Mikroelektronika
Mikroelektronika
TECHNOLOGIA
TECHNOLOGIA
GRUBOWARSTWOWA
GRUBOWARSTWOWA
WYKŁAD 5
WYKŁAD 5
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,
, 2000