TLUSTÉ VRSTVY (Thick Films) (2)

Transkript

1 TLUSTÉ VRSTVY (Thick Films) (2) Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc., Fellow IMAPS Vysoké Učení Technické v Brně, FEKT, ÚMEL szend@feec.vutbr.cz BMTS,

2 Obsah Úvod tlusté vrstvy Sítotiskové pasty Depozice past - sítotisk a síta - šablonový tisk - popisem (writing) Sintrace (výpal) tlustých vrstev Tlustovrstvové pasty Vrstvový odpor a návrh rezistorů Návrh kondenzátorů a cívek LTCC

3 Úvod Miniaturizace hardware Mikroelektronika Konstrukční (assembly) substraty (DPS, keram.) Obvodová Funkční Diskrétní prvky Optoelektronika Konstrukční prvky Polovodičové IO Vrstvové IO Mikrovlnná Moduly MCM Monolitické TV (Tenké vrstvy) Akustoelektronika Pouzdra Na izolačních podložkách TLV.. LTCC Bioelektronika COIC, BGA, CSP CMOS, BiCMOS, CCD, BiCMOS. polymerní Kvantová elektronika atd. MEMS, atd.

4 Tlusté vrstvy - úvod TLV jsou vytvářeny nanášením funkčních materiálů ve formě pasty na keramické substráty aditivním způsobem. Charakteristickým znakem tlustovrstvové technologie používané v elektronice pro realizaci vodivých, odporových a dielektrických vrstev je amorfní struktura vytvořená nevakuovými depozičními metodami (nejčastěji sítotiskem), a následným výpalem při teplotě kolem 850 C. Tloušťky vrstev po výpalu se pohybují řádově v desítkách m, tedy přibližně o dva řády více než je tomu u tenkých vrstev.

5 Tlustovrstvové struktury

6 Tlustovrstvové hybridní integrované obvody

7 Tlusté vrstvy - TLV Tlusté vrstvy jsou založeny na fyzikálních a chemických jevech z oblasti elektrotechniky, pro jejichž využívání jsou aplikovány materiálové směsi nabízené jejich výrobci ve formě past (tixotropní pasty DuPont, ESL, Hereaus ). Tyto pasty mohou být vodivé, odporové nebo dielektrické a lze s nimi vytvořit tlustovrstvové (TLV) nebo tenkovrstvové (TV) pasivní sítě. Pod pojmem TLV/TV hybridní integrované obvody (HIO) jsou obecně chápány elektrické obvody (pasivní i aktivní sítě) vytvořené TLV/TV technologií, doplněné polovodičovými součástkami. Jsou-li polovodiče ve formě čipů, jedná se o klasický TLV HIO, naopak jsou-li ve formě SMD součástek, jedná se o povrchově montovaný HIO. Takové obvody se skládají z elektrických prvků a mají většinou jednoznačný elektrický model. Naproti tomu obvody, ve kterých je využit takový děj (fyzikální, chemický, ), při němž je signál šířen jinou cestou než elektrickou, jsou obecně řazeny do oblasti nekonvenčních aplikací tlustých vrstev. Pole nekonvenčních aplikací se v současnosti velmi rychle rozšiřuje a vyvíjí.

8 Tlusté vrstvy - využití Mezi nejčastější využití tlustých vrstev vedle realizace výkonových či mikrovlnných obvodů patří nekonvenční aplikace, kam lze v současnosti zahrnout oblast optických displejů, topných elementů, solárních článků, antén pro čipové karty, vysokonapěťové izolace, rychlých tlustovrstvových pojistek, vysokoteplotních supravodičů, piezoreproduktorů ahlavně senzorů, včetně biosenzorů.

10 Tlusté vrstvy - pasty Materiály používané v elektronice pro vytváření pasivních sítí jsou dodávány ve formě past (Inks) s definovanou viskozitou. Tlustovrstvové pasty představují heterogenní termodynamický systém, tj. systém s více složkami o různých chemických a fyzikálních vlastnostech s odděleným povrchovým rozhraním. Vyznačují se tixotropními vlastnostmi, což znamená, že jejich viskozita se mění v závislosti na mechanickém tlaku

11 Příprava past Pasty jsou připravovány z práškových materiálů mícháním a roztíráním (rozpracováním) těchto komponent s pojivem (např. terpineol), které dodá příslušné pastě potřebnou viskozitu. Materiálové kompozice jsou připravené ve formě práškových frit, pokud možno s co nejdefinovanějším tvarem jednotlivých částic (o průměru 5 m) tak, aby byly zaručeny jak dobré tiskové vlastnosti, tak také homogenita pasty při jejím nanášení a následném výpalu.

12 TLV pasty a reologie (1) slavné zvolání starořeckého filozofa Herakleita Panta rhei!, neboli Vše plyne. Řecké slovo rhein znamená téci a rheologie/reologie je tedy nauka o toku a plynutí, přesněji řečeno, je to věda o časově závislých tokových a deformačních procesech v různých materiálech. Předmětem nauky o toku neboli rheologie jsou různé kapaliny, ale i mnoho dalších materiálů, které tvoří přechod mezi pevnými látkami a kapalinami. Za určitých okolností totiž všechny materiály tečou. Sem patří především čas. Ve starozákonním zpěvu prorokyně Debory se vyskytuje verš skály tekly před Hospodinem. Podle tohoto Debořina zpěvu bylo v rheologii zavedeno takzvané Debořino číslo t rel je relaxační doba daného materiálu, která charakterizuje rychlost molekulárních přeskupení. (je velice krátká pro tekutou vodu a velmi dlouhá pro tvrdou žulu) t obs je doba pozorování. Čím menší je Debořino číslo, tím tekutější se jeví daný materiál. (Pokud je pozorovací doba nekonečně dlouhá, tečou i skály. A také naopak, na samém počátku podmořské exploze se i voda může jevit jako velmi tvrdý a tuhý materiál).

13 Tlustovrstvové pasty reologie (2) Reologie - vědní obor mechaniky spojitých prostředí Zkoumá a modeluje deformační vlastnosti látek (deformace ε, napětí σ) Euklidova hmota Hookova hmota (Newtonova hmota) Pascalova hmota

14 TLV pasty a reologie (3) Středoškolská fyzika zná dva zákony, které jsou základem veškeré mechaniky. Jsou to: Newtonův zákon viskózního toku, který definuje viskozitu Hookův zákon o deformaci tuhých těles.

15 TLV pasty a reologie (4) Zatímco Newtonův zákon viskózního toku je základem mechaniky kapalin, na opačné straně mechaniky materiálů je Hookův zákon deformace tuhých těles. Když jej Robert Hooke experimentálně objevil, dlouho se trápil pochybnostmi a nejprve zveřejnil v roce 1676 tajuplný anagram ceiiinosssttuv, o němž prohlásil, že skrývá skutečnou teorii pružnosti. Teprve o tři roky později uveřejnil úplný článek, v němž prozradil, že záhadný nápis lze přepsat do latinského výroku Ut tesion sic vis neboli Jaké protažení, taková síla. Při tahovém zatížení je mechanické napětí σ přímo úměrné deformaci ε neboli Ϭ se nazývá prostě napětím, ε relativním prodloužením a konstanta E Youngovým modulem pružnosti (modulem pružnosti v tahu). Grafem takového vztahu je přímka a její směrnice je tentokrát Youngův modul pružnosti E (odpor ideálně hookeovského tělesa proti deformaci závisí na její velikosti, ale vůbec nezávisí na rychlosti).

16 TLV pasty a reologie (5) Newtonův zákon: proudí-li kapalina trubkou nebo kanálem, není její rychlost stejná po celém průřezu. U stěny je kapalina klidnější, ale směrem ke středu je proud stále prudší. Pozorování toku řeky přivedlo Isaaka Newtona na myšlenku, že uvnitř kapaliny existuje tření, které přenáší pohyb od jedné její vrstvy ke druhé. Mírou tohoto tření a zároveň charakteristikou dané kapaliny je viskozita. V jednoduchém případě (Newtonovské kapaliny voda) existuje přímá úměra mezi smykovou rychlostí γ a smykovým napětím σ. Konstanta úměrnosti mezi těmito dvěma veličinami je právě viskozita η: σ Daleko běžnější jsou kapaliny ne-newtonovské, které mění viskozitu v závislosti na tlaku a čase. Ty se nazývají tixotropní (tlusté vrstvy), které mění viskozitu v závislosti na tlaku.

17 Tlustovrstvové pasty - složení Tři základní složky: Funkční (určuje charakter pasty drahé kovy u vodivých past, dielektrické materiály u dielektrických past,oxidy u odporových past) Tavivová (nízkotavná skla pro vytvoření vazby na substrát) Pojivová (organické materiály např. terpineoil pro dosažení potřebné viskozity, při sintraci se odpaří)

18 TLV pasty kovová frita (prášek)

20 Způsob nanášení viskózních materiálů Nanášení tlustých vrstev se v mikroelektronice provádí následujícími způsoby: sítotiskem šablonovým tiskem popisem (writing) přímé způsoby (jehlou, hrotem, dispenzerem)

21 Princip sítotisku

22 Průběh viskozity v procesu sítotisku Nejnižší viskozity dosahují pasty při nanášení stěrkou v okamžiku odskoku síta (bod C), kdy dochází k přenosu pasty na substrát.

23 Ruční sítotisk Automatický sítotisk

24 Pracoviště sítotisku Electro Science Laboratory DuPont Heraeus Tanaka, Senju, Sumitomo Metal Japan CLEC Group, Jiangyin Mengyou Electric

25 Faktory působící v průběhu sítotisku

26 Síta Tabulka :Parametry polyesterových sít používaných pro nanášení pájecích past Počet ok na Průměr vlákna Tloušťka síta Světlost oka Světlost síta Teoret. objem protlač. pasty (palec/cm) (cm2) ( m) ( m) ( m) (%) ( m 3 /oko) 35/ ,2 197,5 60/ ,8 113,5 80/ ,5 75,5 100/ ,7 59,5 130/ ,7 45 T l 160/ ,2 38 u s 205/ t é 240/ ,7 19,5 305/ ,9 16 P á j e c í p a s t y v r s t v y

27 Parametry síta Tkaná síta, které jsou vyráběny z nerezové oceli, nebo pomocí polymerních materiálů. A o světlost síta

28 Parametry síta a tloušťka čáry b min 2 d w b min - minimální hodnota tloušťky čáry d - průměr vlákna w - šířka oka t - tloušťka síta

29 Pružnost a protažení síta

30 Osnova síta a šablona Přímá (emulze) Nepřímá (fólie) Síto se pak opatří vrstvou světlocitlivé emulze s tloušťkou 25μm, která uzavře všechny jeho otvory. Ovrstvené síto se osvětlí přes fotomatrici ultrafialovým světlem a neosvětlené části emulze se vyplaví ve vodě. Šablona zhotovena popisovaným způsobem se nazývá přímou sítotiskovou šablonou. U nepřímých sítotiskových šablon se používá místo maskovací emulze šablonových filmů, u kterých je světlocitlivá emulze na pomocném plastovém nosiči. Motiv tištěného obrazce je zhotoven předem a pak přenesen na síťku.

31 Příklad síta se šablonou

32 Šablonový tisk Šablonový tisk je svou základní podstatou obdobou sítotisku. Rozdíl je v provedení šablony, jejíž motiv určený k tisku je vytvořen v pevném (tuhém) materiálu, kterým často bývá ocelová nebo bronzová planžeta (např. CuSn6). Šablona se přikládá kontaktně přímo na substrát, takže hodnota odtrhu o po celou dobu tisku rovna nule (viz obr.). Vlastní odtrh šablony od substrátu (anglicky snap-off ) je pak proveden mechanickým pohybem, zpravidla stolu tiskového stroje, až po ukončení pohybu stěrky a tedy po nanesení pasty do volného prostoru (motivu) v šabloně. Po odtrhu je pasta příslušného tvaru odpovídajícího nanášenému motivu přenesena na substrát. Je zřejmé, že tištěné motivy musí být natolik uzavřené plochy aby nebyla narušena tuhost šablony. Rychlost odtrhu musí být dostatečná proto, aby se šablona dobře oddělila od nanesené pasty a aby zůstal zachován nanesený obrazec (~ 10 mm/s ). Tři postupné základní kroky při šablonovém tisku jsou znázorněny na obr

33 Šablonový tisk Šablonový tisk je metoda nanášení podobná sítotisku, rozdíl je v tom, že namísto síta je použita do rámu upnutá kovová šablona s vytvořeným motivem (leptáním nebo laserem). Šablona je přiložena přímo na substrát a její odskok je proveden po nanesení pasty do volných prostorů celoplošně. Tento způsob tisku je vhodný pro nanášení souvislých ploch, nikoliv však dlouhých a složitých čar. Proto se používá k vytváření kontaktních plošek a k nanášení pájecích past.

34 Chemické leptání šablon Chemické leptání Šablona se vytváří chemickým odleptáním plechu z nerezové oceli, kdy se na plech nanáší obraz z chemicky odolné látky, která chrání místa, která nemají být odleptána. Tato metody vytváří šikmé hrany, které mohou způsobit zatékání past při velmi jemných strukturách i když jsou hrany otvoru hladké

35 Laserové řezání šablon Šablony se vytváří řezáním pomocí laserového paprsku do kovové desky. Laser řeže otvory do kovové desky kontinuálně s lichoběžníkovými hrany (s proměnnou kuželovitostí). Tyto šablony jsou obecně drahé než chemicky leptané šablony. Vnitřní stěny mohou pomocí elektrolytickému leštění dosáhnout hladkého povrchu. Metoda je vhodná pro velmi přesné aplikace a pro waferový tisk.

36 Galvanoplastické šablony Šablony vytvořené touto metodou jsou nejlepší pro velmi jemné struktury a waferový tisk. Proces se skládá z nanášení niklu na fotoaktivní plastovou vrstvu pokovováním, která se mění působením světla na požadovaný obraz šablony. Fotoaktivní vrstva je odstraněna, když je dosažena tloušťka niklové vrstvy dosáhne 25 (m. Šablona vytvořená touto metodou je 5-10x levnější než šablona vytvořená laserovým řezáním o stejném množství otvorů.

37 Návrh šablony Tloušťka šablony t se volí podle rozměrů motivu Kritický je minimální rozměr x min čáry (vodiče) Platí obecné pravidlo, že nejmenší rozměr pravoúhlého motivu musí být více než 0,66 tloušťky šablony, což lze vyjádřit vztahem: Xmin : t = 1 : 1,5

38 Nanášení popisem (DirectWriting) Základní části zařízení: Plotter obsahující dávkovací jednotku (dispenser) a pohon stolku (manipulátor) Řídící jednotka s řídícím software PLOTTER DRIVE UNIT CAD DATA DISPENSING UNIT X,Y,Z AXIS

39 Zařízení pro writing

41 Výpal sintrace tlustých vrstev Po nanesení vrstvy na keramický substrát je nutné vrstvu aktivovat tepelným sintrováním V jeho průběhu se vytváří spojení vrstvy se substrátem a na povrchu se formuje aktivní struktura Vypálená vrstva je tvrdá a odolná vůči mechanickým i chemickým vlivům Vypalovací teplotní profil: 1. sušení C minut 2. zóna předehřívací 350 C 3. zóna vypalovací 850 C 4. zóna chladící

42 Tlustá vrstva na keramickém substrátu po výpalu

43 Struktura TLV vodiče po výpalu

44 Technologický postup vytváření tlustovrstvové struktury Typický sled operací v procesu vytváření tlustovrstvové struktury je znázorněn na obrázku. Operace sítotisku a následného zasušení se může v případě nanášení více typů odporových past, nebo také při vytváření vícevrstvých struktur s dielektrikem několikrát opakovat. Čištění substrátu Sítotisk a sušení vodivé vrstvy Výpal vodivé vrstvy Sítotisk a sušení odporové vrstvy Výpal odporové vrstvy Trimování odporové vrstvy

46 TLV materiály Materiály pro tlusté vrstvy jsou dodávány ve formě past. Svým složením se pasty, jejichž viskozita má hodnotu pohybující se v rozsahu 50 až 80 Pa s, skládají ze tří základních složek: funkční tavivové Pojivové Funkční složka určuje charakter pasty a je tvořena částicemi drahých kovů u vodivých materiálů nebo částicemi dielektrických a skelných frit u izolačních materiálů. U odporových materiálů je složení funkční složky závislé na použitém odporovém systému jehož základ může tvořit směs drahých kovů (např. PdAg) nebo oxidy (např. Ru 2 O). Velikost částic se pohybuje řádově v m a jejich velikost musí být dostatečně malá oproti velikosti ok síta. Tavivová složka je tvořena skleněnou fritou, jejímž posláním je vytvoření vazby mezi funkční složkou a substrátem. Proto se používají pro tavivovou složku nízkotavná skla s teplotou měknutí již od 600 C. V poslední době se používají stále více pasty s oxidovou vazbou vytvořenou přídavným kovem (např. 4% Cu do Au).Při výpalu musí dojít k měknutí, nikoli však k roztavení, aby vznikla nosná matrice pro funkční složku. Pojivová složka obsažená v pastě zajišťuje její tiskové vlastnosti viskozitu a tvoří ji organické látky jako např. terpineol, butyldiglykolacetát apod. Tato složka se v průběhu tepelného zpracování odpaří a nepodílí se na konečné funkčnosti vrstvy.

47 Materiály pro TLV - pasty Materiály ve formě sítotiskových past lze rozdělit do tří základních skupin: vodivé, odporové, Dielektrické, izolační a krycí, speciální. - Pro vodivé pasty se používají jako funkční složka drahé kovy (Au, Pd, Pt, Ag), především pro svoji stálost a netečnost vůči vlivům prostředí. - Jako funkční složka odporových materiálů se používají různé směsi drahých kovů, které u některých systémů vytvářejí oxidy (např. RuO2). Hodnota odporu je nastavována poměrem vodivé (kovové) části a tavivové (skelné) složky. - U dielektrických past tvoří funkční složku materiály používané pro keramické kondenzátory (typ I nebo II ) a u izolačních past různé typy skelných frit. Jako tlusté vrstvy mohou být nanášeny i další předem připravené funkční směsi. Tyto materiály řadíme do skupiny speciálních past, jako jsou např. termistorové, magnetické, luminiscenční, stínící a také pasty pro chemické senzory apod.

48 Vodivé pasty Funkce vodivých past: Vodivé pasty mají tyto základní funkce: 1. Propojení součástek 2. Zakončení rezistorů 3. Jsou vhodné jako kontaktní plošky pro diskrétní součástky 4. používají se jako elektrody tlustovrstvých kondenzátorů Vlastnosti materiálu pro vodivé tlusté vrstvy: Jsou požadovány následující vlastnosti: 1. Dobrá vodivost, 0,002 až 0,15 W/ 2. Dobrá adheze 3. Musí poskytovat spolehlivý základ pro připojení drátového vodiče 4. Pasta musí poskytovat dobrou eutektickou matrici pro spojení 5. Pájitelnost s vysoce čistým spojem co se přechodového odporu týká 6. Stabilní a neměnné vlastnosti během výrobního procesu 7. Dobrá přesnost tisku a rozlišitelnost natištěných čar. 8. Dobré tiskové vlastnosti bez roztečení pasty po tisku, tvorbě skvrn nebo zvrásnění natištěné vrstvy 9. Dlouhá životnost

49 Vodivé pasty Vazební složka se skládá z nízko tavných skel která spojují kovové částice vzájemně mezi sebou a zároveň zajišťují spojení pasty se základním substrátem. Pojivová složka určuje tiskové vlastnosti materiálu. Zaujímá většinou kolem 12 až 25% hmotnosti vodivé pasty. Pojiva obsahují alkoholy, různé oleje a -terpineol. Funkční složka obsahuje částice vodivého kovového materiálu menší než 5 m. Typicky zaujímá funkční složka 50 až 70% celkové hmotnosti pasty. Velikost, rozložení a tvar částic mají velký význam pro výsledné elektrické a fyzikální vlastnosti natištěné vrstvy.

50 Vodivé pasty funkční složku vodivých past představují prášky drahých kovů, jejich směsi nebo slitiny (AgPd, AuPd, AuPt, Au). Přídavek druhého kovu upravuje vlastnosti vrstvy (snižuje celkovou rozpustnost v pájce případně omezuje el. migraci) Základ pasty Zlato Palladium stříbro (Ag) Palladium zlato Platina zlato Typický odpor( / ) 0,005 0,03 0,05 0,05 Pájitelnost Ne Výborná Výborná Výborná Kontaktovatelnost drátem Kontaktovatelnost tlakem Výborná Průměrná Dobrá Dobrá Výborná Průměrná Dobrá Dobrá Cena Vysoká Nízká Vysoká Vysoká Materiál Nejvíce užívané oblasti Zlato Všechny kromě 9, 13, 14 Palladium stříbro (Ag) Všechny kromě 9, 10, 11 Palladium zlato Všechny kromě 1, 10, 11, 14 Platina zlato Všechny kromě 1, 10, 11, 14 Kódy oblastí použití: 1. mikrovlnné výčnělky 8. vrchní desky kapacitorů 2. přívody rezistorů 9. kontakty pro spínače 3. spodní část vodivých vrstev 10. drátové spoje 4. vodivé vrstvy 11. tlakové spoje 5. vícevrstvové vodiče 12. zemnící plochy 6. křížení vodičů 13. pájecí místa 7. spodní desky kapacitorů 14. velmi levné aplikace

51 Odporové pasty Odporové pasty umožňují realizaci tlustých odporových vrstev typu cermetu, který je založen na kombinaci práškového vodivého pigmentu a skelné boritokřemičité frity. Požadované hodnoty odporu lze dosáhnout volbou koncentrace vodivých částic v heterogenním systému. S ní souvisí i uspořádání vodivých částic ve skelné matrici. Kvalita a reprodukovatelnost vlastností odporových vrstev závisí na dodržení technologických podmínek, především teploty (na ± 1ºC) a doby výpalu. Vlastnost Jednotka Pd-Ag RuO 2 Ruteničitany Plošný odpor Rp Ω Rozptyl odporu po výpalu % Typické vlastnosti odporových past Teplotní součinitel -55 až + 125ºC K Napěťový součinitel V Vypalovací teplota o C Doba výpalu min

52 Odporové pasty Požadavky: - Široký rozsah hodnot vrstvového odporu - Stabilita odporové hodnoty, zvláště při zvýšených teplotách - Nízký teplotní součinitel odporu (TCR) - Dobrá reprodukovatelnost parametrů na různých substrátech - Nízký napěťový součinitel odporu (VCR) - Nízký šum - Kompatibilita s vodivými pastami Typický průběh TKR Moderní odporové pasty jsou založeny na bázi kysličníků rhutenia, iridia a rhenia. Tyto kompozice jsou málo citlivé na změnu teploty v průběhu sintrace než tomu bylo u klasických cermetových past, a rovněž vykazují lepší hodnoty TCR a stability. Všeobecně TCR je závislé na hodnotě vrstvového odporu, kde nejpříznivější hodnoty jsou u 1kΩ/čtv. až 10kΩ/čtv. (viz obr.).

53 Odporové pasty 1ohm/ - 1Mohm/ / (Hereaus) Typical Fired Resistor Properties **): R 8900 D Series R 8911 D R 8921 D R 8931 D R 8935 DL R 8935 DHN R 8941 DN R8951 D R 8961 DN Resistivity 2) 10 ± 10% 100 ± 10% 1 k ± 10% 5 k ± 10% 5 k ± 10% 10 k ± 10% 100 k ± 10% 1 M ± 10% TKR 2) [ppm/k] ± 100 ± 100 ± 100 ± 100 ± 100 ± 100 ± 100 ± 100 Short term overload Voltage 3) [V/mm] Standard working voltage 4) [V/mm] Maximum rated power dissipation 5) [mw/mm2] Quantech noise 6) [db] (2 layers, printed with a 200 mesh steel screen; screen thickness and emulsion thickness combined was c.100 µm) Substrate: 96% alumina (Ceramtec, Rubalit 708 S). Printing: 200 mesh stainless steel screen with 30 μm emulsion, to a dried thickness of 25 ± 3 μm (resistivity 10 W: 22 ± 3 μm). Firing: 60 minute cycle (furnace entry to exit) to a peak temperature of 850 C for 10 minutes. 2) Shipping specifications: Resistor geometry: 1.5 x 1.5 mm. Temperature coefficient of resistance: -55 C to +25 C and +25 C to +125 C. 3) Short term overload voltage: Voltage required (5 seconds duration) to induce a resistance change of ± 0.1% in a 1 x 1 mm resistor at 25 C. 4) Standard working voltage: 0.4 x short term overload voltage. 5) Maximum rated power dissipation = (standard working voltage)/ resistance 6) Resistor geometry: 1 x 1 mm at power wattage of 0.1 W. 7) On request: Available down to 0.5 W /. **) Typical properties based on laboratory test methods. For optimum results all materials should be fired in a profiled furnace supplied by dried,

54 Dielektrické pasty Základní požadavky: Vysoká elektrická pevnost (10 7 V/m) Dobrý izolační odpor (10 22 ohm.m 2 ) Nízký ztrátový činitel (<0.001 pro křížení, pro C ještě lepší) Pro křížení malou permitivitu, pro C dobrou teplotní stabilitu (permitivita do několika desítek). Spolehlivost TLV C je omezena a navíc měrná kapacita je nízká (typicky 2,500pF/cm 2 ).

55 Dielektrické pasty Z hlediska využití u MHIO je možné dielektrické pasty rozdělit do tří skupin. První skupinu tvoří pasty pro vytváření kapacitorů, druhou pro izolaci křížících se vodičů, a třetí pro krytí a pouzdření pasivních sítí, především rezistorů. Základní materiály používané pro dielektrika kondenzátorů jsou odvozeny z materiálů používaných pro klasické keramické kondenzátory. Je to především stabilit, rutilit a negatit jež jsou charakterizovány nízkou hodnotou kapacity, nízkým ztrátovým činitelem a minimální teplotní závislostí.

56 Složení dielektrických past V teplotním cyklu používaném při zpracování tlustých vrstev nelze použít teplotu nutnou pro sintraci těchto materiálů />1500 C/ a proto jsou tyto smíchány v pastě s pojivou skelnou složkou vytvářející vazbu s nosnou podložkou. Pro takový systém keramika sklo, platí pro stanovení výsledné permitivity Lichteneckerův vztah : log 2 V 1.log 1 V 2. log kde V 1,V jsou objemové části skelné a keramické složky ve výsledné vrstvě /V 2 1 +V 2 /, ε 1, ε 2 jsou permitivity skelné a keramické složky. Pro izolaci mezi křížícími se vodiči se používají materiály na bázi různých sklovin /ε r =5-10, jejichž ztrátový činitel závisí na kmitočtu /0,01 0,005 pro stovky MHz/. Vrstvy určené k ochranným účelům (krycí) jsou vytvořeny na bázi nízkotavných bezalkalických skel. Žádoucí je nízká permitivita a dobrá homogenita.

57 Vlastnosti izolačních past Parametr Jednotka Sklovina jednoduchá Sklovina rekrystalizační Sklokeramika Tloušťka vrstvy µm Relativní permitivita ε r (1kHz) Ztrátový činitel tg δ 1kHz ,005 0,005 0,005 Činitel jakosti Q (1kHz) Izolační odpor měř.při napětí 100 V Ω Elektrická pevnost E d kvmm -1 8, Vypalovací teplota C Doba výpalu min

58 Speciální pasty Termistorové Pro topná tělesa Pro zobrazovací prvky Feromagnetické Piezoelektrické

60 Vrstvový odpor (Sheet resistance) R l s l w t R v 1 w R v A kde R je hodnota odporu rezistoru [ ] je měrný odpor [.m] l je délka odporu [m] s je plocha průřezu odporu [m2] w je šířka odporu [m] t je tloušťka odporu (vrstvy) [m] Rv je vrstvový odpor ( ) A je počet čtverců (vyjadřující poměr délky ku šířce)

61 Tolerance procesu Dostatečné tolerance odpor - kontakty Špatný návrh odpor kontakty (odporová vodivá pasta), nedostatečné přesahy Toleranční pole odpor - kontakty Jak vyplývá z obrázků, tolerance vývodů je ±175 µm, v některých případech může být i méně (±125 µm). Při řízené technologii je to až ±75 µm. Stejná tolerance platí pro kondenzátory, i když jejich návrh je odlišný.

62 Tlustovrstvový rezistor

63 Trimování (justování) odporů

64 Výkonové zatížení odporů Velikost plochy rezistoru je přímo úměrná jeho výkonovému zatížení P. Pro jeho výpočet vyjdeme ze vztahu pro stanovení plochy rezistoru S R = P / P 0 S R P P O kde P je výkonové zatížení rezistoru [W] P 0 je měrné výkonové zatížení pro daný typ pasty a substrátu [W/mm 2 ] Úpravou a dosazením výrazu pro počet čtverců odporové vrstvy dostaneme pro šířku: w P P l O P O P A (nebo podobným způsobem pro výpočet délky rezistoru)

65 Navrhněte a nakreslete v minimální rozměrové konfiguraci tlustovrstvový rezistor R = 2k2 pastou 1 k Ω na čtverec pro výkonové zatížení P = 1 W, je-li na substrátu tloušťky 0,635mm jmenovité zatížení odporu Po = 200 m W / mm 2. S P P o 1 0,2 5mm 2 S l. w S 2,2w mm 2,2w Zkouška správnosti navrženého odporu:

67 Vrstvové kondenzátory Topologie vrstvového kondenzátoru C = ε. S / d ε permitivita S plocha elektrod (mm 2 ) D vzdálenost mezi elektrodami (mm) Topologie interdigitálního kondenzátoru

68 Induktor (cívka) Indukčnost ploché spirálové cívky: N počet závitů R střední průměr D šířka vodiče

70 LTCC Low Temperature Cofired Ceramic Nízkoteplotní souběžně vypalovaná keramická fólie) Technologie LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) nachází své uplatnění zejména v mikrovlnných aplikacích. Žádné jiné technologie nevykazují takovou rovnováhu mezi různými parametry, jako jsou nízké ztráty ve vodičích, přesné rozměry, cena, spolehlivost atd. Jedná se o technologii realizovanou na keramickém substrátu, jehož vlastnosti se mírně liší od vlastností klasických keramických materiálů. Charakteristické vlastnosti technologie LTCC lze shrnout do těchto bodů: nízké dielektrické ztráty přesně definovaná relativní permitivita, neměnná s frekvencí přesné, stabilní rozměry výborný rozvod tepla možnost integrování pasivních prvků nízká cena

71 LTCC základní princip Nevakuová technologie využívající sítotisk a plastické keramické substráty pro realizaci pasivních sítí. Skládá se několik substrátů na sebe. Jednotlivé substráty se propojí s pomocí prokovených děr. Výhody: nízké dielektrické ztráty, definovaná a stabilní relativní permitivita, dobrý odvod tepla malé rozměry a nízká cena

72 LTCC znázornění technologického procesu

73 LTCC technologický postup Substrát LTCC můžeme charakterizovat jako vícevrstvý keramický substrát, který umožňuje na jednotlivé vrstvy integrování propojovacích vodivých sítí a pasivních prvků. Jednotlivé vrstvy substrátu mohou mít různou relativní permitivitu a díky tomu sloužit i jako dielektrikum pro integrované kapacitory. Řez substrátem LTCC s integrovanými rezistory a kapacitory je znázorněn na obr.

74 Kontrolní otázky 1) Definujte tlustovrstvovou technologii a její komponenty 2) Vysvětlete co je to rheologie a její souvislost s viskozitou Newtonův a Hookův zákon (definice) 3) Popište složení sítotiskových past a jejich viskozitu 4) Popište základní princip sítotisku, jeho parametry a faktory ovlivňující jakost tisku 5) Popište síta používaná v mikroelektronice a vysvětlete jejich základní parametry 6) Vysvětlete princip šablonového tisku a popište způsoby realizace šablon 7) Vysvětlete co to jsou sítotiskové pasty a objasněte mechanizmus jejich sintrace 8) Popište odporové pasty a vypočtěte vztah pro určení vrstvového odporu 9) Popište způsoby trimování odporů a vysvětlete dvě metody provedení 10) Vysvětlete složení dielektrické pasty a Lichteneckerův vztah 11) Vypočtěte výkonové zatížení tlustovrstvových odporů 12) Popište realizaci vrstvových kondenzátorů a cívek, definujte výpočet jejich jmenovité hodnoty 13) Vysvětlete princip technologie LTCC a popište její význam