5. ZASTOSOWANIA LTCC
5.2. Wielostrukturowe uk³ady scalone (MCIC Multichip Integrated Circuits)
Elektroniczne elementy bierne stanowi¹ bardzo istotne czêci sk³adowe uk³adów elektronicznych. W 1997 r. i 2000 r. wytworzono na wiecie elementy bierne o ³¹cznej wartoci odpowiednio 18 mld $ i 25 mld $ [23]. W 1997 r. wyprodukowano ³¹cznie oko³o 1 bilion rezystorów i kondensatorów [38]. Nowoczesne uk³ady elektroniczne, zw³aszcza komputery i przenone rodki komunikacji bezprzewodowej, zawieraj¹ co-raz wiêkszy procent elementów biernych [23, 37, 38, 74, 87, 98, 109, 123, 127, 142, 147, 201, 204, 212] W tabelach 5.3 [201] i 5.4 [157] przedstawiono orientacyjne infor-macje na ten temat.
W ci¹gu ostatnich kilkudziesiêciu lat zmieni³y siê technologie wykonywania ele-mentów biernych. Pocz¹tkowo elementy bierne do³¹czano do obwodów drukowanych metod¹ przewlekania, potem wykonywano hybrydowe uk³ady cienko- i grubowarstwo-we. Po pojawieniu siê techniki SMT elementy SMD do³¹czano technik¹ monta¿u
po-wyprowadzenia otwór po³¹czeniowy element SMDelement SMD RF IC lub SAW rezystor kondensator dielektryk cewka elektrody filtr RC kondensator
Tabela 5.3. Udzia³ elementów biernych w ró¿nych urz¹dzeniach elektronicznych [201] Produkt £¹czna liczba elementów Stosunek liczby elementów
elektronicznych biernych do czynnych
Komputer typu laptop 900 6:1
Komputer typu PC 1285 15:1
Telefon komórkowy 380 21:1
Rys. 5.6. Zintegrowany modu³ RF wykonany technik¹ LTCC [134] (za zgod¹ Murata Electronics)
Tabela 5.4. Liczba elementów biernych na p³ycie g³ównej PC [157]
Procesor typ 486 Pentium Pentium Pentium II Pentium III 120 MHz200 MHz330 MHz
Liczba elementów biernych 165 369 593 1473 2800
wierzchniowego. W latach dziewiêædziesi¹tych zaczêto wykonywaæ elementy bierne wewn¹trz struktur MCM. Wprowadzono nastêpuj¹ce definicje elektronicznych elemen-tów biernych [38, 46, 170, 199, 200]:
pojedynczy element bierny (rezystor, kondensator, cewka) lutowany lub do³¹cza-ny technik¹ SMT (discrete passive device) ,
kilka elementów biernych o jednej lub wielu funkcjach zamkniêtych w jednej obu-dowie SMT (zwykle 412 elementów) (arrays network),
wiele elementów biernych o ró¿nych funkcjach oraz kilka elementów czynnych w jednej obudowie SMT lub jako uk³ad Chip Scale Package (CSP) (Integrated Passi-ve Device),
elementy bierne wykonane na pod³o¿u (lub na uk³adzie LTCC) (Integrated Pas-sive),
elementy bierne wykonane wewn¹trz modu³u MCM jako elementy zagrzebane (In-tegral Passives or Embedded Passives).
Coraz wiêcej elementów biernych jest scalonych w sieci lub jest zintegrowanych z uk³adami MCM [38]. W 1997 r. 55 mld rezystorów i kondensatorów zintegrowano w 11 mld sieci (arrays network). W nastêpnych latach liczba ta wzros³a do 75 mld RC zintegrowanych w 15 mld sieci w 1999 r. i odpowiednio, 160 mld RC w 32 mld sieci w roku 2000. Prognozowane iloci to 345 mld elementów RC zast¹pionych przez 69 mld sieci w 2003 r. i 900 mld zast¹pionych przez 150 mld sieci w roku 2009.
Pierwsza generacja uk³adów LTCC zawiera³a sieæ cie¿ek przewodz¹cych wykona-nych wewn¹trz struktury, elementy bierne grubowarstwowe wykonane na powierzchni technik¹ postfiring (wypalanie dodatkowe) oraz inne uk³ady do³¹czane do zewnêtrz-nych powierzchni modu³u.
W drugiej generacji uk³adów LTCC elementy bierne i mikrofalowe wykonuje siê dodatkowo wewn¹trz jako tzw. elementy zagrzebane (s¹ to tzw. uk³ady MCIC Multi-chip Integrated Circuits). Powstanie nowych uk³adów typu MCIC stanowi³o istotny krok w kierunku poprawy w³aciwoci elementów i dalszego zwiêkszenia produkcji uk³a-dów LTCC [85].
Elementy bierne wykonane w uk³adzie MCIC maj¹ wiele zalet. Do najwa¿niejszych nale¿¹:
eliminacja zewnêtrznych elementów biernych, eliminacja wielu po³¹czeñ drutowych i lutowanych, zmniejszenie wymiarów uk³adu,
zwiêkszenie gêstoci sieci po³¹czeñ elektrycznych, zwiêkszenie niezawodnoci,
poprawa w³aciwoci elektrycznych (mniejsze odleg³oci miêdzy elementami, st¹d wiêksza szybkoæ dzia³ania uk³adów, mniejsze rezystancje po³¹czeñ),
zmniejszenie kosztów.
Wed³ug [109] obecne zapotrzebowanie na elementy bierne wygl¹da nastêpuj¹co: rezystory: moc ≤50 mW (90%), rezystancja ≤1 kΩ (85%), tolerancja ±5% (wiêk-szoæ),
kondensatory: C ≤10 nF (60%), C ≥1 µF (15%), tolerancja ±5% (wiêkszoæ). Technologi¹ LTCC mo¿na wykonaæ zagrzebane rezystory, kondensatory, cewki i elementy mikrofalowe.
Konstrukcjê rezystorów typu 2D umieszczonych na powierzchni i wewn¹trz struk-tury LTCC zamieszczono na rys. 5.7 [189]. Na rysunku zamieszczono informacje o mo¿liwoci korekcji laserowej przez jedn¹ foliê LTCC lub przez specjalnie wykonany w foliach otwór.
W przypadku rezystorów zagrzebanych na wiêkszej g³êbokoci istnieje mo¿liwoæ korekcji rezystancji jedynie za pomoc¹ impulsów wysokonapiêciowych. W czasie ko-rekcji laserowej zwiêksza siê rezystancja korygowanej warstwy. Metoda impulsów wysokonapiêciowych powoduje wzrost lub zmniejszanie rezystancji w zale¿noci od rezystywnoci pasty, materia³u rezystywnego i parametrów impulsów napiêciowych. Zale¿noci te oraz stabilnoci korygowanych rezystorów zamieszczono w publikacjach [47, 52, 54, 55, 57, 61, 62, 67, 113, 137, 190, 192, 193].
W technologii LTCC rezystory wykonywane s¹ jako powierzchniowe lub zagrzeba-ne [2, 33, 35, 43, 55, 61, 63, 65, 76, 78, 79, 82, 91, 97, 101, 108, 119, 131, 135, 161, 162, 164, 183, 189, 193, 213]. Rezystory powierzchniowe mo¿na wykonywaæ w za-kresie rezystancji powierzchniowych od 10 Ω/ do 1 MΩ/. Rezystory zagrzebane od 30 Ω/ do 100 kΩ/. Wartoci te zale¿¹ od stosowanego rodzaju past. Tolerancje rezystorów powierzchniowych wynosz¹ od 1% do 2%, dla rezystorów zagrzebanych od 10% do 20% (dla ma³ych rezystancji powierzchniowych) i od 30% do 50% (powy-¿ej10 kΩ/). Stosuj¹c korekcjê oraz starzenie wstêpne mo¿na wykonaæ rezystory sta-bilne termicznie i o ma³ych szumach [175]. Temperaturowe charakterystyki zale¿noci rezystancji od temperatury rezystorów zagrzebanych, powierzchniowych (modu³y LTCC) i rezystorów grubowarstwowych wykonanych na pod³o¿ach alundowych s¹ bar-dzo podobne [53, 83].
rezystor powierzchniowy
korekcja laserowa korekcja laserowa przez górn¹ warstwê LTCC
korekcja laserowa
przez otwór korekcja metod¹impulsów wysoko-napiêciowych rezystor zagrzebany
Tabela 5.5. W³aciwoci kondensatorów wykonanych w technologii LTCC [100, 176] (kondensatory z elektrodami ze z³ota charakteryzuj¹ siê o 20 do 30% ni¿sz¹ pojemnoci¹
ni¿ kondensatory z elektrodami ze srebra)
W³aciwoci elementu System Ferro System DuPont System EMCA
Kondensator 2D 3D 2D 3D 2D 3D
Typ dielektryka X7R NPO X7R NPO X7R NPO
Sta³a dielektryczna ε 300 56 500 78 700 67
Zakres pojemnoci [pF] * 104000 1100 106800 1200 109500 1150
Max. pow. elektrod [mm2] 49 198 49 198 49 198
tg δ [%] < 2 < 0,3 < 2 < 0,3 <2 < 0,3 Rezystancja izolacji [Ω] (100 VDC) >1011 >1012 >1011 >1012 >1011 >1012 Napiêcie przebicia [VDC] (min.) >200 >500 >200 >500 >200 >500 Tolerancja pojemnoci [%] ±20 ±20 ±20 ±10 ±20 ±10 Elektrody Ag lub Au Ag lub Au Ag lub Au Ag lub Au Ag lub Au Ag lub Au * Elektrody Ag.
Kondensatory w uk³adach LTCC s¹ wykonywane w wersji powierzchniowej lub zagrzebanej [3133, 42, 63, 66, 91, 108, 119, 125, 133, 135, 153, 162, 174, 189, 210, 213]. Zagrzebane kondensatory mog¹ byæ umieszczone w bezporedniej bliskoci za-grzebanych rezystorów lub zaza-grzebanych indukcyjnoci, tworz¹ sieci RC i RLC.
W technologii LTCC stosuje siê dwie wersje konstrukcyjne kondensatorów [100]: Dwuwymiarowe (2D) kondensatory o najwiêkszych pojemnociach do 3000 pF i w³aciwociach typu X7R. £¹cz¹c kondensatory równolegle mo¿na otrzymaæ wiêk-sze pojemnoci.
Trójwymiarowe (3D) kondensatory o ma³ych i rednich pojemnociach, charak-teryzuj¹ce siê wysokim napiêciem przebicia i charakterystykami typu X7R i NPO. Po-jedynczy kondensator osi¹ga pojemnoci do 200 pF. W celu zwiêkszenia pojemnoci kondensatory ³¹czy siê równolegle. Kondensatory powierzchniowe mog¹ mieæ 5 razy wiêksz¹ pojemnoæ od kondensatorów zagrzebanych. W³aciwoci elektryczne konden-satorów wykonanych z folii LTCC i past ró¿nych producentów przedstawiono w tabeli 5.4 [100].
Sposoby wykonywania kondensatorów w strukturach LTCC przedstawiono na rys. 5.8 [189]. Parametry zagrzebanych kondensatorów wykonanych technik¹ LTCC mo¿-na zmo¿-naleæ w publikacjach [125, 128, 135, 189], a ich charakterystyki temperaturowe w pracach [51, 53].
W strukturach LTCC cewki s¹ wykonywane w postaci spiral, meandrów lub pier-cieni [33, 63, 73, 124126, 135, 138, 162, 174, 189, 210, 213]. W niektórych przy-padkach zwiêksza siê gruboæ warstw przewodz¹cych do 100 µm w celu zwiêkszenia
przekrój poprzeczny
widok z góry
Rys. 5.9. Ró¿ne konstrukcje cewek w strukturze LTCC [125]
1. Zwyk³a folia LTCC 2. Materia³ o wysokim ε a) kondensator planarny powierzchniowy lub zagrzebany a) otwory wype³nione
past¹ lub foli¹ b) wstawiona warstwa o wysokiej ε c) warstwa folii LTCC o wysokiej ε d) nadrukowana warstwa dielektryczna b) kondensator
wielowarstwowy
Rys. 5.8. Konstrukcje kondensatorów w strukturze LTCC [189]
dobroci Q i dopuszczalnego natê¿enia pr¹du. W celu poprawy w³aciwoci indukcyj-nych w zakresie ma³ych czêstotliwoci stosuje siê niskotemperaturowe ferryty [77]. Za-stosowanie ferrytów zwiêksza indukcyjnoæ przesz³o 20 razy w porównaniu do cewek produkowanych z zastosowaniem standardowych dielektryków LTCC lub grubowar-stwowych.
Konstrukcjê cewek wykonywanych technologi¹ LTCC zamieszczono na rys. 5.9 [125] i rys. 5.10 [189]. Parametry wykonanych cewek oraz ich uk³ady zastêpcze mo¿-na zmo¿-naleæ w publikacjach [124, 125, 128, 135, 136, 189, 191].
Wiêksze mo¿liwoci integracji elementów biernych wykonanych technik¹ LTCC daje konstrukcja typu 3D, w której wszystkie wymiary s¹ porównywalne ze sob¹. Konstrukcjê planarn¹ (2D) i przestrzenn¹ (3D) pokazano na rys. 5.11 [54]. Elementy wykonano w typowych otworach w folii LTCC normalnie zape³nianych past¹ przewodz¹c¹. W pu-blikacji [54] przedstawiono parametry elektryczne wykonanych w ten sposób rezysto-rów, termistorów i warystorów. Wymiary elementów by³y okrelone przez rednice otwo-ru i gotwo-ruboæ folii LTCC. W³aciwoci elektryczne elementów 3D s¹ podobne do
w³a-cewki planarne (2D) cewki przestrzenne (3D) Rys. 5.10. Konstrukcje cewek wykonywanych technologi¹ LTCC [189]
Tabela 5.6. Porównanie rezystywnoci w [Ω·m] rezystorów 2D i 3D wykonanych technik¹ LTCC [54]
Elektroda Elektrody Ag Elektrody PdAg
Rezystor 2D-B 2D-S 3D-B 3D-S 3D-S
FX 87-102 2,07·102 1,0·102 1,62·102 1,71·102 4,60·102
FX 87-104B 2,94 1,75 0,90 1,92 2,75
S element powierzchniowy (surface), B element zagrzebany (buried)
folia LTCC rezystor powierzchniowy 3D elektrody rezystor zagrzebany 3D elektrody folia LTCC rezystor
powierzchniowy zagrzebany rezystor
a)
b)
Rys. 5.11. Konstrukcje elementów biernych w modu³ach LTCC: a) planarna (2D), b) objêtociowa (3D) [54]
ciwoci elementów 2D. W tabelach 5.6 i 5.7 [54] zamieszczono porównanie parame-trów elektrycznych rezystorów oraz termistorów wykonanych w wersjach 2D i 3D.