Mikroelektronika

Mikroelektronika

TECHNOLOGIA

TECHNOLOGIA

GRUBOWARSTWOWA

GRUBOWARSTWOWA

WYKŁAD 5

WYKŁAD 5

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

Plan wykładu:

Plan wykładu:

1. Informacje ogólne

1. Informacje ogólne

2.

2.

Etapy wytwarzania

Etapy wytwarzania

3. Układy wysokotemperaturowe

3. Układy wysokotemperaturowe

4. Układy niskotemperaturowe

4. Układy niskotemperaturowe

(polimerowe)

(polimerowe)

5. Układy wielowarstwowe typu MCM

5. Układy wielowarstwowe typu MCM

(LTCC)

(LTCC)

Zastosowanie past polimerowych:

Zastosowanie past polimerowych:

-

warstwy przewodzące

warstwy przewodzące

-

kleje przewodzące izo- i anizotropowe

kleje przewodzące izo- i anizotropowe

-

warstwy rezystywne

warstwy rezystywne

-

potencjometry

potencjometry

-

elementy grzejne

elementy grzejne

-

przełączniki dotykowe

przełączniki dotykowe

-

klawiatury

klawiatury

-

bezpieczniki wielokrotnego zadziałania

bezpieczniki wielokrotnego zadziałania

-

czujniki

czujniki

-

ekrany elektromagnetyczne

ekrany elektromagnetyczne

-

elementy elektroluminescencyjne

elementy elektroluminescencyjne

-

. . .

. . .

Elementy elektroluminescencyjne

Elementy elektroluminescencyjne

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

Plan wykładu:

Plan wykładu:

1. Informacje ogólne

1. Informacje ogólne

2.

2.

Etapy wytwarzania

Etapy wytwarzania

3. Układy wysokotemperaturowe

3. Układy wysokotemperaturowe

4. Układy niskotemperaturowe

4. Układy niskotemperaturowe

(polimerowe)

(polimerowe)

5.

5.

Układy wielowarstwowe typu MCM

Układy wielowarstwowe typu MCM

(LTCC)

(LTCC)

MCM

– multichip module

MCM

– moduł wielostrukturowy

Struktura wielowarstwowa o bardzo dużej
liczbie
wewnętrznych połączeń elektrycznych
pomiędzy nieobudowanymi układami
scalonymi, głównie VLSI,
połączonymi w dużą jednostkę funkcjonalną

MCM

Passives

IC (Si)

Substrate

100nF

IC-Package

I/Os

I/Os

Top View

Bottom View

Through Hole / Surface Mount

HDP / Direct Chip Attach

Comparison of Electronic Systems

MCM – C (Ceramics)

Zbudowane z podłoży ceramicznych wielowarstwowych
współwypalanych lub wielowarstwowych układów
grubowarstwowych na podłożu ceramicznym

MCM – D (Deposition)

Wytworzone przez osadzanie cienkich warstw
metalicznych lub dielektrycznych na krzemie, diamencie,
ceramice lub podłożu metalowym

MCM – L (Lamination)

Wykonane podobnie jak laminatowe wielowarstwowe
obwody drukowane

Podział

MCM

MCM

MCM-L
24,0 x 24,0

MCM-D
23 x 11,5

MCM-C
12,5 x 12,5 x 7,5

Units: mm

16-bit µC MCMs realized with different substrate technologies

Miniaturisation of a 16-

bit C

Characteristics:

Material

Dielectric Constant
Line width / pitch

Via diameter

Layer numbers

CTE

Thermal dissipation

Substrate costs

Assembly

Al

2

O

3

, Glass-ceramic

6 - 8

125 / 250 µm

200 µm
4 ... 100

7,9 ... 10 ppm / K

low

moderate

COB, DCA

TB-BGA48 memory module,

source FhG IZM

MCM-C

(

C

eramic)

MCM-C

MCM-C

TB-BGA48 memory module

TB-BGA48 memory module

Bluetooth module

Bluetooth module

on LTCC

on LTCC

s

s

ubstrate

ubstrate

Al

2

O

3

:

LTCC:

screen printing of

metal and dielectric,

vias printed

screen printing of

metal paste,

vias drilled and filled

ceramic (Al

2

O

3

)

metal 1

metal 2

screen printed via

LTCC

metal 1
metal 2

filled via

metal 3
metal 4

Cerami

c

Porównanie

Porównanie

MCM-D

(

D

eposition)

Characteristics:

Material

Dielectric Constant
Line width / pitch

Via diameter

Layer numbers

CTE [Si]

Thermal Dissipation

Substrate costs

Assembly

Si, Polymers

2,8 ... 12

15 / 40 µm

30 µm

2 ... 8

2,6 ppm / K

high

moderate, high
DCA favourite [Si]

Substrate:

Dielectric:

Si, therefore DCA favourite

coated Polyimid or BCB,

deposition of metal on

plating base

vias etched

Si (oxidized), glass

metal 1

metal 2

metal 3

metal 4

etched via

Polyimid, BCB

Thin Film

Characteristics:

Material

Dielectric Constant
Line width / pitch

Via diameter

Layer numbers

Epoxy Glass

2,8 - 4,5

> 50 / 100 µm

> 200 µm

2 . 4 . 8

TCE

Thermal dissipation

Substrate Costs

Assembly

14 ... 18 ppm / K

poor, medium

low

COB, DCA

MCM-L

(

L

amination)

Core:

Preprags:

subtractive etched or

semiadditive plated,

vias drilled

Cu subtractive etched or
semiadditive plated,

vias drilled or etched

drilled via (burried)

metal 3

metal 4

preprags

core (FR4/5)

metal 1

metal 2

Ni/Au

solder resist

micro via

Laminates

BGA Pad

Laminate

Metal 1

Ni/Au

Metal 2

Metal 3

Metal 4

Cu

Burried Via

Micro Via

Solder Mask

Through Hole Via

Via

Through Hole Via

Blind Via

Micro Via

Cross Section

Blind vias measuring less than 150 um in diameter
on a 350 um or smaller diameter pad

Micro Vias

Assembl

y

T

ape

A

utomate

d

B

onding

Flip
Chip

Wire Bonding

PITCH: 200 µm

D

irect

C

hip

A

ttach

Flip Chip /

DCA

Chip

Step 1:

Melting a ball

Step 2:

1st bond (ball)

Step 3:

Loop and

2nd bond

(wedge)

Step 4:

Lift and

wire tear off

Wire Bonding



Paper thin Chips (d < 40µm)



Paper thin Substrates (d < 10µm)



Fine pitch interconnections (p < 50µm)



Si on Si  MCM-D - Chip as Substrate



Si on PI  MCM on polymer (MCMflex)



One Package Systems

Packaging Trends for Mobile

Products

MCM

Rynek układów LTCC

Rynek układów LTCC

1999

2003

LTCC

BGA

IC



Mobile Phone, 0,9 - 1,9 GHz



Bluetooth, 2,4 GHz



Distance Radar, 70 GHz

Bluetooth module on LTCC
substrate

RF modules for mobile
products

Typowe zastosowania

LTCC - mikrofale

RF functional module

RF functional module

(device size ranging

(device size ranging

from 3.2 x 2.5 mm

from 3.2 x 2.5 mm

2

2

to

to

10 x 6.3 mm

10 x 6.3 mm

2

2

)

)

Since 1989 Murata has delivered over 950 million pcs of multilayer LTCC based components

Ceramika

Ceramika

LTCC

LTCC

Stosowane materiały:

Stosowane materiały:

-

ceramika (Al

ceramika (Al

2

2

O

O

3

3

, …)

, …)

-

szkło (CaO-B

szkło (CaO-B

2

2

O

O

3

3

-

-

SiO

SiO

2

2

, … )

, … )

-

. . .

. . .

Wytwarzanie folii

LTCC

(tape casting)

grubość warstw

 5 m

szerokość ścieżek (min)

 100 m (15

m)

warstwy przewodzące – Au, Ag, PdAg . . .

rezystancja powierzchniowa  5

m/

warstwy rezystywne – RuO

2

, IrO

2

,

Bi

2

Ru

2

O

7

, . . .

rezystancja powierzchniowa R



= 10

 10

7

/

TWR  50 ppm/K

grubość warstw

 5 m

szerokość ścieżek (min)

 100 m (15

m)

warstwy przewodzące – Au, Ag, PdAg . . .

rezystancja powierzchniowa  5

m/

warstwy rezystywne – RuO

2

, IrO

2

,

Bi

2

Ru

2

O

7

, . . .

rezystancja powierzchniowa R



= 10

 10

7

/

TWR  50 ppm/K

Technologia

Technologia

grubowarstwowa –

grubowarstwowa –

materiały i właściwości

materiały i właściwości

stacking

stacking

laminating

laminating

filing vias

filing vias

preconditionin
g

preconditionin
g

slitting

slitting

blanking

blanking

forming vias

forming vias

printing

printing

cofiring

cofiring

post-firing

post-firing

post-
printing

post-
printing

LTCC process

flow

Introduction – LTCC process flow

Introduction – LTCC process flow

13th European Microelectronics and Packaging Conference, Strasbourg 2001

preconditionin
g

preconditionin
g

slitting

slitting

13th European Microelectronics and Packaging Conference, Strasbourg 2001

blanking

blanking

Introduction – LTCC process flow

Introduction – LTCC process flow

preconditionin
g

preconditionin
g

slitting

slitting

13th European Microelectronics and Packaging Conference, Strasbourg 2001

forming vias

forming vias

Introduction – LTCC process flow

Introduction – LTCC process flow

preconditionin
g

preconditionin
g

slitting

slitting

blanking

blanking

13th European Microelectronics and Packaging Conference, Strasbourg 2001

preconditionin
g

preconditionin
g

slitting

slitting

blanking

blanking

forming vias

forming vias

filling vias

filling vias

Introduction – LTCC process flow

Introduction – LTCC process flow

13th European Microelectronics and Packaging Conference, Strasbourg 2001

filing vias

filing vias

preconditionin
g

preconditionin
g

slitting

slitting

blanking

blanking

forming vias

forming vias

printing

printing

Introduction – LTCC process flow

Introduction – LTCC process flow

13th European Microelectronics and Packaging Conference, Strasbourg 2001

stacking

stacking

laminatin
g

laminatin
g

filing vias

filing vias

preconditionin
g

preconditionin
g

slitting

slitting

blanking

blanking

forming vias

forming vias

printing

printing

cofiring

cofiring

Introduction – LTCC process flow

Introduction – LTCC process flow

Proces laminacji

Proces laminacji

Profile wypalania

Profile wypalania

13th European Microelectronics and Packaging Conference, Strasbourg 2001

stacking

stacking

laminating

laminating

filing vias

filing vias

preconditionin
g

preconditionin
g

slitting

slitting

blanking

blanking

forming vias

forming vias

printing

printing

cofiring

cofiring

post-printing

post-printing

post-firing

post-firing

Introduction – LTCC process flow

Introduction – LTCC process flow

13th European Microelectronics and Packaging Conference, Strasbourg 2001

stacking

stacking

laminating

laminating

filing vias

filing vias

preconditionin
g

preconditionin
g

slitting

slitting

blanking

blanking

forming vias

forming vias

printing

printing

cofiring

cofiring

electrical testing

electrical testing

post-firing

post-firing

post-
printing

post-
printing

cutting

cutting

Introduction – LTCC process flow

Introduction – LTCC process flow

Struktura

Struktura

LTCC

LTCC

Li J. et al., J. Micromech. Micr. 2002

Formowanie folii LTCC

Formowanie folii LTCC

Właściwości folii LTCC

Właściwości folii LTCC

Maksymalny wymiar folii

Maksymalny wymiar folii

30 x 30 cm (szer. 33

30 x 30 cm (szer. 33

cm, dł. 15 m)

cm, dł. 15 m)

Grubość

Grubość

90 – 250

90 – 250





m (folia nośna

m (folia nośna

75

75





m)

m)

Przewodność cieplna

Przewodność cieplna

3 W/mK

3 W/mK

Skurcz

Skurcz

oś z

oś z

15 – 25 %

15 – 25 %

osie x, y

osie x, y

12 – 16 % (

12 – 16 % (





0,2 %)

0,2 %)

Napięcie przebicia

Napięcie przebicia

800 V / 12

800 V / 12





m

m

Przenikalność dielektryczna

Przenikalność dielektryczna

4

4





12 (1

12 (1

MHz)

MHz)

Wsp. rozszerzalności termicznej

Wsp. rozszerzalności termicznej

3

3





8 ppm/K

8 ppm/K

LTCC properties

LTCC properties

Property

Property

Heraeus

Heraeus

CT 2000

CT 2000

Heraeus

Heraeus

HL

HL

2000

2000

Dielectric constant

Dielectric constant

9.1

9.1

7.3

7.3

Dissipation factor

Dissipation factor

0.002

0.002

0.0026

0.0026

Break

Break

.

.

Volt

Volt

.

.

[V/25

[V/25





m]

m]

> 1000

> 1000

> 800

> 800

Thickness – green

Thickness – green

[

[





m]

m]

25, 50, 97, 127,

25, 50, 97, 127,

250

250

131

131

Thickness – fired

Thickness – fired

[

[





m]

m]

20, 40, 77, 102,

20, 40, 77, 102,

200

200

90

90

Shrinkage x,y [%]

Shrinkage x,y [%]

10.6

10.6





0.3

0.3

0.2

0.2

Shrinkage

Shrinkage

z

z

[%]

[%]

16.0

16.0





1.5

1.5

32

32

CTE [ppm/K]

CTE [ppm/K]

5.6

5.6

6.1

6.1

Thermal cond.

Thermal cond.

[W/m.K]

[W/m.K]

3

3

3

3

Zalety

Zalety

układów LTCC

układów LTCC

NISKI KOSZT

NISKI KOSZT

- wykorzystanie

- wykorzystanie

istniejących urządzeń

istniejących urządzeń

- niskie

- niskie

nakłady na inwestycje

nakłady na inwestycje

-

-

duża wydajność

duża wydajność

NIEZAWODNOŚĆ

NIEZAWODNOŚĆ

BARDZO DOBRE WŁAŚCIWOŚCI

BARDZO DOBRE WŁAŚCIWOŚCI

- elektryczne

- elektryczne

-

-

mechaniczne

mechaniczne

- cieplne

- cieplne

ŁATWOŚĆ WYTWARZANIA

ŁATWOŚĆ WYTWARZANIA

- krótki czas od projektu

- krótki czas od projektu

do wyrobu

do wyrobu

- stosowanie

- stosowanie

typowych metod CAD

typowych metod CAD

SCALANIE ELEMENTÓW

SCALANIE ELEMENTÓW

- struktura monolityczna

- struktura monolityczna

- dołączanie elementów

- dołączanie elementów

- moduły 3D

- moduły 3D

ELASTYCZNOŚĆ

ELASTYCZNOŚĆ

- łatwość przystosowania do

- łatwość przystosowania do

różnych

różnych

wymagań

wymagań

I generacja

- ścieżki przewodzące

II generacja

- ścieżki przewodzące

- elementy bierne (R, L, C)

III generacja - ścieżki przewodzące

- elementy bierne (R, L, C)

- czujniki i przetworniki

(microsystemy)

I generacja

- ścieżki przewodzące

II generacja

- ścieżki przewodzące

- elementy bierne (R, L, C)

III generacja - ścieżki przewodzące

- elementy bierne (R, L, C)

- czujniki i przetworniki

(microsystemy)

Rozwój

Rozwój

LTCC

LTCC

microresistors

- 2D, 3D, Fodel, patterning by laser

- high voltage pulses (trimming, stability test)

screen printing

w = 300

m

FODEL w = 100

 m

Surface planar

component

Buried (embedded)

planar component

Electrodes

LTCC tape

Surface 3D

component

Buried 3D

component

Electrodes

LTCC tape

MCIC

MCIC

C - capacitors
L - inductors

Capacitors

Capacitors

A g c o n d u c t o r p a s t e

L T C C T a p e

Multilayer

Multilayer

inductors

inductors

Thick-Film Microsystems Laboratory, Wroclaw University of Technology, Poland

C, L

C, L

Top view

Top view

Cross-

Cross-

section

section

LTCC

LTCC

inductors

inductors

before
firing

after
firing

J.Kita et al. ISSE’02

- space width – 80 m

- minimal path width –
150 m

Laser

Laser

patterning

patterning

 

Parameter

1998

2003

2009

Min. via size [μm]

250

40

25

Min. via pitch [μm]

500

125

75

Min. line width [μm]

125

20

15

Min. line pitch [μm]

250

40

30

Line density [cm/cm

2

]

40

200

267

Max. module size [cm

2

]

130

360

645

Max. working
frequency [GHz]

10

38

80

Max. working temp.
[

o

C]

125

160

200

 

LTCC technology roadmap

NEMI 2000 Roadmap-Ceramic,

www.imaps.org

, 2000