Tlustovrstvá technologie: -kompletní technologický proces pro výrobu HIO. -Návrh -Modelování a simulace -Technologický postup -Aplikace

Transkript

1 TLUSTÉ VRSTVY Tlustovrstvá technologie: -kompletní technologický proces pro výrobu HIO -Návrh -Modelování a simulace -Technologický postup -Aplikace

2 Tlustévrstvy - úvod Jsou vytvářeny na keramických substrátech adiivním způsobem. Charakteristickým znakem tlustovrstvé technologie používané velektronice 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 vdesítkách µm, tedy přibližně odva řády více než je tomu u tenkých vrstev.

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

4 P S R = P O Výkonové zatížení odporů Velikost plochy rezistoru je přímo úměrná jeho výkonovému zatížení P. Pro jeho výpočet vyjdeme ze vztahu pro stanovení plochy rezistoru P S R = P O S R = P / P 0 kde P je výkonové zatížení rezistoru [W] P 0 je měrné výkonové zatížení pro daný typ pasty a substrátu [W/mm2] Úpravou a dosazením výrazu pro počet čtverců odporové vrstvy dostaneme pro šířku: P w = = P l O P P A O nebo podobným způsobem pro výpočet délky rezistoru

5 Tlusté vrstvy -úvod Materiály používané velektronice pro vytváření pasivních sítí jsou dodávány ve formě past (Inks) s definovanou viskozitou. Tlustovrstvé 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 Nejnižší viskozity dosahují vokamžiku odskoku síta (bod C), kdy dochází kpřenosu pasty na substrát.

6 Viskozita

7 Pružnost a protaženísíta

8 Způsob nanášení Nanášení tlustých vrstev se vmikroelektronice provádí následujícími způsoby: sítotiskem šablonovým tiskem popisem (jehlou, hrotem)

9 Princip sítotisku

10 Ruční sítotisk

11 Automatický sítotisk

12 Faktory působící v průběhu tisku

13 Parametry sít

14 Síta Tabulka :Parametry polyesterových sít používaných pro nanášenípájecích past Počet ok na Průměr vlákna Tlouštka síta Světlost oka Světlost síta Teoret.objem protlač. pasty (palec/cm) (cm2) (mm) (mm) (mm) (%) (mm 3 /oko) 35/ ,2 197,5 60/24 80/ ,8 44,5 113,5 75,5 P á j e c í 100/ ,7 59,5 p a s t y 130/51 160/62 205/81 240/95 305/ ,7 32, ,7 27, ,5 16 T l u s t é v r s t v y

15 Osnova síta a šablona

16 Výpal tlustých vrstev

17 Tlustá vrstva na keramickém substrátu po výpalu

18 Technologický postup Typický sled operací vprocesu vytváření tlustovrstvé struktury je znázorněn na obr. Operace sítotisku a následného zasušení se může v případě nanášení různých typů odporových past, nebo také při vytváření vícevrstvých struktur několikrát opakovat. Čištění substrátu Sítotisk a sušení vodivé vrstvy Výpal vodivé vrstvy Sítotisk a sušení odporové vrstvy Výpal odporové vrstvy Trimování odporové vrstvy

19 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. Ru2O). Velikost částic se pohybuje řádově v µm 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 vpastě zajišťuje její tiskové vlastnosti viskozitu a tvoří ji organické látky jako např. terpineol, butyldiglykolacetát apod. Tato složka se vprůběhu tepelného zpracování odpaří a nepodílí se na konečné funkčnosti vrstvy.

20 Materiály pro TLV -pasty Materiály ve formě sítotiskových past lze rozdělit do tří základních skupin: vodivé, odporové, dielektrické a izolační speciální. Pro vodivé pasty se používají jako funkční složka drahé kovy (Au, Pd, Pt, Ag), především pro svoji stálost a netečnost vůčí 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 směsii. Tyto materiály řadíme do skupiny speciálních past, jako jsou např. termistorové, magnetické, luminescenční, stínící a také pasty pro chemické senzory apod. Pasty jsou připravovány mícháním a roztíráním (rozpracováním) příslušných komponent připravených ve formě práškových frit, pokud možno s co nejdefinovanějším tvarem jednotlivých částic (o průměru < 5 µm) tak, aby byly zaručeny jak dobré tiskové vlastnosti, tak i homogenita pasty po jejím nanesení a výpalu.

21 Trimování (justování) odporů

22 Šablonový tisk Šablonový tisk je svou základní podstatou obdobou sítotisku. Rozdíl je v provedení šablony, jejíž motiv určený k tisku je vytvořen vpevném (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

23 Šablonový tisk

24 Chemické leptání Chemické leptání Šablona se vytváří chemickým odleptáním plechu znerezové 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

25 Laserové řezání Šablony se vytváří řezáním pomocí laserového paprsku do kovové desky. Laser řeže otvory do kovové desky kontinuálně slichoběžníkovými 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.

26 Galvanoplastickéšablony Šablony vytvořenétouto metodou jsou nejlepší pro velmi jemnéstruktury a waferovýtisk. Proces se skládáz nanášení niklu na fotoaktivníplastovou vrstvu pokovováním, kteráse mění působením světla na požadovaný obraz šablony. Fotoaktivní vrstva je odstraněna, kdyžje dosažena tloušťka niklové vrstvy dosáhne 25 (m. Šablona vytvořenátouto metodou je 5-10x levnější nežšablona vytvořenálaserovým řezáním o stejném množství otvorů.

27 π r 2 r = = 2 π r t 2t Návrh šablony Tloušťka šablony t se volí podle rozměrů motivu, přičemž kritický je minimální rozměr w. 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

28 Volba pasty U pájecích past udávají výrobci velikost zrn vpastě vztaženou na typ síta (udáváse typ pájecí pasty od 1 do 5). Například jednou znejpoužívanějších pájecích past je typ 3 (-325/+500). Toto označení znamená, že pasta projde bezpečně sítem 325 ok (údaj se znaménkem -), ale neprojde sítem s počtem ok 500 (údaj se znaménkem +). Závislost mezi parametry pasty a síta, resp. průchodnost pasty sítem je definována normami (např. J-STD-006 nebo QQ- S-571) a vtabulce 4-II je přehledně uvedeno doporučenípro různétypy součástek resp. vývodů.

29 Parametry pasty Tab. : Souvislosti mezi roztečí vývodů, typem pasty, počtem ok síta a velikostí částic pasty Typ vývodu Součástky Rozteč [mm] Typ pasty Průchodnost a neprůchodnost typem síta [počet ok na palec] Typický průměr částic pasty [µm] Standardní 2, / Standardní 1, / Standardní >0, / Fine Pitch 0, /+400 to Fine Pitch 0, / Fine Pitch 0,4 3,4-400/ Ultra Fine Pitch 0, / Ultra Fine Pitch <0, /+635 <25

30 Pájecí pasta po tisku

31 Pájecí pasta po výpalu

32 Velikost ok vs. velikost částic π r 2 r = = 2 π r t 2t

33 Aplikace technologie tlustých vrstev Hybridní obvody - spoje, plošné cívky, pasivní sítě (především rezistory) Topná tělesa - komerční i průmyslová elektronika Senzory - odporové, kapacitní, termočlánky, chemické články Fóliové klávesnice, plošné spoje Elektroluminiscenční prvky - displeje, světelné panely, reklama Fotovoltaické prvky Jiné aplikace -

34 Hybridní obvody : Vysokofrekvenční aplikace na keramickém substrátu až do desítek GHz, plošné antény Řídící jednotky spínaných zdrojů, celkové řešení malých výkonových spínaných zdrojů

35 Topná tělesa : Komerční technika -elektrické ohřívače, rychlovarné konvice, žehličky, kávovary, topné desky elektrických sporáků, rozmrazováni skel Průmyslová technika -topná tělesa libovolných tvarů, termostaty, ohřev kolejnic a mechanismů výhybek, ochrana potrubí proti mrazu,

36 Příklad výroby topného tělesa izolant sklo um Podkladový materiál - ocel 3500 F 3500 F 35xx res 36xx res 7760 kontakt 3500 výpal odporová vrstva mω kontaktníplošky F Výpal

37 Senzory : Odporové -teplotní čidla, tenzometry, potenciometry(polohové) Kapacitní -polohové snímače, senzory vlhkosti, Ostatní -termočlánky, chemické, piezoelektrické, biosenzoryatd

38 Fóliové klávesnice, plošné spoje :

39 Elektroluminicenční prvky :

40 Fotovoltaické prvky :

41 Jiné aplikace : Piezoelektrické reproduktory Tepelné tiskové hlavy Rychlé tlustovrstvé pojistky Vysokonapěťové prvky Vysokofrekvenční a mikrovlnné aplikace -mikropásková vedení -ionizátory Vysokoteplotní supravodiče -prvky s rozloženými parametry Obecně se používají pro: výkonové, mikrovlnné a všeobecně malosériové obvody

42 POLYMERNÍ TLUSTOVRSTVÉMATERIÁLY Tlustovrstvé polymerní materiály tvoří: pigmenty (plniva): -vodivé -odporové -dielektrické polymery (organické materiály): -termosety (epoxydové a fenolové pryskyřice) -termoplasty (akrylové pryskyřice) rozpouštědla

43 Technologie výroby polymerních TLV Výrobní proces je podobný, sítotisk, vytvrzení- určuje finální vlastnosti. PFT jsou vypalovány nejen konvenčními metodami jako je průtahová tunelová pec a pec s infračerveným ohřevem, ale také ohřev kondenzací plynné fáze a výpal za pomoci mikrovln. Průtahová tunelová pec Tato pec je sice oblíbená pro výpal PFT kvůli jednoduché a snadné manipulaci, ale vlastnosti vrstvy vytvrzené vtomto typu pece nejsou tak dobré, protože schopnost tepelného předu ze vzduchu do substrátu je nízká. Pasta je vytvrzená vpeci při teplotě 120 až 160 C za dobu 30 až 60 minut. Pec s infračerveným ohřevem Tento typ pece je v praxi nepoužívanější. Má vysokou schopnost tepelného převodu, proto doba výpalu může být na rozdíl od tunelové pece snížena na jednu třetinu. Ohřev kondenzací plynné fáze Princip tohoto systému spočívá ve využití latentního tepla z kondenzace inertní kapaliny, jejíž teplota varu je relativně vysoká. Používané kapaliny jsou Fluorinert FC - 43 a FC - 70, jejichž teploty varu jsou 174 a 215 C. Pasta může být vytvrzená vplynné fázi za dobu 2 až 3 minut. Výpal s pomocí mikrovln Tento způsob výpalu není oblíben, ale je to ideální metoda pro PFT, která se výrazně liší od tří předchozích zmíněných metod. Absorbovaná mikrovlnná energie vyvolává rotaci dipolárních molekul, které vpastě vdůsledku tření produkují teplo. Rychlé vytvrzení je výsledkem působení vnitřního tepla. Pasta je dobře vytvrzená během pouhých 2 až 3 minut vmikrovlnách, jejichž frekvence je 2,45 GHz užitím Superthem 1M.

44 Aplikace membránováklávesnice

45 Aplikace - Příklad návrhu multifunkčního senzoru pro měření základních parametrů životního prostředí kompletně zhotoveného technologiítlustých vrstev