Moderní technologie pro konstrukci elektronických systémů (2)
TLV, TV, LTCC, Polymerní TLV, MCM …
Obsah
1 2 3 4 5 6
Úvod Tlusté vrstvy (Thick Films) Tenké vrstvy (Thin Films) Polymerní struktury LTCC Závěr - prognózy vývoje
Miniaturizace hardware
1 Úvod
Konstrukční (assembly)
Mikroelektronika
substráty (DPS, keram.) Obvodová
Polovodičové IO
Funkční
Vrstvové IO
Diskrétní prvky
Optoelektronika
Konstrukční prvky
Mikrovlnná
Moduly … MCM
Monolitické
TV
Akustoelektronika
Pouzdra
Na izolačních podložkách
TLV …..
Bioelektronika
COIC, BGA, CSP
Kvantová elektronika atd.
MEMS, …
LTCC CMOS, BiCMOS, CCD, BiCMOS ….
polymerní
atd.
Moderní technologie
Polovodičové struktury (čipy) – …SoC WLP…THSV … 3D Interconnection + Packaging
Tlusté vrstvy - sítotisk, dispenze – nevak. Tenké vrstvy - naprašování, napařování – vak. LTCC - sítotisk, dispenze, lis, punch – nevak. Polymerní vrstvy – sítotisk – nevak.
HIO MCM …
…
SMT, embeded ….
pouzdřící technologie (CSP …. SOP, SOC)
Prerekvizity – HIO, PM
HIO Pouzdření HIO
povrchově montované
pájení vývodů
s holými čipy
kovová
plastová
keramická
pájení vývodů
pouzdření fluidizací
pouzdření máčením
pouzdření zaléváním
Důvody pro použití HIO
Výkonové obvody (dobrý odvod tepla, oddolnost) Vysokofrekvenční obvody (MPV, rozložené parametry) Přesné a odolné pasivní prvky a sítě Vysoká spolehlivost Malá sériovost Nekonvenční aplikace (senzory, antény, stínění, topná tělesa, elektroluminescenční prvky, fotovoltaické články atd.)
1 2 3 4 5 6
Úvod Tlusté vrstvy Tenké vrstvy Polymerní struktury LTCC Závěr - prognózy vývoje
2 Tlusté vrstvy
Pojmem tlustá vrstva označujeme vrstvu, jejíž tloušťka je řádově desítky mikrometrů. Tlusté vrstvy jsou nehomogenní směsi několika materiálových složek a jejich struktura má amorfní charakter.
Materiály (ve formě pasty) pro výrobu tlustých vrstev obsahují několik složek: • Funkční složku, která zajišťuje žádané elektrické vlastnosti vrstvy • Adhesní (tavivovou) složku, která drží pohromadě částice funkční složky (matrice) • Technologickou (pojivovou) složku zajištující dostatečnou viskozitu pasty během nanášení
Povrchové napětí a pojivová složka
Povrchové napětí je efekt, při kterém se povrch kapalin snaží dosáhnout s nejmenší energií tedy co možná nejhladšího stavu s minimálním rozpětím, uplatňující se na rozhraní kapaliny s pevnou látkou
Pojivovou složku tvoří organická rozpouštědla, jež tvoří 1/3 – 1/4 objemu past
Vytváří v pastě tekutou suspenzi vhodnou pro tisk
Během výpalu dojde k jejímu odpaření
VISKOZITA Viskozita – charakterizuje vlastnosti kapalin (vnitřní tření v kapalinách) Je dána přímou úměrou mezi smykovou rychlostí s a smykovým napětím F´ uvnitř kapaliny
Newtonovská kapalina – jedině u ní lze dobře definovat hodnotu viskozity (glycerin, voda)
Nenewtonovská kapalina – viskozita není látkovou konstantou, ale závisí na rychlosti deformace resp. napětí tečení
- Pseudoplastické - zdánlivá viskozita se s rostoucím tlakem zmenšuje (tlustovrstvé pasty) - Dilatantní kapalina - zdánlivá viskozita roste s tlakem (šlehačka) - Binghamské kapaliny - dochází k toku až po překročení určitého prahového smykového napětí, tzv. meze toku (bažina)
Viskozita Viskozita
=
F´ S
Převrácená hodnota viskozity je tekutost
=
1
Základní jednotka viskozity je poise (P). 1P = 1.00 g.cm-1.s-1 1Pa.s = 1 kg.m-1.s-1 = 10 P Voda má viskozitu 0,00899 Poise při 25 ° C a tlaku 1 atmosféry . (0,00899 P= 0,899 cP= 0.899 mPa · s)
Změna viskozity závisí na změně mechanického tlaku
Chování pasty: 1 – pasta po rozmíchání 2 – počátek tisku 3 – protlačení sítem 4 - vyrovnání
TLV pasty a rheologie (1) …slavné zvolání starořeckého filozofa Herakleita „Panta rhei!“, neboli „Vše plyne“.
Řecké slovo rhein znamená téci a rheologie je tedy nauka o toku a plynutí, přesněji řečeno, je to věda o časově závislých tokových a deformačních procesech v různých materiálech.
Předmětem nauky o toku neboli rheologie jsou různé kapaliny, ale i mnoho dalších materiálů, které tvoří přechod mezi pevnými látkami a kapalinami.
Za určitých okolností totiž všechny materiály tečou. Sem patří především čas. Ve starozákonním zpěvu prorokyně Debory se vyskytuje verš „skály tekly před Hospodinem“. Podle tohoto Debořina zpěvu bylo v rheologii zavedeno takzvané Debořino číslo
trel je relaxační doba daného materiálu, která charakterizuje rychlost molekulárních přeskupení. (je velice krátká pro tekutou vodu a velmi dlouhá pro tvrdou žulu)
tobs je doba pozorování. Čím menší je Debořino číslo, tím tekutější se jeví daný materiál. (Pokud je pozorovací doba nekonečně dlouhá, tečou i skály. A také naopak, na samém počátku podmořské exploze se i voda může jevit jako velmi tvrdý a tuhý materiál).
TLV pasty a rheologie (2) Středoškolská fyzika zná dva zákony, které jsou základem veškeré mechaniky. Jsou to:
Newtonův zákon viskózního toku, který definuje viskozitu
Hookův zákon o deformaci tuhých těles.
TLV pasty a rheologie (3)
Newtonův zákon: proudí-li kapalina trubkou nebo kanálem, není její rychlost stejná po celém průřezu. U stěny je kapalina klidnější, ale směrem ke středu je proud stále prudší. Pozorování toku řeky přivedlo Isaaka Newtona na myšlenku, že uvnitř kapaliny existuje tření, které přenáší pohyb od jedné její vrstvy ke druhé. Mírou tohoto tření a zároveň charakteristikou dané kapaliny je viskozita.
V jednoduchém případě (Newtonovské kapaliny – voda) existuje přímá úměra mezi smykovou rychlostí s = γ a smykovým napětím F´= τ. Konstanta úměrnosti mezi těmito dvěma veličinami je právě viskozita η:
Daleko běžnější jsou kapaliny ne-newtonovské, které mění viskozitu v závislosti na tlaku a čase. Ty se nazývají tixotropní (tlusté vrstvy).
TLV pasty a rheologie (4)
Zatímco Newtonův zákon viskózního toku je základem mechaniky kapalin, na opačné straně mechaniky materiálů je Hookův zákon deformace tuhých těles. Když jej Robert Hooke experimentálně objevil, dlouho se trápil pochybnostmi a nejprve zveřejnil v roce 1676 tajuplný anagram „ceiiinosssttuv“, o němž prohlásil, že skrývá skutečnou teorii pružnosti.
Teprve o tři roky později uveřejnil úplný článek, v němž prozradil, že záhadný nápis lze přepsat do latinského výroku „Ut tesion sic vis“ neboli „Jaké protažení, taková síla“. Při tahovém zatížení je mechanické napětí σ přímo úměrné deformaci ε neboli
Ϭ se nazývá prostě napětím, ε relativním prodloužením a konstanta E Youngovým modulem pružnosti (modulem pružnosti v tahu). Grafem takového vztahu je přímka a její směrnice je tentokrát Youngův modul pružnosti E (odpor ideálně hookeovského tělesa proti deformaci závisí na její velikosti, ale vůbec nezávisí na rychlosti).
VISKOZITA
Rotační (Brookfield) viskozimetr
Hladký váleček, svisle ponořeného do zkoumané kapaliny, motorek otáčí válečkem.
Otáčivý pohyb z motorku na váleček přenášen spirálovou pružinou.
Viskozita kapaliny vyvolává moment síly, jehož velikost se projevuje torzní deformací pružiny, odečitatelnou na stupnici viskozimetru.
VISKOZITA
Haake - Rotovisko viskozimetr
Systémem pro měření v soustavě koaxiálních válců nebo v systému kužel – deska
Velký rozsah smykové rychlosti
Měření v úzké kónicky se zmenšující mezeře
Sítotiskové pasty Materiály ve formě sítotiskových past lze rozdělit do tří základních skupin: vodivé, odporové, dielektrické a izolační speciální.
Pro vodivé pasty se používají jako funkční složka drahé kovy (Au, Pd, Pt, Ag), především pro svoji stálost a netečnost vůčí vlivům prostředí. Jako funkční složka odporových materiálů se používají různé směsi drahých kovů, které u některých systémů vytvářejí oxidy (např. RuO2). Hodnota odporu je nastavována poměrem vodivé (kovové) části a tavivové (skelné) složky. U dielektrických past tvoří funkční složku materiály používané pro keramické kondenzátory (typ I nebo II ) a u izolačních past různé typy skelných frit. Jako tlusté vrstvy mohou být nanášeny i další předem připravené funkční směsii. Tyto materiály řadíme do skupiny speciálních past, jako jsou např. termistorové, magnetické, luminescenční, stínící a také pasty pro chemické senzory a další. Pasty jsou připravovány mícháním a roztíráním (rozpracováním) příslušných komponent připravených ve formě práškových frit (s co nejdefinovanějším tvarem jednotlivých částic o průměru 5 m).
Tlusté vrstvy
Dodavatelé past
Electro Science Laboratory DuPont Heraeus Tanaka, Senju, Sumitomo Metal Japan … … CLEC Group, Jiangyin Mengyou Electric …(490)
Test znalostí Příklad: Navrhněte a nakreslete v minimální rozměrové konfiguraci tlustovrstvový rezistor R = 2k2 pastou 1 k Ω na čtverec pro výkonové zatížení P = 1 W, je-li na substrátu tloušťky 0,635mm jmenovité zatížení odporu Po = 200 m W / mm2. ____________________________________________________________________________________
S
P 1 5mm 2 Po 0,2
5mm 2 2,2w2
Zkouška správnosti navrženého odporu:
S l.w
S 2,2 w2
Depozice tlustých vrstev Nanášení tlustých vrstev se v mikroelektronice provádí následujícími způsoby:
sítotiskem šablonovým tiskem writing - popisem (jehlou, hrotem, dispenzerem) jetting
Princip sítotisku
Síťoviny pro sítotisk
Parametry sít Počet ok na
Průměr vlákna
Tloušťka síta
Světlost oka
Světlost síta
Teoret. objem protlač. pasty
(palec/cm)
(cm2)
(m)
(m)
(m)
(%)
(m3/oko)
35/14
196
220
410
500
48,2
197,5
60/24
576
145
265
275
42,8
113,5
80/32
1024
100
170
200
44,5
75,5
100/40
1600
80
130
167
45,7
59,5
130/51
2600
70
116
120
38,7
45
160/62
3844
64
112
92
32,2
38
205/81
6560
48
82
72
34
28
240/95
9025
48
67
50
22,7
19,5
305/120
14400
34
57
44
27,9
16
→ P á j e c í p a s t y
T l u s t é v r s t v y ←
Výběr síta a zhotovení šablony
Pokřivení (warp) / útek (weft) Tažením drátu na délku vznikají deformace - pokřivení, tažením drátu napříč vzniká útek. To vykompenzují jen ušlechtilé ocelové dráty se zvláštními vyššími požadavky na průměrné tolerance, průtažnost (plastičnost) a povrch drátu. Rozměr oka (w), průměr drátu (d) Dva nejdůležitější funkční rozměry sítě jsou rozměr oka w a průměr drátu d. Např. SD 50/30 50 = w (v m) 30 = d (v m)
Jemnost a světlost síta Jemnost síta (hustota) Počet drátů na cm (n) nebo inch (Mesh). n
10mm w(mm) d (mm)
25,4mm Mesh w(mm) d (mm)
Světlost síta (oka) a0 Jako rozevření síta je definována procentuální část všech síťových otvorů veškeré plochy sítě. Větší rozevření plochy znamená větší propustnost pasty. 2 w a0 100% w d
např: SD 50/30:39%
Tloušťka síta a teoretický objem pasty Tloušťka síta Tloušťku síta významně ovlivňuje průměr drátu a tkací technika. Měření tloušťky se uskutečňuje v uvolněném stavu se senzorovým snímačem, při tlaku 1,8N (proti nehybné, rovinné podložce).
Teoretický objem pasty vth Teoretický objem pasty je objem otevřeného oka, nenanesený na plochu substrátu. To udává konečnou teoretickou tloušťku smáčené vrstvy sítotisku v m. Při nedostatečném nanesení se musí použít síť s vyšším vth.
2
w vth cm 3 / m 2 D wd w,d,D je v m
Typy sít – Koenen (www.koenen.de)
Vztah mezi velikostí rámu síta a tištěným motivem Volba rámu Ocelová síta jsou podstatně více napnuté než syntetické. Sítotiskový rám musí být schopný udržovat natažené síto. Musí zachovat stabilní tvar k dosažení reprodukovaných výsledků tisku. Rám se doporučuje s hliníkovým pokovením nebo ocelovým profilem. Velikosti rámu Příliš malý rám vzhledem k tisknutému obrazu vede k přetěžování tkaniny síta a k předčasné únavě. Aby se mohlo plně využít výhod ocelové tkaniny, jsou doporučeny následující geometrické vztahy. Princip výpočtu pro rámy v technologii TLV
R=šířka stěrky W=délka stěrky H=odskok K~ 2 . R L~ 3 . W H~ (0,002-0,005) . K
Velikost rámu vs. odtrh Tisk (odskok a protlačení) Potřebný odskok závisí na celé řadě faktorů, jako např. napnutí síta, viskozitě pasty, rychlosti stěrky, ale dokonce i na provedení šablony. Proto se pro odskok nemohou stanovit žádné všeobecně platné podmínky, kromě podmínky – začínat vždy s co nejmenším odskokem. (Musí dojít k dokonalému přenosu pasty přes síto - když se nedostatečně přenese pasta z šablony, odskok se trochu sníží). Závěr: Čím větší velikost rámu, tím dokonalejší přenos pasty.
Realizace šablony
Na tkaninu se nanáší fotocitlivý materiál. Po vysušení se exponuje UV zářením. Jako předloha šablony slouží diapozitiv. Osvícené místo se vytvrdí, neosvícené místo zůstává rozpustné ve vodě. Jako vývojka na síto je použita voda. V technologii tlustých vrstev se využívá sítotisková šablona k tisku vodivé cesty, odporové, izolační, skelné pájky a pájecí pasty na keramický substrát. Struktury v sériové produkci jsou realizovány až do 100m šířky, ve výzkumu až do 40m. U požadavku na silnou vrstvu se pokrývá šablona vrstvou o tloušťce 10-15m. Tisk pájecí pasty je možný se sítem až do rozměru rastru 0,635mm. Při menším rozměru rastru by se měla použít kovová šablona. K dostání jsou materiály pro šablony (filmy) tloušťky od 80 do 400m. S tkaninou 80 mesh s průměrem drátu od 0,065mm pro nanesení pájecí pasty, se dosahuje následující tloušťky vrstvy: tloušťka nanesené vrstvy = tloušťka filmu + 10% při 200m filmu se tedy dosáhne tloušťky 220m. V solární technologii se používají síta pro tisk kontaktů na křemík. Tím se dosahuje vyšší účinnosti solárních článků. Musí se nanášet extrémně jemná vodivá cesta, ale pokud je to možné, vysoká. Přitom se přibližuje až k hranicím možného rozlišení (realizována vodivá cesta je od 45m).
Realizace šablony Jsou dva fotocitlivé systémy: Diazová sloučenina Chemické činidlo polyvinyl alkohol (PVA) je smíchán s fotocitlivou složkou. Rozklad se děje když jsou tyto složky nechráněné. Uvolní se nitrogen a volné radikály, které vedou k překřížení propojených molekul. Proto nebude exponovaná oblast rozpustná ve vodě.
Reakce fotopolymerové sloučeniny při expozici
Reakce diazové sloučeniny při expozici
Fotopolymerová sloučenina Fotocitlivý komponent SBQ (Stil-Bazole-Quarternized) je smíchán s činidlem polyvinyl alkoholu. Exponovaná oblast se pospojuje, neozářená oblast zůstane vodorozpustná. Chemické sloučení (dvojné vazby) v molekulách probíhá velmi rychle, fotocitlivost je 5x větší než u Diazové sloučeniny. Skladovací stabilita je velmi vysoká; nanesené síto se může uchovávat až do 6 měsíců, patří to k výhodě fotopolymerového filmu, ten se používá v tloušťkách 10,15,20,25,30,40,50,80,100,150,200,250,300,350,400m.
Tři metody nanášení:
Přímé nanášení: Fotocitlivá emulse je aplikovaná přímo na tkaninu. Polopřímé nanášení: Sítotiskový film je vrstvený na tkaninu pomocí emulse. Kapilární nanášení: Sítotiskový film je přilnut ke tkanině smáčené vodním roztokem Je upřednostňována polopřímá metoda, protože zajišťuje optimální reprodukovatelnou nanášecí tloušťku a vysokou trvanlivost sítotiskové šablony. Pro sušení se používá teplota 40C.
Expozice K expozici je zapotřebí diapozitiv v měřítku 1:1.
Uspořádání sítové a filmové předlohy při ozáření
Vakuový rám na expozičním zařízení zaručuje optimální kontakt mezi Dia a emulzí a ještě více minimalizuje efekt zmenšení ozáření. Pro optimální výsledek musí být správně stanovena expoziční doba. (krátký čas = velké rozlišení, nízká mechanická stabilita; dlouhý čas = malé rozlišení-malá okrajová ostrost a nepružnost) Maximální spektrální citlivost filmu fotopolymeru a emulze je v oblasti UV od 340nm do 430nm, kdežto u Diazové sloučeniny leží v dlouhých vlnových délkách.
Zařízení pro sítotisk a šablonový tisk
Hlavní parametry tiskového procesu Operátor
Stroj;
Nespolehlivost! – nutno omezit vliv
Parametry tisku Upnutí DPS Klima
Šablona
typ Povrchová úprava
Stěrka
Kvalita břitu Povrchové napětí
Pasta
Třída pasty Tixotropie
rychlost tlak separace Úhel stěrky Tuhost X,Y Rovinnost Typ upnutí
Faktory působící v průběhu tisku
Writing (dávkování popisem) PLOTTER DRIVE UNIT
CONTROL UNIT
CAD data processing
DISPENSING UNIT
syringe and dispensing nozzle
X,Y,Z AXIS
xy axis table + z axis holder
Writing je nanášení tixotropních materiálů na podložky s pomocí dispenzeru, jehož hrot není v přímém dotyku se substrátem. Zařízení se skládá z: - řídící části generující data pro řízení procesu - depoziční jednotky s nanášecím hrotem - poziční jednotky s ovládáním pohybu ve směru os x, y, z
Writing (dávkování)
Klíčovou částí zařízení je depoziční hlava se zásobníkem pasty a injekční jehlou, skrze kterou je pasta nanášena
Writing – deponované vrstvy Příklad nanesené vodivé vrstvy ve tvaru cívky – tlustovrstvá vodivá pasta AgPd
Jetting – tryskání vs. dávkování
Jetting (tryskání) je proces, ve kterém je kapalina v rychlé frekvenci vytlačována přes trysku. V každém cyklu tryskání je vytlačováno definované množství materiálu. Obvyklá frekvence tryskání je 100-200 Hz, někdy až 1000 Hz. Při dávkování jehlou kapalina zůstává na špičce jehly a poté je teprve aplikována na substrát. Adheze a povrchové napětí substrátu způsobují uchycení pasty na substrát, ale předtím, než se jehla posune do další pozice, musí nastat pohyb vzhůru v ose z. Rozdíl mezi tryskáním a dávkováním jehlou je v tom, že při tryskání je kapalina vytlačena z trysky tak, že se oddělí od trysky před spojením se substrátem.
Výpal tlustých vrstev Tlustá vrstva – heterogenní systém s amorfní strukturou
Justování (trimování) TLV
Dostavování hodnot rezistorů po výpalu se provádí buď otryskáváním křemenným pískem nebo trimováním s pomocí laseru (YAG) pracujícího v impulsním režimu jak je patrné z obr. Po každém kroku, v němž je „odpálena“ vrstva ve tvaru kruhového svazku, je prováděno měření jmenovité hodnoty rezistoru až do dosažení nastavené hodnoty, kdy se proces ukončí.
Bočním zářezem do rezistoru se zvětšuje dráha proudových siločar, resp. celkový počet čtverců rezistoru , takže jeho jmenovitá hodnota se zvyšuje. Používá se I „zářezů, nebo „zářez“ ve tvaru L. Jeho výhodou je i ta skutečnost, že při podélném řezu je nárůst hodnoty odporu pozvolnější než při řezu příčném.
TLV vícevrstvové (multilayer)
1 2 3 4 5 6 7
Úvod Tlusté vrstvy Tenké vrstvy Polymerní struktury LTCC Multičipové moduly Závěr - prognózy vývoje
3 Tenké vrstvy
Tenké vrstvy jsou amorfní, polykrystalické nebo monokrystalické struktury vytvářené řízeným nanášením materiálů v uzavřeném vakuovém prostoru, v elektronice nejčastěji fyzikálními metodami, napařováním nebo naprašováním.
Tloušťka tenkých vrstev se pohybuje v rozmezí desetin až jednotek m, v důsledku čehož neplatí tytéž fyzikální konstanty a vlastnosti jako u běžných objemů materiálů. To předurčuje jejich mimořádné elektrické vlastnosti (vrstvový odpor, teplotní součinitel odporu a pod.), což je právě v elektronice při realizaci struktur využíváno.
Tenké vrstvy Tenké vrstvy
Tlusté vrstvy
Rozlišení čára/mezera m
10 (5)
100 (50)
Vrstvový odpor vodičů m
1
30, (5)
Předhodnota pro rezistory
100 – 500
10, 100, 1000, 104, 105, 106
TCR ppm . K-1
100 (30)
100 – 400
Stabilita, 70C, 1000 h %
0,1
0,5
Pztrátový Wcm2
0,2
1,5
Proudový šum V/V
0,05
0,3 (100) – 3 (100 k)
Parametr
Způsoby nanášení tenkých vrstev
Fyzikální vakuové nanášení Physical vapor deposition (PVD) představuje několik různých způsobů depozice tenkých vrstev na principu kondenzace materiálu na substrát. Odpařování materiálu může probíhat teplotně, laserem, bombardováním ionty apod. Tak lze nanášet kovy, slitiny i izolanty a to i ve více vrstvách.
Fyzikální metody nanášení (PVD) : - Teplotní odpařování - Odpařování elektronovým paprskem - Naprašování - Laserové (pulzní) depozice
Chemické vakuové nanášení (CVD) – Chemical vapor deposition (CVD) využívá odpařování v průběhu chemických reakcí.
CVD techniky:
Plazmové odpařování (CVD) nebo smíšená fyzikálně-chemické vakuové nanášení
Vakuové napařování Počet částic Nv odpařený za jednotku času z jednotkové plochy je:
Nv = 3,5 . 1022 . p/ (M.T) -1/2 kde p je rovnovážný tlak nasycených par M je molekulární hmotnost T je teplota
d p 1 exp Vrstva vzniká vypařením materiálu ve vakuové komoře a jeho ulpěním na připravených substrátech
Tlak Pa
101
10-1
10-3
10-5
10-7
0,5
51
510
5,1 . 104
5,1 . 106
cm
Vytváření tenkých vrstev napařováním
Zahřívání zdroje - napařovaného materiálu v uzavřeném vakuovém prostoru Tavení a odpařování kovů (500-2000˚C) Kondenzace na chladnějším povrchu (substrát, stěny napařovací komory) Reakce s okolní atmosférou (Al→Al2O3)
Vakuum vzniká čerpáním ve vzduchotěsné komoře 1Torr ~ 1mm rtuti (normální tlak 760 Torr) Vesmír asi 10-15 Torr Člověk 740 Torr sáním (v malém objemu), Pro napařování je třeba asi 10-7 Torr (vysoké vakuum) Střední volná dráha je asi 45m (pro 10-6Torr a molekulu velikosti 3.10-10m), vzdálenost zdroje od substrátu je 20 cm
Zařízení pro vakuové napařování -Tepelné odpařování -Odporové odpařování -Elektronovým paprskem -Pulsní (Flash)
Katodové naprašování Při naprašování je terč z vodivého materiálu umístěn ve vakuové komoře a je připojen na vysoký záporný potenciál řádově tisíce voltů. Do komory se vipouští pracovní plyn (obvykle argon) a tlak se udržuje na hodnotě řádově jednotky pascalu. Před terčem vzniká doutnavý výboj, přičemž kladné ionty bombardují záporný terč a záporné elektrony dopadají na uzemněnou kostru komory - anodu.
Množství materiálu naprášené za jednotku času lze vyjádřit vztahem:
Q = k . Ui / (p . d) kde k Ui p d
je konstanta úměrnosti je pracovní napětí je tlak je vzdálenost mezi katodou a anodou
Systémy pro naprašování
Magnetronové naprašování Relative Sputtering Rates Table Ag
2.16
C
0.05
Mo
0.53
Ta
0.43
Al
0.73
Cr
0.60
Ni
0.65
Ti
0.38
Al203
0.15
Cu
1.00
Si
0.39
Zr
0.65
Au
1.76
Mg
0.26
SiO2
0.45
W
0.39
Před terčem je vytvořeno magnetické pole definovaného tvaru elektromagnetem nebo permanentními magnety. Takové zařízení se nazývá magnetron. Elektrony, které při klasickém naprašování unikají z prostoru před terčem, se v tomto případě v důsledku Lorentzovy síly pohybují po šroubovici podél siločar. Tak se výrazně prodlužuje jejich dráha, prodlužuje se i doba jejich setrvání v oblasti výboje a zvyšuje se pravděpodobnost ionizace dalších atomů pracovního plynu.
Čtyři stadia růstu tenké vrstvy:
• tvoření zárodků • narůstání ostrůvků • spojování center • vyplňování mezer
Na keramických substrátech jsou tenké vrstvy využívány pro realizaci především pasivních sítí (vodivé, odporové a dielektrické vrstvy), i když u některých materiálů lze pozorovat i polovodičové vlastnosti (byl realizován i tenkovrstvý tranzistor TFT). Typickými materiály pro nanášení tenkých vrstev napařováním jsou Au, Al, CrNi, Ta a další vodivé i nevodivé materiály pro naprašování.
Vytváření struktury obvodu
Glazování substrátu
Vytváření tenkých vrstev může probíhat dvěma způsoby: aditivním s následným odleptáváním selektivním s pomocí masek
Depozice odporové vrstvy
Depozice vodivé (dielektrické) vrstvy
Teplotní stabilizace vrstev
Selektivní leptání
Trimování rezistorů
Sendvičová TV struktura a postup vytváření pasivní sítě
Topologie TV HIO
Topologie osazeného obvodu [10 : 1]
Základní architektura matrice TV tranzistorů pro displej z kapalných krystalů. S každým obrazovým prvkem resp. pixlem displeje je spojen jeden TV tranzistor. TV tranzistory generují různá napětí jež způsobují různou orientaci molekul v kapalné suspenzi. To ovládá také rozdílné množství světla procházejícího TV matricí a barevným filtrem, a zajiš´tuje tak tvorbu obrazu na displeji.
1 2 3 4 5 6
Úvod Tlusté vrstvy Tenké vrstvy Polymerní struktury LTCC Závěr - prognózy vývoje
4 Polymerní struktury
Polymerace je reakce, při níž se spojuje (řetězí) obrovský počet jednoduchých nenasycených nízkomolekulárních sloučenin (monomerů) ve velké molekuly (makromolekuly), aniž při této reakci vznikají vedlejší nízkomolekulární zplodiny.
Polymerace jsou schopny jen takové monomery, které obsahují v molekule jednu nebo více dvojných vazeb.
Polymerní struktury Polymery, které mají uhlíkové atomy v řetězci střídavě propojeny jednoduchými a dvojitými vazbami označujeme jako konjugované. Nejjednodušší takovou látkou je polyen, který se označuje jako polyacetylén, protože jej lze připravit polymerací acetylénu. Ten normálně vzniká ve formě tmavého prášku nepatrné vodivosti, jestliže se však dopuje příměsí jodu, vodivost se o mnoho řádů zvýší a lze připravit kovově lesklé filmy s vodivostí blížící se mědi. Vodivost polyacetylénu je způsobena solitony. Solitony jsou nelineární poruchy, které mohou přenášet energii a šířit se rozptylujícím prostředím, aniž by přitom byly samy rozptylovány.
CHn
V polyacetylénu existují dva typy solitonů: neutrální (beznábojový) a nabitý (kladný nebo záporný), vznikající na polyacetylénovém řetězci účinkem dopantů.
Polymery pro elektroniku
Vodivé se strukturou PANI a PEDOT
(PANI – polyanilyn je ušlechtilejší než Cu)
O
N
N
H
H
n
O
S
n
(PEDOT - konjugovaný polymer s pozitivním nábojem založený na bázi polythiophenu
Polovodivé PENTACENE a Poly-3 Hexyl- Thiophene
(PENTACENE – polycyklický aromatický úhlovodík složený z pěti lineárně slitých benzenových jader)
Poloizolační polymery PPV a PPP
Polymery izolační PVP a PI
Polymerní struktury
Vodivé polymery jsou tvořeny systémem konjugovaných dvojných vazeb. Kromě konjugace je dalším nezbytným předpokladem elektrické vodivosti přítomnost nositelů náboje, které zprostředkovávají jeho transport po řetězci. Ty vznikají procesem, který je v analogii s klasickými polovodiči nazýván dopování.
Je však podstatný rozdíl mezi dopováním anorganických a organických polovodičů. U anorganických polovodičů výrazně ovlivňují elektrické vlastnosti již stopové koncentrace dopující látky, u polymerů je potřeba koncentrací řádově vyšších, jednotek až desítek procent.
Polymerní struktury
Dopanty jsou látky schopné vytvořit s polyacetylénem sloučeniny s přenosem náboje (tzv. charge – transfer). Jestliže dopant polyacetylénu poskytuje elektrony, jedná se o donor (např. alkalické kovy). Když dopant naopak elektrony z polyacetylénu odčerpává jedná se o akceptor. Patří sem halogenové prvky (chróm, bróm, jód), halogenidy polokovů a nekovů, a také kyseliny a jejich soli.
Následkem dopování dochází k vytvoření elektronových děr ve valenčním pásu (p-dopování) nebo k přenesení elektronů do vodivostního pásu (n-dopování). Dochází i ke změně charakteru vazeb podél polymerního řetěze jak je vidět na obr.
Polymerní struktury Tlustovrstvé polymerní materiály tvoří: pigmenty (plniva): - vodivé - odporové - dielektrické polymery (organické materiály): - termosety (epoxydové a fenolové pryskyřice) - termoplasty (akrylové pryskyřice) - rozpouštědla
Polymerní tlusté vrstvy Pro PTF technologii se používají buď standardní nebo speciální pasty. Standardní pasty
vodivé pasty odporové pasty dielektrické pasty se zásadně skládají z funkčního systému, polymeru a rozpouštědel.
Funkčním systémem u vodivých past je stříbro a v poslední době měď, u odporových past grafit a čedič a u dielektrických past jsou používány horniny jako slída, oxid hlinitý nebo chromdioxid.
Polymery po vypaření rozpouštědel drží části funkčního systému pohromadě (koheze) a zaručují také adhezi pojiv k substrátu.
Polymery se dělí na dvě kategorie: - polymery, které zahřátím vytvoří pevné struktury a proto jsou využívány pro tisk na pevné podložky. Epoxidové a fenolové pryskyřice jsou příkladem teplotně neroztažných polymerů. - polymery, které po vytvrzení jsou měkké a podstatně ohebnější, a proto je jim dávána přednost jako materiálům pro flexibilní substráty.
Polymerní tlusté vrstvy
PTF můžeme tisknout na různé typy substrátů (podložek) a to na flexibilní (polyamid, polyester,PVC) nebo na tuhé (keramika, epoxidové sklo nebo kov).
Po natisknutí vrstvy metodou sítotisku na substrát musí být umožněno její „usazení“ (tisk přes mřížku vede k přenášení motivu ok od sítě). Dále se vrstva před vypálením zasušuje. Tím se odstraní těkavé látky. Při nanášení na nestabilizovanou polyesterovou fólii se doporučuje nezatvrzovat pastu nad 100 °C, poněvadž se v důsledku vyšších teplot mohou změnit rozměry fólie. Při použití stabilizovaných polyesterových fólií může být zasušováno až do teploty 150 °C po dobu 5 až 15 minut.
Technologie výroby polymerních TLV Výrobní proces je podobný po sítotisku následuje vytvrzení - určuje finální vlastnosti. PFT jsou vypalovány nejen konvenčními metodami jako je průtahová tunelová pec a pec s infračerveným ohřevem, ale také ohřev kondenzací plynné fáze a výpal za pomoci mikrovln.
Průtahová tunelová pec Tato pec je sice oblíbená pro výpal PFT kvůli jednoduché a snadné manipulaci, ale vlastnosti vrstvy vytvrzené v tomto typu pece nejsou tak dobré, protože schopnost tepelného předu ze vzduchu do substrátu je nízká. Pasta je vytvrzená v peci při teplotě 120 až 160 °C za dobu 30 až 60 minut.
Pec s infračerveným ohřevem Tento typ pece je v praxi nepoužívanější. Má vysokou schopnost tepelného převodu, proto doba výpalu může být na rozdíl od tunelové pece snížena na jednu třetinu.
Ohřev kondenzací plynné fáze Princip tohoto systému spočívá ve využití latentního tepla z kondenzace inertní kapaliny, jejíž teplota varu je relativně vysoká. Používané kapaliny jsou Fluorinert FC - 43 a FC - 70, jejichž teploty varu jsou 174 a 215 °C. Pasta může být vytvrzená v plynné fázi za dobu 2 až 3 minut.
Výpal s pomocí mikrovln Tento způsob výpalu není oblíben, ale je to ideální metoda pro PFT, která se výrazně liší od tří předchozích zmíněných metod. Absorbovaná mikrovlnná energie vyvolává rotaci dipolárních molekul, které v pastě v důsledku tření produkují teplo. Rychlé vytvrzení je výsledkem působení vnitřního tepla. Pasta je dobře vytvrzená během pouhých 2 až 3 minut v mikrovlnách, jejichž frekvence je 2,45 GHz
Aplikace PTF Typickými aplikacemi technologie PTF jsou:
Realizace vodivých cest a spojů na substrátech Realizace rezistorů a potenciometrů na substrátech Náhrada plátovaných kontaktů klávesnic Dodatečné vodivé vrstvy na obou stranách desek základní vrstva pro senzory u vstupů kreditních karet ochrana měděných drah a kontaktů ne desce plošných spojů místo zlacení tranzistory z polymerů tlustovrstvové senzory
Aplikace PTF –membránová klávesnice
Aplikace PTF – senzory Kapacitní senzor
Teplotní (odporový) senzor
Aplikace PTF – multifunkční senzor
Organické světloemitující diody OLED
Organické světlo emitující diody OLED, jsou klasické světlo emitující diody (LED) na emisní elektroluminiscenšní vrstvě, která reaguje na elektrický proud. Tato vrstva organického polovodičového materiálu se nachází mezi dvěmi elektrodami, kde alespoň jedna z těchto elektrod je transparentní. OLED se používají napřiklad v televizních přijímačích na podsvícení obrazovek, u počítačových monitorů nebo u PDA či mobilních telefonů. Hlavní výhodou je nízká teplená vodivost a fungování bez podsvícení (jsou tenčí a lehčí než displeje z tekutých krystalů.
Polymerní struktury PEDOT
Polymer vhodný pro výrobu nového typu paměťového média je na bázi vodivého plastu zvaného “PEDOT”, který je nanesen na povrchu křemíkové polovodičové vrstvy p-i-n.
Je ve vývoji transistor vyrobený na bázi tohoto polymeru, který by byl levný a tvárný. Novinkou této technologii je kombinace vlastnosti křemíkové technologie s možnostmi tvarování - vlastnosti, která u křemíku neexistuje
Polymerní technologie PEDOT Materiál PEDOT se také ukázal vhodný pro výrobu solárních článků. Na plastické fólii je vodivá vrstva (kladný pól článku), následuje vrstva PEDOT-PPS, která se po osvětlení stane donorem elektronů. Jejich akceptorem je fulerénová vrstva PCBM, na které jsou kontakty z hliníku (záporný pól článku). Doba přechodu od vyražení elektronu fotonem po jeho zachycení v PCBM vrstvě je pouhých 40 fs. WORM - Write Once Read Many times, typ paměti na kterou je možné zapsat pouze jednou, ale číst kolikrát chceme. PEDT - polyethylenedioxythiophene, polymer který je základem pro výrobu materiálu PEDOT. PEDOT - levný vodivý a průhledný polymer, který se běžně používá na antistatické vrstvy na fotografických filmech a na průhledné kontakty v displejích. PEDOT je složen ze dvou komponent, základní PEDT a PSS. PCBM - 6,6-Phentl-C61-Butyl acid-Methylester. Příjemce (akceptor) elektronů v novém typu solárního článku. ITO - Indium-Tin Oxide, oxid india dotovaný oxidem cínu, používá se na průhledné vodivé povlaky, využití nalezl i jako kladný kontakt v novém typu solárního článku. » Zdroj: www.mrs.org
Organické fotovoltaické články Průhledné elektrody slunečního článku jsou tvořeny sklem pokrytým tenkou vrstvou SnO2 či ZnO. Titanová běloba, která je známá jako nanokrystalický TiO2, je nanesená na jednu elektrodu, a po sintraci na vzduchu při 450° C vznikne porézní vrstva, rozptylující světlo. Ta je zbarvena organickým barvivem. Absorpce světla nastává v tomto barvivu. Elektrolyt je roztok jodidu draselného v etylenglykolu, druhou elektrodu tvoří grafit, nanesený opět na "vodivém skle". Celá struktura je utěsněna proti ztrátě elektrolytu. Článek dává napětí asi 0,3-0,4 V a proud při slunečním osvětlení asi 1 mA/cm2. Za použití složitějších postupů je účinnost článků 10 až 15%
1 2 3 4 5 6
Úvod do HIO Tlusté vrstvy Tenké vrstvy Polymerní struktury LTCC Závěr
5 LTCC
Technologie LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) nachází své uplatnění zejména v mikrovlnných aplikacích ale také v MEMS a obecně při konstrukci mikrosystémů. Žádné jiné technologie nevykazují takovou rovnováhu mezi různými parametry, jako jsou nízké ztráty ve vodičích, přesné rozměry, cena, spolehlivost atd.
LTCC
Jedná se o technologii realizovanou na keramickém substrátu, jehož vlastnosti se mírně liší od vlastností klasických keramických materiálů (má ~15% organické a ~ 85% anorganické složky). Anorganická složka: ~ 48% objemových práškových zrn 1-5 μm (Al2O3, SiO2…) a ~52% objemových skleněná frita (rekrystaliyačbí borosilikátová a olovnatá skla) Organická složka: pojiva (vinylové polymery PVA a pod.), plastifikátory (např. benzylbutylftalát) a disperzanty (např. kyselina olejová) Nevypálená keramika se nachází ve viskoelastickém stavu
LTCC Charakteristické vlastnosti technologie LTCC lze shrnout do těchto bodů:
nízké dielektrické ztráty přesně definovaná relativní permitivita, neměnná s frekvencí přesné, stabilní rozměry výborný rozvod tepla možnost integrování pasivních prvků nízká cena
LTCC
Substrát LTCC můžeme charakterizovat jako vícevrstvý keramický substrát, který umožňuje na jednotlivé vrstvy integrování propojovacích vodivých sítí a pasivních prvků. Jednotlivé vrstvy substrátu mohou mít různou relativní permitivitu a díky tomu sloužit i jako dielektrikum pro integrované kapacitory.
LTCC Výrobní proces je velmi variabilní a jeho průběh se odvíjí od složitosti struktury. Výrobní postup záleží hlavně na složitosti nosného substrátu, počtu vrstev a výrobním zařízením, které je k dispozici. Základní postup při výrobním procesu je: *
výroba fólie (je vytvářena homogenní a tvárná směs, která se nazývá „slip“ a jež se nanáší na podložku, obvykle polyesterovou fólii; fólie poté projde vysoušecím procesem a dále zařízením, kde se upravuje tloušťka na požadovanou hodnotu 50m až 200 m ) ražení děr a výroba propojů (propoje jsou vlastně malé díry v jednotlivých vrstvách substrátu, které se později plní vodivou pastou, vytvářejí se vrtáním, ražením nebo laserem a mají obvykle průměr 0,1 až 0,2 mm). sítotisk (zahrnuje realizaci vodivých drah a pasivních prvků, nejdříve se tisknou vodivé dráhy standardní tlustovrstvou technologií a používá se jak bezkontaktních metod (sítotisk) tak i leptací procesy; podle potřeby jsou pak na jednotlivé vrstvy substrátu dotištěny další pasivní prvky). laminování (po kontrole všech fólií jsou tyto zkompletované; srovnané vrstvy jsou k sobě stlačeny po dobu přibližně 10 minut za současného působení teploty a tlaku obvykle 70C při tlaku asi 2100 N/cm2; laminování může být isostatické (působení tlaku ve všech směrech) nebo uniaxiální (tlak působí v jedné ose). výpal (je závěrečnou částí výrobního procesu; typický vypalovací profil pro LTCC je podobný profilem TLV (nejvyšší teplota 850C po dobu 15 minut je v žárovém pásmu) ale celý proces trvá 2 až 10 hodin podle složitosti struktury a použitých materiálů). povýpalové operace - TLV
LTCC
Vypalovací profil pro LTCC
LTCC Povýpalové operace nanášení vodivých drah a přesných rezistorů na povrchu substrátu; dělení desek s vypálenými substráty - tato operace může následovat i před výpalem ale při menší tloušťce výsledného substrátu ji lze provést až jako poslední krok; provádí se řezáním laserem nebo ultrazvukem; závěrečné testování elektrických parametrů struktury.
Parametry fólie 951 Green Tape
Dielektrická konstanta při 1 MHz Ztrátový činitel při 1 Mhz Elektrická pevnost Koeficient teplotní roztažnosti Hustota Drsnost povrchu Tepelná vodivost Šířka vodiče/mezery Tloušťka po výpalu
7.5 0.001 > 40 kVmm-1 5.810-6K-1 3.2 gcm-3 < 0.7 m 3 Wm-1K-1 0.1 mm 115 m
LTCC - Vodivé pasty pro LTCC Kov Atmosféra při výpalu Rezistivita [m/ ] Au Vzduch Ag Vzduch Cu Dusík Ag/Pd Vzduch Pt/Au Vzduch Pt/Pd/Au Vzduch
4 – 12 2–9 3–4 7 – 40 35 80
LTCC – kondenzátory Typ r C [pF] Tg θ Ri [] EP[V] Tolerance
X7R
NPO
110 – 200 10 - 3 000 <2% > 1011 200 20%
5–8 1 – 200 < 0.3 % > 1012 500 10 %
Aplikace LTCC
Napětím řízený oscilátor vyrobený technologií LTCC (výrobce National Semiconductor)
Aplikace LTCC
a/
b/
Různé aplikace s obvody vyrobenými technologií LTCC a) Řídící jednotka motoru a jednotlivé vrstvy při výrobě (Siemens) b) Ovládací modul pro paměťové disky (Seagate Technology)
Obvody pro satelitní komunikace (20 GHz)
Výkonový GaAs zesilovač SiGe napěťím řízený oscilátor
Modulový přepínač Zesilovač bufferu
1 2 3 4 5 6
Úvod Tlusté vrstvy Tenké vrstvy Polymerní struktury LTCC Závěr - prognózy vývoje
8 Jak se budou technologie vyvíjet dále? Rostoucí požadavky na komunikační a informační systémy vytvářejí tlak také na vývoj nových výrobních technologií včetně návrhu. Přitom je kladen důraz na bezdrátové systémy a optické komunikační sítě. Zde se v současnosti vyvíjí především následující technologické oblasti: - Microelectronics and IC design - Baseband systems - Software Radio - Networking Protocols and Real Time Software + optické komunikační systémy vices and subsystems
Technologie budou hnány systémovými požadavky !!!!
A co dále v blízké budoucnosti z hlediska hardware? nové materiály - nové technologické principy - nové součástky, konstrukční řešení - nové montážní technologie včetně propojování -
Assembly and Interconnection Technologies (od SMD … …přes Flip chip, WLP…… k SOP, SiP, SOC … 3D atd )
….. a navíc je třeba neustále řešit kompromis mezi jakostí a cenou + požadavky na životní prostředí
Kontrolní otázky 1) Tlustovrstvová technologie - složení materiálů, způsoby jejich depozice a sintrace 2) Princip sítotisku - viskozita, pružnost síta a jeho parametry 3) Typy tlustovrstvových past a jejich viskozita, proces výpalu tlustých vrstev 4) Definice vrstvového odporu, výkonové zatížení a justování vrstvových rezistorů 5) Definice tenké vrstvy a vakuové napařování a stadia vzniku vrstvy 6) Naprašování materiálů, vytváření sendvičových struktur, jejich odleptávání 7) Princip polymerních vrstev, podstata jejich vodivosti 8) Materiály pro vytváření polymerních elektrických prvků a jejich parametry 9) Příklad aplikací polymerních senzorů 10) LTCC – postup vzniku struktury, parametry, použití
