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

)] =  (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

]

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