wykŁad 1 dr hab. inż. karol malecha, prof. uczelni (m11 p. 144...
TRANSCRIPT
Mikrosystemy ceramiczne
WYKŁAD 1
Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni
(M11 p. 144 ul. Długa)
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Egzamin:
28 styczeń 2019, poniedziałek
Wykłady dostępne na stronie www:
http://w12.pwr.wroc.pl/lmg/
1. Informacje ogólne
2. Podstawy technologii grubowarstwowej
3. Techniki nanoszenia i formowania warstw grubych na
podłożach ceramicznych
4. Podstawy technologii LTCC
5. Techniki formowania przestrzennego ceramiki LTCC
6. Metody łączenia ceramiki LTCC z innymi materiałami
7. Mikrosystemy LTCC
Mikrosystemy ceramiczne
Literatura
M. Prudenziati et al., „Thick Film Sensors”,
Elsevier Science, 1994
J.W. Gardner, „Microsensors” Wiley, 1994
L. Golonka, „Zastosowanie ceramiki LTCC
w mikroelektronice”, 2001
L. Golonka, K. Malecha, „Ceramic
microsystems”, 2011
A. Dziedzic i in., „Technika
grubowarstwowa i jej zastosowania”, 1998
Literatura
Literatura
Dostępne w DBC
Literatura
Literatura
Definicje
MEMS, ang. Micro–Electro–Mechanical Systems lub Micromachined Electrical
Mechanical Systems, mikrosystemy elektromechaniczne,
stacjonarne albo ruchome struktury, urządzenia lub systemy, o wymiarach
liniowych od pojedynczych cm do pojedynczych µm, wytwarzane za pomocą
mikroobróbki materiałów.
Ceramika - nieorganiczne i niemetaliczne materiały otrzymywane w wyniku procesu
ceramicznego; także technologia wytwarzania takich materiałów oraz nauka
obejmująca badania dotyczące ich otrzymywania, właściwości i zastosowania.
Czujnik - urządzenie lub substancja, w których pod działaniem bodźców
(np. promieniowania, zmian temperatury), pochodzących od badanego obiektu,
zachodzą zmiany dostarczające informacji o tym obiekcie.
Encyklopedia PWN https://encyklopedia.pwn.pl
Teledyne
Ultra-compact microelectromechanical systems (MEMS)
gyroscope incorporating wafer-scale vacuum packaging.
10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101
1 mm 1 mm 1 m
człowiek
pompa
telefon
TVchip
włos
owad
MEMS
Część oka
muchy
tranzystor
Rozmiary geometryczne
10-10 10-9 10-8 10-7 10-6
bakteria
NEMSnanomateriały
DNA
atom wirus
Rozmiary geometryczne
Mikrosystemy
Układy MEMS rozumiane jako mikrosystemy powinny składać się z: czujników
wielkości fizycznych i chemicznych, procesorów, służących do przetwarzania
informacji uzyskanych z czujników, oraz aktuatorów, tj. członów wykonawczych,
sterowanych sygnałami wysyłanymi przez procesor.
Do układów MEMS zalicza się też układy: MOEMS (ang. Micromachined Optical
Electrical Mechanical Systems), RFMEMS (ang. Radio Frequency
Micromachined Electrical Mechanical Systems) i BioMEMS.
Układy MOEMS zawierają m.in.: zminiaturyzowane lustra, soczewki, a także
sprzęgacze, mieszacze, rozdzielacze, filtry i multipleksery optyczne oraz matryce
czujników fizycznych lub chemicznych.
RFMEMS są układami MEMS pracującymi w zakresie częstotliwości radiowych
pola elektromagnetycznego, w tym mikrofal; należą do nich: zminiaturyzowane
filtry elektr., rezonatory, oscylatory, przełączniki antenowe.
Najważniejszymi elementami układów BioMEMS są bioczujniki, odznaczające
się specyficzną selektywną reakcją na obecność pewnych substancji
organicznych, np. DNA, białek, glukozy. Termin BioMEMS jest związany z często
używanymi terminami: biochip i laboratorium na chipie (ang. Labs on a chip).
Encyklopedia PWN https://encyklopedia.pwn.pl
B. Licznerski
MOEMS
Source: www.digi-news.ch
PORÓWNANIE TECHNOLOGII
TECHNOLOGIA PÓŁPRZEWODNIKOWA
- najdroższa (długie serie tanie)
- najwyższa klasa czystości pomieszczeń
- najmniejsze wymiary (nano, mikro)
- elementy bierne i czynne
TECHNOLOGIA CIENKOWARSTWOWA
- droga
- średnia klasa czystości pomieszczeń
- wymiary mikro
- głównie elementy bierne, sensory
Source: Qualtech Systems
Source: Premier Solutions
TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA
- najtańsza (krótkie serie niedrogie)
- wymiary mikro
- elementy bierne, obudowy, sensory
Technologie wzajemnie się uzupełniają
Source: CENS.com
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 oC
Układy niskotemperaturowe (polimerowe) -
temperatura utwardzania 100 - 350 oC
Technologia grubowarstwowa – materiały i właściwości
grubość warstw 5 - 15 mm(35 - 45 mm - dielektryk)
szerokość ścieżek (min) 150 mm
(50 mm - druk precyzyjny
15 mm - 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
rakla pastasito
rama
emulsja
podłoże
Proces sitodruku
TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA
Inne techniki wytwarzania warstw grubych:
• Druk strumieniowy (ink jet printing)
• Druk offsetowy (gravure-offset)
• Trawienie wypalonej warstwy (photoimageable paste)
• Warstwy światłoczułe (photosensitive paste)
• Formowanie za pomocą lasera (laser patterning)
Wielowarstwowe układy typu MCM
(LTCC)
MCM – multichip module
MCM – moduł wielostrukturowy
Struktura wielowarstwowa o bardzo dużej liczbie
wewnętrznych połączeń elektrycznych pomiędzy
nieobudowanymi układami scalonymi, głównie VLSI,
połączonymi w dużą jednostkę funkcjonalną
MCM – C (Ceramics)
Zbudowane z podłoży ceramicznych wielowarstwowych
współwypalanych lub wielowarstwowych układów
grubowarstwowych na podłożu ceramicznym
MCM – D (Deposition)
Wytworzone przez osadzanie cienkich warstw metalicznych lub
dielektrycznych na krzemie, diamencie, ceramice lub podłożu
metalowym
MCM – L (Lamination)
Wykonane podobnie jak laminatowe wielowarstwowe obwody
drukowane
Podział układów MCM
Multichip Module (MCM)
MCM-C(ceramics)
MCM-D(deposition)
MCM-L(laminate)
MCM
TFM
(thick film)850ºC – 1000ºC Au, Ag, Cu
LTCC
(low temp.)850ºC – 1000ºC Au, Ag, Cu
LTCC – Low Temperature Cofired Ceramics
HTCC
(high temp.)1600ºC – 1800ºC;H2 W, Mo
HTCC – High Temperature Co-fired
Ceramics
HTCC/LTCC:
Naprzemienne drukowanie
materiałów przewodzących, rezystywnych
i dielektrycznych.
„Drukowane” otwory przelotowe (via).
Nanoszenie materiałów przewodzących
na poszczególne warstwy układu.
Otwory przelotowe wycinane w poszczególnych
warstwach i wypełniane materiałem przewodzącym.
ceramika (Al2O3)
metalizacja
dielektryk
via
HTCC/LTCC
metal 1
metal 2
via
metal 3
metal 4
MCM - C
TFM:
MCM-L
24,0 x 24,0
MCM-D
23 x 11,5
MCM-C
12,5 x 12,5 x 7,5
Jednostka: mm
Układ elektroniczny wykonany za pomocą trzech różnych technologii
Multichip Module (MCM)
Parametr MCM-L (PCB) MCM-C (LTCC) MCM-D
Podłoże FR-4, BT, FR-5 Szkło-ceramika Si, szkło, szafir
Stała dielektryczna, er 4,9 / 3,9 / 4,7 4 – 12 12 / 5 / 10
Współczynnik start, tgd 0,015 / 0,009 / 0,01 0,0003 – 0,003 0,005 / 0,003 / 0,0001
Przewodność cieplna
(W/mK)
0,2 – 0,4 2 – 4,6 100 / 1,7 / 42
Wsp. rozszerzalności
cieplnej (ppm/K)
15 / 15 / 13 4,4 - 7 2,6 / 1 / 8
Liczba warstw 8 ~30 (100) 6
Mat. przewodzące Cu Ag, PdAg, Au, Pt,
Cu, PtAu, PdAu
Al, Cu, Au
Rezystywność (10-8 m) 1,7 1,2 – 1,7 2,6 / 1,7 / 2,1
Szerokość ścieżki (mm) 100 50 5
Częstotliwość (GHz) < 10 < 25 (40) < 50
Koszt Niski (0.05) Średni (0.2) Wysoki (1)
MCM – porównanie
S. Dei, Motorola Labs
Ceramika
Ceramika - nieorganiczne i niemetaliczne materiały otrzymywane w wyniku
procesu ceramicznego; także technologia wytwarzania takich
materiałów oraz nauka obejmująca badania dotyczące ich
otrzymywania, właściwości i zastosowania.
Ogólnie proces wytwarzania wyrobów ceramicznych obejmuje następujące
czynności: przygotowanie masy do formowania, formowanie, suszenie,
wypalanie, niekiedy szkliwienie i zdobienie.
Wypalanie odbywa się w temperaturze ok. 900–2000°C. W miarę
podwyższania temperatury wzrasta stopień spieczenia, co powoduje
zmniejszenie porowatości, wzrost wytrzymałości mechanicznej
i odporności chemicznej oraz polepszenie właściwości dielektrycznych.
Encyklopedia PWN https://encyklopedia.pwn.pl
- odporność na działanie wysokich temperatur
- odporność na korozję względem kwasów i zasad
- wysoka twardość
- wysoka wytrzymałość na ściskanie
- niska wytrzymałość na rozciąganie
- mała przewodność cieplna
- niska rozszerzalność cieplna
- duża kruchość
O właściwościach materiałów ceramicznych w znacznym stopniu decyduje ich
struktura krystaliczna i struktura fazy szklistej; w zależności od rodzaju i ilości
składników, technologii wytwarzania i sposobu formowania można uzyskać
gotowe wyroby o wymaganych właściwościach i kształtach.
Właściwości ceramiki
Politechnika Gdańska
Ceramika
Ceramika inżynierska – podział ze względu na surowce
Politechnika Gdańska
Właściwości ceramiki będącej dobrym izolatorem elektrycznym:
Stała dielektryczna* ε ≤ 30
Rezystywność ρ ≥ 1012 (Ω cm)
Współczynnik strat dielektrycznych tg δ ≤ 0,001
Wytrzymałość dielektryczna ≥ 5 kV/mm
Ceramika (Al2O3 90 – 99 %):
Stała dielektryczna ε = 8,8 – 10,1
Rezystywność ρ = 1016 (Ω cm)
Współczynnik strat dielektrycznych tg δ = 0,0003 – 0,002
Wytrzymałość dielektryczna 9,9 – 15,8 kV/mm
Właściwości ceramiki (elektronika)
*Względna przenikalność elektryczna
Wybrane właściwości różnych ceramik stosowanych
w elektronice
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 5,4 5,8-7
Rezystywność [.m] 4x1011 > 1014 1013-1015 > 1012
Przenikalność elektryczna
e (1 MHz)
10 9,5 7 5,9-9
Elementy grzejne
Czujniki temperatury
Czujniki ciśnieniaElementy bierne Czujniki siły
Czujniki gazu
Czujniki przepływu
gazu
Elementy bierne
Czujniki przepływu
gazu
Technologia grubowarstwowa i LTCC -
przykładowe zastosowania
Układy
mikrofluidyczne
Czujnik
przyspieszenia
Biosensory
Technologia grubowarstwowa i LTCC -
przykładowe zastosowania
Układy czujnikowe
Obwody
mikrofalowe
Obwody
mikrofalowe
Lab-on-chip
Komunikacja
bezprzewodowa
Zalety i wady czujników
grubowarstwowych i LTCC
Zalety
- prosta i tania technologia
- niski koszt i krótki czas opracowania nowego prototypu
- dobre właściwości elektryczne i mechaniczne
- różnorodność wykonywanych elementów
- integracja czujników
- odporność na wysoką temperaturę i wpływ otoczenia
- odporność na chemiczna
- integracja całego systemu (czujnik, przetwornik, elektronika)
Wady
- rozmiary
- brak elementów aktywnych
- . . .
Etapy wytwarzania (technologia grubowarstwowa)
MontażKorekcjaWypalanieSitodruk
Podłoże
SitoProjekt
Pasta Obudowa
Sito Piec
Urządzenie do montażu flip-chip
Sitodrukarka system laserowy
Etapy wytwarzania (technologia LTCC)
AUREL VS 1520 A
Sitodrukarki
DEK 1202
Wyposażenie Laboratorium Mikrosystemów
Grubowarstwowych PWr
Parametry
» precyzja zgrywania: ± 12 µm
» rozmiar sit: 14×14″
» regulacja stolika w osi X-Y: ± 12 mm
» regulacja stolika w zakresie: ± 4°
» regulacja sita w osi Z: ± 6 mm
» prędkości druku: 1-300 mm/s
» nacisk rakli: 1-16 kg
» inspekcja optyczna nadruków
» automatyczny system zgrywania
Urządzenie do wywoływaniaNaświetlarkaProces światłoczuły:
» max. ciśnienie (20 MPa)
» stabilizacja temp. (up to 90oC)
Prasa izostatyczna
Wyposażenie Laboratorium Mikrosystemów
Grubowarstwowych PWr
Piec tunelowy
Piec komorowy
Tmax = 1600oC
» laser Nd-YAG
» lmax = 355 nm
» rozdzielczość: 5 µm
» średnica plamki: 15 µm
» częstotliwość: 100-50 000 Hz
» średnia moc: 4.7 W
System laserowy
» Tmax = 1050 oC
» Możliwość wypalania w powietrzu lub azocie
Wyposażenie Laboratorium Mikrosystemów
Grubowarstwowych PWr
Montaż powierzchniowy
Flip chip
Wyposażenie Laboratorium Mikrosystemów
Grubowarstwowych PWr