Mikroelektronika

Mikroelektronika

TECHNOLOGIA

TECHNOLOGIA

GRUBOWARSTWOWA

GRUBOWARSTWOWA

WYKŁAD 6

WYKŁAD 6

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)

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

Etapy wytwarzania układu

Etapy wytwarzania układu

LTCC

LTCC

J.Kita 13th European Microelectronics and Packaging Conference, Strasbourg 2001

Du Pont 943-A5 Green

Du Pont 943-A5 Green

Tape

Tape

Low loss, lead free glass/ceramic tape compatible with

Low loss, lead free glass/ceramic tape compatible with

Au, Ag and mixed metal conductors

Au, Ag and mixed metal conductors

 

 

Dielectric constant at 10 GHz

7.4

Loss tangent at 10 GHz

0.001

Breakdown voltage

> 1 kV/25 μm

TCE

4.5 ppm/K

Density

3.2 g/cm

3

Camber

< 75 μm/in

Surface smoothness

< 40 μin

Thermal conductivity

4.8 W/mK

Via diameter

100 μm

Line/space resolution

100 μm

Fired thickness

112 μm

Du Pont 943-A5 Green

Du Pont 943-A5 Green

Tape

Tape

50 Ω MICROSTRIP ATTENUATION

 

D.I. Amey et al., Proc. Int. Symp. on Microelectronics IMAPS USA,

D.I. Amey et al., Proc. Int. Symp. on Microelectronics IMAPS USA,

2000

2000

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

components

(LC Filters , Baluns, Couplers, Chip Antenna, RF Diode SW, Rx Devices)

SUBSTRATE

length and width

max 10 mm

thickness

1 – 2 mm

layer thickness

50 m (25, 100, 150 m optional)

CONDUCTOR

line width/space

100 m / 100 m

via diameter

130 m

 

RESISTOR

range

50  - 100 k

tolerance

5%

TCR

300 ppm/K

 

BURIED CAPACITOR

C

1 pF/mm

2

x layer

tolerance

5%

TCC

80  20 ppm/K

 

STRIP LINE INDUCTANCE

impedance

100  max

spiral or radial

100 nH max

 
 

Murata LTCC

RF receive device used in Sanyo PDC phone:

1.1 mm thick, 20 layers, integrated L and C, 3 $
  

SOREP LTCC

switch diplexer module for dual band GSM

Siemens mobile phone, 200 000 units/month 1.5 $ – 2 $ each

5 layers, integrated L, C for filter and diplexer

 

Chiang S-K, Proc. IEMT/IMC, Japan 2000

MURATA

MURATA



fine line patterning

 micromachining of LTCC tapes

   

 lamination

   

 making of cavities, holes and channels

   

 bonding of LTCC tapes to other materials

LTCC processing for microsystems

LTCC processing for microsystems

FINE LINE PATTERNING

FINE LINE PATTERNING

        





fine line printing

fine line printing

       

       





FODEL photosensitive pastes (etching of unfired films)

FODEL photosensitive pastes (etching of unfired films)

        

        





photoimageable paste (etching of fired films)

photoimageable paste (etching of fired films)

        

        





gravure printing method

gravure printing method

        

        





laser patterning

laser patterning





jet printing

jet printing

 

 

before
firing

after
firing

J.Kita et al. ISSE’02

- space width – 80 m

- minimal path width –
150 m

Laser

Laser

patterning

patterning

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

Gravure offset

Gravure offset

Direct Gravure Printing (DGP) Process

Direct Gravure Printing (DGP) Process

J. Hagberg, S. Lepp

J. Hagberg, S. Lepp

ä

ä

vuori et al., 14th European IMAPS Conf. 2003

vuori et al., 14th European IMAPS Conf. 2003

Embossing

Embossing

LTCC process with embossing step

LTCC process with embossing step

A. Albrecht et al., 14th European IMAPS Conf. 2003

A. Albrecht et al., 14th European IMAPS Conf. 2003

Master for a spiral coil

Master for a spiral coil



laser micromachining

laser micromachining





numerically contolled milling

numerically contolled milling

method

method





jet vapor etching

jet vapor etching





photolithographic patterning

photolithographic patterning





using of photoformable LTCC

using of photoformable LTCC

tapes

tapes





casting

casting





embossing

embossing

 

 

MIC

MIC

ROMACHINING OF LTCC TAPES

ROMACHINING OF LTCC TAPES

MAKING OF CAVITIES, HOLES AND CHANNELS

MAKING OF CAVITIES, HOLES AND CHANNELS



deposition of thick films to compensate auto-

deposition of thick films to compensate auto-

supported

supported

structures

structures





use of sacrificial materials

use of sacrificial materials





use of fugitive paste

use of fugitive paste





bonding of fired LTCC tapes

bonding of fired LTCC tapes

 

3D possibilities

3D possibilities

M. Massiot et al., 14th European IMAPS Conf. 2003

M. Massiot et al., 14th European IMAPS Conf. 2003

3D possibilities

3D possibilities

M. Massiot et al., 14th European IMAPS Conf. 2003

M. Massiot et al., 14th European IMAPS Conf. 2003

J. Kita et al., European Microelectronics Packaging and Interconnection Symposium, IMAPS CRACOW

2002, 16-18 June

P

P

1

1

<

<

P

P

2

2

= 2P

= 2P

1

1

<

<

P

P

3

3

=

=

6P

6P

1

1

0.1 mm width

0.1 mm width

0.5 mm width

0.5 mm width

1 mm width

1 mm width

Construction of channels

Construction of channels

Construction of channels

Construction of channels

Influence of lamination pressure on channel quality

Influence of lamination pressure on channel quality

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

Gongora Rubio M.R. et al., Sens. & Act. 2001

Milling

Milling

Acetone jet reactor

Acetone jet reactor

Gongora Rubio M.R. et al., Sens. & Act. 2001

Gongora Rubio M.R. et al., Sens. & Act. 2001

fugitive paste

fugitive paste

auto supported structure

use of dry photoresit film

use of dry photoresit film

CZUJNIKI I

CZUJNIKI I

PRZETWORNIKI

PRZETWORNIKI

Czujnik temperatury

Czujnik temperatury

Czujnik gazu

Czujnik gazu

Układ grzejny

Układ grzejny

Układ chłodzący

Układ chłodzący

Czujnik ciśnienia

Czujnik ciśnienia

Czujnik przepływu

Czujnik przepływu

Czujnik zbliżeniowy

Czujnik zbliżeniowy

Mikrozawór

Mikrozawór

Mikropompa

Mikropompa

Czujnik temperatury

Czujnik temperatury

Termistory

Termistory

(T. Zawada)

(T. Zawada)

RTD (Pt)

RTD (Pt)

(J. Kita)

(J. Kita)

Laboratorium Mikrosystemów Grubowarstwowych WEMiF

Laboratorium Mikrosystemów Grubowarstwowych WEMiF

Czujnik gazu

Czujnik gazu

Czujnik temperatury

Czujnik temperatury

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

J. Kita, 13th European Microelectronics and Packaging Conference, Strasbourg

2001

Optimisation of meander

pattern

Optimisation of meander

pattern

Heater

area

Heater

area

Układ grzejny

Układ grzejny

J. Kita et al.. European Microelectronics Packaging and Interconnection Symposium, IMAPS CRACOW

2002, 16-18 June

Układ chłodzący

Układ chłodzący

cross-

cross-

section

section

water cooler

water cooler

top view

top view

Układ chłodzący (Micro Jet

Układ chłodzący (Micro Jet

Array)

Array)

K. Saxena et al., 14th European IMAPS Conf. 2003

K. Saxena et al., 14th European IMAPS Conf. 2003

Cross section of LTCC based MJA

Cross section of LTCC based MJA

Silicon based thermal test chip

Silicon based thermal test chip

Test set up

Test set up

Micro Jet array

Micro Jet array

Top layers of MJA

Top layers of MJA

Cross section of MJA cooling package

Cross section of MJA cooling package

G. Wang et al., IMAPS Cer. Interconnect Technology Conf., Denver 2004

G. Wang et al., IMAPS Cer. Interconnect Technology Conf., Denver 2004

Czujnik ciśnienia

Czujnik ciśnienia

8

7

6

5

4

3

2

1

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

Gongora Rubio M.R. et al., Sens. & Act. 2001

Czujnik

Czujnik

przepływu

przepływu

 

 

 

Block diagram of
proximity sensor

 

Coil geometry and

interconnection for

proximity sensor

Czujnik zbliżeniowy

Czujnik zbliżeniowy

 

Fabricated set with six multilayer proximity sensors

and its response to aluminum target.

 

M. R. Gongora-Rubio et al. Sens. Act.

2000

Gongora Rubio M.R. et al., Sens. & Act. 2001

Mikrozawó

Mikrozawó

r

r

• Multilayer ceramic
design

• Cofired ball check
valves

• Piezoelectrically
driven,
PZT unimorph

Cofired balls inside

D.L. Wilcox and M. Oliver, IMAPS ATW Providence RI,
USA, May 2002
Motorola Labs

Mikropompa z elementem

Mikropompa z elementem

piezoelektrycznym

piezoelektrycznym

Inne zastosowania

Inne zastosowania

Reaktor przepływowy PCR

Reaktor przepływowy PCR

Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe

Fotonika

Fotonika

Spektrometr

Spektrometr

Obudowy MEMS i MOEMS

Obudowy MEMS i MOEMS

Osłony ceramiczne

Osłony ceramiczne

95 C

52 C

72 C

D.L. Wilcox and M. Oliver, IMAPS ATW Providence RI,
USA, May 2002
Motorola Labs

Chou C.F. et al., Microel. Eng. 2002

Reaktor przepływowy PCR (

Reaktor przepływowy PCR (

Polymerase

Polymerase

Chain Reactor)

Chain Reactor)

Pavio J. et al. Adv. Microel. 2002

Pavio J. et al. Adv. Microel. 2002

Ogniwa

Ogniwa

paliwowe

paliwowe

Hiltunen J.A., ECTC 2002

Fiber to edge emitting laser alignment

Fotoni

Fotoni

ka

ka

Photonic

Photonic

package

package

Principle of demonstrator module

Principle of demonstrator module

K. Kautio et al., IMAPS Cer. Interconnect Technology Conf., Denver 2004

K. Kautio et al., IMAPS Cer. Interconnect Technology Conf., Denver 2004

Demonstrator module

Demonstrator module

Schemat of modeled system

Schemat of modeled system

Photoimaged fiber grooves

Photoimaged fiber grooves

Punched and laminated fiber

Punched and laminated fiber

grooves on LTCC – V or U-shape

grooves on LTCC – V or U-shape

Laser die and fiber

Laser die and fiber

Processing of photoimaged

Processing of photoimaged

alignment grooves

alignment grooves

0

200

400

600

800

1000

200

250

300

350

400

Wavelength (nm)

In

te

n

si

ty

(

a.

u

.)

Dia. =250 m

Separation = 190 m

Gas: XeI
V = 300 V
I = 150 A

Pressure = 20-60 Torr

Ceramic Micro Hollow Cathode Discharge

Ceramic Micro Hollow Cathode Discharge

Integrated UV

Light Source

V

Collaboration with G. Eden, B. Vojak,

Univ. of Illinois, Urbana, Illinois

XeI*

B-X

253
nm

Iodine
206 nm

XeI*

B-A

320
nm

I*

2

342
nm

D.L. Wilcox and M. Oliver, IMAPS ATW Providence RI,
USA, May 2002
Motorola Labs

Fotonika

Fotonika

(wyładowanie katodowe)

(wyładowanie katodowe)

Ion Mobility Spectrometer

Ion Mobility Spectrometer

D. Plumlee et al., IMAPS Cer. Interconnect Technology Conf., Denver 2004

D. Plumlee et al., IMAPS Cer. Interconnect Technology Conf., Denver 2004

Fired prototype device

Fired prototype device

Tyndall gate segment

Tyndall gate segment

Multi-segment assembly of IMS

Multi-segment assembly of IMS

LTCC IMS segment layout

LTCC IMS segment layout

Novel

Novel

structures

structures

K. Peterson et al., IMAPS Cer. Interconnect Technology Conf., Denver 2003

K. Peterson et al., IMAPS Cer. Interconnect Technology Conf., Denver 2003

Integral windows

Integral windows

Window structure

Window structure

Integral transparent window

Integral transparent window

Prototype

Prototype

Screen printed and

Screen printed and

direct write tubes

direct write tubes

IMS tube with integral

IMS tube with integral

resistors and electrodes

resistors and electrodes

Integral transparent window

Integral transparent window

Rolled Ion Mobility Spectrometer

Rolled Ion Mobility Spectrometer

Schuenemann M. et al., Proc. Conf. ECTC 2000, USA

Schuenemann M. et al., Proc. Conf. ECTC 2000, USA

Obudowy

Obudowy

M. Massiot, B. Roesner, Proc.

M. Massiot, B. Roesner, Proc.

14th Europen

14th Europen

IMAPS

IMAPS

Conference,

Conference,

Friedrichshafen 2003

Friedrichshafen 2003

www.vtt.fi/ict/publica

www.vtt.fi/ict/publica

tions

tions

Obudowy

Obudowy

Obudowy układów MEMS

Obudowy układów MEMS

D.A. Ramsey et al., IMAPS Cer. Interconnect Technology Conf., Denver 2003

D.A. Ramsey et al., IMAPS Cer. Interconnect Technology Conf., Denver 2003

Optical cross-connect

Optical cross-connect

Blocker LTCC substrate

Blocker LTCC substrate

Equalization and blocking device

Equalization and blocking device

Complete blocker subsystem

Complete blocker subsystem

Equalizer/blocker schematic

Equalizer/blocker schematic

Packaged 256x256 MEMS array

Packaged 256x256 MEMS array

MEMS mirror arrays

MEMS mirror arrays

OXC configuration

OXC configuration

Laboratorium

Laboratorium

Mikrosystemów

Mikrosystemów

Grubowarstwowych

Grubowarstwowych

ul. Długa, budynek M3 http://www.tml.wemif.net

ul. Długa, budynek M3 http://www.tml.wemif.net

Tematy prac badawczych:

Tematy prac badawczych:

-

elementy bierne w modułach LTCC

elementy bierne w modułach LTCC

-

generacja pól temperatury w strukturach grubowarstwowych

generacja pól temperatury w strukturach grubowarstwowych

-

zintegrowane mikrosystemy przepływowe

zintegrowane mikrosystemy przepływowe

-

elementy reaktora PCR (Łańcuchowa Reakcja Polimerazy)

elementy reaktora PCR (Łańcuchowa Reakcja Polimerazy)

-

zastosowanie technologii LTCC w optoelektronice

zastosowanie technologii LTCC w optoelektronice

Laboratorium Mikrosystemów

Laboratorium Mikrosystemów

Grubowarstwowych

Grubowarstwowych

Henryk Roguszczak

Henryk Roguszczak

Andrzej Dziedzic

Andrzej Dziedzic

Marcin

Marcin

Stefanow

Stefanow

Tomasz Zawada

Tomasz Zawada

Leszek Golonka

Leszek Golonka

http://www.tml.wemif.net

Karol

Karol

Malecha

Malecha

Piotr

Piotr

Markowski

Markowski

Edward

Edward

Miś

Miś

Grzegorz

Grzegorz

Ostromęcki

Ostromęcki

Wojciech

Wojciech

Gryniewicz

Gryniewicz

Aparatur

Aparatur

a

a

system laserowy AUREL

system laserowy AUREL

sitodrukarka DEK

sitodrukarka DEK

piec komorowy

piec komorowy

piec tunelowy BTU

piec tunelowy BTU

odległość – 80 m

minimalna szerokość –
100 m

Wykorzystanie systemu

Wykorzystanie systemu

laserowego

laserowego

przetwornik DC-DC

przetwornik DC-DC

- korekcja rezystorów

- korekcja rezystorów

- wycinanie otworów

- wycinanie otworów

- wykonywanie kanałów

- wykonywanie kanałów

- formowanie ścieżek

- formowanie ścieżek

INFRA-RED SCANNING

INFRA-RED SCANNING

SYSTEM

SYSTEM

• The developed system consists of:

– High-speed IR detecting head
– XY table (10 m step)
– PC with data acquisition card

XY table

detecting head

• Basic parameters:

– Temperature range: 20-230C
– Accuracy: 2C
– Geometrical resolution: 300300

m

2

– Scanning area: 200200 mm

2

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

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

Elementy bierne

Elementy bierne

Surface planar

component

Buried (embedded)

planar component

Electrodes

LTCC tape

Surface 3D

component

Buried 3D

component

Electrodes

LTCC tape

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

L T C C T a p e

R

R

C

C

L

L

J. Kita et al., European Microelectronics Packaging and Interconnection Symposium,
IMAPS CRACOW 2002

DP 951 LTCC
tape

DP 951 LTCC
tape

four-layer
structure

four-layer
structure

Channels in one
and two layers

Channels in one
and two layers

Channels width:

100 m - 5 mm

Channels width:

100 m - 5 mm

Kanały

Kanały

Zintegrowany mikrosystem
przepływowy

Płytka z m ikrokanałem
przys tosowanym do detekcji
s ygnału w układzie
transmis yjnym

V-rowek do m ontażu

ś wiatłowodów

Płytka z m ikrokanałem

przys tosowanym do
detete kcji fluores cencji

Ś wiatłowody

Mikroukład LTCC z detektorami optycznymi do pomiarów intensywności fluorescencji oraz absorbancji:

- wycięte laserowo mikrokanały o szerokości około 100 m,
- układ grzejny,

- czujnik temperatury,

- zintegrowane optyczne elementy detekcyjne

Mikrosystem przepływowy

LTCC

LTCC

1

1

2

2

meander heat source

meander heat source

optimized

optimized

heater

heater

Temperature field of heater

Temperature field of heater

s

s

measured by IR thermo-

measured by IR thermo-

scanner

scanner

Układ grzejny

Układ grzejny

Tomasz Zawada

Układ CE

Układ CE

Przekrój

Widok z góry

Schemat układu CE

Schemat układu CE

(Capillary Electrophoresis - elektroforeza kapilarna)

(Capillary Electrophoresis - elektroforeza kapilarna)

Marcin Stefanow
2004

Współpraca :

Współpraca :

•

•

University of Technology, Ilmenau (Niemcy) – Elementy bierne

University of Technology, Ilmenau (Niemcy) – Elementy bierne

•

•

Josef Stefan Institute, Ljubljana (Słowenia) - Mikrosystemy LTCC

Josef Stefan Institute, Ljubljana (Słowenia) - Mikrosystemy LTCC

•

•

University of Oulu (Finlandia) - Mikrosystemy LTCC, folie LTCC

University of Oulu (Finlandia) - Mikrosystemy LTCC, folie LTCC

•

•

Politechnika Warszawska (Wydział Chemiczny) – Mikrosystemy

Politechnika Warszawska (Wydział Chemiczny) – Mikrosystemy

przepływowe (grant KBN)

przepływowe (grant KBN)

•

•

Akademia Medyczna Wrocław – PCR

Akademia Medyczna Wrocław – PCR

•

•

Instytut Elektrotechniki Wrocław – warystory

Instytut Elektrotechniki Wrocław – warystory

•

Akademia Rolnicza Wrocław – dyspersyjność układów koloidalnych

Akademia Rolnicza Wrocław – dyspersyjność układów koloidalnych

1st joint ACerS/IMAPS

1st joint ACerS/IMAPS

International Conference on Ceramic

International Conference on Ceramic

Interconnect and Ceramic Microsystems

Interconnect and Ceramic Microsystems

Technologies

Technologies

(CICMT)

(CICMT)

Baltimore, April 10-13, 2005

Baltimore, April 10-13, 2005