Mikroelektronika a technologie součástek laboratorní cvičení

Transkript

1 FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Mikroelektronika a technologie součástek laboratorní cvičení Garant předmětu: Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. Autoři textu: Ing. Martin Adámek Bc. Miloš Drlík Ing. Edita Hejátková Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc.

2

3 TU1UT TUÚVODUT TU2UT TUZAŘAZENÍ TU3UT TUVSTUPNÍ TU4UT TUNÁVRH TU5UT TU6UT TUMATERIÁLY TU7UT TU8UT TU9UT TU10UT TUMONTÁŽNÍ TU11UT TUTLUSTOVRSTVÉ TU12UT TUMĚŘENÍ Mikroelektronika a technologie součástek 1 Obsah...6 PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMUUT...6 TESTUT...6 TLUSTOVRSTVÉHO HYBRIDNÍHO INTEGROVANÉHO OBVODUUT...8 TUVYTVÁŘENÍ TLUSTOVRSTVÉ PASIVNÍ SÍTĚUT...12 TU5.1UT TUZHOTOVENÍ SÍTOTISKOVÝCH ŠABLONUT...12 TU5.2UT TUKONTROLNÍ OTÁZKAUT...12 PRO TLUSTÉ VRSTVYUT...13 TU6.1UT TUPODLOŽKYUT...13 TU6.2UT TUKONTROLNÍ OTÁZKYUT...14 TU6.3UT TUSÍTOTISKOVÉ PASTYUT...14 TU6.3.1UT TUVodivé pastyut...14 TU6.3.2UT TUOdporové pastyut...15 TU6.4UT TUDIELEKTRICKÉ PASTYUT...15 TUTISK VRSTEV A SÍTOTISKOVÉ ZAŘÍZENÍUT...18 TU7.1UT TUPRINCIP SÍTOTISKUUT...18 TU7.2UT TUKONTROLNÍ OTÁZKYUT...20 TUVYPALOVÁNÍ TLUSTÝCH VRSTEVUT...21 TU8.1UT TUKONTROLNÍ OTÁZKY A ÚKOLYUT...22 TUDOSTAVOVÁNÍ TLUSTOVRSTVÝCH REZISTORŮUT...23 A DOKONČOVACÍ OPERACE VÝROBY HYBRIDNÍCH INTEGROVANÝCH OBVODŮUT...25 TU10.1UT TUMONTÁŽ A PROPOJENÍ VSAZOVACÍCH SOUČÁSTEKUT...25 TU10.1.1UT TUNepouzdřené polovodičové součástky čipyut...25 TU10.1.2UT TUPouzdřené polovodičové čipyut...26 SENZORYUT...27 TU11.1UT TUÚVOD DO NEKONVENČNÍCH APLIKACÍ TLUSTÝCH VRSTEVUT...27 TU11.2UT TUSENZORY NA BÁZI TLUSTÝCH VRSTEV A JEJICH ZÁKLADNÍ DĚLENÍUT...27 TU11.3UT TUTLUSTOVRSTVÉ ELEKTROCHEMICKÉ SENZORYUT...29 TU11.4UT TUPRAKTICKÉ MĚŘENÍUT...31 TU11.4.1UT TUZadáníUT...31 TU11.4.2UT TUMěřicí pracoviště a použité měřicí přístrojeut...31 TU11.4.3UT TUPostup měřeníut...32 TLUSTOVRSTVÉ ODPOROVÉ SÍTĚ A JEJÍ STATISTICKÉ VYHODNOCENÍUT...33 TU12.1UT TUÚVOD DO STATISTICKÉHO VYHODNOCOVÁNÍUT...33 TU12.2UT TUZÁKLADY STATISTICKÉHO ZPRACOVÁNÍ DATUT...33 TU12.3UT TUGRAFICKÉ ZNÁZORNĚNÍ VYPOČTENÝCH HODNOTUT...34

4 TU13UT TUSTROJNÍ TU14UT TUPOUŽITÍ TU15UT TUMONTÁŽ TU16UT TUKONTROLA 2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně TU12.4UT TUPRAKTICKÉ MĚŘENÍUT TU12.4.1UT TUZadáníUT TU12.4.2UT TUPostup měřeníut PÁJENÍ V SMT TECHNOLOGII A TEPLOTNÍ PROFILY.UT TU13.1UT TUPÁJENÍ V ELEKTROTECHNICKÉ VÝROBĚUT TU13.1.1UT TUPájení přetavenímut TU13.1.2UT TUKonstrukce přetavovacích pecíut TU13.1.3UT TUVlnové pájeníut TU13.1.4UT TUKonstrukce pájecích vlnut TU13.1.5UT TUSelektivní pájeníut TU13.1.6UT TUKonstrukce sekvenčních systémů (pájení minivlnou)ut TU13.1.7UT TUKonstrukce simultánních systémů (pájení v kapsách a vícevlnové pájení)ut TU13.2UT TUTEPLOTNÍ PROFILYUT TU13.3UT TUDODATEKUT TU13.4UT TUPRAKTICKÉ CVIČENÍUT TU13.4.1UT TUZadáníUT TU13.4.2UT TUPracovní postuput TU13.4.3UT TUZpracování do sešituut BEZOLOVNATÝCH PÁJECÍCH SLITINUT TU14.1UT TUBEZOLOVNATÉ PÁJENÍUT TU14.1.1UT TUVýběr bezolovnaté pájecí slitinyut TU14.1.2UT TUNároky na strojní vybaveníut TU14.1.3UT TUPřizpůsobení pájecího procesu a teplotních profilůut TU14.1.4UT TUPosuzování kvality bezolovnatých pájených spojůut TU14.2UT TUDODATEKUT TU14.3UT TUPRAKTICKÉ CVIČENÍUT TU14.3.1UT TUZadáníUT TU14.3.2UT TUPracovní postuut TU14.3.3UT TUZpracování do sešituut POUZDER BGAUT TU15.1UT TUMONTÁŽ POUZDER BGAUT TU15.1.1UT TUPájení pouzder BGAUT TU15.1.2UT TUStolní opravárenské staniceut TU15.2UT TUDODATEKUT TU15.3UT TUPRAKTICKÉ CVIČENÍUT TU15.3.1UT TUZadáníUT TU15.3.2UT TUPracovní postuput TU15.3.3UT TUZpracování do sešituut A OPRAVY POUZDER BGAUT TU16.1UT TUKONTROLA A OPRAVY POUZDER BGAUT TU16.1.1UT TUStavba pájeného spojeut TU16.1.2UT TUOptická kontrola pouzder BGAUT TU16.1.3UT TUZařízení pro kontrolu BGAUT TU16.1.4UT TUOprava pouzder BGAUT TU16.2UT TUDODATEKUT TU16.3UT TUPRAKTICKÉ CVIČENÍUT TU16.3.1UT TUZadáníUT... 62

5 TU17UT TUECO-DESIGNUT...64 Mikroelektronika a technologie součástek 3 TU16.3.2UT TU16.3.3UT TUPracovní postuput...62 TUZpracování do sešituut...63 TU17.1UT TUFILOZOFIE ECODESIGNUUT...64 TU17.2UT TUNÁSTROJE ECODESIGNUUT...64 TU17.2.1UT TUPřehled nástrojůut...64 TU17.2.2UT TUTPI, MET maticeut...65 TU17.3UT TUPRAKTICKÁ ČÁST - STANOVENÍ TOXICITY A ENERGETICKÉ NÁROČNOSTIUT...66 TU17.3.1UT TUZpracování do sešituut...70

6 4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Seznam obrázků TUOBR. 4.1:UT TUSCHÉMA OBVODU ZVOLENÉHO PRO REALIZACI V PODOBĚ HIOUT... 8 TUOBR. 4.2:UT TUTOPOLOGIE OBVODU Z OBR. 4.1 PRO REALIZACI TLVUT TUOBR. 7.1:UT TUZÁKLADNÍ PRINCIP NANÁŠENÍ TLUSTÝCH VRSTEV SÍTOTISKEMUT TUOBR. 7.2:UT TUZNÁZORNĚNÍ PARAMETRŮ SÍTA (TKANINY)UT TUOBR. 7.3:UT TUZNÁZORNĚNÍ DVOU RŮZNÝCH PROVEDENÍ SÍTOTISKOVÝCH ŠABLON:UT TUOBR. 8.1:UT TUSCHEMATICKÝ ŘEZ TUNELOVOU PECÍUT TUOBR. 8.2:UT TUTEPLOTNÍ PROFIL PRO VÝPAL TLUSTÝCH VRSTEV V PRŮBĚŽNÉ PECIUT TUOBR. 9.1:UT TUDOSTAVOVÁNÍ REZISTORŮUT TUOBR. 9.2:UT TUPRINCIP DOSTAVOVÁNÍ JMENOVITÉ HODNOTY REZISTORU LASEREMUT TUOBR. 10.1:UT TUZNÁZORNĚNÍ ZPŮSOBU PŘIPOJOVÁNÍ ČIPŮ DRÁTOVÝM PROPOJEMUT TUOBR. 11.1:UT TUOBECNÝ PRINCIP ČINNOSTI SENZORUUT TUOBR. 11.2:UT TUCYKLICKÝ VOLTAMOGRAM - NÁČRT TEORETICKÉ ODEZVY SENZORUUT TUOBR. 11.3:UT TUPŘÍKLAD VLIVU VLNY KYSLÍKU NA MĚŘENÍ TĚŽKÝCH KOVŮUT TUOBR. 11.4:UT TUSCHÉMA MĚŘICÍ APARATURYUT TUOBR. 12.1:UT TURŮZNÉ TYPY JEDNODUCHÝCH GRAFŮ VYUŽÍVANÝCH VE STATISTICEUT TUOBR. 12.2:UT TUPŘÍKLAD HISTOGRAMUUT... 35

7 Mikroelektronika a technologie součástek 5 Seznam tabulek TUTAB. 6.1:UT TUVLASTNOSTI KERAMICKÝCH MATERIÁLŮUT...13 TUTAB. 6.2:UT TUVLASTNOSTI VODIVÝCH PASTUT...14 TUTAB. 6.3:UT TUVLASTNOSTI ODPOROVÝCH PASTUT...15 TUTAB. 6.4:UT TUVLASTNOSTI IZOLAČNÍCH PASTUT...16 TUTAB. 12.1:UT TUPŘÍKLAD STATISTICKÉ TABULKYUT...34

8 6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 1 Úvod Předkládaný učební text je určen posluchačům studijního oboru bakalářského studia Mikroelektronika a technologie a dále navazujícího magisterského studijního programu Elektrotechnika, elektronika, komunikační a řídící technika studijní obor mikroelektronika. Text přináší přehled základních poznatků o materiálech a technologiích v oblasti vrstvových a hybridních integrovaných obvodů, technologie povrchové montáže, nekonvenčních aplikací tlustých vrstev a použití tlustovrstvé technologie v senzorové technice. Je zaměřen na praktické aplikace se zaměřením na získání dovedností ve výše uvedených oblastech. Vychází nejen z dostupných literárních údajů, ale především z ověřených dlouholetých praktických zkušeností autorů získaných na různých pracovištích, zabývajících se jak jejich výzkumem, tak i vývojem a výrobou. 2 Zařazení předmětu ve studijním programu Předmět je zařazen v 3. ročníku bakalářského studia Mikroelektronika a technologie a v 2. ročníku navazujícího magisterského studia Elektrotechnika, elektronika, komunikační a řídící technika studijní obor mikroelektronika. Jednotlivé úlohy jsou zaměřeny na vývoj součástkové základny, pasivních i aktivních prvků a jejich montáž a propojování. Nemalý důraz je kladen na technologii povrchové montáže a hybridních integrovaných obvodů včetně nového pojetí ve vývoji a výrobě polovodičů, jež je zaměřeno na multičipové moduly, CSP, Flip Chip a další perspektivní řešení. 3 Vstupní test Polovodičové materiály - klasifikace, vlastnosti, aplikační oblasti. Příprava polovodičových materiálů a základních polovodičových struktur. Počet správných odpovědí: 9-10 výborně 7-8 velmi dobře 6-7 dobře 5 a méně nedostatečné

9 P až P P až P P P až P a Mikroelektronika a technologie součástek 7 Vyznačte vždy jednu správnou odpověď zakroužkováním! Otázka a) b) c) Možnosti Volba Body P P P P 1 Keramika je materiál organický anorganický polovodič a b c 0 / 1 2 PN přechod se nejčastěji vyrobí oxidací sítotiskem difůzí a b c 0 / 1 3 Jednotka vrstvového odporu je Ω/ Ωm Ω/m a b c 0 / 1 4 Měrná vodivost polovodičů je -1 (S.mP P) P 10P P 10P P 10P b c 0 / 1 5 Běžná plocha polovodičového 2 0,1 mmp 2 10 mmp mmp a b c 0 / 1 čipu je 6 Jednotkou tepelné roztažnosti m o PC o m.p PC a b c 0 / 1 materiálu je 7 Nejlepším vodičem je Cu GaAs Fe a b c 0 / 1 8 Permitivita vyjadřuje vlastnost indukčnosti dielektrika magnetu a b c 0 / 1 9 Proces napařování látek je řízen teplotou proudem napětím a b c 0 / 1 10 Pájení měkkými pájkami probíhá o 120 PC o 220P PC o 320P PC a b c 0 / 1 při teplotě Celkový počet bodů Správné odpovědi: a b a a b b b b c c

10 8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 4 Návrh tlustovrstvého hybridního integrovaného obvodu TCíl: Návrh hybridního integrovaného obvodu (HIO) je jedním ze základních kroků pro pochopení integrace, resp. pro pochopení tvorby integrovaných obvodů. Intuitivní návrh slouží k získání základních znalostí o tom, jak integrovat jednotlivé elektronické součástky. V této kapitole je uveden příklad intuitivního návrhu tlustovrstvého HIO s holými polovodičovými čipy (Die). Návrh vychází z elektrického schéma viz. Obr. 4.1 a sestává z následujících kroků: překreslení schéma do plošné podoby s minimalizací křížení vodičů, výběr vsazovaných součástek a rozhodnutí o realizaci vrstvových součástek, výpočet a volba tlustovrstvých pasivních prvků a vsazovaných součástek, volba rozměru substrátu a rozložení vývodů, intuitivní přenesení plošného schéma na substrát návrh topologie (Obr. 4.2) rozkreslení šablon pro jednotlivé vrstvy, návrh řešení pouzdření. Obr. 4.1: Schéma obvodu zvoleného pro realizaci v podobě HIO Prvním krokem návrhu je rozhodnutí o obvodové části, která bude integrována na substrát a současně i rozhodnutí o přidělení vývodů. Vzhledem k nutnosti minimalizovat počet křížících se vodičů je žádoucí překreslit schéma do plošné podoby. Obvod na Obr. 4.1 bude mít součástky L1, C3, C4, C5, C6 a akustický měnič KR vnější, takže integrovaná část bude připojena přes vývody 1 až 4. Pro část obvodu znázorněného na Obr. 4.1 jsou požadovány následující hodnoty součástek:

11 10%B 10%B 10%B 10%B Mikroelektronika a technologie součástek 9 lḇ lḇ lḇ lḇ URezistory realizované tlustovrstvou technologiíu: R1 = 470 kω w = 0,8 mm l = 3,76 mm R2 = 180 kω w = 1 mm l = 1,8 mm R3,4,5 = 4,7 kω w = 0,8 mm l = 3,76 mm R6,7 = 100 kω w = 1 mm l = 1 mm = 3,38 mm = 1,62 mm = 3,38 mm = 0,9 mm Vzhledem k tomu, že výkonové zatížení jednotlivých odporů je menší než 200 mw, není nutné s ohledem na povolený měrný výkon 250 mw/mm2 v návrhu toto uvažovat.

12 U 10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 4.2: Topologie obvodu z Obr. 4.1 pro realizaci TLV

13 Mikroelektronika a technologie součástek 11 Vsazované součástky ve formě čipů:u T1,2,3 = KC (1 x 1) mm C1,2 = 1 nf typ 0805 (2 x 1,27) mm UStanovení velikosti substrátu Jednoduchou početní úvahou se stanoví velikost substrátu, která je dělencem základního rozměru substrátu (50 x 50) mm, v tomto případě (16,6 x 10) mm. Tento rozměr umožňuje realizovat na výchozím rozměru celkem 15 obvodů najednou, podobně jako je tomu v případě výroby polovodičových čipů na wafer.skutečný potřebný rozměr substrátu se stanoví na základě jednoduché následující početní úvahy (KP=koeficient plnění (2,5 až 4)): Plocha substrátu = (plocha součástek + plocha vývodů) KP, V našem případě je plocha součástek 24 mm2 a plocha vývodů 16 mm2, a tedy při maximální volnosti (KP = 4) je vypočtená plocha substrátu 160 mm2. Vývody s roztečí 2,5 mm se rozmístí na delší stranu substrátu v pořadí podle jejich rozložení tak, jak vyplývá ze schématu, pokud není stanoven jiný požadavek. V tomto případě je možné obsadit osm vývodů, pro náš obvod jsou nutné čtyři. Neobsazené vývody zůstanou nepřipojené nebo se vynechají. Potom se provede v měřítku 10:1 v milimetrovém rastru (u jednoduchých obvodů na papíře, u složitějších s pomocí některého návrhového programu na PC) intuitivní rozložení prvků na substrát dle návrhových pravidel (viz Obr. 4.2). Návrh je započat v nulovém bodě souřadnic (x = 0, y = 0) umístěném v levém spodním rohu substrátu. Návrh topologie pak začíná od vývodu číslo 1 a postupně jsou umísťovány další jednotlivé prvky sledující elektrické schéma. Současně je prováděno jejich propojování vodivou vrstvou. Spojnice jednotlivých bodů umístěných v každém místě, kde dochází ke změně směru z x na y a naopak, jsou vedeny v pravoúhlých souřadnicích. Zlomové body popsané soustavou souřadnic tvoří soubor vyjadřující požadovanou topologii obvodu. Každý obrazec (vodivá síť, odporová síť a další vrstvy či součástky viz Obr. 4.2 b, c, d) je tak definován souborem čísel, jež slouží pro zhotovení šablon (masek) ve skutečné velikosti. Složením jednotlivých souborů se získá topologie obvodu, jak je znázorněno na Obr. 4.2 a. Závěr: Vypracování vlastního intuitivního návrhu je základním předpokladem a současně i kontrolou pochopení návrhu integrovaných obvodů.

14 12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 5 Vytváření tlustovrstvé pasivní sítě Cíl: Tlustovrstvá pasivní síť hybridních integrovaných obvodů se vytváří postupným tiskem a výpalem past na korundové podložce ve tvaru obrazců z vodivých, odporových, dielektrických, izolačních, krycích a křížících vrstev. Obrazce obvodových součástí se tisknou metodou sítotisku přes šablonu s následným výpalem. 5.1 Zhotovení sítotiskových šablon Šablona plní základní úlohu, tj. definuje tvar obrazce, který se má nanášet na podložku. Skládá se ze síta utkaného z vlákna plastické látky nebo drátků z nerezavějící oceli napnutého na pevném rámečku. Výrobci past předepisují druh síta pro určitou pastu. Síta vhodná pro daný účel jsou charakterizována třemi veličinami: průměr použitého vlákna (drátu), rozměrem oka a tzv. volnou plochou, což je procentuální podíl celkové plochy síta, tvořený oky. 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. Ocelová síta 120 až 400 ok/cm Z umělých vláken ok/cm Osnova vlákna se orientuje v napínacím rámu pod úhlem 45º nebo 60º. 5.2 Kontrolní otázka Zdůvodněte proč se orientuje osnova síta při napínání do rámu pod úhlem a jak to souvisí s rozlišením. Závěr: Sítotiskové šablony tvoří základ nanášení tlustovrstvých materiálů a tvorby pasivních sítí. Závisí na nich přesnost vytvářených struktur, a také tolerance pasivních součástek.

15 99,5 Mikroelektronika a technologie součástek 13 6 Materiály pro tlusté vrstvy Cíle kapitoly: Tlustovrstvá technologie slouží pro výrobu pasivních sítí například pro hybridní integrované obvody, senzory a řadu dalších nekonvenčních aplikací. Materiály jsou dodávány většinou ve formě past, které se nanáší nevakuovými způsoby, nejčastěji sítotiskem ale také stříkáním, popisem apod. na povrch nosného substrátu, většinou keramiky.vyznačuje se vysokou odolností proti mechanickým, elektrickým, tepelným a dalším jiným vlivům a také vysokou stabilitou parametrů. 6.1 Podložky Podložka slouží převážně jako nosič vrstev vodivých, odporových a dielektrických, které tvoří pasivní obvodové součástky. Je rovněž základnou pro mechanické upevnění aktivních a pasivních vsazovacích součástek (čipů) a chrání je proti mechanickému poškození. Elektricky musí být izolantem k odizolování vodivých cest obvodu a musí mít dostatečnou tepelnou vodivost k odvedení tepla vytvořeného součástkami obvodu. Nejčastějším materiálem podložek pro vrstvové a hybridní integrované obvody je keramika korundová s obsahem 96 hmotnostních % Al2 O3 oxidu hlinitého v plošných velikostech od několika mm2 po 100 i více cm2 a o tloušťkách od 0,25 do 2,5 mm. Standardním rozměrem je substrát (50 x 50) mm, který se pak dělí na poloviny, třetiny, čtvrtiny atd. Dělení obyčejně probíhá po vytvoření pasivní sítě. Požadavky na materiál základní nosné podložky lze shrnout do následujících bodů: a) určitá hodnota relativní permitivity εbrb, navíc konstantní v celém používaném kmitočtovém pásmu a příslušném teplotním rozsahu, b) malé dielektrické ztráty, respektive nízký ztrátový činitel tgδ, c) minimální drsnost povrchu a co nejdokonalejší rovinnost. Některé charakteristické vlastnosti nejpoužívanějších keramických materiálů pro nosné substráty jsou uvedeny v Tab. 6.1 Tab. 6.1: Vlastnosti keramických materiálů B P P P Parametr / Materiál 96 % AlB2BOB3 % AlB2BOB3B*) 99 % BeO**) AlN Tepelná vodivost [J sp P mp P KP P] Součinitel teplotní roztažnosti [ppm KP P] 6,4 6,6 5 4,5-1 Elektrická pevnost [kv mmp P] Měrný odpor [Ω mm] P P10 13 P> 10P Tangenta ztrátového činitele 100 MHz [%] 0,55 0,08 0, Relativní permitivita εbr B9 10 6,6 9-10P ) používá se pro tenkovrstvé obvody **) toxický keramický materiál používaný v omezené míře pro výkonové aplikace

16 14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 6.2 Kontrolní otázky Zjistěte základní parametry substrátu z materiálu AlB2BOB3. a elektrické parametry. Srovnejte parametry korundového substrátu s křemíkovým. BRozlište mechanické 6.3 Sítotiskové pasty Základ tlustých vrstev tvoří sítotiskové pasty pro tisk vodivých, odporových, dielektrických, izolačních a krycích vrstev, většinou na korundový substrát (Al2O3). Obecně se skládají sítotiskové pasty ze tří složek: 1) UfunkčníU - práškový materiál o velikosti částic ~ 5µm, který dodává pastě funkční vlastnosti. Jedná se o prášky drahých i obecných kovů a jejich slitin (u vodivých), vodivé a polovodivé oxidy a sloučeniny (u odporových), feroelektrika, rekrystalující skla (u dielektrických, krycích a izolačních past), 2) UtavivováU - skelná nebo oxidová, která vytváří vazbu na substrát a také nosnou matrici pro funkční složku, 3) Ulaková (pojivová)u, která s uvedenými prášky poskytuje stabilní suspenzi s potřebnou adhezí, je roztokem více druhů filmotvorného materiálu (většinou polymerních organických sloučenin). V pastách mohou být i modifikátory vlastností látky pozměňující viskozitní chování systému (smáčedla, oxidy či sloučeniny) Vodivé pasty Funkční složku vodivých past představují prášky drahých kovů, jejich směsi nebo slitiny (AgPd, AuPd, AuPt, Au). Přídavek druhého kovu upravuje konečné vlastnosti vrstvy, např. snižuje celkovou rozpustnost v pájce (hlavně u Au), dále může snižovat elektromigraci (hlavně u Ag). Kompozice na bázi Ag jsou charakterizovány velmi dobrou vodivostí a výbornou smáčitelností vrstev pájkou (jsou dobře pájitelné). Vrstvy Au jsou ideální pro eutektické pájení slitinou Au-Si a termokompresní sváření. Speciálně upravené (materiál musí být v pastě ve formě velmi malých částic zrn o průměru cca několik µm), umožňují tisk velmi tenkých vrstev s vysokou rozlišovací schopností (stovky až desítky µm). Zlaté vrstvy však nelze pájet pájkou s obsahem cínu, v níž se rychle rozpouštějí. Teplota výpalu vodivých past se pohybuje od 760 až 1000 C, podle typu pasty (doporučuje výrobce). V tlustovrstvé technice se vodivé pasty používají pro kontaktní systém rezistorů, propojovací vodivou síť, pájecí plošky, plošky pro lepení polovodičů, dále pro elektrody kondenzátorů a pro senzory a jiné nekonvenční aplikace (také pro stínění a antény). Základní vlastnosti vodivých past jsou uvedeny v Tab. 6.2 Tab. 6.2: Vlastnosti vodivých past Vlastnost Ag-Pd Au-Pd AuPt Au Teplota výpalu [ºC ] Rozlišení [µm ] Plošný odpor Rp [ Ω ] 0,01-0,06 0,05-0,1 0,08-0,1 0,003-0,01 Přilnavost síta, potřebná k utržení připájené plošky 4 mm² po 100 hod. 125ºC [N]

17 KP VP P P P P P Mikroelektronika a technologie součástek 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. Celková doba výpalu je 60 min při teplotě 850ºC. Vlastnosti některých typů odporových past jsou uvedeny v Tab. 6.3 P P P P P P P Tab. 6.3: Vlastnosti odporových past Vlastnost Jednotka Pd-Ag RuOB2B Ruteničitany Plošný odpor Rp Ω 10-10P 1-10P 10-10P Rozptyl odporu po výpalu % Teplotní součinitel P P P -55 až + 125ºC Napěťový součinitel P P P Vypalovací teplota o PC Doba výpalu min 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. 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 : logε = V 1.logε1 + V 2. logε 2 ( 6.1 ) kde VB1B,VB2 Bjsou objemové části skelnéb Ba keramické složky ve výsledné vrstvě /VB1B+VB 2 B/, εb1,bεb 2 Bjsou permitivity skelné a keramické složky. Pro izolaci mezi křížícími se vodiči se používají materiály na bázi různých sklovin /εbrb=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. Vlastnosti dielektrických vrstev pro křížení vodičů a vícevrstvé struktury jsou uvedeny v Tab. 6.4.

18 CBoB je je P P P 16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Tab. 6.4: Vlastnosti izolačních past Parametr Jednotka Sklovina jednoduchá Sklovina rekrystalizační Tloušťka vrstvy µm Relativní permitivita εbr (1kHz) - Ztrátový činitel tg δ - 0,005 0,005 0,005 1kHz Činitel jakosti Q (1kHz) Izolační odpor Ω 11 10P 11 10P 13 10P měř.při napětí 100 V Elektrická pevnost EBdB -1 kvmmp 8, Vypalovací teplota C Doba výpalu min Sklokeramika Shrnutí: Tlustovrstvé materiály jsou heterogenní směsy amorfního charakteru, které se zpracovávají nevakuovým způsobem. Jejich nanášení se provádí převážně sítotiskem, což dává dobré předpoklady pro ekonomické řešení řady aplikací. TPříklad 6.1:T Navrhněte tlustovrstvový kondenzátor, jehož hodnota kapacity C = 470pF (tolerance ±20%), ztrátový činitel tgδ =3,5% a jmenovité napětí UBjmB = 40V. Pro vytvoření dielektrika použijeme dielektrickou pastu, jejíž hodnota plošné kapacity -1 je CBo B=100 pf, ztrátový činitel tgδ <3% a elektrická pevnost EBpr B=4 VµmP P. Podle vztahu : kde S C 0 = d = 0,0885. ε d Co. So ( 6.2 ) B εbd permitivita materiálu dielektrika, d je tloušťka dielektrika, SBo Bje plocha překrytí spodní a horní elektrody (abob.bbob), měrná (plošná) kapacita. Vypočítáme potřebnou plochu překrytí dolní a horní elektrody: S C o = = = 4,7mm ( 6.3 ) Co 100 Na základě tohoto údaje lze určit rozměry strany při čtvercovém tvaru abo B= bbo B= 2,2mm. Na závěr provedeme kontrolu tloušťky dielektrika, jež je předepsána výrobcem (d =40µm), pro něž musí být z hlediska bezpečnosti splněna podmínka předepsaná vztahem d K. U B jm ( 6.4 ) E pr

19 Mikroelektronika a technologie součástek 17 kde K B Bje bezpečnostní koeficient (2-4), UBjm Bje jmenovité napětí, EB je elektrická pevnost materiálu dielektrika, pak prb 3.40 d = 30 ( 6.5 ) 4 a pro náš případ 40 >30 Navržený kapacitor lze tedy realizovat popsaným způsobem s dostatečnou bezpečností.

20 18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 7 Tisk vrstev a sítotiskové zařízení Cíl: Seznámit se s technikou sítotisku, jež tvoří základ pro nanášení tlustých vrstev a tím i pro vytváření tlustovrstvých integrovaných obvodů. 7.1 Princip sítotisku Nejznámějším způsobem vytváření tlustých vrstev v mikroelektronice je sítotisk. Proces závisí na protlačování pasty přes obrazce šablony z jemného síta. Šablona je vytvořena s pomocí masky znázorňující vytvářený motiv. Tuto základní funkci lze splnit též jinými způsoby ( stříkání, máčení, leptání, razítkování), avšak pro aplikace v mikroelektronice byla vyvinuta základní technologie, materiály a stroje o podstatně vyšší rozlišovací schopnosti, za účelem dosažení požadované přesnosti a reprodukovatelnosti tisku. Princip tisku je založen na protlačení viskózní pasty přes síto maskované požadovaným obrazcem na nosnou keramickou podložku. Podložka je vakuově uchycena v nastavitelném držáku a je umístěna pod síťkou napnutou v kovovém rámečku. Na síťce je fotocestou vytvořen požadovaný motiv. Síťka je umístěna ve vzdálenosti od síta nazývané odtrh o (0,25 1mm) nad základní podložkou. Tato vzdálenost definuje výšku vrstvy. Na síťku je naneseno malé množství pasty, jež se pohybem stěrky s rychlostí Vs a při působení síly Fs protlačí do ok síťky. V důsledku rheologických vlastností pasty dochází po návratu stěrky do krajní polohy k odskoku síťky do původního stavu a současně k přenesení sítotiskové pasty z ok síťky na podložku, a tím i k vytvoření požadovaného motivu. Postup je znázorněn v časovém sledu viz. Obr Obr. 7.1: Základní princip nanášení tlustých vrstev sítotiskem a) stav před tiskem b) okamžik přenosu pasty při pohybu stěrky c) stav po tisku Vlivy, které působí v procesu sítotisku můžeme rozdělit na Tvnější a vnitřní.t Vnější vlivy jsou ty, které jsou způsobeny výrobními předměty a prostředky. Existují již před provedením vlastního tisku a v jeho průběhu je nelze nastavovat. Mezi vnější vlivy patří: a) drsnost podložky <0,8µm, její rozměrová tolerance,

21 Mikroelektronika a technologie součástek 19 b) vliv síta síta jsou utkaná z nerezavějící oceli s hladkou nebo keprovou vazbou, polyamidové monofilní a polyesterové mono a polyfilní síťoviny s různou hustotou ok. Obr. 7.2: Znázornění parametrů síta (tkaniny) a) velikost ok vs. průměr drátu b) otevřená plocha síta (světlost) Z Obr. 7.2 je patrné, že základními parametry síta jsou: - hustota tkaniny n ( počet ok na délkovou jednotku, v tomto případě na cm), pro jejíž výpočet platí vztah: n = 10 w + d ( 7.1 ) kde w d je rozměr strany volné plochy oka [mm] je průměr vlákna [mm] - světlost (otevřená plocha) síta ABoB, jíž lze určit ze vztahu: 25,4 n = + d w ( 7.2 ) c) vliv šablony - přímá sítotisková šablona- tvoří příští tiskovou formu, tj.vytvoří se přímo na síťovině napnuté v rámu - nepřímá sítotisková šablona se vytvoří z vykrývacího materiálu mimo sítotiskový rám, např. z šablonového filmu a na síťovinu se přenese - nepřímá kovová maska - vliv tloušťky masky a její přesnosti Obr. 7.3: Znázornění dvou různých provedení sítotiskových šablon: a) přímá b) nepřímá d) vliv sítotiskové pasty viskozita pasty

22 P 20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Vnitřní vlivy působí v průběhu sítotisku a jsou dány nastavením parametrů vlastního sítotiskového stroje. Ovlivňují výsledné vlastnosti natištěných vrstev. Patří sem: a) vliv výšky odtrhu o 0,5 až 0,8mm b) působení síly na stěrku Fs -1 c) rychlost stěrky Vs mm sp d) vliv úhlu stěrky pro tisk přesných motivů volíme stěrku s úhlem Shrnutí: V procesu sítotisku působí vnitřní a vnější faktory, které ovlivňují konečné parametry. Pro dosažení předpokládaných výsledků je nutné tyto faktory nastavit resp. kontrolovat. 7.2 Kontrolní otázky 1) Na keramickou podložku natiskněte daný motiv pasivní sítě (vodivé nebo odporové). 2) Stanovte základní postup při optimalizaci procesu sítotisku faktorovou analýzou.

23 Mikroelektronika a technologie součástek 21 8 Vypalování tlustých vrstev Cíl: Seznámit se s principem teplotní sintrace tlustovrstvých materiálů nanášených sítotiskem na keramické substráty. Při výpalu dochází k chemické reakci směsí pasty a k vytvoření vazby s podložkou. Výše teploty, její průběh s časem a atmosféra musí mít přesný sled s možností řídit jednotlivé fáze výpalu podle druhu vypalované pasty. K tomuto účelu se používají průběžné neboli tunelové pece. Průřez tunelovou pecí a časový průběh teploty jsou znázorněny na Obr. 8.1 a Obr Obr. 8.1: Schematický řez tunelovou pecí Obr. 8.2: Teplotní profil pro výpal tlustých vrstev v průběžné peci Základní vlastnosti vypálených vrstev závisí na parametrech výpalu. Hlavní jsou teplotní profil pece a její atmosféra. Běžná délka výpalu se pohybuje kolem 50 minut a teplota o žárového pásma je kolem 800 P PC podle druhu vypalované pasty. Nejrozšířenější je atmosféra

24 22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně vzduchová, ale pro materiály které mají sklon k oxidaci je třeba používat ochranou atmosféru, například dusíkovou. Vlastní proces výpalu lze rozdělit na 4 základní fáze: a) sušení b) zóna předehřívací c) zóna vypalovací d) zóna chladící ad a) sušení - teplota se pohybuje od 70 do 150 ºC, doba sušení 15 až 30 minut. Dochází k úniku organických ředidel těkavého charakteru z nanesené pasty. Tloušťka vrstvy po zasušení má být kolem 25µm b) zóna předehřívací teplota kolem 350 ºC, dochází k odpaření zbylých stop organických rozpouštědel, vyhořívá filmotvorný materiál c) zóna vypalovací teplota 850 ºC, začíná tvorba slitin a slinování funkčních složek pasty, probíhají důležité chemické reakce ovlivňující výsledné vlastnosti pasty e) zóna chladící dochází k ochlazování podložek postupně až na teplotu okolí, tuhne roztavená skelná fáze ve vrstvě. Shrnutí: Výpal nebo také sintrace tlustovrstvých materiálů slouží pro převedení natištěné pasty do funkčního stavu, tj. do stavu, kdy materiál nabývá požadovaných vlastností. 8.1 Kontrolní otázky a úkoly Proveďte výpal natištěných vrstev. Teplotu pece a rychlost pásu v každé zóně zvolte podle typu použité pasty. Definujte jakými faktory je určen teplotní profil pece a jak tyto faktory ovlivňují elektrické parametry.

25 má Mikroelektronika a technologie součástek 23 9 Dostavování tlustovrstvých rezistorů Cíl: seznámit se s možnostmi dostavování (justování) tlustovrstvých rezistorů nanášených metodou sítotisku. Dostavovací proces součástek tlustovrstvého obvodu zajišťuje jejich konečné elektrické vlastnosti. Dostavování tištěných rezistorů na požadovanou hodnotu je nutné, protože není možno tiskem docílit přesnějších hodnot než ±10 až ±20%. Dostavování se provádí odnímáním malých plošek tištěné součástky obvykle dvěma způsoby: a) obrušováním proudem částic korundu nebo křemíku b) odpařením vrstvy svazkem laserových paprsků. ad a) miniaturní proud vzduchu nesoucí částice brusiva, obvykle korundu nebo karborundu s průměrem 10 až 50 µm, je namířen na rezistor pomocí trysky. Tryska se pohybuje po povrchu vrstvy, která je tím selektivně odnímána a způsobuje tak vzestup odporu rezistoru (Obr. 9.1). Tímto způsobe lze dosáhnout řez úzký µm. Obr. 9.1: Dostavování rezistorů Při dostavování rezistorů laserem se fokusovaným svazkem světla odporovou vrstvu řeže uzounká drážka vzniklá odpařením materiálu vrstvy za stálého měření odporu. K dostavování rezistorů laserem se používají dva druhy laseru: YAGB Ba COB2B. Laser YAG má kratší vlnovou délku světla a dá se zaostřit s velkou přesností. Průměr stopy paprsku je µm. Laser B COB2 průměr paprsku 10 x větší (0,1 mm). Laserem lze nastavit rezistory s velkou přesností až 0,01 %. Systém dostavování laserem je na Obr Obrázek zároveň ukazuje nejčastěji používané řezy při dostavování.

26 24 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 9.2: Princip dostavování jmenovité hodnoty rezistoru laserem a) tvar možných zářezů do odporové vrstvy b) princip impulsního režimu při trimování laserem Shrnutí: Výhodou vrstvových technologií je možnost dostavování hodnot rezistorů směrem k vyšším hodnotám.

27 Mikroelektronika a technologie součástek Montážní a dokončovací operace výroby hybridních integrovaných obvodů Cíl: Montážními a dokončovacími operacemi se rozumí vsazení ostatních potřebných součástek (polovodičové součástky, kondenzátory) na podložku opatřenou pasivní sítí, propojení (kontaktování) vsazených součástek,oživení obvodu a zapouzdření hybridního integrovaného obvodu Montáž a propojení vsazovacích součástek Polovodičové součástky vhodné pro výrobu hybridních integrovaných obvodů se dělí na dvě hlavní skupiny: nepouzdřené a pouzdřené. První skupina obsahuje holé polovodičové systémy čipy, lícní čipy (flip-chips) a čipy s nosníkovými vývody (beam-leads). Druhá skupina obsahuje polovodičové součástky pouzdřené v miniaturním kovovém pouzdru, pouzdru z plastické látky SOT, SOIC a v různých keramických nosičích (LID, CCC). Kondenzátory vhodné pro použití v hybridních integrovaných obvodech jsou buď vícevrstvé keramické nebo slinované (spékané) tantalové Nepouzdřené polovodičové součástky čipy Čipy se do obvodu vsazují obvykle nalepením vodivým lepidlem nebo eutektickým pájením za rubovou stranu (tj.vývodními ploškami systému polovodiče nahoru) na pájecí plošky podložky a následně se propojují jednotlivé kontaktní plošky termokompresním nebo ultrazvukovým svářením na povrchu čipu s patřičnými vodivými ploškami na podložce. Eutektické pájení čipů je založeno na skutečnosti, že teplota tání eutektické slitiny Si- Au je 370 C,ačkoliv bod tání zlata i křemíku je mnohem vyšší (Au má bod tání 1063 C a Si 1404 C). Při tomto postupu podložka opatřená zlatou pájecí fólií se zahřívá na teplotu 400 C. Křemíkový čip se položí svou zadní stranou na zahřátou pájecí plošku a je lehce třen po jejím povrchu. Následkem tohoto se tvoří eutektická slitina křemíku a zlata, která po ochlazení ztuhne a vytvoří elektrický kontakt s dobrou mechanickou pevností spoje. Čipy polovodičů se také mohou lepit k vodičům podložky vodivou elektricky nebo nevodivou epoxidovou lepící pastou. Odměřené množství lepidla se nanese na povrch substrátu použitím dávkovače. Čip se přitlačí na lepidlo a vytvrdí se při teplotě 40 C. Propojení mezi kontaktními ploškami na čipu a na podložce se děje zlatým nebo hliníkovým drátkem o průměru 25µm buď termokompresním nebo ultrazvukovým svářením. Při termokompresním sváření se hrot se zlatým drátkem přiloží na kontaktní plošku a za současného působení teploty a tlaku způsobí plastické tečení a molekulární spojení dvou povrchů. Ultrazvukové sváření spočívá na převedení ultrazvukové energie mezi dva dílce, které mají být spojeny. Proces probíhá při pokojové teplotě. Energie je přenášena od magnetostrikčního měniče kmitajícího na frekvenci okolo 60 khz krátkým vertikálním svářecím hrotem. Hrot stlačuje dohromady dílce, které mají být spojené. Ultrazvukové sváření

28 26 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně je zvlášť vhodné pro sváření hliníkovým drátem na hliníkové plošky. Postup při kontaktování holých čipů je znázorněn na Obr Obr. 10.1: Znázornění způsobu připojování čipů drátovým propojem a) ultrazvukem b) termokompresí Pouzdřené polovodičové čipy Nejrozšířenějším způsobem připojení pouzdřených polovodičů do obvodu je pájení přetavením pomocí horkého plynu, pece, pájedla nebo fokusovaných infračervených paprsků. Jak kontakty na součástce, tak pájecí plošky na podložce musí být předem pocínované nebo potištěné pájecí pastou, pak přiloženy k sobě, ohřáty na teplotu tavení pájky a po ochlazení je vytvořen spoj. Shrnutí: Polovodičové čipy je třeba do obvodu nejprve osadit a potom i připojit. U moderních technologií mohou být tyto operace spojeny (Flip Chip).

29 Mikroelektronika a technologie součástek Tlustovrstvé senzory Cíl: Cílem kapitoly je uvést studenta do oblasti senzorové techniky a oblasti využití tlustovrstvé technologie v nekonvenčních aplikacích a seznámit jej s problematikou měření pomocí tlustovrstvých elektrochemických senzorů Úvod do nekonvenčních aplikací tlustých vrstev Vrstvové technologie, a to jak technologie tlustých vrstev, tak i technologie tenkých vrstev, byly zaměřeny z počátku na využití při výrobě hybridních integrovaných obvodů. Byly využívány zejména pro výrobu speciálních integrovaných obvodů, prototypů a malých sérií, v aplikacích kde nebylo možné použít monolitické integrované obvody. Z důvodu pokračující integrace na polovodičových čipech a rozšíření aplikačních možností v důsledku nových technologií došlo ke změně orientace vrstvových technologií na využití ve speciálních a nekonvenčních aplikacích. Je to např. oblast vojenských aplikací, dále oblast aplikací vyžadujících vysokou spolehlivost nebo netradiční provedení. S rostoucím významem senzorů a displejů se také otevřela cesta k nekonvenčním aplikacím. TLV technologie vychází z tiskařské techniky používané pro různé tiskařské aplikace, aplikace v užitném umění, v návrhářství a pod. Proto se v těchto oborech objevuje také ve spojení s elektronikou např. při návrhu osvětlení apod. V oblasti elektroniky jsou pod pojmem nekonvenční (netradiční) aplikace tlustých vrstev označovány aplikace, které se odlišují od klasického pojetí s obvodovými prvky. Pod pojmem klasické TLV aplikace jsou obecně chápány elektrické obvody vytvořené TLV technologií, které mají 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. Důsledkem tohoto vývoje je neustálý nárůst nových aplikací (např. TLV pojistky a pod.), které leží rozhraní klasických a nekonvenčních aplikací. Tak dochází k situaci, kdy přestává existovat jednoznačně vymezená hranice daná výše uvedenou definicí. Mezi nejvýznamnější nekonvenční aplikace náleží tlustovrstvé zobrazovací jednotky, topné elementy, senzory, vysokonapěťová izolace, rychlé tlustovrstvé pojistky, vysokoteplotní supravodiče, antény pro čipové karty, piezoelektrické reproduktory a vývody pro solární články Senzory na bázi tlustých vrstev a jejich základní dělení Obecně je senzor definován jako zařízení reagující na podmět, stav prostředí (měřenou veličinu) a převádějící jej na výslednou odezvu nebo informaci (výstupní veličinu). Reakce na podmět může být fyzikální nebo chemický proces, který mění určitý svůj parametr jednoznačným způsobem. Stav procesu snímá citlivá část senzoru a zpracovává vyhodnocovací obvod senzoru. Výstupní informací z vyhodnocovacího obvodu senzoru je kvantitativní, obvykle elektrický, signál, který lze snadno zpracovat dalšími řídícími obvody, viz.obr

30 28 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně SENZOR Podmět, stav prostředí Citlivá část senzoru Vyhodnocovací obvod senzoru Další řídící obvody fyzikální nebo chemický proces výstupní veličina senzoru, kvantitativní signál Obr. 11.1: Obecný princip činnosti senzoru Mezi další základní pojmy senzorové techniky dále náleží: Senzorová pole - jsou integrované senzory složené ze stejných nebo podobných senzorových struktur ze stejnou nebo podobnou funkcí. Multisenzor - se skládá z několika senzorů se stejnou nebo podobnou funkcí. Multifunkční senzor - je jednoduchý integrovaný senzor, který může realizovat několik rozdílných snímacích funkcí za různých podmínek. Inteligentní senzor - je zařízení, které v sobě obsahuje citlivou část (čidlo) a obvody pro převod, úpravu, řízení a komunikaci s dalšími zařízeními v jediném celku. Míra inteligence je u těchto senzorů definována různě. Obecně existuje mnoho hledisek podle nichž lze senzory klasifikovat. Nejpoužívanější rozdělení vychází z představy, že senzor lze nazvat převodníkem mezi měřenou veličinou a výstupní veličinou. z této představy plynou dělení: Dělení podle vstupní veličiny - Senzory jsou rozděleny podle druhu měřené veličiny. Rozlišujeme zde senzory na měření geometrických veličin, mechanických veličin, teplotních veličin, elektrostatického a magnetického pole, chemických veličin, biologických veličin, atd. Dělení podle výstupní veličiny - Senzory jsou rozděleny podle druhu výstupní veličiny. Nejčastěji využívanou výstupní veličinou je elektrický signál. Využívá se však i veličin optických (změna barvy nebo jasu), mechanických (posunutí ukazatele) apod.. Výstupní signál ze lze dále rozdělit na analogový a digitální. Dělení podle principu převodu - Senzory jsou rozděleny podle principu převodu měřené veličiny na veličinu výstupní. Rozdělujeme senzory s fyzikálním převodem (převod mechanicko-elektrický, termorezistivní, termoelektrický, piezoelektrický, fotokonduktivní, senzory využívající Hallova jevu, atd.), s chemickým převodem a biochemickým převodem. Další klasifikace senzorů se provádí podle různých obecných specifik. Mezi nejznámější rozdělení dále patří: Dle styku senzoru s měřeným prostředím - Senzory jsou rozděleny podle kontaktu s měřeným prostředím: o dotykové. o bezdotykové,

31 Mikroelektronika a technologie součástek 29 Dělení podle chování výstupu (též dle transformace signálu) - Senzory jsou rozděleny podle toho, chová-li se výstup senzoru jako zátěž s definovanými parametry nebo jako zdroj signálu. Rozlišujeme senzory: o generátorové (též aktivní) - působením měřené veličiny se senzor chová jako zdroj energie (nejčastěji elektrické). Příkladem mohou být senzory pracující na principu převodu termoelektrickém (termočlánek), piezoelektrickém, indukčním, fotoelektrickém (fotočlánek), atd., o pasivní - působením měřené veličiny se mění některý z parametrů senzoru (často elektrická veličina, např. indukčnost, kapacitu, odpor, imitanci; nebo optická veličina např. změna barvy). Dělení podle převodu neelektrické veličiny - Senzory jsou rozděleny podle složitosti převodu měřené veličiny na veličinu výstupní. Rozlišujeme senzory: o senzory s jednoduchým převodem - měřená veličina se mění přímo na veličinu výstupní, o senzory s několikanásobným převodem - měřená veličina se mění nejprve na jinou/é veličinu/y a tato se pak mění dále na veličinu výstupní. Dělení podle výrobní technologie - Senzory jsou rozděleny podle technologie výroby. Náleží sem např. senzory Telektromechanické, mechanické, pneumatické, elektrické, elektronické, mikroelektronické T(technologie tlustých vrstev, technologie tenkých vrstev, polovodičová technologie)t, elektrochemické, optoelektronické.t U tlustovrstvých senzorů lze nalézt dále dělení podle základního funkčního principu. Toto dělení vychází hlavně z vlastností past použitých při výrobě tlustovrstvých senzorů. Rozlišujeme tlustovrstvé senzory: založené na obvodové technologii - využívá se změn parametrů elektrického prvku v obvodu (zejména kapacity a odporu). Je použito jiného principu převodu, než je změna vlastností použité pasty na měřeném jevu. založené na vlastnostech standardních past - využívá závislosti určité vlastnosti standardní pasty (vodivá, odporová, dielektrická, krycí) na měřené veličině. založené na vlastnostech speciálních past - využívá se změn parametrů elektrického prvku v obvodu, který je tvořen mimo běžných past také pastou speciální (termorezistivní, pierorezistivní, enzymové atd.) Tlustovrstvé elektrochemické senzory Existuje celá řada různých provedení chemických senzorů podle principu mezi něž náleží hlavně elektrochemické články, impedanční, kalorimetrické, rezonanční, optické, paramagnetické senzory a další. Elektrochemické články jsou široce používané senzory. Sestávají se z minimálně dvou elektrod a iontově vodivého materiálu (elektrolytu) mezi nimi. Činnost senzoru je založena na reakcích na rozhraní mezi elektronově a iontově vodivými materiály na povrchu elektrod. Elektrochemické senzory mohou pracovat v potenciometrickém, amperometrickém nebo konduktometrickém režimu. Základem praktických měření je metoda cyklické voltametrie. Při cyklické voltametrii se sleduje proudová odezva senzoru na napěťový signál tvaru pily. Odezva je závislá nejen

32 30 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně na samotné chemické reakci, ale též na vlastnostech měřící soustavy, které si experimentátor pro měření nastaví (počáteční a koncová hodnota napětí, rychlost cyklování, filtry atd.). Náčrt teoretické odezvy senzoru viz. Obr. 11.2, na kterém je názorně vidět stanovení půlvlnového potenciálu měřené látky Upv a pracovního potenciálu senzoru Upr. Z půlvlnového potenciálu měřené látky Upv lze stanovit druh reagující látky, z velikosti proudu při půlvlnovém potenciálu lze určit koncentraci reagující látky v roztoku. Limitní difúzní proud, znázorněný tečnou t, určuje kvalitu senzoru. U ideálního senzoru je směrnice této tečny rovna nule. U reálného senzoru probíhají vždy vedlejší reakce a elektrochemická reakce není zcela v rovnováze s difúzním tokem elektroaktivní látky. Obr. 11.2: Cyklický voltamogram - Náčrt teoretické odezvy senzoru V některých případech je nutné odstranit z roztoku elektrolytu rozpuštěný kyslík, jehož vlna může překrýt vlny dalších reagujících látek, které sledujeme, viz. Obr Rozpuštěný kyslík lze odstranit tím, že elektrolyt probubláváme inertním plynem. Probublávání roztoku inertním plynem je však také promícháváním roztoku a podstatně ovlivňuje přirozenou difúzi reagujících látek k elektrodovému systému a tedy i výsledek měření. I [A] Bez probublání dusíkem Po probublání dusíkem S obsahem těžkého kovu U [V] Obr. 11.3: Příklad vlivu vlny kyslíku na měření těžkých kovů

33 Mikroelektronika a technologie součástek Praktické měření Zadání 1) Popište, změřte a graficky znázorněte vliv kyslíkové vlny na elektrochemická měření koncentrace těžkých kovů (vložte do jednoho grafu měření před odstraněním, po odstranění kyslíkové vlny a s přídavkem těžkého kovu). 2) Změřte, graficky znázorněte a popište vliv náběhové rychlosti na měření cyklické voltametrie u komplexu ferokyanid-ferikyanid. 3) Z předcházejícího bodu vyneste charakteristiku proudového maxima píku v závislosti na rychlosti náběhu Měřicí pracoviště a použité měřicí přístroje Základem měřicí aparatury, viz., je reakční nádobka. V ní je umístěn měření roztok, do něhož je vsunut senzor. Výstupní proudová odezva senzoru je měřena pomocí analytické elektrochemické pracovní stanice AEW2-10, Sycopel Scientific. Jedná se o potenciostat (zařízení pro měření proudu při definovaném průběhu potenciálu), který umožňuje měření různých elektrochemických metod Otevřený obvod, Potenciostatická, Galvanostatická, Potenciodynamická (Cyklická voltametrie), Galvanodynamická, atd.. Do reakční nádobky je dále možno přivést ochrannou dusíkovou atmosféru. Dusík je odebírán z tlakové nádoby. Vyhodnocení měření je prováděno počítačem třídy PC pomocí programů Electrochemistry Program V3.6 a Microsoft Excel. Zásobník s dusíkem Analytická stanice AEW2-10 Kádinka Konektor senzoru Senzor Počítač PC Měřený roztok Obr. 11.4: Schéma měřicí aparatury

34 32 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Postup měření 1, Připravte pracoviště, pomůcky a chemikálie k měření dle pokynů učitele. Zapněte přístroj AEW2-10 a proveďte jeho kalibraci. 2, Změřte úlohu č.1 - v první nádobce změřte vlnu pomocí cyklické voltametrie (Technique Potentiodynamic) v učitelem zadaném napěťovém rozsahu a pufru před odstraněním kyslíku z roztoku. Poté nechte roztok zvolna probublávat dusíkem, který odstraní kyslík z roztoku. 3, Změřte úlohu č.2 v druhé nádobce proměřte vliv náběhové rychlosti na měření cyklické voltametrie u komplexu ferokyanid-ferikyanid. Náběhovou rychlost volte v rozsahu -1 v=1-200mv.sp P. Koncentraci jednotlivých složek měřeného roztoku zvolí učitel. 4, Vraťte se k měření úlohy č.1 - vypněte probublávání pomocí dusíku a změřte vlnu po odstraněním kyslíku z roztoku. Přidejte přídavek roztoku obsahujícím těžký kov a opakujte měření. Ukončete měření, ukliďte pracoviště a vypněte přístroj AEW , Vypracujte úlohu č.3 podle výsledků z úlohy č.2 a výsledky shrňte v závěru. Doporučená literatura k této kapitole je uvedena v [ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ]. Shrnutí: V této kapitole je vysvětlen základní přístup k řešení tlustovrstvých senzorů, které tvoří významnou oblast pro získání vstupních veličin v nejrůznějších oblastech průmyslu a hospodářství

35 a ve Mikroelektronika a technologie součástek Měření tlustovrstvé odporové sítě a její statistické vyhodnocení Cíl: Cílem kapitoly je uvést studenta do oblasti statistického zpracování dat a vyhodnocování kvality výrobních procesů, jež je dnes nezbytně spjata s výrobními resp. technologickými procesy jak z hlediska jakosti, tak i ceny Úvod do statistického vyhodnocování Tlustovrstvá technologie slouží pro výrobu pasivních sítí (odporové a kapacitní). Po dokončení jejich výroby je nutné tyto sítě proměřit a naměřené výsledky vyhodnotit. K tomu slouží různé statistické vyhodnocovací metody. Na základě vyhodnocení naměřených hodnot je často doregulován výrobní proces a tím zvýšena kvalita výrobku. Mezi nejjednodušší metody vyhodnocování kvality výrobních procesů patří: Vyhodnocení porovnáváním - Je nejjednodušší vyhodnocovací metodou. Jsou dány regulační meze, po jejichž překročení je zasaženo do výrobního procesu. Např. je-li počet zmetků z menší v náhodném výběru o rozsahu n než je stanovená regulační hranice zbmb, pak nepotřebuje výrobní proces regulační zásah. Hodnocení výroku nebo skupiny výrobků je dobrý (bez regulačního zásahu) špatný (nutný regulační zásah). Vyhodnocování měřením - Z naměřených hodnot v náhodném výběru rozsahu n kusů jsou vypočítány hodnoty příslušné charakteristiky, kterou nejčastěji bývá průměr x a rozpětí ve výběru R, minimální hodnota min xbib maximální hodnota max xbib výběru nebo individuální hodnoty ve výběru. Podle vypočítaných hodnot se rozhodne, dojde-li k regulačnímu zásahu. Regulační diagram obsahuje 4 regulační meze vnější dolní a vnější horní regulační mez (po jejich překročení dojde k regulačnímu zásahu) a vnitřní dolní a vnitřní horní regulační mez (zde se může vyskytovat nejvýše 1 hodnota z naměřených hodnot) Základy statistického zpracování dat Statistika je věda o zjišťování, zpracování a rozboru číselných údajů, které byly shromážděny za účelem: popisu rozsáhlých souborů, redukce rušivých odchylek způsobených náhodnými veličinami. Matematická statistika vytváří metody, jež jsou založeny na předpokladu, že zjišťované údaje jsou ovlivněny náhodnými veličinami a že účelem jejich shromažďování je bližší určení některého neznámého parametru v jejich zákonu rozdělení. Matematická statistika je tedy založena na počtu pravděpodobnosti a používá jeho pojmů. Zjišťování údaje (sbíraného, měřeného, pozorovaného) nazýváme zpravidla pozorováním a vlastní zjištěná data nazýváme pozorováními. V konkrétní situaci to jsou buď určitá čísla (xb1b,,xbnb pro jednorozměrný soubor) nebo v teoretických úvahách to jsou náhodné veličiny (xb1b,,xbnb pro jednorozměrný soubor), které mohou nabít různých hodnot a řídí se určitým zákonem rozdělení. Hodnoty, jež byly vypočítané ze zjištěných údajů