewodz¹cym tworz¹cym sieæ po³¹czeñ elektrycznych to du a przewodnoœæ elektryczna i niezawodnoœæ. Najczêœciej warstwy te wykonuje siê z aluminium, miedzi lub z³ota. Przewodnoœæ elektryczna aluminium jest wystarczaj¹ca dla wiêkszoœci zastosowañ. Oznacza siê ono dobr¹ przyczepnoœci¹ do dielektryków i nisk¹ cen¹. MiedŸ ma najwiêksz¹ przewodnoœæ elektryczn¹ i nisk¹ cenê. Wad¹ miedzi jest z³a przyczepnoœæ do wiêkszoœci dielektryków i mo liwoœæ reagowania z dielektrykiem na bazie poliimidów. Prowadzi to do pogorszenia stabilnoœci.

16 2.1. Modu³y typu MCM-D 17 Tabela 2.5. W³aœciwoœci materia³ów stosowanych na pod³o e uk³adów MCM-D [45] Materia³ Gêstoœæ Wspó³czynnik Modu³ Przewodnoœæ rozszerzalnoœci Younga cieplna cieplnej [g/cm 3 ] [ppm/k] [GPa] [W/(m K)] Poliimid 1,4 40 2,5 0,15 Si 2,3 2, Al 2 (99,6%) 3,9 6,3 6, Al 2 (92% wspó³wypalany) 3,6 6, BeO (99,5%) 30 6, AlN 3, SiC 3,1 3, Mo 10,2 4, Cu 8,9 16, Al 2,7 2, Stal (AISI 1010) 7,9 11, Cu/Invar/Cu (20/60/20) 8,4 6, Cu/Mo/Cu (20/60/20) 9, Cu/Mo/Cu (13/74/13) 9,9 5, Kovar (FeNiCo) 8,4 6, Diament naturalny 3,5 1, Diament CVD 3,5 1,5 2, Uwagi: 1. Wartoœci parametrów podano dla temperatury 25 C, 2. W przypadku materia³ów platerowanych podano przewodnoœæ ciepln¹ zmierzon¹ dla kierunku poprzecznego. Z³oto oznacza siê wiêksz¹ przewodnoœci¹ elektryczn¹ od aluminium oraz doskona- ³¹ odpornoœci¹ na korozjê. Wad¹ z³ota jest z³a przyczepnoœæ do materia³u dielektrycznego i wysoka cena. Jako materia³y zwiêkszaj¹ce przyczepnoœæ i stanowi¹ce barierê dyfuzyjn¹ stosuje siê chrom, tytan, platynê, pallad i nikiel. Na pola kontaktowe, na powierzchni modu³u MCM-D (odpornoœæ na korozjê, mo - liwoœæ po³¹czeñ) stosuje siê Au, Ni i Cr. Materia³y dielektryczne Stosowane materia³y dielektryczne powinny mieæ nastêpuj¹ce w³aœciwoœci [203]: minimaln¹ higroskopijnoœæ, mo liwoœæ uzyskiwania p³askich powierzchni, stabilnoœæ termiczn¹, ma³¹ przenikalnoœæ dielektryczn¹,

17 18 2. Modu³y wielostrukturowe MCM rozpylanie rozpylanie nanoszenie lub bezpr¹dowe nanoszenie emulsji i naœwietlanie nanoszenie emulsji wytworzenie wzoru nanoszenie emulsji wytworzenie wzoru wywo³ywanie trawienie mokre nanoszenie metalu elektrolityczne naparowywanie metalu usuwanie emulsji usuwanie emulsji usuwanie emulsji trawienie metalu Rys Procesy metalizacji stosowane w uk³adach MCM-D [203] copyright 1994 John Wiley & Sons (za zgod¹ John Wiley & Sons Inc.) Tabela 2.6. W³aœciwoœci metali stosowanych w technologii MCM-D [203] copyright 1994 John Wiley & Sons (za zgod¹ John Wiley & Sons Inc.) Temperatura Wspó³czynnik Wspó³czynnik Metal Symbol Rezystywnoœæ topnienia rozszerzalnoœci przewodnoœci cieplnej cieplnej [µω cm] [ C] [ppm/k] [W/(m K)] MiedŸ Cu 1, ,7 (17) 418 (393) Z³oto Au 2, ,2 297 Glin Al 2,65 (4,3) ,0 240 Wolfram W 5, ,5 200 Nikiel Ni 6, ,3 92 (89) Tytan Ti ,9 22 Platyna Pt 10, ,0 71 (73) Pallad Pd 10, (75) Chrom Cr 12,99 (20,2) ,3 66 Tantal Ta 15, ,5 58

18 2.1. Modu³y typu MCM-D 19 ma³e straty dielektryczne, ma³e naprê enia, dobre w³aœciwoœci mechaniczne (sztywnoœæ, wytrzyma³oœæ), dobr¹ przyczepnoœæ do pod³o a, warstw przewodz¹cych i dielektrycznych, ³atwoœæ wytwarzania, ma³y koszt. Wybór dostêpnych materia³ów dielektrycznych jest bardzo du y, ale niestety, aden z dostêpnych materia³ów nie spe³nia wszystkich wymagañ. Najczêœciej jako materia³ dielektryczny stosuje siê dwutlenek krzemu lub polimery. W tabeli 2.7 [203] przedstawiono informacje na temat dostêpnych materia³ów dielektrycznych, ich w³aœciwoœci elektrycznych i mechanicznych. W uk³adach MCM-D najczêœciej stosuje siê dielektryki oparte na poliimidach. Odznaczaj¹ siê one dobrymi w³aœciwoœciami mechanicznymi, s¹ odporne na rozpuszczalniki oraz s¹ wytrzyma³e na wysokie temperatury wystêpuj¹ce w czasie wytwarzania modu³u MCM-D. G³ówn¹ wad¹ poliimidów jest wchodzenie w reakcje chemiczne Tabela 2.7. W³aœciwoœci materia³ów dielektrycznych stosowanych w uk³adach MCM-D [203] Nazwa Typ ε tg δ γ T g Wytrzyma³oœæ Wyd³u enie Absorpcja polimeru polimeru na rozci¹ganie wilgoci [10 6 /K] [ C] [MPa] [%] [% wag.] Amoco fotoczu³y 2,8 0, >400 3,4 Ultradel poliimid 7501 Du Pont standardowy 3,5 0, > PI-2545 poliimid Du Pont standardowy 3,3 0, > PI-2555 poliimid Du Pont poliimid 2,9 0,002 3(xy) > ,5 PI-2610D/ 2611D Du Pont fotoczu³y 2,9 25 > ,5 PI-2732/33 poliimid Hitachi standardowy 3,4 0, > ,3 PIQ-13 poliimid Hitachi poliimid 3,2 0, ,3 PIQ-L100 Toray fotoczu³y 3,2 0, ,1 UR-3800 poliimid T g temperatura zeszklenia, γ wspó³czynnik rozszerzalnoœci cieplnej, ε wzglêdna przenikalnoœæ dielektryczna, tg δ wspó³czynnik strat.

19 20 2. Modu³y wielostrukturowe MCM z miedzi¹. Czasem stosuje siê poliimidy œwiat³oczu³e, które upraszczaj¹ technologiê wykonywania otworów i po³¹czeñ elektrycznych miêdzy ró nymi poziomami. Dielektryki polimerowe s¹ nanoszone technik¹ nak³adania na wirówce lub przez natryskiwanie. Po³¹czenia wewnêtrzne Wykonanie po³¹czeñ wewnêtrznych wymaga stosowania kilku procesów technologicznych. Pierwszym etapem jest wykonanie otworów w warstwie dielektrycznej, nastêpnym wype³nienie otworów materia³em przewodz¹cym. Najczêœciej stosuje siê cztery metody wykonywania sieci po³¹czeñ elektrycznych: trawienie na mokro, wykorzystanie polimerów œwiat³oczu³ych, trawienie na sucho, ablacja laserowa. Schematycznie etapy wytwarzania po³¹czeñ miêdzy ró nym poziomami uk³adu przedstawiono dla ka dej z metod na rys trawienie jonowe reaktywne RIE/SLA materia³y œwiat³oczu³e trawienie mokre ablacja 1) nanoszenie maski 2) fotolitografia 3) wytwarzanie maski 4) usuwanie emulsji 5) trawienie 6) usuwanie maski Rys Etapy wytwarzania po³¹czeñ miêdzy ró nym poziomami uk³adu [203] Copyright 1994 John Wiley & Sons (za zgod¹ John Wiley & Sons Inc.)

20 2.2. Modu³y typu MCM-L Modu³y typu MCM-L Uk³ady MCM-L (L lamination laminowanie) wykonuje siê analogicznie do laminatowych wielowarstwowych obwodów drukowanych [20, 21, 45, 68, 145, 146, 154, 203]. Warstwy metalizacji s¹ laminowane wstêpnie do folii organicznych, a nastêpnie wykonywane s¹ otwory technik¹ laserow¹ lub wiercenia mechanicznego (œrednice do 150 µm). Kolejnym krokiem jest zastosowanie techniki platerowania do wype³nienia otworów materia³em przewodz¹cym elektrycznie. Uk³ady MCM-L ró ni¹ siê od zwyk³ych obwodów drukowanych wiêksz¹ precyzj¹ wykonania oraz innym materia³em izolacyjnym o ma³ej wartoœci sta³ej dielektrycznej ε (ε poni ej 4). S¹ to najczêœciej laminaty szklano-teflonowe, szklano-poliimidowe oraz aramidowe [92]. W³aœciwoœci stosowanych materia³ów dielektrycznych przedstawiono w tabeli 2.8. Podstawowe parametry uk³adów MCM-L [69, 203]: szerokoœci œcie ek i odleg³oœci miedzy œcie kami µm, œrednice otworów µm, odleg³oœci miêdzy otworami µm, minimalna gruboœæ warstwy dielektrycznej 50 µm, œrednia liczba warstw 6 8, gêstoœæ po³¹czeñ 50 cm/cm 2. Uk³ady MCM-L s¹ tañsze od uk³adów MCM-C i MCM-D [169]. Ze wzglêdu na gorsz¹ stabilnoœæ i mniejszy zakres temperatur pracy uk³ady MCM-L maj¹ mniejsze zastosowanie, ni pozosta³e modu³y. G³ówn¹ wad¹ uk³adów MCM-L jest ma³a przewodnoœæ cieplna oraz du y temperaturowy wspó³czynnik rozszerzalnoœci liniowej. Podstawowe procesy wytwarzania uk³adu MCM-L [45]: 1. Wykonanie indywidualnych warstw dielektrycznych pokrytych foli¹ Cu. 2. Obróbka fotolitograficzna, trawienie i wytworzenie sieci œcie ek przewodz¹cych, Tabela 2.8. W³aœciwoœci materia³ów dielektrycznych stosowanych w technice MCM L [92, 203] Materia³ Sta³a Przewodnoœæ Wspó³czynnik Temperatura Absorpcja dielektryczna cieplna rozszerzalnoœci zeszklenia wody liniowej T g [W/(m K)] [ 10 6 /K] [ C] [%] Epoksyd BT 4, ,05 FR4 4, ,10 Poliimid 4, ,35 Cyanate ester 3, ,08 Fluoro polymer composite 2, ,05 Epoxy /nonwoven aramid 3, ,85 Laminat szklano poliimidowy 4,3 0,4 40 Laminat szklano teflonowy 2,4 0,2 99

21 22 2. Modu³y wielostrukturowe MCM 3. Wiercenie otworów w indywidualnych warstwach lub/i na ca³¹ gruboœæ laminatu (otwory przelotowe). 4. Proces laminacji laminacja indywidualnych warstw w przypadku otworów zagrzebanych i œlepych. Jeden proces laminacji w przypadku gdy nie ma otworów œlepych i zagrzebanych. 5. Platerowanie otworów w pojedynczych warstwach lub czêœciowo zlaminowanych. Platerowanie warstw przewodz¹cych na powierzchni. Na rysunku 2.7 [45] pokazano typow¹ konstrukcjê uk³adu MCM-L. Do wytworzenia uk³adu MCM-L stosuje siê nastêpuj¹ce rodzaje materia³ów [45]: warstwy dielektryczne rdzenia materia³ sztywny, elastyczne warstwy dielektryczne, materia³ przewodz¹cy najczêœciej trawiona folia Cu, materia³y pokryæ koñcowych umo liwiaj¹ce do³¹czenie elementów zewnêtrznych (Sn Pb, Ni Au, Pd) nanoszone metod¹ platerowania. W³aœciwoœci materia³ów stosowanych do wytwarzania MCM-L zamieszczono w tabeli 2.9 [45]. warstwa 1 warstwa 2 warstwa 3 dielektryk otwór zagrzebany warstwa miedzi warstwy 2/3 po laminacji warstwy 2/3 po wierceniu otworów otwór warstwa 4 otwór po platerowaniu wszystkie warstwy po laminacji, wierceniu otworów i platerowaniu Rys Typowa konstrukcja uk³adu MCM-L [45]

22 2.2. Modu³y typu MCM-L 23 Tabela 2.9. W³aœciwoœci materia³ów stosowanych w uk³adach MCM L [45] γ γ T g k ε ρ tg δ Materia³ osie x,y oœ z (1 MHz, [ppm/k] [ppm/k] [ C] [W/m K] 25 C) [Ω cm] [%] FR4 (epoxy E glass) /320 a) ,16 0,4 4,0 5,5 4, ,2 Polyimide (PI) E glass /190 a) ,3 0,6 4,0 5,0 4, ,3 Teflon E glass ,26 2,3 2,6 1, ,2 Epoxy aramid (PPDETA) 6, ,18 3,7 2,6 PI Kevlar ,51 1,1 PI fused sislica , BT epoxy Kevlar ,7 3,51 1,1 High T g epoxy fused silica # ,3 'Gore Ply' (cyanate ester expanded PTFE) ,6 > ,3 PI unwoven Kevlar' ROHSI 2800' (Rogers) Thermoplast. 2,8 0,3 PI film: Kapton H , ,25 Upilex S 3, ,13 Polyester film ,8 3,2 0,3 1,6 Epoxy resin (#5010) 55 3,8 PTFE ,2 'S' glass 2,3 5,3 MiedŸ (CDA 102) 17,3 17, , Glin (elemental) 22, , Glin (6061) 21, , Molybden Kovar 5,3 17 4, Cu/Invar/Cu:20/60/20 5,5 169 Cu/Invar/Cu:12,5/75/12,5 3, Cu/Mo/Cu: 20/60/20 6,7 (20 C) 141 3, Cu/Mo/Cu: 13/74/13 5,8 (20 C) 122 3, γ wspó³czynnik rozszerzalnoœci cieplnej, T g k ε ρ tg δ temperatura zeszklenia, wspó³czynnik przewodnoœci cieplnej, wzglêdna przenikalnoœæ dielektryczna, rezystywnoœæ skroœna, wspó³czynnik strat, a) (<T g )/ (>T g ).

23 24 2. Modu³y wielostrukturowe MCM 2.3. Modu³y typu MCM-C Modu³y MCM-C maj¹ powszechne zastosowanie w urz¹dzeniach o du ej niezawodnoœci, przystosowanych do pracy w trudnych warunkach klimatycznych [171]. Pierwsze uk³ady typu MCM-C wykonywano na pocz¹tku lat szeœædziesi¹tych jako wielowarstwowe uk³ady grubowarstwowe. W latach osiemdziesi¹tych uk³ady MCM-C wykonywano z ceramiki wysokotemperaturowej (HTCC), wypalanej w temperaturze 1800 C w atmosferze wodoru. Wolframowe lub molibdenowe warstwy przewodz¹ce nanoszono technik¹ sitodruku. Szybki rozwój uk³adów MCM-C nast¹pi³ na pocz¹tku lat dziewiêædziesi¹tych, po opracowaniu ceramiki niskotemperaturowej (LTCC) wypalanej w powietrzu, w temperaturze 850 C. Obni enie temperatury wspó³wypalania pozwoli³o na zastosowanie typowych materia³ów grubowarstwowych (warstwy przewodz¹ce ze srebra, z³ota lub miedzi wypalanej w azocie). Modu³y MCM-C mo na podzieliæ na trzy grupy: wielowarstwowe uk³ady grubowarstwowe, HTCC (High Temperature Cofiring Ceramics) uk³ady z ceramiki wysokotemperaturowej, LTCC (Low Temperature Cofiring Ceramics) uk³ady z ceramiki niskotemperaturowej. Wielowarstwowe uk³ady grubowarstwowe Grubowarstwowy uk³ad typu MCM zosta³ wyprodukowany po raz pierwszy przez firmê UNIVAC (obecnie Unysis) w roku Uk³ad sk³ada³ siê z 5 warstw przewodz¹cych oraz rezystorów. Technologia uk³adów wielowarstwowych polega na kolejnym nanoszeniu technik¹ sitodruku, na przemian, past przewodz¹cych i dielektrycznych. Warstwy s¹ suszone oddzielnie i nastêpnie wypalane wspólnie w jednym procesie (w temperaturze C) lub wypalane indywidualnie po ka dym suszeniu. Na pod³o e stosuje siê ceramikê alundow¹ lub azotek aluminium. Œcie ki przewodz¹ce wykonuje siê z typowych past PdAg, PtAg, Au, Cu. Kszta³t œcie ek przewodz¹cych oraz otworów w warstwach dielektrycznych uzyskuje siê metod¹ druku precyzyjnego, trawi¹c wypalone œcie ki przewodz¹ce typow¹ metod¹ fotolitografii lub stosuj¹c specjalne pasty œwiat³oczu³e i metodê fotolitografii wysuszonych warstw. Precyzyjne otwory w warstwach dielektryka mo na wykonaæ metod¹ Diffusion Patterning (maskowanie dyfuzyjne). Dok³adniej technologiê grubowarstwow¹ opisano w rozdz. 3. Uk³ady z ceramiki wysokotemperaturowej (HTCC) Materia³em wyjœciowym jest w tym przypadku surowa, nie wypalona folia ceramiczna (green tape). Na foliê z wywierconymi otworami do metalizacji nanosi siê metod¹ sitodruku warstwy grube przewodz¹ce z wolframu lub molibdenu. Otwory w folii wy-

24 2.3. Modu³y typu MCM-C 25 konuje siê przy pomocy wykrojników (œrednice µm) lub laserem (15 50 µm). Folie ceramiczne po wysuszeniu naniesionych warstw s¹ sk³adane w stos, prasowane, ciête na odpowiednie wymiary i wypalane w temperaturze C w atmosferze wodoru. Po wypaleniu pola kontaktowe s¹ pokrywane technik¹ platerowania niklem lub z³otem w celu zmniejszenia rezystancji i uzyskania odpowiedniej jakoœci powierzchni do monta u. Modu³y MCM-C wykonane technik¹ HTCC maj¹ najwiêksz¹ odpornoœæ na nara enia klimatyczne oraz najwiêksz¹ niezawodnoœæ. Wad¹ modu³ów jest du a rezystancja œcie ek przewodz¹cych. Ceramika HTCC sk³ada siê najczêœciej z 88 96% Al 2 i 4 12% szk³a poprawiaj¹cego proces zagêszczania w ni szych temperaturach spiekania. Modu³y HTCC charakteryzuj¹ siê du ¹ wytrzyma³oœci¹ mechaniczn¹ (~420 MPa), wspó³czynnikiem rozszerzalnoœci liniowej ~ / C, przenikalnoœci¹ dielektryczn¹ ~9,5, przewodnoœci¹ ciepln¹ ~20 W/(m K) [80]. Uk³ady z ceramiki niskotemperaturowej (LTCC) Proces wytwarzania uk³adu LTCC przebiega podobnie jak w przypadku uk³adu HTCC. Najwa niejsz¹ ró nic¹ jest obni enie temperatury wypalania do 850 C. Sta³o siê to mo liwe dziêki zastosowaniu specjalnego tworzywa szklano-ceramicznego. Uzyskanie ni szej temperatury wypalania umo liwi³o stosowanie typowych past przewodz¹cych (Au, Ag, PdAg, Cu) na œcie ki przewodz¹ce oraz wykonanie biernych elementów grubowarstwowych nie tylko na powierzchni modu³u, ale równie w jego wnêtrzu. Dodatkow¹ zalet¹ materia³u LTCC, w porównaniu do HTCC, jest ni sza przenikalnoœæ dielektryczna oraz dopasowanie wspó³czynnika rozszerzalnoœci cieplnej do wspó³czynnika struktur pó³przewodnikowych (Si lub GaAs), co zwiêksza niezawodnoœæ po- ³¹czeñ nieobudowanych chipów. Stosowane s¹ dwa rodzaje materia³ów do wytworzenia surowej ceramiki LTCC. Pierwszy typ ceramiki LTCC sk³ada siê ze szkie³ ulegaj¹cych krystalizacji w czasie wypalania. W wyniku tego procesu powstaje szk³o-ceramika. Najczêœciej stosowanymi szk³ami krystalizuj¹cymi w czasie procesu wypalania s¹: MgO Al 2 SiO 2, CaO B 2 SiO 2, CaO Al 2 SiO 2, BaO Al 2 SiO 2, ZnO Al 2 SiO 2. Drugi sposób wytwarzania ceramiki LTCC, stosowany przede wszystkim przez firmy japoñskie, polega na zastosowaniu mieszaniny sk³adnika krystalicznego i szk³a. Po spieczeniu struktura LTCC ma charakter kompozytu szk³o+ceramika. W uk³adach tego typu wykorzystuje siê szk³a B 2 SiO 2, SiO 2, PbO B 2 SiO 2 oraz jako krystaliczny wype³niacz kordieryt, kwarc, Al 2 i mullit [184]. Opracowana przez firmê IBM szk³o ceramika o przenikalnoœci dielektrycznej równej 5 ma sk³ad zbli ony do kordierytu: SiO 2 (50 55%), Al 2 (18 23%), MgO (18 25%), P 2 i B 2 (0 3%) [196]. Wspó³czynnik rozszerzalnoœci liniowej wypalonego materia³u LTCC jest równy 3,0 ppm/k. Firma Ferro wytwarza szk³o ceramikê przeznaczon¹ do uk³adów pracuj¹cych dla wielkich czêstotliwoœci opart¹ na szkle CaO B 2 SiO 2 krystalizuj¹c¹ w postaci faz CaO B 2, CaO SiO 2, i 3CaO 2SiO 2 [178, 183]. Sta³a dielektryczna ceramiki wynosi 5,9, wspó³czynnik rozszerzalnoœci liniowej 6,5 ppm/k, a wspó³czynnik strat 0,002.

25 26 2. Modu³y wielostrukturowe MCM Firma Du Pont produkuje ceramikê green tape, przeznaczon¹ do uk³adów pracuj¹cych dla wielkich czêstotliwoœci, bêd¹c¹ mieszanin¹ szk³a krystalizuj¹cego z wytworzeniem kordierytu lub anortytu, oraz szkliwa borokrzemowego o ma³ej przenikalnoœci dielektrycznej i niskim wspó³czynniku strat, u³atwiaj¹cego zagêszczanie tworzywa w procesie spiekania niskotemperaturowego [184]. Firma NEC produkuje tworzywo typu szk³o+ceramika przeznaczone do MCM dla uk³adów VLSI o bardzo du ej szybkoœci dzia³ania. Struktura LTCC sk³ada siê z mieszaniny szk³a krzemionkowego i szk³a borokrzemowego. Do podstawowych zalet uk³adów LTCC nale ¹: mo liwoœæ wykonywania struktur trójwymiarowych, niska temperatura wypalania, ma³a gruboœæ i zwi¹zana z tym ma³a masa i bezw³adnoœæ cieplna, mo liwoœæ stosowania typowych past wewn¹trz i na powierzchni LTCC, mo liwoœæ integrowania ró nych elementów elektronicznych, dobre w³aœciwoœci mechaniczne (podobne do ceramiki alundowej), hermetycznoœæ uk³adu odpornoœæ na wp³yw otoczenia, mo liwoœæ pracy w wysokiej temperaturze i uci¹ liwym œrodowisku. Uk³ad LTCC mo e sk³adaæ siê z kilkudziesiêciu warstw. Przewodnoœæ elektryczna warstw przewodz¹cych ze z³ota wynosi 2 5 mω/. Przewodnictwo cieplne struktury LTCC mo na zwiêkszyæ, stosuj¹c specjalne otwory termiczne odprowadzaj¹ce ciep³o z uk³adu. Otwory wype³nia siê z³otem lub srebrem. Przewodnictwo cieplne takich otworów wynosi odpowiednio 70 W/(m K) i 120 W/(m K). W³aœciwoœci ceramik LTCC produkowanych przez ró ne firmy przedstawiono w tabeli Liczba uk³adów LTCC stosowanych w przemyœle elektronicznym zwiêksza siê dziêki doskona³ym w³aœciwoœciom elektrycznym, mechanicznym i niezawodnoœciowym. Oprócz typowych zastosowañ w uk³adach VLSI, ceramika LTCC mo e byæ wykorzystana do wytwarzania elementów biernych oraz czujników. Tabela Porównanie w³aœciwoœci ró nych pod³o y LTCC LTCC LTCC Pod³o e Pod³o e Parametr DuPont Ferro ESL AlN alundowe 951 A6 D-101C Przenikalnoœæ dielektryczna ε 7,8 5, ,5 Przewodnoœæ cieplna [W/(m K)] Wspó³czynnik rozsz. cieplnej [ppm/k] 5, ,6 7,3 Gêstoœæ po wypaleniu [g/cm 3 ] 3,1 2,5 3,16 3,3 Skurcz [%] w kierunku osi z osi x i y Gruboœæ po wypaleniu [µm] 95, 137,

26 2.3. Modu³y typu MCM-C 27 Elementy bierne (rezystory, kondensatory, cewki, linie transmisyjne, warystory) mog¹ byæ wytwarzane jako elementy planarne na powierzchni ceramiki LTCC lub jako zagrzebane (2D i 3D) wewn¹trz struktury LTCC [85]. Opis ró nego typu czujników wykonanych technik¹ LTCC znajduje siê w rozdziale 5. (czujniki do diagnostyki plazmy, czujniki gazu, temperatury, ciœnienia, grzejniki do czujników). Technologia LTCC oferuje kilka nowych rozwi¹zañ konstrukcyjnych w produkcji ró nego typu czujników. Wielk¹ zalet¹ ceramiki LTCC jest mo liwoœæ tworzenia trójwymiarowych struktur wielowarstwowych. Uk³ady 3D sk³adaj¹ siê z obszarów izolacyjnych, pustych wnêk, œcie ek przewodz¹cych i rezystywnych, grzejników oraz obszarów o du ej i ma³ej przewodnoœci cieplnej. Dziêki mo liwoœci drukowania obwodów na ka dej z laminowanych warstw otrzymujemy uk³ady o bardzo du ej gêstoœci upakowania. Zastosowanie technologii LTCC do produkcji sensorów umo liwia budowanie zarówno wewn¹trz, jak i na powierzchni pod³o a zintegrowanych czujników wraz z uk³adami elektronicznymi do przetwarzania otrzymanych danych. Technologia ta mo e byæ tak e stosowana do wytwarzania ró nych mikrosystemów.

27 28 3. Technologia grubowarstwowa 3. TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA 3.1. Informacje ogólne Technika wykonywania elementów grubowarstwowych polega na nanoszeniu odpowiednich past na pod³o e izolacyjne technik¹ sitodruku. Warstwy po wysuszeniu s¹ wypalane w piecach tunelowych w temperaturze maksymalnej oko³o 850 C, w czasie 10 minut (w temperaturze maksymalnej). Technika sitodruku jest bardzo stara. Stosowali j¹ ju Chiñczycy kilka tysiêcy lat temu w celu nanoszenia z³otych ozdób na wyroby ceramiczne. Do celów elektronicznych zosta³a zastosowana po raz pierwszy w latach trzydziestych XX wieku. Wykonywano t¹ technika elektrody srebrowe kondensatorów ceramicznych. Pierwszy uk³ad hybrydowy grubowarstwowy wykonano w 1945 r. w USA. By³ to uk³ad elektroniczny czujnika zbli eniowego stosowanego w bombach lotniczych. Zosta³ zaprojektowany przez grupê in ynierów z Milwaukee. Uk³ad sk³ada³ siê ze srebrowych œcie ek przewodz¹cych i rezystorów polimerowych wykonanych na pod³o u ceramicznym. Masowa produkcja hybrydowych uk³adów grubowarstwowych z do³¹czanymi elementami czynnymi rozpoczê³a siê w latach szeœædziesi¹tych. W latach osiemdziesi¹tych, po rozpowszechnieniu technologii monta u powierzchniowego (SMT), nast¹pi³o zmniejszenie produkcji grubowarstwowych uk³adów hybrydowych. Ponowny wzrost znaczenia technologii grubowarstwowej nast¹pi³ w latach dziewiêædziesi¹tych. Technologia ta znalaz³a powszechne zastosowanie, oprócz tradycyjnego pola zastosowañ, w uk³adach MCM, sensorach i mikrosystemach [85]. W rozdziale 3 podano podstawowe informacje na temat technologii grubowarstwowej. Opisano poszczególne etapy wytwarzania uk³adu grubowarstwowego, stosowane materia³y i zasady projektowania. Zalety technologii grubowarstwowej: niski koszt, ³atwoœæ automatyzacji, op³acalnoœæ krótkich serii, miniaturyzacja, dobre w³aœciwoœci elektryczne, ró norodnoœæ wykonywanych elementów, odpornoœæ na wysokie temperatury i uci¹ liwe warunki klimatyczne, dobra wytrzyma³oœæ mechaniczna.

28 3.2. Etapy wytwarzania 29 Przyk³ady ró nych elementów i uk³adów elektronicznych wykonywanych technologi¹ grubowarstwow¹: œcie ki przewodz¹ce, rezystory, warstwy izolacyjne, kondensatory, cewki uk³ady wielowarstwowe TFM, uk³ady wielowarstwowe LTCC, termistory, warystory, elementy grzejne, elementy nadprzewodz¹ce, czujniki (temperatury, gazu, ciœnienia, wilgotnoœci itp.), przetworniki, mikrosystemy Etapy wytwarzania Technologi¹ grubowarstwow¹ wykonuje siê warstwy o ró nych w³aœciwoœciach elektrycznych, zale nych od sk³adu nadrukowanej pasty. Gruboœci wypalonych warstw zale ¹ od gêstoœci sita, gruboœci emulsji i lepkoœci pasty. Najczêœciej warstwy przewodz¹ce i rezystywne maj¹ po wypaleniu 5-15 µm gruboœci, a warstwy dielektryczne µm. Minimalna szerokoœæ warstwy dla druku zwyk³ego wynosi oko³o 300 µm, dla druku precyzyjnego µm, a w razie stosowania trawienia i procesu fotolitografii oko³o 15 µm. Wysokotemperaturowe uk³ady grubowarstwowe (stosowane równie w strukturach LTCC) s¹ wypalane najczêœciej w temperaturze 850 C. Uk³ady niskotemperaturowe polimerowe, s¹ utwardzane w temperaturach C. Na rysunku 3.1 przedstawiono etapy wytwarzania uk³adu wysokotemperaturowego. Pod³o a Materia³ na pod³o e musi charakteryzowaæ siê nastêpuj¹cymi w³aœciwoœciami: odpornoœci¹ na wysokie temperatury (proces wypalania), dobr¹ przewodnoœci¹ ciepln¹ (odprowadzanie ciep³a z uk³adu), dobr¹ izolacj¹ elektryczn¹ (brak zwaræ miedzy elementami), dobr¹ p³askoœci¹ powierzchni i powtarzalnymi wymiarami geometrycznymi (proces sitodruku). Najczêœciej na pod³o a stosuje siê ceramikê alundow¹ (96% Al 2 ), berylow¹ (BeO) lub z azotku glinu (AlN). Czasami na pod³o e u ywa siê stal emaliowan¹. Najwa niejsze parametry ceramik pod³o owych zestawiono w tabeli 3.1.

29 30 3. Technologia grubowarstwowa POD O A PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA MONTA CIÊCIE TEST OBUDOWA Rys Etapy wytwarzania uk³adu grubowarstwowego Tabela 3.1. Najwa niejsze parametry ceramik pod³o owych Ceramika AlN Al 2 BeO LTCC Przewodnoœæ termiczna [W/(m K)] Rozszerzalnoœæ termiczna [10 6 /K] 4,6 7,3 5,40 5,8 7 Rezystywnoœæ [Ω m] > >10 12 Przenikalnoœæ dielektryczna ε (1 MHz) 10 9,5 7 5,9-9 Pasta Trzy podstawowe elementy sk³adowe wchodz¹ w sk³ad past wysokotemperaturowych: Sk³adnik podstawowy drobno sproszkowany materia³ (wielkoœæ ziaren poni ej 1 µm) decyduj¹cy o w³aœciwoœciach elektrycznych wytworzonej warstwy. W przypadku pasty przewodz¹cej jest to najczêœciej proszek z³ota, srebra lub stopu PdAg, pasty

30 3.2. Etapy wytwarzania 31 rezystywnej dwutlenek rutenu (RuO 2 ), dwutlenek irydu (IrO 2 ) lub rutenian bizmutu (Bi 2 Ru 2 O 7 ). Szk³o proszek o wielkoœci ziaren rzêdu pojedynczych µm. Szk³o zapewnia doskona³¹ przyczepnoœæ warstwy do pod³o a. Najczêœciej stosuje siê szk³o o³owiowoborowo krzemowe (PbO B 2 SiO 2 ) ze wzglêdu na bardzo du ¹ rezystywnoœæ elektryczn¹, stabilnoœæ, w³aœciwy wspó³czynnik rozszerzalnoœci termicznej (dopasowany do pod³o a) i odpowiednie zmiany lepkoœci z temperatur¹ w czasie procesu wypalania. Noœnik organiczny ciecz o odpowiednich w³aœciwoœciach reologicznych, dziêki którym mo na precyzyjnie nanosiæ warstwy na pod³o e technik¹ sitodruku. W sk³ad noœnika wchodzi rozpuszczalnik i etyloceluloza. Zadaniem rozpuszczalnika jest korekcja lepkoœci, zmniejszenie napiêcia powierzchniowego oraz poprawa zwil alnoœci elementów sta³ych pasty. Etyloceluloza utwardza siê w procesie suszenia, zapewniaj¹c wstêpn¹ przyczepnoœæ warstwy do pod³o a. Dziêki temu mo na proces sitodruku wykonywaæ kilkakrotnie (np. podczas nanoszenia pasty dielektrycznej lub pasty rezystywnej o ró nej rezystywnoœci), wypalaj¹c równoczeœnie kilka na³o onych warstw. Noœnik organiczny rozk³ada siê i jest usuwany z warstwy w czasie wypalania. Wszystkie sk³adniki pasty s¹ doskonale wymieszane ze sob¹. Z 1 g pasty mo na nadrukowaæ od 40 do 90 cm 2 powierzchni (w zale noœci od rodzaju pasty, gêstoœci sita i gruboœci emulsji). Z pasty przewodz¹cej mo na wykonywaæ warstwy przewodz¹ce o rezystancji powierzchniowej w zakresie od 2 do 100 mω/. W sk³ad pasty wchodzi najczêœciej Au, Ag, PtAu, PdAu, PtAg lub PdAg. Zestawienie rezystancji powierzchniowej warstw przewodz¹cych zamieszczono w tabeli 3.2. W sk³ad past rezystywnych wchodz¹ najczêœciej tlenki platynowców o strukturze rutylu (RuO 2, IrO 2 ) lub pirochloru (Bi 2 Ru 2 O 7 ). Podstawowe w³aœciwoœci warstw rezystywnych przedstawiono poni ej: a) Rezystancja powierzchniowa R : R = ρ = [ Ω/ ], d gdzie: ρ rezystywnoœæ warstwy rezystywnej, d gruboœæ warstwy, 7 Tabela 3.2. Rezystancje powierzchniowe R ró nych warstw przewodz¹cych Materia³ R [mω/] Materia³ R [mω/] Au 2 10 PdAg Pt-Au Pt Pd-Au Cu * 2 Ag 2 10 Ni * 7 40 * Proces wypalania w atmosferze azotu.