Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 2 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni
Plan wykładu - Podstawy technologii grubowarstwowej - Materiały i procesy
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 700-1000 o C Układy niskotemperaturowe temperatura utwardzania 100 350 o C
Technologia grubowarstwowa zalety - niski koszt - łatwość automatyzacji - opłacalność krótkich serii - miniaturyzacja - dobre właściwości elektryczne - różnorodność wykonywanych elementów - odporność na wysokie temperatury - wytrzymałość mechaniczna
TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA Etapy wytwarzania układu grubowarstwowego
Etapy wytwarzania - podłoża Materiały: - ceramika alundowa ( 96% Al 2 O 3 ) - ceramika AlN - ceramika berylowa - podłoża stalowe Właściwości: - odporność na wysokie temperatury - izolacja elektryczna - przewodność cieplna - rozszerzalność termiczna - wymiary geometryczne
Etapy wytwarzania - podłoża Ceramika AlN Al 2 O 3 BeO LTCC Przewodność termiczna [W/m. K] Rozszerzalność termiczna [10-6 /K] 140-170 10-35 150-250 2-3 4,6 7,3 5,40 5,8-7 Rezystywność [. m] 4x10 11 > 10 14 10 13-10 15 > 10 12 Przenikalność dielektryczna (1 MHz) 10 9,5 7 5,9-9
TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA PODŁOŻA PASTY PASTY PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA Etapy wytwarzania układu grubowarstwowego
Pasty wysokotemperaturowe składnik podstawowy w. przewodzące - Au, Ag, PdAg,... w. rezystywne - RuO 2, IrO 2, Bi 2 Ru 2 O 7,... (właściwości elektryczne) szkło PbO - B 2 O 3 - SiO 2 (ρ, α, η=f (T) ) (lub bez PbO) (przyczepność do podłoża) nośnik organiczny rozpuszczalnik - korekcja η, (reologia) - zmniejszenie napięcia pow. - poprawa zwilżalności etyloceluloza - przyczepność do podłoża po suszeniu w temperaturze 120 o C
Wydajność past Au Pt-Au Pd-Ag Pt-Ag Cu Pasta dielektryczna Pokrycie powierzchni [cm 2 /g] 45 55 40 45 65 75 55 65 65 75 75 85 Sito [M] 325 200 200 200 240 200 Grubość emulsji : 10 12 μm M gęstość sita (ilość oczek na 1 cal długości)
Rezystancja powierzchniowa Rezystancja powierzchniowa (R ) R = / d = 10 10 7 [ / ], gdzie: R = R. n n = L / w - rezystywność warstwy rezystywnej d grubość warstwy R rezystancja n ilość kwadratów
Pasty przewodzące R = 2 100 m / (R = /d - rezystywność; d grubość warstwy) wypalane w powietrzu: Au, PtAu, PdAu Ag, PtAg, PdAg (wady: Au rozpuszczalność w lutowiu Ag dyfuzja) wypalane w azocie: Cu - zastosowanie (elektrody, połączenia, wyprowadzenia zewnętrzne, pola lutownicze itp.) - wymagania (mała rezystywność, adhezja, lutowność, możliwość montażu...)
Pasty przewodzące Rezystancje powierzchniowe R różnych warstw przewodzących Materiał R [m / ] Materiał R [m / ] Au 2 10 PdAg 10 50 Pt-Au 15 100 Pt 50 80 Pd-Au 10 100 Cu * 2 Ag 2 10 Ni * 7 40 * proces wypalania w atmosferze azotu
Warstwy rezystywne Temperaturowy współczynnik rezystancji (TWR) TWR = (R 2 R 1 )x10 6 /[R 1 (T 2 T 1 )] = (50 300) [ppm/k] gdzie:r 1 - rezystancja w temperaturze T 1 R 2 - rezystancja w temperaturze T 2 Zimny TWR (T 1 = 25 o C, T 2 = -55 o C) Gorący TWR (T 1 = 25 o C, T 2 = 125 o C)
Obciążalność Obciążalność (p r ) maksymalna gęstość mocy dla warstwy rezystywnej p r = p/s r = 8 15 [W/cm 2 ] (dla podłoży alundowych 96% Al 2 O 3 chłodzonych swobodnie) gdzie: p r - gęstość mocy w warstwie p - moc rozproszona w warstwie s r - powierzchnia warstwy rezystywnej Dopuszczalna gęstość mocy (p p ) - dla całego podłoża podłoża alundowe 0,25 1 [W/cm 2 ]
Właściwości piezorezystywne Współczynnik czułości odkształceniowej (GF - Gauge Factor) GF = ( R/R)/( l/l) = 10 20 gdzie: R przyrost rezystancji R - rezystancja początkowa l - przyrost długości l - długość początkowa
Efekt piezorezystywny R/R GF = ( R/R)/( l/l) = 10 20 l/l
Inne pasty - dielektryczne - izolacyjne - lutownicze - termistorowe - warystorowe - magnetorezystywne - czujnikowe -...
Etapy wytwarzania PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA
Projektowanie rezystorów Projekt Podstawowe kształty rezystorów grubowarstwowych: Warstwa rezystywna Warstwa przewodząca
(i) w nawiasach podano wartości minimalne Projekt Oznaczenie Typowe wymiary rezystorów grubowarstwowych Długość [ m] Uwagi L 1000 (500) 0,5<L/W<5 (0,3<L/W<10) W D 1 250 (125) D 2 250 (125) D 3 250 (200) zakładka szerokość zależy od tolerancji i mocy D 4 500 (375) odległość od warstwy przewodzącej D 5 750 (500) odległość od krawędzi podłoża D 6 500 (500) odległość od warstwy dielektrycznej
Ilość 10 3 kilka 10-2 10-4 10-3 Warstwa rezystywna Warstwa przewodząca
Projektowanie rezystorów Projekt Podstawowe parametry techniczne rezystorów grubowarstwowych: R TWR d - grubość warstwy rozrzuty wartości R ± 20% P r (podłoże alundowe 96% Al 2 O 3 ) 8 W/cm 2 P p (powierzchnia całego podłoża) 0,25 W/cm 2 1 / 100 M / ± 50 ppm/ C ± 300 ppm/ C 15 μm S - wskaźnik szumów -35 +35 db
Projekt Projektowanie kondensatorów Podstawowe kształty kondensatorów grubowarstwowych:
Projektowanie rezystorów Projekt Podstawowe parametry techniczne rezystorów grubowarstwowych: C wartość pojemności (F) TWC temperaturowy współczynnik pojemności (ppm/ C) Tolerancja pojemności (%) tg d współczynnik strat dielektrycznych U napięcie pracy (V)
Projekt Projektowanie cewek Podstawowe kształty cewek grubowarstwowych:
Etapy wytwarzania PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA
Sito
SITO a % open = (a-b) 2 a 2 x 100 a b sito 200: a= 1/200''= 0.005'' b= 0.0021'' lub 0.0016'' (0.005-0.0021) 2 b= 0.0021'' % open= (0.005) 2 x 100 = 33.64% b= 0.0016'' % open= 46.25% mesh b [μm] % open grubość druku [μm] sito 250: 200 53 33.6 25 b b= 0.0014" % open= 42.25% sito 325: 200 41 46.2 b= 0.0011" % open= 250 36 42.3 41.28% 26 21 325 28 41.3 16 Zależności grubości nadrukowanej warstwy (po wysuszeniu) od gęstości sita (mesh)
SITO (a) (b) Zdjęcia SEM sita pokrytego emulsją. Emulsja: (a) za cienka, (b) właściwa grubość B. Dziurdzia, AGH Rozprawa doktorksa1998 (a) (b) (c) Emulsja: (a) za cienka, (b) odpowiednia, (c) za gruba
Sitodruk PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA
Sitodruk rakla pasta sito rama 1 [P] 1 2 3 2 10 4 sito podłoże 3 sito podłoże 10 2 pasta na sicie - lepkość pasty pasta na podłożu czas t
Metody wytwarzania precyzyjnych ścieżek sitodruk precyzyjny (fine line printing) trawienie wysuszonej warstwy światłoczułej (photosensitive paste) trawienie wypalonej warstwy (photoimageable paste) druk offsetowy (gravure-offset) nanoszenie przez dysze (ink jet printing) wykorzystanie systemu laserowego (laser patterning)
Sitodruk precyzyjny Sito kalandrowane (http://www.kuroda-electric.eu) Ultra thin super stainless steel mesh (SS) Müller, et al., 1st MacroNano Coll. on LTCC RF and Microsystem Int., Ilmenau 2006
Trawienie wysuszonej warstwy światłoczułej (FODEL) (1) (2) (1) (3) (2) (3) (4) 15 µm min. szerokość ścieżki 25 µm min. odległość między ścieżkami (4)
Trawienie wysuszonej warstwy światłoczułej (FODEL) sitodruk w = 100 m FODEL w = 25 m 15 µm min. szerokość ścieżki 25 µm min. odległość między ścieżkami
Trawienie wypalonej warstwy
Trawienie wypalonej warstwy Złote ścieżki na podłożu ceramicznym (Müller, et al., TU Ilmenau 2006) 25 µm min. szerokość ścieżki 25 µm min. odległość między ścieżkami
Druk offsetowy (gravure-offset) (1) (2) 15 µm min. szerokość ścieżki 25 µm min. odległość między ścieżkami
Nanoszenie przez dysze (ink jet printing) 30 µm min. szerokość ścieżki 30 µm min. odległość między ścieżkami
Nanoszenie przez dysze (ink jet printing) 30 µm min. szerokość ścieżki 30 µm min. odległość między ścieżkami Source: Nishi, CICMT Conference, Denver 2007 Linie przewodzące naniesione metodą ink-jet
Formowanie laserem (Laser patterning) Cewka formowana laserem: 10 µm szerokość ścieżki 10 µm odległość między ścieżkami Swenson et al., CICMT Conference, Denver 2007
Wytwarzanie wąskich ścieżek minimalne wymiary szer./odległość [μm] sitodruk standardowy 100/100 sitodruk precyzyjny 40/75 trawienie przed wypaleniem 15/25 trawienie po wypaleniu 25/25 druk offsetowy 15/25 nanoszenie przez dysze 30/30 formowanie laserem 10/10
Proces suszenia PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE (120 o C, 10 min) Proces suszenia (polimeryzacja etylocelulozy) KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA
Proces wypalania PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE WYPALANIE KOREKCJA (850 o C, 10 min cały cykl 60 min) MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA
Suszenie i wypalanie a) po nadrukowaniu b) po wysuszeniu c) po wypaleniu
Korekcja PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA
Korekcja rezystorów Korekcja - rozkład rezystancji a) po wypaleniu b) po korekcji
Rodzaje korekcji Korektor piaskowy strumień proszku korundowego ciśnienie powietrza: 6 at średnica dyszy: 300 500 μm ZALETY: - cena - prostota WADY: - szybkość - jakość nacięcia Korektor laserowy laser: Nd-YAG (1064 nm) moc: 5 10 W średnica wiązki: 15 80 μm ZALETY: - szybkość - jakość nacięcia WADY: - cena
Korekcja laserowa
Montaż PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE Flip chip SMT KOREKCJA Flip chip SMT MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA
Montaż struktur flip chip montaż drutowy montaż powierzchniowy
Układ z montażem flip chip Urządzenie do montażu struktur flip chip W12 Z9
PODŁOŻA PASTY PROJEKT SITA SITODRUK SUSZENIE WYPALANIE KOREKCJA MONTAŻ CIĘCIE TEST OBUDOWA
Etapy wytwarzania - podsumowanie Podłoże Sitodrukarka system laserowy Pasta Sitodruk Wypalanie Korekcja Montaż Obudowa Projekt Sito Urządzenie do montażu flip-chip Sito Piec
Podsumowanie - Podstawy technologii grubowarstwowej - Materiały i procesy