FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Ústv mikroelektroniky 1 Vytváření tlustovrstvé pasivní sítě Cíle kapitoly: 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. 1.1 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 Z umělých vláken 120 až 400 ok/cm 60 80 ok/cm Osnova vlákna se orientuje v napínacím rámu pod úhlem 45º nebo 60º. 1.2 Kontrolní otázka Zdůvodněte proč se orientuje osnova síta při napínání do rámu pod úhlem a jak to souvisí s rozlišením.
2 FEKT Vysokého učení technického v Brně 2 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. 2.1 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 % Al 2 O 3 oxidu hlinitého v plošných velikostech od několika mm 2 po 100 i více cm 2 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 ε r, 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. 2.1. Tab. 2.1: Vlastnosti keramických materiálů. Parametr / Materiál 96 % Al 2 O 3 99,5 % Al 2 O 3 *) 99 % BeO**) AlN Tepelná vodivost [J s -1 m -1 K -1 ] 35 37 250 170 Součinitel teplotní roztažnosti [ppm K -1 ] 6,4 6,6 5 4,5 Elektrická pevnost [kv mm -1 ] 8 9 14 12 Měrný odpor [Ω mm] 7. 10 13 7. 10 13 10 14 > 10 13 Tangenta ztrátového činitele 100 MHz [%] 0,55 0,08 0,04 7-20 Relativní permitivita ε r 9 10 6,6 9-10 ) používá se pro tenkovrstvé obvody **) toxický keramický materiál používaný v omezené míře pro výkonové aplikace
Moderní technologie elektronických obvodů a systémů 3 2.2 Kontrolní otázky Zjistěte základní parametry substrátu z materiálu Al 2 O 3. a elektrické parametry. Srovnejte parametry korundového substrátu s křemíkovým. Rozlište mechanické 2.3 Sítotiskové pasty Základ tlustých vrstev tvoří sítotiskové pasty pro tisk vodivých, odporových, dielektrických, izolačních a krycích vrstev, většinou na korundový substrát (Al 2 O 3 ). Obecně se skládají sítotiskové pasty ze tří složek: 1) funkční - 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) tavivová - skelná nebo oxidová, která vytváří vazbu na substrát a také nosnou matrici pro funkční složku, 3) laková (pojivová), 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). 2.3.1 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. 2.2. Tab. 2.2: Vlastnosti vodivých past. Vlastnost Ag-Pd Au-Pd AuPt Au Teplota výpalu [ºC ] 760-1000 760-1000 800-1000 760-1000 Rozlišení [µm ] 50-400 50-400 50-400 50-400 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] 15-40 30-40 10-45 ---
4 FEKT Vysokého učení technického v Brně 2.3.2 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. 2.3. Tab. 2.3: Vlastnosti odporových past. Vlastnost Jednotka Pd-Ag RuO 2 Ruteničitany Plošný odpor Rp Ω 10-10 5 1-10 7 10-10 7 Rozptyl odporu po výpalu % 30 10 10-25 Teplotní součinitel K -1 300.10-6 300.10-6 50-250.10-6 -55 až + 125ºC Napěťový součinitel V -1 150.10-6 400.10-6 -19.10-6 Vypalovací teplota o C 850 980 850 Doba výpalu min 60 45 60 2.3.3 Dielektrické pasty Z hlediska využití u HIO 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 = V1.logε1 + V 2. logε 2 ( 2.1 ) kde V 1,V 2 jsou objemové části skelné a keramické složky ve výsledné vrstvě /V 1 +V 2 /, ε 1, ε 2 jsou permitivity skelné a keramické složky. Tab. 2.4: Vlastnosti izolačních past. Parametr Jednotka Sklovina Sklovina jednoduchá rekrystalizační Tloušťka vrstvy µm 37-50 37-50 37-50 Relativní permitivita ε r 6-9 10-20 11 (1kHz) - Ztrátový činitel tg δ - 0,005 0,005 0,005 1kHz Činitel jakosti Q (1kHz) - 500 1000 - Izolační odpor Ω 10 11 10 11 10 13 měř.při napětí 100 V Elektrická pevnost E d kvmm -1 8,5 11 20 Vypalovací teplota C 875 850 850 Doba výpalu min 60 60 45 Sklokeramika
Moderní technologie elektronických obvodů a systémů 5 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. Vlastnosti dielektrických vrstev pro křížení vodičů a vícevrstvé struktury jsou uvedeny v tab. 2.4. 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. Příklad 2.1 Návrh TLV kondenzátoru Navrhněte tlustovrstvový kondenzátor, jehož hodnota kapacity C = 470pF (tolerance ±20%), ztrátový činitel tgδ =3,5% a jmenovité napětí U jm = 40V. Pro vytvoření dielektrika použijeme dielektrickou pastu, jejíž hodnota plošné kapacity je C o =100 pf, ztrátový činitel tgδ <3% a elektrická pevnost E pr =4 Vµm -1. Podle vztahu : kde S C 0 = d = 0,0885. ε d Co. So ( 2.2 ) ε d je permitivita materiálu dielektrika, d je tloušťka dielektrika, S o je plocha překrytí spodní a horní elektrody (a o.b o ), C o je měrná (plošná) kapacita. Vypočítáme potřebnou plochu překrytí dolní a horní elektrody: S C 470 2 o = = = 4,7mm ( 2.3 ) Co 100 Na základě tohoto údaje lze určit rozměry strany při čtvercovém tvaru a o = b o = 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 ( 2.4 ) E pr kde K B je bezpečnostní koeficient (2-4), U jm je jmenovité napětí, E pr je elektrická pevnost materiálu dielektrika, pak 3.40 d = 30 ( 2.5 ) 4 a pro náš případ 40 >30 Navržený kapacitor lze tedy realizovat popsaným způsobem s dostatečnou bezpečností.
6 FEKT Vysokého učení technického v Brně 3 Tisk vrstev a sítotiskové zařízení Cíle kapitoly: Seznámit se s technikou sítotisku, která tvoří základ pro nanášení tlustých vrstev a tím i pro vytváření tlustovrstvých integrovaných obvodů. 3.1 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 V s a při působení síly F s 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. 3.1. Obr. 3.1: Základní princip nanášení tlustých vrstev sítotiskem a) stav před tiskem b) okamžik přenosu pasty při pohybu stěrky c) stav po tisku
Moderní technologie elektronických obvodů a systémů 7 Vlivy, které působí v procesu sítotisku můžeme rozdělit na vnější a vnitřní. 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: I) drsnost podložky <0,8µm, její rozměrová tolerance II) 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. 3.2: Znázornění parametrů síta (tkaniny) a) velikost ok vs. průměr drátu b) otevřená plocha síta (světlost) Z obr. 3.2 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 ( 3.1 ) kde w je rozměr strany volné plochy oka [mm], d je průměr vlákna [mm], - světlost (otevřená plocha) síta Ao, jíž lze určit ze vztahu: 25,4 n = + d w ( 3.2 ) III) 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
8 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 3.3: Znázornění dvou různých provedení sítotiskových šablon: a) přímá b) nepřímá IV) vliv sítotiskové pasty viskozita pasty: 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 F s, c) rychlost stěrky V s 120-150 mm s -1, d) vliv úhlu stěrky pro tisk přesných motivů volíme stěrku s úhlem 35-45. Shrnutí: V procesu sítotisku působí vnitřní a vnější faktory, které ovlivňují konečné parametry. Pro dosažení předpokládaných výsledků je nutné tyto faktory nastavit resp. kontrolovat. 3.2 Zadání Na keramickou podložku natiskněte daný motiv pasivní sítě (vodivé nebo odporové). Potřebné znalosti Základní přehled o principu sítotisku a o vhodných pastách pro tlustovrstvé technologie. Druhy a materiály sít. Postup vytváření motivu na síta. Seznámení se s přístrojem na ruční sítotisk Pracoviště Obr. 3.4: Ruční sítotisk. Postup 1) Vložte keramický substrát na příslušné místo do sítotiskového stroje a zapněte vakuum. (Používejte pinzetu popř. rukavice)
Moderní technologie elektronických obvodů a systémů 9 2) Naneste přiměřené množství pasty na síto mimo obrazec. 3) Přiměřeným tlakem, rychlostí a náklonem těrky rozetřete pastu přes obrazec. Pasta zanesená v motivu se přenese na substrát. 4) Vypněte vakuum a vyjměte substrát na podložku. Úkoly Zhodnoťte Váš natisknutý motiv. Předložte možné důvody špatného tisku a opatření k nápravě. Obr. 6.5: Soutiskový motiv Obr. 6.6: Motiv vodivé vrstvy Obr. 6.7: Motiv odporové vrstvy Obr. 6.8: Podklady pro řezání keramiky
10 FEKT Vysokého učení technického v Brně Výpal tlustých vrstev Cíle kapitoly: Seznámit se s principem teplotní sintrace tlustovrstvých materiálů nanášených sítotiskem na keramické substráty. 3.3 Princip výpalu 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. 0.1 a obr. 0.2. Obr. 0.1: Schematický řez tunelovou pecí. Obr. 0.2: 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
Moderní technologie elektronických obvodů a systémů 11 žárového pásma je kolem 800 C podle druhu vypalované pasty. Nejrozšířenější je atmosféra 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 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 zóna předehřívací teplota kolem 350 ºC, dochází k odpaření zbylých stop organických rozpouštědel, vyhořívá filmotvorný materiál zóna vypalovací teplota 850 ºC, začíná tvorba slitin a slinování funkčních složek pasty, probíhají důležité chemické reakce ovlivňující výsledné vlastnosti pasty 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. 3.4 Zadání Proveďte výpal natištěných vrstev na keramickém substrátu. 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. Potřebné znalosti Základní znalosti o vypalování tlustých vrstev. Teplotní profil průběžné pece a s tím související teplotní zóny. Složení tlustovrstvých past a důvody potřeby různých teplotních profilů pro různé pasty. Seznámení se s ovládáním průběžné pece BTU International Postup 1) Nastavte parametry výpalu dle doporučení výrobce pasty. 2) Na dopravník vložte zaváděcí keramické substráty pro stabilizaci teploty v jednotlivých zónách. 3) Vložte potištěné keramické substráty. Dodržujte přiměřené rozestupy (cca 10 mm) 4) Po výpalu odeberte keramické substráty z dopravníku.
12 FEKT Vysokého učení technického v Brně Pracoviště Obr. 0.3: Průběžná pec BTU International Úkoly Definujte jakými faktory je určen teplotní profil pece a jak tyto faktory ovlivňují elektrické parametry. Porovnejte vzhled tisku před výpalem a po výpalu. Napište k jakým změnám došlo.