4. TECHNOLOGIA I PROJEKTOWANIE MODU£ÓW LTCC
4.2. Procesy technologiczne
Poszczególne etapy wytwarzania uk³adu LTCC przedstawiono na rys. 4.10.
Opisano kolejne czynnoci, jakie nale¿y wykonaæ w celu wytworzenia modu³u LTCC. Parametry poszczególnych procesów podano na przyk³adzie folii DuPont DP 951 [49]. Mog¹ one byæ ró¿ne dla innych typów folii. Opis procesu wytwarzania modu³ów LTCC z folii Ferro mo¿na znaleæ w pracy [72].
Rys. 4.10. Etapy wytwarzania uk³adu LTCC pr z y got ow an i e ws tepn e, , , f ol i a 1 f ol i a 3 ,4 ... s k l adan i e l ami n acj a ws pól wy pal an i e s i t odr uk wy pal an i e t es t ci eci e w yci n a n i e otw or ów w yp el n ia n ie otw or ów s it od r u k wy ci n an i e
ot wor ów baz uj acy ch przygotowanie wstêpne wycinanie otworów bazuj¹cych folia 1 folia 2, 3, ... wycinanie otworów wype³nianie otworów sitodruk sk³adanie laminacja wspó³wypalanie sitodruk wypalanie test ciêcie
Tabela 4.5. Wyniki analizy termicznej i termograwimetrycznej ró¿nych folii LTCC [86] Lp. Nazwa próbki Temperatura DTGmin DTApik Ubytek masy
[°C] [°C] [°C] [% wag.]
1 Ferro A6-M 99370 281 254 (przeg.) 14,11
(br¹zowa) 352 370544 431 435 3,76 (Σ = 17,8) 785790 (przeg.) 920934 2 Ferro A6-M 83375 284 257 14,56 (bia³a) 352 375525 440 444 3,65 (Σ = 18,21) 865 950 (przeg.) 3 DuPont 170240 211 217 (przeg.) 1,81 DP 951 240510 329 357 9,09 (Σ = 10,90)
4 Heraeus 162351 233 (przeg.) 246 (przeg.)
CT 700 280 329 6,18 351487 411 414 1,73 (Σ = 7,91) 868 (przeg.) 5 Ferro A6-M 755 br¹zowa, 785 wysuszona 931 (Σ = 0) 6 DP 951, (Σ = 0) wysuszona 7 CT 700, 429 0,57 wysuszona 852874 (przeg) (Σ = 0,57)
Ciêcie
Po rozwiniêciu z rolki i usuniêciu folii nonej w strumieniu zjonizowanego powie-trza, foliê LTCC tnie siê ostrym narzêdziem na mniejsze odcinki (wiêksze od wyjcio-wej folii LTCC).
Obróbka wstêpna
Po pociêciu folie wygrzewa siê w temperaturze 120 °C w czasie 2030 min. w at-mosferze powietrza (lub przetrzymuje w czasie 24 godz. w suchym azocie w tempera-turze pokojowej). Celem operacji jest usuniêcie naprê¿eñ.
Wykrawanie
Za pomoc¹ wykrojnika (rys. 4.11) wycina siê otwory bazuj¹ce i pomocnicze oraz uzyskuje odpowiedni wymiar wyjciowej folii LTCC (przewa¿nie 3"×3" lub 5"×5"), dostosowany do wielkoci stolika sitodrukarki i komory roboczej prasy izostatycznej
Rys. 4.11. Wykrojnik Rys. 4.12. Wyjciowa folia LTCC [49] (za zgod¹ DuPont Microcircuit Materials)
LTCC
otwory do sk³adania folii przed laminacj¹ otwór pomocniczy wymiar koñcowy
wyjciowy wymiar surowej folii
modu³u
(lub prasy jednoosiowej) 7,5×7,5 cm lub 12,5×12,5 cm (rys. 4.12 [49]). Otwór pomoc-niczy informuje o orientacji folii wzglêdem kierunku zwiniêcia na rolce (jest on wyko-rzystywany podczas sk³adania folii przed procesem laminacji).
Wykonywanie otworów
Otwory przelotowe wykorzystywane do po³¹czeñ elektrycznych miêdzy elementa-mi na ró¿nych foliach (ró¿ne poziomy modu³u LTCC) lub do odprowadzania ciep³a z wnêtrza struktury, wykonuje siê za pomoc¹ wykrojnika mechanicznego lub lasera. Na tym etapie wytwarzania modu³u wycina siê równie¿ specjalne otwory (kana³y, wnêki) w uk³adach ch³odz¹cych, czujnikach i mikrosystemach.
Wype³nianie otworów przelotowych
Otwory po³¹czeniowe s¹ wype³niane najczêciej metod¹ konwencjonalnego sitodruku [40]. Specjalny porowaty stolik sitodrukarki (rys. 4.13) po pod³¹czeniu do pompy pró¿-niowej zapewnia odpowiedni¹ stabilnoæ po³o¿enia folii w czasie procesu sitodruku [102]. Pozycjonowanie folii odbywa siê z wykorzystaniem bazowania mechanicznego lub systemu optycznego do automatycznego ustawiania folii. Specjaln¹ pastê
Suszenie
Wype³nione otwory przewodz¹ce i naniesione pasty s¹ suszone w temperaturze 120°C w czasie 5 minut (w przypadku folii DuPont). Inni producenci mog¹ zalecaæ inn¹ temperaturê i czas (np. temp. 70°C).
Sk³adanie folii
Po kontroli jakoci sitodruku na poszczególnych foliach LTCC przy pomocy mikro-skopu optycznego s¹ one sk³adane razem w jeden modu³ w specjalnym uchwycie za-pewniaj¹cym odpowiednie bazowanie przez wykorzystanie otworów bazuj¹cych i po-dz¹c¹ nanosi siê technik¹ on-contact (sito przylega do pod³o¿a) przez sita z przyklejo-n¹ cienk¹ foli¹ z mosi¹dzu lub stali nierdzewnej. W folii s¹ wyciête otwory w miej-scach odpowiadaj¹cym po³o¿eniu otworów przelotowych w folii. Czasem otwory prze-lotowe i wyciête w folii LTCC kana³y wype³nia siê pod cinieniem (rys. 4.14).
Drukowanie warstw grubych
Pasty o specjalnym sk³adzie, dobranym do ceramiki LTCC, s¹ nanoszone technik¹ zwyk³ego sitodruku przez sita stalowe ze standardow¹ emulsj¹. Folie, podobnie jak w przypadku wype³niania otworów przelotowych, s¹ umieszczane na stoliku z porowatej ceramiki. Najpierw nanosi siê pasty przewodz¹ce, a potem, po wysuszeniu, pasty rezy-stywne, dielektryczne i inne.
mocniczych. Kolejne folie s¹ obracane o 90° wzglêdem siebie w celu kompensacji ewen-tualnych naprê¿eñ pozosta³ych po procesie wytwarzania folii. Wykorzystuje siê w tym celu otwory pomocnicze informuj¹ce o kierunku zwiniêcia folii na rolce.
Proces laminacji
Proces laminacji odbywa siê w prasie jednoosiowej lub izostatycznej pod cinie-niem 20 MPa w temperaturze 70°C, w czasie 10 min. W prasie izostatycznej proces laminacji odbywa siê w ogrzewanej wodzie destylowanej lub dejonizowanej. W tym przypadku modu³y LTCC s¹ umieszczane w pró¿niowo zamykanych woreczkach pla-stikowych, chroni¹cych uk³ad LTCC przed kontaktem z wod¹. Zasadê dzia³ania prasy jednoosiowej i izostatycznej pokazano na rys. 4.15. W niektórych przypadkach po pro-cesie laminacji wyjciow¹ strukturê LTCC tnie siê na poszczególne modu³y za pomoc¹ wykrojników mechanicznych lub lasera. Podczas ciêcia p³ytki trzeba pamiêtaæ o skur-czu ceramiki w czasie wypalania i o zwi¹zanych z tym niedok³adnociach koñcowych wymiarów modu³u. Obie metody umo¿liwiaj¹ wycinanie struktur o dowolnych kszta³-tach. Inn¹ metodê laminacji, wykorzystuj¹c¹ folie z warstw¹ kleju, opisano w pracy [168]. Proces laminacji prowadzono w temperaturze pokojowej pod niskim cinieniem.
pompa
folia LTCC
laminacja jednoosiowa laminacja izostatyczna
Rys. 4.15. Prasa jednoosiowa i izostatyczna
Proces wspó³wypalania
Po procesie laminacji modu³y LTCC s¹ wypalane w powietrzu, najczêciej w jed-nym piecu komorowym o odpowiednim profilu temperaturowym. Modu³ LTCC le¿y w czasie procesu wypalania na p³askiej p³ytce. Niektóre firmy zalecaj¹ prowadzenie pro-cesu wypalania w dwóch piecach najpierw do temperatury oko³o 450°C w piecu ko-morowym, a nastêpnie, po przeniesieniu, w drugim, typowym piecu tunelowym. Profil i sposób wypalania zale¿¹ od rodzaju folii i producenta. Ca³kowity cykl wypalania trwa kilka godzin. W pierwszym cyklu, w temperaturze 200500°C nastêpuje wypalenie
sk³a-dnika organicznego folii. Ceramika LTCC powinna przebywaæ w tym zakresie tempe-ratury przynajmniej przez 1 godzinê. W wy¿szej temperaturze nastêpuje w³aciwe spie-kanie materia³u ceramicznego folii. W czasie procesu wypalania folie zmieniaj¹ swoje wymiary. Zale¿y to wyranie od aktualnej temperatury w piecu, co potwierdzaj¹ prze-prowadzone in situ obserwacje [105, 208]. Maksymalna temperatura wypalania zawie-ra siê w gzawie-ranicach od 850 °C do 875 °C w zale¿noci od sk³adu modu³u LTCC. Czas przebywania ceramiki w maksymalnej temperaturze powinien wynosiæ przynajmniej 15 minut. W przypadku folii DP 951 maksymalna temperatura wypalania wynosi 875 °C, a czas oko³o 15 minut. Profile wypalania dla ró¿nych systemów LTCC przedstawiono na rys. 4.16. Od profilu temperaturowego w piecu zale¿y powtarzalnoæ wymiarów po skurczu oraz w³aciwoci elementów grubowarstwowych wykonanych we wnêtrzu lub na powierzchni modu³u LTCC.
Rys. 4.16. Profile wypalania dla ró¿nych systemów LTCC (A Ferro, B DuPont, C Heraeus)
Procesy dodatkowe po wypaleniu
Na powierzchni wypalonego modu³u LTCC mo¿na wykonaæ typowe uk³ady grubo-lub cienkowarstwowe. W przypadku wykonywania dodatkowego uk³adu grubowarstwo-wego modu³ razem z naniesionymi warstwami grubymi jest ponownie wypalany, tym razem jednak w typowym, krótkim procesie wypalania w temperaturze 850°C (czas trwania ca³ego cyklu wynosi 60 min. tzw. proces postfiring).
Testy elektryczne
Po wspó³wypaleniu i operacjach dodatkowych wszystkie modu³y s¹ testowane na jakoæ po³¹czeñ elektrycznych i izolacji.
czas [min] 0 100 200 300 400 500 600 A B C 1000 800 600 400 200 0 te m pe ra tu ra [ C ] o
Podzia³ na poszczególne uk³ady
Stosuje siê nastêpuj¹ce metody podzia³u du¿ej struktury LTCC na pojedyncze mo-du³y:
ciêcie pi³¹ mechaniczn¹ metoda ta jest w praktyce stosowana najczêciej w przy-padku prostok¹tnych kszta³tów modu³ów; uzyskuje siê powtarzalne wymiary struktur o wysokiej jakoci naciêtych krawêdzi,
ciêcie wi¹zk¹ laserow¹ pociête modu³y charakteryzuj¹ siê du¿¹ dok³adnoci¹ i powtarzalnoci¹ wymiarów, jednak jakoæ krawêdzi nie jest najlepsza; koszt operacji jest niski,
ciêcie za pomoc¹ ultradwiêków proces jest bardzo wolny i bardzo drogi.
Testy koñcowe
Wszystkie wykonane modu³y s¹ testowane wizualnie na zgodnoæ z za³o¿onymi wy-miarami oraz mierzone ich w³aciwoci mechaniczne, elektryczne i stabilnociowe. Po testach do modu³ów s¹ do³¹czane ró¿nymi technikami elementy zewnêtrzne. S¹ to naj-czêciej uk³ady o wielkiej skali integracji i o du¿ej liczbie wyprowadzeñ. Stosowane metody po³¹czeñ to najczêciej lutowanie, klejenie i metoda flip chip (ball grid) [24, 25, 141].