WYKŁAD 7 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 7 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Wykład 7 Wytwarzanie struktur 3D Łączenie LTCC z innymi materiałami Integracja przeźroczystego szkła z modułem LTCC Łączenie PDMS / LTCC Bonding anodowy LTCC/Si Łączenie LTCC / LTCC

Wytwarzanie struktur 3D Laminacja wieloetapowa Laminacja pseudo-izostatyczna

Wytwarzanie struktur 3D Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Metoda wytnij i wypełnij Metoda składaj i laminuj

Wytwarzanie struktur 3D Metoda Zalety Wady Laminacja wieloetapowa Laminacja pseudoizostatyczna Możliwość wykonywania struktur 3D powierzchniowych i zagrzebanych (rozmiary od 50 mm do dziesiątek mm). Możliwość wykonywania struktur 3D powierzchniowych i zagrzebanych (rozmiary od 50 mm do dziesiątek mm). Czasochłonna. Możliwe rozwarstwienie struktury. Lekkie deformacje wykonanych struktur. Czasochłonna (przygotowanie formy). Niemożliwe wytwarzanie struktur zagrzebanych i wiszących. Metoda wytnij i wypełnij (warstwy węglowe) Materiały mineralne jako SVM Możliwość wykonywania struktur 3D powierzchniowych i zagrzebanych (rozmiary od 100 mm do 10 mm). Elementy wiszące z ceramiki LTCC (np. mostek, belka). Wspiera struktury w czasie laminacji i wypalania. Możliwość wytworzenia w pełni zamkniętych i zagrzebanych struktur. (rozmiary od 100 mm do 10 mm). Wiszące warstwy grube. Wspiera struktury w czasie laminacji i wypalania. Trudne wypełnianie materiałem SVM. Możliwe zanieczyszczenie wykonanych struktur. Trudne kształtowanie materiału SVM. Wykonana struktura ma kształt (profil) nadrukowanej pasty SVM. Niemożliwe wykonywanie struktur otwartych. Możliwe zanieczyszczenie wykonanych struktur.

Łączenie LTCC z innymi materiałami LTCC szkło LTCC polimer (PDMS) LTCC krzem LTCC ceramika LTCC metal współwypalanie utlenianie plazmowe bonding anodowy szkliwo niskotemperaturowe szkliwo niskotemperaturowe

Integracja przeźroczystego szkła z modułem LTCC Nieprzezroczystość mikrosystemów ceramicznych jest poważnym ograniczeniem technologii LTCC. Uniemożliwia ona obserwację zjawisk i kontrolę procesów zachodzących we wnętrzu mikrosystemu, takich jak: mieszanie, zmiana barwy, fluorescencja, transport cząstek zawieszonych w przepływającym medium, M. Baeza et al., ACh, 2010 M. Gongora-Rubio et al., SNA, 2001

Integracja przeźroczystego szkła z modułem LTCC

Integracja przeźroczystego szkła z modułem LTCC K. Peterson et al., IMAPS PL, 2007

Integracja przeźroczystego szkła z modułem LTCC

Ugięcie okna [mm] Integracja przeźroczystego szkła z modułem LTCC Widok powierzchni struktury szkła i LTCC z zaznaczonym napięciem powierzchniowym Zależność ugięcia od średnicy okna [mm] Bembnowicz et al., JECS., 2010

Integracja przeźroczystego szkła z modułem LTCC Bembnowicz et al., JECS., 2010.

Integracja przeźroczystego szkła z modułem LTCC Sposób wykonywania okna prostopadłego do powierzchni podłoża LTCC Bembnowicz et al., JECS., 2010.

Integracja przeźroczystego szkła z modułem LTCC Materiał Zalety Wady Szkło szafirowe Szkło sodowe Przeźroczystość CTE szkła dopasowane do CTE materiału LTCC Kompatybilny ze standardowym procesem technologicznym LTCC (laminowanie termokompresyjne, współwypalanie) Bardzo dobra próżnioszczelność (He) Przeźroczystość Niski koszt Nie jest wymagane stosowanie materiału pomocniczego SVM Kompatybilne z procesem współwypalania Próżnioszczelność Wysoka cena Wymagane stosowanie materiału pomocniczego SVM Nie można stosować laminacji termokompresyjnej Okno szklane wygina się podczas procesu wypalania Niedopasowanie CTE

Integracja przeźroczystego szkła z modułem LTCC Mikrosystemy wykonane ze szkła / LTCC wykazują pewne ograniczenia technologiczne ze względu na bardzo wysoką temperaturę wypalania (> 850 o C) Przy użyciu standardowej technologii LTCC lub szkła / LTCC niemożliwe jest umieszczenie wrażliwych na temperaturę materiałów (bio)chemicznych: katalizatorów, nośników enzymu, warstw receptora,

Wspomagany plazmą proces wiązania PDMS / LTCC

Wspomagany plazmą proces wiązania PDMS / LTCC Przygotowanie powierzchni ceramiki LTCC Drukowanie szkliwa Suszenie szkliwa (120 C, 5 min) Szkliwo wypalane wraz z ceramiką (co-firing) Szkliwo wypalane osobno (post-firing)

Wspomagany plazmą proces wiązania PDMS / LTCC

Wspomagany plazmą proces wiązania PDMS / LTCC Zmiany na powierzchni LTCC i PDMS (badania XPS) Wpływ plazmy tlenowej na skład powierzchni szkliwionej ceramiki LTCC Wpływ plazmy tlenowej na skład powierzchni polimeru (PDMS)

Wspomagany plazmą proces wiązania PDMS / LTCC Zmiany na powierzchni LTCC i PDMS (badania ATR-FTIR) SiO 4 O-Si-O Si-OH -OH Widma ATR-FTIR zmierzone dla szkliwionej ceramiki LTCC i PDMS przed i po procesie modyfikacji plazmą tlenu.

Wspomagany plazmą proces wiązania PDMS / LTCC Zmiany na powierzchni LTCC i PDMS (zwilżalność) a b Q H2O = 74 o Q H2O = 103 o c d Q H2O = 3 o Q H2O = 13 o Krople wody destylowanej umieszczone na powierzchni szkliwionej ceramiki LTCC (a, c) oraz PDMS (b, d) przed (a, b) i po (c, d) modyfikacji plazmą tlenu.

Wspomagany plazmą proces wiązania PDMS / LTCC Zmiany na powierzchni LTCC i PDMS (zwilżalność) Zmiany kąta zwilżania modyfikowanych powierzchni PDMS oraz szkliwionej ceramiki LTCC w czasie

Wspomagany plazmą proces wiązania PDMS / LTCC S. Haines et al., SIA, 2007. Si-O-Si C. Wang et al., ASS, 2006.

Połączenie LTCC - polimer PDMS

Połączenie LTCC - polimer PDMS A B C D A B C D

Połączenie LTCC - polimer PDMS Mikrosystemy hybrydowe PDMS / LTCC wykorzystują zalety obu: PDMS - materiał przeźroczysty - precyzyjne struktury mikroprzepływowe o rozmiarach mniejszych niż 10 µm mogą być wykonywane za pomocą różnych technik (litografia, wytłaczanie na gorąco, ablacja laserowa...) LTCC Integracja różnych urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych na sztywnym podłożu wielowarstwowym: - ścieżki przewodzące i elementy R, L, C, - źródła światła, fotodetektory, światłowody, - grzejniki, - przetworniki, - układy MEMS, -

Podsumowanie - łączenie ceramiki LTCC z przeźroczystym materiałem polimerowym Połączenie obu materiałów następuje na skutek modyfikacji ich powierzchni plazmą tlenu. Na powierzchni polimeru, po procesie plazmowania, w miejsce niepolarnych grup metylowych ( CH3) pojawiają się polarne grupy hydroksylowe ( OH). Powierzchnia polimeru zmienia swój charakter z silnie hydrofobowego na hydrofilowy. Podobne efekty obserwowano dla szkliwionej ceramiki LTCC. Po procesie modyfikacji plazmą tlenu na jej powierzchni powstają grupy silanowe (Si OH) oraz wolne rodniki tlenowe. Gdy obie tak aktywowane powierzchnie polimeru i ceramiki zostaną przyłożone do siebie następuję trwałe połączenie pomiędzy obydwoma materiałami na skutek utworzenia wiązania kowalencyjnego typu Si O Si. Maksymalny czas, przez który aktywacja powierzchni obu materiałów jest stabilna, wynosi 15 minut od momentu wyciągnięcia próbek z reaktora plazmowego. Wykonane przy zastosowaniu tej metody hybrydowe układy mikroprzepływowe PDMS/LTCC charakteryzują się dużą szczelnością.

Bonding anodowy LTCC/Si Zalety wykorzystanie technologii LTCC do połączenia z Si: wielofunkcyjność wielowarstwowego podłoża LTCC wykonanie hermetycznej obudowy układu Si w LTCC zmniejszenie wielkości obudowy dzięki bezpośredniemu połączeniu nieobudowanego chipu Si i ceramiki LTCC stosowanie standardowej technologii grubowarstwowej możliwość wytworzenia lokalnych połączeń LTCC-Si kontrolowanych przez odpowiednie przygotowanie powierzchni surowej lub wypalonej ceramiki integracja elementów biernych z ceramiką LTCC (przeniesienie elementów z drogiego chipu na LTCC)

Bonding anodowy LTCC/Si Krzem Szkło Elektroda (katoda) 400-1000 V Stolik grzejny o (400 C) Proces łączenia metodą bondingu anodowego

Bonding anodowy LTCC/Si Warunki wykonania dobrego połączenia: Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) LTCC musi być dopasowany do CTE krzemu Podłoże LTCC powinno zawierać jony Na+ o odpowiednim stężeniu Jony Na+ są niezbędne do wystąpienia migracji jonów między płytką krzemową, a podłożem LTCC Kompatybilność z grubowarstwowymi systemami metalizacji

Bonding anodowy LTCC/Si Istotne parametry procesu łączenia: w zakresie temperatur 25 o C 400 o C różnica CTE LTCC i Si musi być mniejsza niż ± 0,2 ppm/k odpowiednia zawartość jonów Na + (1 2 wt. %) minimalna chropowatość powierzchni: Ra < 100 nm i płaskość < 5 µm/10 mm temperatura procesu: 350 o C 450 o C

Bonding anodowy LTCC/Si Łączenie anodowe standardowej ceramiki LTCC z płytką Si za pomocą odpowiedniego szkła (Pyrex) naniesionego techniką sitodruku Łączenie anodowe specjalnej folii LTCC charakteryzującej się współczynnikiem rozszerzalności termicznej CTE zbliżonym do Si (3,4 ppm/ o C) oraz odpowiednią zawartością jonów Na + (około 1,7 wt %)

Proces bondingu anodowego LTCC/Si Si wnęka LTCC Połączenie ceramiki LTCC z podłożem krzemowym (zdjęcia w podczerwieni). Rusu et al., JMM., 2006.

CTE (ppm/k) Bonding anodowy LTCC/Si (specjalna folia LTCC BGK79) Temperatura ( o C) Temperatura ( o C) Muller et al., CICMT., 2005.

Bonding anodowy LTCC/Si (specjalna folia LTCC BGK79) LTCC połączone z Si metodą bondingu anodowego (d LTCC = 50 mm, d Si = 100 mm) Przekrój LTCC połączonego z krzemem (obraz SEM) Muller et al., CICMT., 2005.

Bonding anodowy LTCC/Si (specjalna folia LTCC BGK79) elektrody LTCC Si szkło Czujnik przyspieszenia LTCC/Si/szkło (widok schematyczny) Czujnik przyspieszenia, podłoże LTCC połączone z płytką Si: przed i po podziale (4,5 x 7,2 x 1,5 mm 3 ) Muller et al., CICMT., 2005.

Łączenie LTCC / LTCC Wypalone ceramiki LTCC mogą być łączone ze sobą przy użyciu grubej warstwy szkła niskotemperaturowego Maksymalna temperatura procesu wypalania musi być wyższa niż temperatura zeszklenia warstwy szkliwa (~700 o C)

Łączenie LTCC / LTCC Spektrometr ruchliwości jonów (Ion Mobility Spectrometer) - rura wykonana z 400 warstw LTCC połączonych po wypaleniu Siedem segmentów połączonych za pomocą szkła niskotemperaturowego Plumlee et al., CICMT., 2007.

Wykład 7 Podsumowanie Wytwarzanie struktur 3D Łączenie LTCC z innymi materiałami Łączenie PDMS / LTCC Bonding anodowy LTCC/Si Integracja przeźroczystego szkła z modułem LTCC Łączenie LTCC / LTCC