Mikroelektronik

Mikroelektronik

a

a

TECHNOLOGIA PÓŁPRZEWODNIKOWA

TECHNOLOGIA PÓŁPRZEWODNIKOWA

Dr inż. Regina Paszkiewicz

Dr inż. Regina Paszkiewicz

TECHNOLOGIA CIENKOWARSTWOWA

TECHNOLOGIA CIENKOWARSTWOWA

Prof. Stanisław Osadnik (C-2 p. 105)

Prof. Stanisław Osadnik (C-2 p. 105)

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

Prof. Leszek Golonka (M-3 ul. Długa)

Prof. Leszek Golonka (M-3 ul. Długa)

Tel. [phone] ; e-mail:

Tel. [phone] ; e-mail:

[e-mail]

[e-mail]

Laboratorium Mikrosystemów

Laboratorium Mikrosystemów

Grubowarstwowych

Grubowarstwowych

http://www.tml.wemif.net

http://www.tml.wemif.net

PORÓWNANIE TECHNOLOGII

TECHNOLOGIA

TECHNOLOGIA

PÓŁPRZEWODNIKOWA

PÓŁPRZEWODNIKOWA

- najdroższa (długie serie tanie)

- najdroższa (długie serie tanie)

- najwyższa klasa czystości

- najwyższa klasa czystości

pomieszczeń

pomieszczeń

- najmniejsze wymiary (nano,

- najmniejsze wymiary (nano,

mikro)

mikro)

- elementy bierne i czynne, MEMS

- elementy bierne i czynne, MEMS

TECHNOLOGIA

TECHNOLOGIA

CIENKOWARSTWOWA

CIENKOWARSTWOWA

- droga

- droga

- średnia klasa czystości

- średnia klasa czystości

pomieszczeń

pomieszczeń

- wymiary mikro

- wymiary mikro

- głównie elementy bierne,

- głównie elementy bierne,

sensory

sensory

TECHNOLOGIA

TECHNOLOGIA

GRUBOWARSTWOWA

GRUBOWARSTWOWA

- najtańsza (krótkie serie

- najtańsza (krótkie serie

niedrogie)

niedrogie)

- wymiary mikro

- wymiary mikro

- elementy bierne, obudowy,

- elementy bierne, obudowy,

sensory

sensory

Technologie wzajemnie się

Technologie wzajemnie się

uzupełniają

uzupełniają

TECHNOLOGIA PÓŁPRZEWODNIKOWA

1.

1.

Wytwarzanie czystego oraz jednorodnie

Wytwarzanie czystego oraz jednorodnie

domieszkowanego krzemu

domieszkowanego krzemu

a)

a)

oczyszczanie chemiczne

oczyszczanie chemiczne

(czystość

(czystość

99,9%)

99,9%)

b)

b)

oczyszczanie strefowe

oczyszczanie strefowe

(krzem

(krzem

polikrystaliczny)

polikrystaliczny)

TECHNOLOGIA CIENKOWARSTWOWA

Układy cienkowarstwowe

Układy cienkowarstwowe

najczęściej

najczęściej

wytwarza się metodami nanoszenia w

wytwarza się metodami nanoszenia w

próżni (naparowywanie termiczne,

próżni (naparowywanie termiczne,

rozpylanie) cienkich warstw

rozpylanie) cienkich warstw

przewodzących, rezystywnych i

przewodzących, rezystywnych i

dielektrycznych na podłoża izolacyjne

dielektrycznych na podłoża izolacyjne

(szkło, ceramika).

(szkło, ceramika).

Inne metody osadzania warstw:

Inne metody osadzania warstw:

- osadzanie elektrochemiczne

- osadzanie elektrochemiczne

- utlenianie anodowe

- utlenianie anodowe

- utlenianie termiczne

- utlenianie termiczne

- pyroliza (z fazy gazowej)

- pyroliza (z fazy gazowej)

- metoda Langmuira-Blodgett (warstwy

- metoda Langmuira-Blodgett (warstwy

organiczne)

organiczne)

TECHNOLOGIA CIENKOWARSTWOWA

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

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

r a k la

p a s ta

s ito

r a m a

e m u ls ja

p o d ło ż e

Proces sitodruku

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

Układ grubowarstwowy

Elementy bierne

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

Plan wykładu:

Plan wykładu:

1. Informacje ogólne

1. Informacje ogólne

2. Etapy wytwarzania

2. 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

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

LMG

LMG

system laserowy AUREL

sitodrukarka DEK

piec komorowy

piec tunelowy BTU

Laboratorium Mikrosystemów

Laboratorium Mikrosystemów

Grubowarstwowych

Grubowarstwowych

http://www.tml.wemif.net

http://www.tml.wemif.net

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

screen printing w = 300

 m

FODEL w = 100

 m

Bluetooth module on LTCC
substrate

2,4 GHz

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

before
firing

after
firing

J.Kita et al. ISSE’02

- space width – 80 m

- minimal path width –
150 m

Wykorzystanie systemu laserowego

Wykorzystanie systemu laserowego

przetwornik DC-DC

Układy MCM

MCM-D

MCM-D

MCM-C

MCM-C

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

Plan wykładu:

Plan wykładu:

1.

1.

Informacje ogólne

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)

INFORMACJE OGÓLNE

Historia: - sitodruk

- sitodruk w elektronice - (lata 30-te)
- pierwszy układ grubowarstwowy

(lata 40-te XX wieku)

- układy hybrydowe
- układy wielowarstwowe (MCM-C)
- układy LTCC (lata 80-te)

Technologia grubowarstwowa – materiały i

właściwości

grubość warstw

 5 - 15 m

(35 - 45 m - dielektryk)

szerokość ścieżek (min)

 300 m

(50 m - druk precyzyjny

15 m - fotolitografia)

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 grubowarstwowa – zalety

- niski koszt
- łatwość automatyzacji
- opłacalność krótkich serii
- miniaturyzacja
- dobre właściwości elektryczne
- różnorodność wykonywanych elementów
- odporność na wysokie temperatury
- wytrzymałość mechaniczna

Układy grubowarstwowe

- ścieżki przewodzące
- rezystory
- kondensatory
- cewki
- układy
wielowarstwowe MCM
- sensory
- mikrosystemy
- termistory
- warystory
- elementy grzejne
- . . .

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)

Mikroelektronika

Mikroelektronika

1.    Zalety i wady technologii grubowarstwowej.

1.    Zalety i wady technologii grubowarstwowej.

2.   

2.   

Podłoża dla układów wysokotemperaturowych

Podłoża dla układów wysokotemperaturowych

– materiały,

– materiały,

właściwości.

właściwości.

3.    Skład past rezystywnych cermetowych

3.    Skład past rezystywnych cermetowych

(wysokotemperaturowych) - rodzaje składników

(wysokotemperaturowych) - rodzaje składników

i ich rola.

i ich rola.

4.    Definicje i wartości parametrów elektrycznych

4.    Definicje i wartości parametrów elektrycznych

rezystorów

rezystorów

cermetowych (R

cermetowych (R





, ZTWR, GTWR,

, ZTWR, GTWR,

p

p

r

r

, p

, p

p

p

).

).

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

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

PODŁOŻA

OBUDOWA

TEST

CIĘCIE

MONTAŻ

KOREKCJA

WYPALANIE

SUSZENIE

SITODRUK

SITA

PROJEKT

PASTY

Etapy wytwarzania układu grubowarstwowego

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

)] =  (50300) [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

]

Inne pasty

- dielektryczne
- izolacyjne
- lutownicze
- termistorowe
- warystorowe
- magnetorezystywne
- czujnikowe
- . . .