Mikroelektronika
Mikroelektronika
TECHNOLOGIA
TECHNOLOGIA
GRUBOWARSTWOWA
GRUBOWARSTWOWA
WYKŁAD 2
WYKŁAD 2
Mikroelektronika
Mikroelektronika
TECHNOLOGIA
TECHNOLOGIA
GRUBOWARSTWOWA
GRUBOWARSTWOWA
WYKŁAD 2
WYKŁAD 2
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)
TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA
Układy grubowarstwowe
Układy grubowarstwowe
wytwarza się
wytwarza się
nanosząc techniką sitodruku warstwy
nanosząc techniką sitodruku warstwy
przewodzące, rezystywne
przewodzące, rezystywne
i dielektryczne na podłoża izolacyjne
i dielektryczne na podłoża izolacyjne
(ceramika). Warstwy poddawane są
(ceramika). Warstwy poddawane są
następnie obróbce termicznej.
następnie obróbce termicznej.
Układy
Układy
wysokotemperaturowe
wysokotemperaturowe
-
-
temperatura wypalania
temperatura wypalania
700 - 1000
700 - 1000
o
o
C
C
Układy
Układy
niskotemperaturowe
niskotemperaturowe
(polimerowe) -
(polimerowe) -
temperatura utwardzania
temperatura utwardzania
100 - 350
100 - 350
o
o
C
C
Etapy
wytwarzania
PODŁOŻA
OBUDOWA
TEST
CIĘCIE
MONTAŻ
KOREKCJA
WYPALANIE
SUSZENIE
SITODRUK
SITA
PROJEKT
PASTY
PODŁOŻA
Etapy wytwarzania - podłoża
Materiały:
- ceramika alundowa ( 96%
Al
2
O
3
)
- ceramika AlN
- ceramika berylowa
- podłoża stalowe
Właściwości:
- odporność na wysokie
temperatury
- izolacja elektryczna
- przewodność cieplna
- rozszerzalność termiczna
- wymiary geometryczne
Etapy wytwarzania - podłoża
Ceramika
AlN
Al
2
O
3
BeO
LTCC
Przewodność
termiczna [W/m
.
K]
140-
170
10-35
150-
250
2-3
Rozszerzalność
termiczna [10
-6
/K]
4,6
7,3
5,40
5,8-7
Rezystywność [
.
m]
4x10
11
> 10
14
10
13
-
10
15
> 10
12
Przenikalność
dielektryczna (1
MHz)
10
9,5
7
5,9-9
Etapy
wytwarzania
PODŁOŻA
OBUDOWA
TEST
CIĘCIE
MONTAŻ
KOREKCJA
WYPALANIE
SUSZENIE
SITODRUK
SITA
PROJEKT
PASTY
PASTY
Pasty wysokotemperaturowe
•
składnik podstawowy
w. przewodzące - Au, Ag, PdAg, ...
w. rezystywne - RuO
2
, IrO
2
, Bi
2
Ru
2
O
7
, ...
•
szkło
PbO - B
2
O
3
- SiO
2
(ρ, α, η=f (T)
•
nośnik organiczny
rozpuszczalnik
- korekcja η,
- zmniejszenie napięcia pow.
- poprawa zwilżalności
etyloceluloza - przyczepność do
podłoża po suszeniu
w temperaturze 120
o
C
Wydajność past
Pokrycie
powierzchni
[cm
2
/g]
Sito
[M]
Au
Pt-Au
Pd-Ag
Pt-Ag
Cu
Pasta
dielektrycz
na
45 ÷ 55
40 ÷ 45
65 ÷ 75
55 ÷ 65
65 ÷ 75
75 ÷ 85
325
200
200
200
240
200
Grubość emulsji : 10 ÷ 12 μm
Pasty przewodzące
R
□
= 2 ÷ 100 m/□
wypalane w powietrzu:
Au, PtAu, PdAu
Ag, PtAg, PdAg
wypalane w azocie:
Cu
- zastosowanie
- wymagania
Pasty przewodzące
Rezystancje powierzchniowe R
różnych warstw przewodzących
Materi
ał
R
[m/]
Materi
ał
R
[m/]
Au
2 10
PdAg
10 50
Pt-Au
15
100
Pt
50 80
Pd-Au
10
100
Cu
*
2
Ag
2 10
Ni
*
7 40
*
proces wypalania w atmosferze azotu
Pasty
rezystywne
Najczęściej tlenki
platynowców
Ru
Ru
Bi O
2
Pirochlor
Ruty
l
A
2
B
2
O
6-7
AO
2
Bi
2
Ru
2
O
7
RuO
2
IrO
2
struktura rutylu
struktura
pirochloru
Pasty rezystywne
Podstawowe właściwości:
Rezystancja powierzchniowa (R
)
R
= /d = 10 10
7
[/],
gdzie:
- rezystywność warstwy rezystywnej
d – grubość warstwy
TWR
Temperaturowy współczynnik rezystancji (TWR)
TWR
= (R
2
– R
1
)x10
6
/[R
1
(T
2
– T
1
)] = (50300) [ppm/K]
gdzie:
R
1
- rezystancja w temperaturze T
1
R
2
- rezystancja w temperaturze T
2
Zimny TWR (T
1
= 25
o
C, T
2
= -55
o
C)
Gorący TWR (T
1
= 25
o
C, T
2
= 125
o
C)
TWR
TWR = (R
2
– R
1
)x10
6
/[R
1
(T
2
– T
1
)]
Zimny TWR (T
1
= 25
o
C, T
2
= -55
o
C)
Gorący TWR (T
1
= 25
o
C, T
2
= 125
o
C)
-55
25
125
Temperatura ( C)
o
Rezystancja
25
R
Obciążalność
Obciążalność (
p
r
)
–
maksymalna gęstość mocy dla warstwy
rezystywnej
p
r
= p/s
r
= 8 15 [W/cm
2
]
(dla podłoży alundowych 96% Al
2
O
3
chłodzonych swobodnie)
gdzie: p
r
–gęstość mocy w warstwie
p - moc rozproszona w warstwie
s
r
– powierzchnia warstwy rezystywnej
Dopuszczalna gęstość mocy
(
p
p
) -
dla całego podłoża
podłoża alundowe 0,25 1 [W/cm
2
]
GF
Właściwości piezorezystywne
Współczynnik czułości odkształceniowej (GF - Gauge Factor)
GF
= (R/R)/(l/l) = 10 20
gdzie:
R – przyrost rezystancji
R - rezystancja początkowa
l - przyrost długości
l - długość początkowa
Inne pasty
- dielektryczne
- izolacyjne
- lutownicze
- termistorowe
- warystorowe
- magnetorezystywne
- czujnikowe
- . . .
Etapy
wytwarzania
PODŁOŻA
OBUDOWA
TEST
CIĘCIE
MONTAŻ
KOREKCJA
WYPALANIE
SUSZENIE
SITODRUK
SITA
PROJEKT
PASTY
PROJEKT
Projekt
J.E. Sergent, C.A. Harper,
Hybrid Mocroelectronics Handbook,
McGraw-Hil, Inc.New York, 1995, 2nd ed.
Projekt
•
Podział na poszczególne układy
• Wstępna koncepcja
• Analiza układu elektronicznego
(opis elementów aktywnych i biernych,
wpływ parametrów elementów na własności układu, ustalenie tolerancji elementów)
• Wstępne wykonanie układu
• Selekcja elementów
(Rezystory: R, %, P, TWR, szumy, NWR, ΔR/R, T;
Kondensatory: C, %, TWP, tgδ, U; Elementy czynne IC)
•
Wstępna analiza termiczna
• Selekcja podłoży
• Selekcja materiałów
• Projekt topologii układu
• Wstępna ocena projektu
Algorytm wykonywania nowego układu
Projekt - Algorytm cd.
• Wykonanie prototypu
informacje na temat:
- rozrzutu parametrów elektrycznych,
- optymalizacji tolerancji elementów (za duże i za małe są niedobre),
- pracy w warunkach ekstremalnych,
- efektu sprzężeń między ścieżkami,
- temperatury układu,
- właściwej kolejności procesów,
- poprawności projektu rezystorów,
- niezawodności,
- poprawności dokumentacji
•
Dokładna ocena projektu
• Faza wstępnej produkcji
• Końcowa ocena projektu
Projekt
Projektowanie rezystorów
Podstawowe parametry techniczne rezystorów grubowarstwowych:
R
1/ ÷ 100 M/
TWR
± 50 ppm/°C ÷ ± 300 ppm/°C
d - grubość warstwy
15 μm
rozrzuty wartości R
± 20%
P
r
(podłoże alundowe 96% Al
2
O
3
)
8 W/cm
2
P
p
(powierzchnia całego podłoża)
0,25 W/cm
2
S - wskaźnik szumów
-35 ÷ +35 dB
Etapy projektowania rezystora
1) Wybór rezystorów precyzyjnych wymagających
korekcji
R
p
= 0,8
2) Wybór pasty o odpowiedniej rezystancji
powierzchniowej
n = R
p
/R
n - ilość kwadratów (n = l/w) 1/3 < n <10,
l - długość rezystora,
w - szerokość rezystora
3) Wykonanie serii układów testowych
wyznaczenia
zależności R = f (l,w). ( l,w < 0,5 mm)
Projekt R cd
P
p
R
d
P
R
zn
4) Wyznaczenie minimalnej długości
l
i szerokości
w
a) n < 1
l
=
Dla l < 0,5 mm przyjmujemy wartość w = 0,5
mm
b) n > 1
w
=
P
R
d
P
p
R
zn
Dla w < 0,5 mm przyjmujemy wartość l = 0,5
mm
5) Sprawdzenie sumy mocy rezystorów
Projekt
Typowe wymiary rezystorów Nacięcia stosowane
przy korekcji
L = 1 (0,5) mm
laserowej
D
1
, D
2
= 0,25 (0,125) mm
D
3
= 0,25 (0,2) mm
Projekt
Typowe wymiary rezystorów grubowarstwowych
Oznaczenie
Długość
[m]
Uwagi
L
1000
(500)
0,5<L/W<5 (0,3<L/W<10)
W
szerokość zależy od tolerancji i
mocy
D
1
250 (125)
D
2
250 (125)
D
3
250 (200) zakładka
D
4
500 (375) odległość od warstwy
przewodzącej
D
5
750 (500) odległość od krawędzi podłoża
D
6
500 (500) odległość od warstwy
dielektrycznej
(i) – w nawiasach podano wartości minimalne
Projekt
- wymiary ścieżek przewodzących
Oznacze
nie
Wymiar
[m]
Uwagi
W
(125)
zależy od natężenia prądu lub rezystancji
W
1
250 (125)
W
2
500 (375)
metalizacja łącząca elementy po obu stronach
podłoża
D
1
250 (200)
długość ścieżki < 375 m
D
2
375 (250)
długość ścieżki 375 m
D
3
375 (250)
D
4
250 (250)
(i) – w nawiasach podano wartości minimalne
Projekt
Projekt
Projekt
Projekt