Mikrosystemy ceramiczne

WYKŁAD 1

Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

(M11 p. 144 ul. Długa)

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Egzamin:

28 styczeń 2019, poniedziałek

Wykłady dostępne na stronie www:

http://w12.pwr.wroc.pl/lmg/

1. Informacje ogólne

2. Podstawy technologii grubowarstwowej

3. Techniki nanoszenia i formowania warstw grubych na

podłożach ceramicznych

4. Podstawy technologii LTCC

5. Techniki formowania przestrzennego ceramiki LTCC

6. Metody łączenia ceramiki LTCC z innymi materiałami

7. Mikrosystemy LTCC

Mikrosystemy ceramiczne

Literatura

M. Prudenziati et al., „Thick Film Sensors”,

Elsevier Science, 1994

J.W. Gardner, „Microsensors” Wiley, 1994

L. Golonka, „Zastosowanie ceramiki LTCC

w mikroelektronice”, 2001

L. Golonka, K. Malecha, „Ceramic

microsystems”, 2011

A. Dziedzic i in., „Technika

grubowarstwowa i jej zastosowania”, 1998

Literatura

Literatura

Dostępne w DBC

Literatura

Literatura

Definicje

MEMS, ang. Micro–Electro–Mechanical Systems lub Micromachined Electrical

Mechanical Systems, mikrosystemy elektromechaniczne,

stacjonarne albo ruchome struktury, urządzenia lub systemy, o wymiarach

liniowych od pojedynczych cm do pojedynczych µm, wytwarzane za pomocą

mikroobróbki materiałów.

Ceramika - nieorganiczne i niemetaliczne materiały otrzymywane w wyniku procesu

ceramicznego; także technologia wytwarzania takich materiałów oraz nauka

obejmująca badania dotyczące ich otrzymywania, właściwości i zastosowania.

Czujnik - urządzenie lub substancja, w których pod działaniem bodźców

(np. promieniowania, zmian temperatury), pochodzących od badanego obiektu,

zachodzą zmiany dostarczające informacji o tym obiekcie.

Encyklopedia PWN https://encyklopedia.pwn.pl

Teledyne

Ultra-compact microelectromechanical systems (MEMS)

gyroscope incorporating wafer-scale vacuum packaging.

10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101

1 mm 1 mm 1 m

człowiek

pompa

telefon

TVchip

włos

owad

MEMS

Część oka

muchy

tranzystor

Rozmiary geometryczne

10-10 10-9 10-8 10-7 10-6

bakteria

NEMSnanomateriały

DNA

atom wirus

Rozmiary geometryczne

Mikrosystemy

Układy MEMS rozumiane jako mikrosystemy powinny składać się z: czujników

wielkości fizycznych i chemicznych, procesorów, służących do przetwarzania

informacji uzyskanych z czujników, oraz aktuatorów, tj. członów wykonawczych,

sterowanych sygnałami wysyłanymi przez procesor.

Do układów MEMS zalicza się też układy: MOEMS (ang. Micromachined Optical

Electrical Mechanical Systems), RFMEMS (ang. Radio Frequency

Micromachined Electrical Mechanical Systems) i BioMEMS.

Układy MOEMS zawierają m.in.: zminiaturyzowane lustra, soczewki, a także

sprzęgacze, mieszacze, rozdzielacze, filtry i multipleksery optyczne oraz matryce

czujników fizycznych lub chemicznych.

RFMEMS są układami MEMS pracującymi w zakresie częstotliwości radiowych

pola elektromagnetycznego, w tym mikrofal; należą do nich: zminiaturyzowane

filtry elektr., rezonatory, oscylatory, przełączniki antenowe.

Najważniejszymi elementami układów BioMEMS są bioczujniki, odznaczające

się specyficzną selektywną reakcją na obecność pewnych substancji

organicznych, np. DNA, białek, glukozy. Termin BioMEMS jest związany z często

używanymi terminami: biochip i laboratorium na chipie (ang. Labs on a chip).

Encyklopedia PWN https://encyklopedia.pwn.pl

B. Licznerski

MOEMS

Source: www.digi-news.ch

PORÓWNANIE TECHNOLOGII

TECHNOLOGIA PÓŁPRZEWODNIKOWA

- najdroższa (długie serie tanie)

- najwyższa klasa czystości pomieszczeń

- najmniejsze wymiary (nano, mikro)

- elementy bierne i czynne

TECHNOLOGIA CIENKOWARSTWOWA

- droga

- średnia klasa czystości pomieszczeń

- wymiary mikro

- głównie elementy bierne, sensory

Source: Qualtech Systems

Source: Premier Solutions

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

- najtańsza (krótkie serie niedrogie)

- wymiary mikro

- elementy bierne, obudowy, sensory

Technologie wzajemnie się uzupełniają

Source: CENS.com

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

Układy grubowarstwowe wytwarza się nanosząc techniką

sitodruku warstwy przewodzące, rezystywne

i dielektryczne na podłoża izolacyjne (ceramika).

Warstwy poddawane są następnie obróbce termicznej.

Układy wysokotemperaturowe -

temperatura wypalania 700 - 1000 oC

Układy niskotemperaturowe (polimerowe) -

temperatura utwardzania 100 - 350 oC

Technologia grubowarstwowa – materiały i właściwości

grubość warstw 5 - 15 mm(35 - 45 mm - dielektryk)

szerokość ścieżek (min) 150 mm

(50 mm - druk precyzyjny

15 mm - fotolitografia)

warstwy przewodzące – Au, Ag, PdAg . . .

rezystancja powierzchniowa 5 m/

warstwy rezystywne – RuO2 , IrO2 , Bi2Ru2O7 , . . .

rezystancja powierzchniowa R = 10 107 /

TWR 50 ppm/K

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

rakla pastasito

rama

emulsja

podłoże

Proces sitodruku

TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

Inne techniki wytwarzania warstw grubych:

• Druk strumieniowy (ink jet printing)

• Druk offsetowy (gravure-offset)

• Trawienie wypalonej warstwy (photoimageable paste)

• Warstwy światłoczułe (photosensitive paste)

• Formowanie za pomocą lasera (laser patterning)

Wielowarstwowe układy typu MCM

(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 – 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 układów MCM

Multichip Module (MCM)

MCM-C(ceramics)

MCM-D(deposition)

MCM-L(laminate)

MCM

TFM

(thick film)850ºC – 1000ºC Au, Ag, Cu

LTCC

(low temp.)850ºC – 1000ºC Au, Ag, Cu

LTCC – Low Temperature Cofired Ceramics

HTCC

(high temp.)1600ºC – 1800ºC;H2 W, Mo

HTCC – High Temperature Co-fired

Ceramics

HTCC/LTCC:

Naprzemienne drukowanie

materiałów przewodzących, rezystywnych

i dielektrycznych.

„Drukowane” otwory przelotowe (via).

Nanoszenie materiałów przewodzących

na poszczególne warstwy układu.

Otwory przelotowe wycinane w poszczególnych

warstwach i wypełniane materiałem przewodzącym.

ceramika (Al2O3)

metalizacja

dielektryk

via

HTCC/LTCC

metal 1

metal 2

via

metal 3

metal 4

MCM - C

TFM:

MCM-L

24,0 x 24,0

MCM-D

23 x 11,5

MCM-C

12,5 x 12,5 x 7,5

Jednostka: mm

Układ elektroniczny wykonany za pomocą trzech różnych technologii

Multichip Module (MCM)

Parametr MCM-L (PCB) MCM-C (LTCC) MCM-D

Podłoże FR-4, BT, FR-5 Szkło-ceramika Si, szkło, szafir

Stała dielektryczna, er 4,9 / 3,9 / 4,7 4 – 12 12 / 5 / 10

Współczynnik start, tgd 0,015 / 0,009 / 0,01 0,0003 – 0,003 0,005 / 0,003 / 0,0001

Przewodność cieplna

(W/mK)

0,2 – 0,4 2 – 4,6 100 / 1,7 / 42

Wsp. rozszerzalności

cieplnej (ppm/K)

15 / 15 / 13 4,4 - 7 2,6 / 1 / 8

Liczba warstw 8 ~30 (100) 6

Mat. przewodzące Cu Ag, PdAg, Au, Pt,

Cu, PtAu, PdAu

Al, Cu, Au

Rezystywność (10-8 m) 1,7 1,2 – 1,7 2,6 / 1,7 / 2,1

Szerokość ścieżki (mm) 100 50 5

Częstotliwość (GHz) < 10 < 25 (40) < 50

Koszt Niski (0.05) Średni (0.2) Wysoki (1)

MCM – porównanie

S. Dei, Motorola Labs

Ceramika

Ceramika - nieorganiczne i niemetaliczne materiały otrzymywane w wyniku

procesu ceramicznego; także technologia wytwarzania takich

materiałów oraz nauka obejmująca badania dotyczące ich

otrzymywania, właściwości i zastosowania.

Ogólnie proces wytwarzania wyrobów ceramicznych obejmuje następujące

czynności: przygotowanie masy do formowania, formowanie, suszenie,

wypalanie, niekiedy szkliwienie i zdobienie.

Wypalanie odbywa się w temperaturze ok. 900–2000°C. W miarę

podwyższania temperatury wzrasta stopień spieczenia, co powoduje

zmniejszenie porowatości, wzrost wytrzymałości mechanicznej

i odporności chemicznej oraz polepszenie właściwości dielektrycznych.

Encyklopedia PWN https://encyklopedia.pwn.pl

- odporność na działanie wysokich temperatur

- odporność na korozję względem kwasów i zasad

- wysoka twardość

- wysoka wytrzymałość na ściskanie

- niska wytrzymałość na rozciąganie

- mała przewodność cieplna

- niska rozszerzalność cieplna

- duża kruchość

O właściwościach materiałów ceramicznych w znacznym stopniu decyduje ich

struktura krystaliczna i struktura fazy szklistej; w zależności od rodzaju i ilości

składników, technologii wytwarzania i sposobu formowania można uzyskać

gotowe wyroby o wymaganych właściwościach i kształtach.

Właściwości ceramiki

Politechnika Gdańska

Ceramika

Ceramika inżynierska – podział ze względu na surowce

Politechnika Gdańska

Właściwości ceramiki będącej dobrym izolatorem elektrycznym:

Stała dielektryczna* ε ≤ 30

Rezystywność ρ ≥ 1012 (Ω cm)

Współczynnik strat dielektrycznych tg δ ≤ 0,001

Wytrzymałość dielektryczna ≥ 5 kV/mm

Ceramika (Al2O3 90 – 99 %):

Stała dielektryczna ε = 8,8 – 10,1

Rezystywność ρ = 1016 (Ω cm)

Współczynnik strat dielektrycznych tg δ = 0,0003 – 0,002

Wytrzymałość dielektryczna 9,9 – 15,8 kV/mm

Właściwości ceramiki (elektronika)

*Względna przenikalność elektryczna

Wybrane właściwości różnych ceramik stosowanych

w elektronice

Ceramika AlN Al2O3 BeO LTCC

Przewodność termiczna

[W/m.K]

140-170 10-35 150-250 2-3

Rozszerzalność termiczna

[10-6/K]

4,6 7,3 5,4 5,8-7

Rezystywność [.m] 4x1011 > 1014 1013-1015 > 1012

Przenikalność elektryczna

e (1 MHz)

10 9,5 7 5,9-9

Elementy grzejne

Czujniki temperatury

Czujniki ciśnieniaElementy bierne Czujniki siły

Czujniki gazu

Czujniki przepływu

gazu

Elementy bierne

Czujniki przepływu

gazu

Technologia grubowarstwowa i LTCC -

przykładowe zastosowania

Układy

mikrofluidyczne

Czujnik

przyspieszenia

Biosensory

Technologia grubowarstwowa i LTCC -

przykładowe zastosowania

Układy czujnikowe

Obwody

mikrofalowe

Obwody

mikrofalowe

Lab-on-chip

Komunikacja

bezprzewodowa

Zalety i wady czujników

grubowarstwowych i LTCC

Zalety

- prosta i tania technologia

- niski koszt i krótki czas opracowania nowego prototypu

- dobre właściwości elektryczne i mechaniczne

- różnorodność wykonywanych elementów

- integracja czujników

- odporność na wysoką temperaturę i wpływ otoczenia

- odporność na chemiczna

- integracja całego systemu (czujnik, przetwornik, elektronika)

Wady

- rozmiary

- brak elementów aktywnych

- . . .

Etapy wytwarzania (technologia grubowarstwowa)

MontażKorekcjaWypalanieSitodruk

Podłoże

SitoProjekt

Pasta Obudowa

Sito Piec

Urządzenie do montażu flip-chip

Sitodrukarka system laserowy

Etapy wytwarzania (technologia LTCC)

AUREL VS 1520 A

Sitodrukarki

DEK 1202

Wyposażenie Laboratorium Mikrosystemów

Grubowarstwowych PWr

Parametry

» precyzja zgrywania: ± 12 µm

» rozmiar sit: 14×14″

» regulacja stolika w osi X-Y: ± 12 mm

» regulacja stolika w zakresie: ± 4°

» regulacja sita w osi Z: ± 6 mm

» prędkości druku: 1-300 mm/s

» nacisk rakli: 1-16 kg

» inspekcja optyczna nadruków

» automatyczny system zgrywania

Urządzenie do wywoływaniaNaświetlarkaProces światłoczuły:

» max. ciśnienie (20 MPa)

» stabilizacja temp. (up to 90oC)

Prasa izostatyczna

Wyposażenie Laboratorium Mikrosystemów

Grubowarstwowych PWr

Piec tunelowy

Piec komorowy

Tmax = 1600oC

» laser Nd-YAG

» lmax = 355 nm

» rozdzielczość: 5 µm

» średnica plamki: 15 µm

» częstotliwość: 100-50 000 Hz

» średnia moc: 4.7 W

System laserowy

» Tmax = 1050 oC

» Możliwość wypalania w powietrzu lub azocie

Wyposażenie Laboratorium Mikrosystemów

Grubowarstwowych PWr

Montaż powierzchniowy

Flip chip

Wyposażenie Laboratorium Mikrosystemów

Grubowarstwowych PWr