Podstawy Technik Wytwarzaniaw12.pwr.wroc.pl/lmg/wp-content/uploads/KM/W1 PTW.pdf · 2019-10-11 · Podstawy Technik Wytwarzania WYKŁAD 1 TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA Dr hab. inż

Podstawy Technik Wytwarzania

WYKŁAD 1

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. uczelni (M11 ul. Długa)

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

- Podstawy technologii grubowarstwowej

- Wysokotemperaturowe warstwy grube (cermetowe)

- Niskotemperaturowe warstwy grube (polimerowe)

(Etapy wytwarzania, właściwości, zastosowania)

Plan wykładu

PORÓWNANIE TECHNOLOGII

TECHNOLOGIA PÓŁPRZEWODNIKOWA

- najdroższa (długie serie tanie)

- najwyższa klasa czystości pomieszczeń

- najmniejsze wymiary (nano, mikro)

- elementy bierne i czynne, MEMS (Micro Electro Mechanical

Systems)

TECHNOLOGIA CIENKOWARSTWOWA

- droga

- średnia klasa czystości pomieszczeń

- wymiary mikro

- głównie elementy bierne, sensory


- najtańsza (krótkie serie niedrogie)

- wymiary mikro

- elementy bierne, obudowy, sensory

Technologie wzajemnie się uzupełniają


Układy cienkowarstwowe najczęściej wytwarza się

metodami nanoszenia w próżni (naparowywanie

termiczne, rozpylanie) cienkich warstw

przewodzących, rezystywnych i dielektrycznych na

podłoża izolacyjne (szkło, ceramika).

Inne metody osadzania warstw:

- osadzanie elektrochemiczne

- utlenianie anodowe

- utlenianie termiczne

- pyroliza (z fazy gazowej)

- metoda Langmuira-Blodgett (warstwy organiczne)



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 oC

Układy niskotemperaturowe –

temperatura utwardzania 100 – 350 oC


Układ grubowarstwowy


sitodruk w = 300 m

FODEL w = 100 m

moduł Bluetooth na podłożu

LTCC

elementy bierne

IC (Si)

Podłoże

100nF

IC-Package

I/Os I/Os

widok z góry

widok z dołu

Montaż przewlekany montaż powierzchniowy

HDP (High Density Packaging)

Obwody drukowane układy MCM

MCM


Informacje ogólne

Historia: - sitodruk

- sitodruk w elektronice (lata 30-te XX w.)

- pierwszy układ grubowarstwowy

(lata 40-te XX wieku)

- układy hybrydowe

- układy wielowarstwowe (MCM-C)

- układy LTCC (lata 80-te XX w.)

Technologia grubowarstwowaMateriały i właściwości

grubość warstw 5 - 15 m(35 - 45 m - dielektryk)

szerokość ścieżek (min) 300 m

(50 m - druk precyzyjny

15 m - fotolitografia)

warstwy przewodzące – Au, Ag, PdAg . . .

rezystancja powierzchniowa 5 m/

warstwy rezystywne – RuO2 , IrO2 , Bi2Ru2O7 , . . .

rezystancja powierzchniowa R = 10 107 /

TWR 50 ppm/K

Technologia grubowarstwowa – zalety

- niski koszt

- łatwość automatyzacji

- opłacalność krótkich serii

- miniaturyzacja

- dobre właściwości elektryczne

- różnorodność wykonywanych elementów

- odporność na wysokie temperatury

- wytrzymałość mechaniczna


PODŁOŻA

OBUDOWA

TEST

CIĘCIE

MONTAŻ

KOREKCJA

WYPALANIE

SUSZENIE

SITODRUK

SITA

PROJEKTPASTY

Etapy wytwarzania układu grubowarstwowego

Etapy wytwarzania - podłoża

Materiały:

- ceramika alundowa ( 96% Al2O3 )

- ceramika AlN

- ceramika berylowa

- podłoża stalowe

Właściwości:

- odporność na wysokie temperatury

- izolacja elektryczna

- przewodność cieplna

- rozszerzalność termiczna

- wymiary geometryczne

Etapy wytwarzania - podłoża

Ceramika AlN Al2O3 BeO LTCC

Przewodność termiczna

[W/m.K]

140-170 10-35 150-250 2-3

Rozszerzalność termiczna

[10-6/K]

4,6 7,3 5,40 5,8-7

Rezystywność [.m] 4x1011 > 1014 1013-1015 > 1012

Przenikalność

dielektryczna (1 MHz)

10 9,5 7 5,9-9

PASTYPODŁOŻA

OBUDOWA

TEST

CIĘCIE

MONTAŻ

KOREKCJA

WYPALANIE

SUSZENIE

SITODRUK

SITA

PROJEKTPASTY


PASTY

Etapy wytwarzania układu grubowarstwowego

Pasty wysokotemperaturowe

• składnik podstawowy

w. przewodzące - Au, Ag, PdAg, ...

w. rezystywne - RuO2, IrO2, Bi2Ru2O7, ...

(właściwości elektryczne)

• szkło

PbO - B2O3 - SiO2 (lub bez PbO)

(ρ, α, η=f (T) )

(przyczepność do podłoża)

• nośnik organiczny

rozpuszczalnik - korekcja η,

(reologia) - zmniejszenie napięcia pow.

- poprawa zwilżalności

etyloceluloza - przyczepność do podłoża po

suszeniu w temperaturze 120oC

Wydajność past

Pokrycie powierzchni

[cm2/g]

Sito

[M]

Au

Pt-Au

Pd-Ag

Pt-Ag

Cu

Pasta

dielektryczna

45 ÷ 55

40 ÷ 45

65 ÷ 75

55 ÷ 65

65 ÷ 75

75 ÷ 85

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 = 10 107 [/],

gdzie: - rezystywność warstwy rezystywnej

d – grubość warstwy

R = R. n

R – rezystancja

n – ilość kwadratów

n = L / w

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 = (R2 – R1)x106/[R1(T2 – T1)] = (50300) [ppm/K]

gdzie:R1 - rezystancja w temperaturze T1

R2 - rezystancja w temperaturze T2

Zimny TWR (T1 = 25oC, T2 = -55oC)

Gorący TWR (T1 = 25oC, T2 = 125oC)

Inne pasty

- dielektryczne

- izolacyjne

- lutownicze

- termistorowe

- warystorowe

- magnetorezystywne

- czujnikowe

- . . .

Etapy wytwarzania

PODŁOŻA

OBUDOWA

TEST

CIĘCIE

MONTAŻ

KOREKCJA

WYPALANIE

SUSZENIE

SITODRUK

SITA

PROJEKTPASTY PROJEKT

Projekt

Projektowanie rezystorów

Podstawowe kształty rezystorów grubowarstwowych:

Warstwa rezystywna

Warstwa przewodząca

Projekt

Typowe wymiary rezystorów grubowarstwowych

Oznaczenie Długość

[m]

Uwagi

L 1000 (500) 0,5<L/W<5 (0,3<L/W<10)

W szerokość zależy od tolerancji i mocy

D1 250 (125)

D2 250 (125)

D3 250 (200) zakładka

D4 500 (375) odległość od warstwy przewodzącej

D5 750 (500) odległość od krawędzi podłoża

D6 500 (500) odległość od warstwy dielektrycznej

(i) – w nawiasach podano wartości minimalne

Ilość □

103 kilka 10-2 10-4 ÷ 10-3

Warstwa rezystywna

Warstwa przewodząca

Projekt


Podstawowe parametry techniczne rezystorów grubowarstwowych:

R 1/ ÷ 100 M/

TWR ± 50 ppm/°C ÷ ± 300 ppm/°C

d - grubość warstwy 15 μm

rozrzuty wartości R ± 20%

Pr (podłoże alundowe 96% Al2O3) 8 W/cm2

Pp (powierzchnia całego podłoża) 0,25 W/cm2

S - wskaźnik szumów -35 ÷ +35 dB

Projekt

Projektowanie kondensatorów

Podstawowe kształty kondensatorów grubowarstwowych:

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

OBUDOWA

TEST

CIĘCIE

MONTAŻ

KOREKCJA

WYPALANIE

SUSZENIE

SITODRUK

SITA

PROJEKTPASTY

SITA

Sito

b

a

b

a

x 100% open = (a-b)

2

a 2

sito 200: a= 1/200''= 0.005'' b= 0.0021'' lub 0.0016''

b= 0.0021'' % open=

b= 0.0016'' % open=

x 100(0.005 - 0.0021)2

(0.005)2

= 33.64%

46.25%

sito 250:

b= 0.0014" % open= 42.25%

b= 0.0011" % open=

sito 325:

41.28%

SITO

mesh b [μm] % open grubość druku

[μm]

200 53 33.6 25

200 41 46.2 26

250 36 42.3 21

325 28 41.3 16

Zależności grubości nadrukowanej warstwy (po wysuszeniu) od gęstości sita (mesh)

Emulsja: (a) za cienka, (b) odpowiednia, (c) za gruba

B. Dziurdzia, AGH

Rozprawa doktorksa1998

Zdjęcia SEM sita pokrytego emulsją.

Emulsja: (a) za cienka, (b) właściwa grubość

(a)

(c)(a)

(b)

(b)

SITO

SitodrukPODŁOŻA

OBUDOWA

TEST

CIĘCIE

MONTAŻ

KOREKCJA

WYPALANIE

SUSZENIE

SITODRUK

SITA

PROJEKTPASTY

SITODRUK

Sitodruk

1

2

3 podłożesito

102

104

[P]

t

pasta na sicie pasta na podłożu

1 2 3

- lepkość pasty

sito podłoże

czas

rakla pasta sito rama

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)

Müller, et al., 1st MacroNano Coll. on LTCC RF and Microsystem Int., Ilmenau 2006

Sitodruk precyzyjny

Sito kalandrowane(http://www.kuroda-electric.eu)

Ultra thin super stainless

steel mesh (SS)

Trawienie wysuszonej warstwy światłoczułej

(FODEL)

(1)

(4)

(3)

(4)

(3)(2)

(2)

(1)

15 µm min. szerokość ścieżki

25 µm min. odległość między ścieżkami

sitodruk w = 100 m

FODEL w = 25 m

Trawienie wysuszonej warstwy światłoczułej

(FODEL)



Trawienie wypalonej warstwy

http://interfarm.pl/galerie/s/suszarka-laboratoryjna_90.jpg


Złote ścieżki na podłożu ceramicznym

(Müller, et al., TU Ilmenau 2006)



Trawienie wypalonej warstwy

Druk offsetowy (gravure-offset)

(1)

(2)



Nanoszenie przez dysze (ink jet printing)



Linie przewodzące naniesione

metodą ink-jetSource: Nishi, CICMT Conference, Denver 2007



Nanoszenie przez dysze (ink jet printing)

Formowanie laserem

(Laser patterning)

Swenson et al., CICMT Conference, Denver 2007

Cewka formowana laserem:

10 µm szerokość ścieżki

10 µm odległość między ścieżkami

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 suszeniaPODŁOŻA

OBUDOWA

TEST

CIĘCIE

MONTAŻ

KOREKCJA

WYPALANIE

SUSZENIE

SITODRUK

SITA

PROJEKTPASTY

SUSZENIE

(120 oC, 10 min)

Proces suszenia

(polimeryzacja etylocelulozy)



Proces wypalania

PODŁOŻA

OBUDOWA

TEST

CIĘCIE

MONTAŻ

KOREKCJA

WYPALANIE

SUSZENIE

SITODRUK

SITA

PROJEKTPASTY

WYPALANIE(850 oC, 10 min

cały cykl 60 min)

a )

b )

c )

po nadrukowaniu

po wysuszeniu

po wypaleniu

Suszenie i wypalanie

KorekcjaPODŁOŻA

OBUDOWA

TEST

CIĘCIE

MONTAŻ

KOREKCJA

WYPALANIE

SUSZENIE

SITODRUK

SITA

PROJEKTPASTY

KOREKCJA

Korekcja - rozkład rezystancji

a) po wypaleniu

b) po korekcji

Korekcja rezystorów

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

MontażPODŁOŻA

OBUDOWA

TEST

CIĘCIE

MONTAŻ

KOREKCJA

WYPALANIE

SUSZENIE

SITODRUK

SITA

PROJEKTPASTY

KOREKCJA

Flip chip SMTSMTFlip chip

MONTAŻ

Montaż struktur

flip chip montaż drutowy montaż powierzchniowy

Układ z montażem flip chip

Urządzenie do montażu

struktur flip chip

W12 Z9

PODŁOŻA

OBUDOWA

TEST

CIĘCIE

MONTAŻ

KOREKCJA

WYPALANIE

SUSZENIE

SITODRUK

SITA

PROJEKTPASTY

OBUDOWA

Etapy wytwarzania - podsumowanie

MontażKorekcjaWypalanieSitodruk

Podłoże

SitoProjekt

Pasta Obudowa

Sito Piec

Urządzenie do montażu flip-chip

Sitodrukarka system laserowy

Układy polimerowe

Tutw = 150 ÷ 200 oC (400 oC)

Tanie

Dowolne podłoża

Dobre właściwości elektryczne

Rodziny past:

- rezystywne (sadza, grafit, Ag)

- przewodzące (Ag)

- dielektryczne

- kleje (różne)

Wady: stabilność, dopuszczalne moce i T pracy

• Faza funkcjonalna (decyduje o właściwościach elektrycznych)

– kompozycja przewodząca (płatki metaliczne np. Ag)

– kompozycja rezystywna (grafit, sadza nisko-i wysokostrukturalna)

• Faza nośna (zapewnia adhezję do podłoża, temp. utwardzania)

– żywice (np. epoksydowa …)

– polimery (np. polietylen, polistyren, polichlorekwinylu …)

• Wypełniacze (modyfikacja właściwości elektrycznych, mechanicznych oraz cieplnych)

– tlenki nieorganiczne (np. CaO, ZnO, TiO2 …)

– parafina,

– są fazą funkcjonalną dla kompozycji dielektrycznych,

• Rozcieńczalniki i rozpuszczalniki (zapewniają odpowiednią reologię)

Pasty niskotemperaturowe (polimerowe)

Pasty niskotemperaturowe

(polimerowe)

warstwy przewodzące – Ag, Al, Ni, Cu . . .

rezystancja powierzchniowa R 30-60 m/

zawartość fazy aktywnej: 60 – 70% obj.

warstwy rezystywne – grafit, sadza. . .

rezystancja powierzchniowa R = 10 106 /

TWR -500 ppm/K

- niskotemperaturowe (poniżej 423 K)

- średniotemperaturowe (423 do 523 K)

- wysokotemperaturowe (powyżej 523 K)

srebro

żywica

(polimer)


(polimerowe)

Podłoża:

- ceramika (np. alundowa)

- emaliowane podłoża stalowe

- laminaty

- folie z tworzyw sztucznych

- papier, tektura nasycone tworzywami

- …

Nanoszenie:

- sitodruk

- głowica drukująca (ink-jet printing)

- natryskiwanie

- malowanie


(polimerowe)

Sposoby utwardzania:- konwekcyjnie(w piecu komorowym lub strefowym w atmosferze powietrza, temperatura procesu

zawiera się w przedziale od 353 do 673 K)

- podczerwienią (IR)

(podgrzanie i utwardzanie warstwy następuje na skutek absorpcji promieniowania

cieplnego o długości fali l = 3,5 – 4 m)

- ultrafioletem (UV)(warstwa jest uczulana na promieniowanie UV poprzez dodanie tzw. fotoinicjatora.

W wyniku absorpcji wysokoenergetycznego promieniowania fotoinicjatory ulegają

rozpadowi, a pojawiające się wolne rodniki reagują z ciekłymi żywicami prowadząc

do sieciowania merów i utwardzenia warstwy).

- mikrofalami

(w wyniku absorbcji mikrofal przez cząstki polarne warstwy następuje pobudzenie

ruchów tych cząstek. Drgania cząstek powodują wzrost temperatury).

- wiązką elektronów

Zastosowanie past polimerowych

- warstwy przewodzące

- kleje przewodzące izo- i anizotropowe

- warstwy rezystywne

- potencjometry

- elementy grzejne

- przełączniki dotykowe

- klawiatury

- bezpieczniki wielokrotnego zadziałania

- czujniki

- ekrany elektromagnetyczne

- elementy elektroluminescencyjne

- . . .


Izotropowe i anizotropowe kleje przewodzące

Zawartość fazy funkcjonalnej:

40-70% obj. (po utwardzeniu)

Rezystancja połączenia:

10 – 50 m

Maksymalny prąd:

300 – 500 mA


Izotropowe i anizotropowe kleje przewodzące


5-20% obj. (po utwardzeniu)


10% obj. (po utwardzeniu), Ni

Zastosowanie past polimerowych (RF ID)

ANTENA

CZYTNIK

źródło: Alfacod.it

www.pragmatyxs.com

Elementy elektroluminescencyjne

M. Cież, Rozprawa doktorska, AGH, 2006


Elastyczna elektronika

- Podstawy technologii grubowarstwowej

- Wysokotemperaturowe warstwy grube (cermetowe)

- Niskotemperaturowe warstwy grube (polimerowe)

(Etapy wytwarzania, właściwości, zastosowania)

Podsumowanie

Documents

Podstawy Technik Wytwarzaniaw12.pwr.wroc.pl/lmg/wp-content/uploads/KM/W1 PTW.pdf · 2019-10-11 · Podstawy Technik Wytwarzania WYKŁAD 1 TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA Dr hab. inż