Zastosowanie ceramiki LTCC w mikroelektronice

ZASTOSOWANIE CERAMIKI LTCC

W MIKROELEKTRONICE

Akronimy . . . 4 1. WSTÊP . . . 5 2. MODU£Y WIELOSTRUKTUROWE MCM . . . 10 2.1. Modu³y typu MCM-D . . . 14 2.2. Modu³y typu MCM-L . . . 21 2.3. Modu³y typu MCM-C . . . 24 3. TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA . . . 28 3.1. Informacje ogólne . . . 28 3.2. Etapy wytwarzania. . . 29

4. TECHNOLOGIA I PROJEKTOWANIE MODU£ÓW LTCC . . . 43

4.1. Materia³y . . . 43 4.2. Procesy technologiczne . . . 53 4.3. W³aœciwoœci modu³ów LTCC . . . 59 4.4. Projekt . . . 61 5. ZASTOSOWANIA LTCC . . . 69 5.1. Mikrofale . . . 69

5.2. Wielostrukturowe uk³ady scalone (MCIC – Multichip Integrated Circuits) . . . 73

5.3. Czujniki, mikrosystemy . . . 79

5.3.1. Pó³przewodnikowy czujnik gazu . . . 79

5.3.2. Elektrochemiczny czujnik gazu . . . 80

5.3.3. Impulsowa woltametria temperaturowa . . . 82

5.3.4. Czujnik prêdkoœci przep³ywu cieczy . . . 83

5.3.5. Czujnik ciœnienia . . . 83

5.3.6. Czujniki do pomiaru w³aœciwoœci plazmy . . . 88

5.3.7. Czujnik zbli¿eniowy . . . 93

5.3.8. Mikrosystemy (mezosystemy) wykonywane technik¹ LTCC . . . 95

5.4. Uk³ady ch³odz¹ce, grzejne i analizuj¹ce rozk³ad temperatury . . . 98

5.4.1. Rura cieplna . . . 98

5.4.2. Uk³ady ch³odz¹ce . . . 101

5.4.3. Uk³ady grzejne . . . 106

5.4.4. Sieæ termistorów do analizy rozk³adu temperatury w module LTCC . . . 110

5.5 Obudowy uk³adów MEMS . . . 113

5.6. Wyœwietlacze plazmowe . . . 116

6. ZAKOÑCZENIE. . . 121

Akronim Nazwa w jêzyku angielskim Nazwa w jêzyku polskim BGA Ball Grid Array metoda monta¿u typu BGA CSP Chip Size Package obudowa wielkoœci chipu

GF Gauge Factor wspó³czynnik czu³oœci odkszta³ceniowej HDP High Density Packaging obudowy wielkiej gêstoœci upakowania LTCC Low Temperature Cofired niskotemperaturowa

Ceramic wspó³wypalana ceramika

LTCC-M uk³ad LTCC na pod³o¿u metalicznym

MCM Multichip Module modu³y wielostrukturwe

MCM-C Multichip Module-Ceramics modu³u wielostrukturowe ceramiczne MCM-D Multichip Module-Deposition modu³y wielostrukturowe wykonywane

metod¹ nanoszenia warstw cienkich MCM-L Multichip Module-Lamination modu³y wielostrukturowe wykonywane

metod¹ laminatowych obwodów drukowanych

MCIC Multichip Integrated Circuits modu³ wielostrukturowy

zawieraj¹cy elementy bierne zagrzebane MEMS Micro Electro Mechanical mikrosystem

System

MMIC Monolithic Microwave mikrofalowy monolityczny Integrated Circuits uk³ad scalony

MOEMS Micro Opto Electro mikrosystem optoelektroniczny Mechanial Systems

PDP Plasma DispIay Panel panel wyœwietlacza plazmowego PWB Printing Wiring Board obwód drukowany

SMD Surface Mounting Device uk³ad do monta¿u powierzchniowego SMT Surface Mounting Technique metoda monta¿u powierzchniowego TFM Thick Film Multilayer grubowarstwowy uk³ad wielowarstwowy TOS Tape On Substrate folia LTCC na pod³o¿u

ZST Zero Shift Shrinkage skurcz zerowy folii LTCC µTAS micro Total Analysis System mikrosystem do analizy

Wielowarstwowe modu³y mikroelektroniczne typu LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) s¹ wytwarzane z surowej ceramiki (tzw. green tape). Folia LTCC gruboœci wyjœciowej od oko³o 100 µm do 200 µm jest mieszanin¹ ceramiki, szk³a i noœnika orga-nicznego. Na poszczególnych foliach wykonuje siê technik¹ sitodruku warstwy o ró¿nych w³aœciwoœciach elektrycznych (np. œcie¿ki przewodz¹ce, rezystory, termistory itp.). Po wyciêciu otworów po³¹czeniowych i nadrukowaniu odpowiednich warstw poszczególne folie s¹ sk³adane razem w stos wielowarstwowy, laminowane pod ciœnieniem 200 atm i wypalane w temperaturze oko³o 850 °C. Technologi¹ LTCC mo¿na wykonaæ nie tylko obudowy uk³adów mikroelektronicznych z sieci¹ wewnêtrznych œcie¿ek przewodz¹cych tworz¹cych po³¹czenia elektryczne, ale równie¿ elementy bierne o sta³ych skupionych (rezystory, kondensatory, cewki) [63, 81, 85, 87, 99, 149, 214].

Technologia LTCC powsta³a w latach osiemdziesi¹tych. Pierwszy uk³ad LTCC za-stosowano praktycznie w roku 1989 w urz¹dzeniu radarowym samolotu F-22. Wyko-na³y go dwie firmy amerykañskie – DuPont i Hughes. Prawdziwy rozwój tej technolo-gii nast¹pi³ na pocz¹tku lat dziewiêædziesi¹tych, gwa³towny wzrost ró¿norakich zasto-sowañ natomiast pod koniec lat dziewiêædziesi¹tych.

Na podstawie obserwacji rozwoju technologii LTCC na przestrzeni lat mo¿na wy-ró¿niæ trzy ró¿ne generacje tych uk³adów:

Pierwsza generacja – pocz¹tki technologii LTCC w latach osiemdziesi¹tych. Sto-sowano technologiê LTCC do wykonywania wielowarstwowych uk³adów MCM (Mul-tichip Modules – modu³y wielostrukturowe) zawieraj¹cych wewn¹trz struktury tylko œcie¿ki przewodz¹ce o bardzo du¿ej gêstoœci upakowania. Na powierzchni struktury montowano obudowane lub nieobudowane uk³ady wielkiej skali integracji oraz wy-konywano bierne elementy powierzchniowe technik¹ grubowarstwow¹ lub cienkowarst-wow¹.

Druga generacja – uk³ady LTCC zawieraj¹ce dodatkowo bierne elementy elektroniczne (rezystory, kondensatory, cewki, warystory) wykonane wewn¹trz struktury LTCC (ele-menty zagrzebane).

Trzecia generacja struktur LTCC sk³ada siê z wielowarstwowego uk³adu œcie¿ek prze-wodz¹cych, elementów biernych powierzchniowych i zagrzebanych (p³askich typu 2D i przestrzennych typu 3D) oraz sensorów i mikrosystemów. Mog¹ to byæ uk³ady typu MCM z do³¹czonymi z zewn¹trz uk³adami o wielkiej skali integracji lub samodzielne

urz¹dzenia hybrydowe, jak np. obudowy struktur MEMS, uk³ady µTAS, emitery polo-we, wskaŸniki, mikrozawory itp.

W porównaniu z innymi technologiami wykonywania uk³adów MCM, pod wzglêdem kosztów produkcji, LTCC jest zaliczana do œredniej. Jest dro¿sza od techniki obwodów drukowanych, ale jest konkurencyjna wzglêdem technologii grubowarstwowych uk³adów wielowarstwowych (TFM).

Rynek produktów LTCC zwiêkszy³ siê gwa³townie w ci¹gu ostatnich kilku lat. Tech-nologia ta odgrywa i bêdzie odgrywaæ znacz¹c¹ rolê w wytwarzaniu obudów MCM o najwiêkszej gêstoœci upakowania elementów i o doskona³ych parametrach elektrycz-nych i mechaniczelektrycz-nych. Technologia LTCC ma wiele w³aœciwoœci, które umo¿liwiaj¹ wykonywanie tanich uk³adów MCM o bardzo du¿ej niezawodnoœci.

Rozwój nowych systemów folii ceramicznych oraz biernych elementów zagrzeba-nych zmniejszy³ koszt modu³ów z jednoczesn¹ popraw¹ ich parametrów. Technologia LTCC mo¿e byæ rozszerzana na wiele nowych komercyjnych i przemys³owych zasto-sowañ dziêki poprawie w³aœciwoœci termicznych, ma³ym stratom dielektrycznym oraz pojawieniu siê nowych folii ceramicznych do zastosowañ wysokoczêstotliwoœciowych o zarówno ma³ych, jak i du¿ych sta³ych dielektrycznych.

G³ówne obszary aktualnych zastosowañ LTCC to motoryzacja (ABS, poduszki po-wietrzne, uk³ad zap³onowy, automatyczne skrzynie biegów), uk³ady scalone (obudowy MCM), telekomunikacja bezprzewodowa (telefony komórkowe, telefony bezprzewo-dowe), zasilacze urz¹dzeñ RF, elektronika satelitarna, stacje radarowe powietrzne i na-ziemne, pojazdy kosmiczne, sprzêt wojskowy, uk³ady MEMS (obudowy), czujniki (prze-p³ywu, œwiat³a, gazu, zbli¿eniowe, grzejniki do czujników, mikrosystemy), komputery (stacje dysków, laptopy), sprzêt medyczny, sprzêt powszechnego u¿ytku (magnetowi-dy, kamery, sprzêt DVD).

W roku 1999 po oko³o 17% uk³adów LTCC stosowano w motoryzacji i telekomuni-kacji (rys. 1.1). Przewiduje siê, ¿e w roku 2003 liczba ta zwiêkszy siê odpowiednio do 31% i 40%. Najwiêksz¹ potêg¹ w zakresie technologii LTCC by³a w roku 1999 Japo-nia, gdzie wyprodukowano a¿ 60% uk³adów LTCC w skali globalnej. W Europie wy-twarzano w tym czasie tylko 12% uk³adów. Ostatnio obserwuje siê bardzo szybki

roz-Rys. 1.1. Rynek LTCC – podzia³ ze wzglêdu na zastosowania

w pojazdach kosmicznych, które wezm¹ udzia³ w planowanych misjach kosmicznych na Europê (ksiê¿yc Jowisza) [175]. Scrantom i Gravier uwa¿aj¹, ¿e „LTCC jest technolo-gi¹ teraŸniejszoœci i bêdzie w przysz³oœci kamieniem wêgielnym nowych obudów i mon-ta¿u elementów elektronicznych” (“The authors believe that LTCC is today's technolo-gy and will be tomorrow's electronic packaging cornerstone”) [175].

Oprócz zmniejszenia kosztów oraz zwiêkszenia gêstoœci i stopnia integracji obudów, technologia LTCC umo¿liwia wykonanie elementów o nastêpuj¹cych w³aœciwoœciach: – bardzo w¹skie œcie¿ki oraz minimalne odstêpy miêdzy nimi (po zastosowaniu pro-cesu fotolitografii nawet 35÷50 µm),

– otwory o bardzo ma³ych œrednicach,

– ma³e rezystancje œcie¿ek przewodz¹cych (≈ 5 mΩ/ – Ag, Au),

– doskona³e charakterystyki wysokoczêstotliwoœciowe (ma³e straty w zakresie mi-krofal, ma³y tg δ i ma³a przenikalnoœæ dielektryczna ε),

– elastycznoœæ w projektowaniu ró¿norodnych struktur (np. obudowy MEMS), – mo¿liwoœæ wykonywania zagrzebanych elementów biernych.

Na module LTCC mo¿na wykonaæ ró¿ne elementy cienko- i grubowarstwowe, co dodatkowo zwiêksza mo¿liwoœci wykorzystania obudowy wykonanej t¹ technologi¹. Grubowarstwowe rezystory, kondensatory i cewki mog¹ byæ wykonywane zarówno na powierzchniach górnej, jak i dolnej struktury LTCC z tolerancj¹ po korekcji 1–2%. Za-grzebane elementy bierne grubowarstwowe wykonuje siê z du¿¹ precyzj¹: rezystory z dok³adnoœci¹ ±15–30%, kondensatory ±10–20%, cewki ±5–10% [175]. Rezystory i kon-wój technologii LTCC w Ameryce P³n. i Europie. Przewiduje siê, ¿e w 2003 r. udzia³ Japonii zmniejszy siê do 40%, a Ameryki Pó³nocnej i Europy zwiêkszy siê natomiast odpowiednio do 30% i 20% (rys. 1.2) [100].

Amerykañska firma JPL zastosowa³a technologiê LTCC do wytwarzania sprzêtu elek-tronicznego znajduj¹cego siê na pok³adzie statku kosmicznego Deep Space II wystrze-lonego w kierunku Marsa w 1999 r. Projektuje siê wykorzystanie modu³ów LTCC

1999 2003

densatory o jeszcze lepszych w³aœciwoœciach mog¹ byæ do³¹czane do wykonanych pól monta¿owych po obu stronach struktury LTCC, w koñcowym procesie metod¹ monta-¿u powierzchniowego.

S¹ trzy podstawowe ograniczenia technologii LTCC: skurcz w czasie wspó³wypala-nia, wytrzyma³oœæ mechaniczna i przewodnoœæ cieplna.

Skurcz modu³u LTCC w kierunku osi x i y po wypaleniu wynosi najczêœciej oko³o 15±0,2%. Specjalne techniki eliminuj¹ skurcz w kierunku osi x i y. Metod¹ TOS (Tape on Substrate) i ZST (Zero Shrink) mo¿na wykonaæ modu³, którego skurcz jest mniej-szy od 1±0,02% [175]. Wytrzyma³oœæ na zginanie dotychczasowych struktur LTCC jest oko³o po³owê mniejsza od wytrzyma³oœci pod³o¿y Al₂O₃. Ostatnio uda³o siê poprawiæ w³aœciwoœci mechaniczne folii. Najnowsza folia EMCA T8800 ma wytrzyma³oœæ na zginanie porównywaln¹ z wytrzyma³oœci¹ ceramiki alundowej, z zachowaniem dosko-na³ych w³aœciwoœci elektrycznych.

Ma³a przewodnoœæ cieplna folii LTCC (≈3 W/(m·K)) mo¿e stanowiæ du¿e ograni-czenie w razie zastosowania technologii LTCC do wykonywania typowych modu³ów MCM. Bardzo du¿e gêstoœci mocy wystêpuj¹ce w najnowszych modu³ach tego typu wymagaj¹ odprowadzania du¿ych iloœci ciep³a z wnêtrza modu³u w celu zapewnienia odpowiedniej temperatury i du¿ej niezawodnoœci. Rozwi¹zaniem tego problemu, w przy-padku modu³ów LTCC, stanowi wykonywanie otworów termicznych wype³nionych sre-brem lub z³otem, poprawiaj¹cych efektywn¹ przewodnoœæ do 70 W/(m·K). W przypadku koniecznoœci dalszego zwiêkszenia iloœci odprowadzanego ciep³a mo¿na stosowaæ war-stwy przewodz¹ce na spodzie lub wewn¹trz struktury lub montowaæ modu³y LTCC na materiale o bardzo du¿ej przewodnoœci ciep³a (np. CuW lub CuMoCu). Metoda ta (na-zywana TOS lub LTCC-M) poprawia przewodnoœæ struktury, poniewa¿ modu³ jest wy-twarzany na pod³o¿u o du¿ej przewodnoœci cieplnej.

W typowych zastosowaniach MCM tylko niewielka liczba elementów jest Ÿród³em du¿ej iloœci ciep³a. W wiêkszoœci przypadków ciep³o w wystarczaj¹cym stopniu jest odprowadzane przez otwory termiczne i warstwy o du¿ej przewodnoœci cieplnej. W wy-j¹tkowych przypadkach elementy elektroniczne o du¿ej mocy mog¹ byæ montowane wprost do radiatorów (heat spreader) technik¹ „chip down”. Mo¿na to wykonaæ w prosty i tani sposób w technice LTCC, tworz¹c specjalne wnêki [175].

Innymi metodami zwiêkszania iloœci odprowadzanego ciep³a z modu³u LTCC jest stosowanie ró¿nego typu uk³adów ch³odz¹cych wykonanych wewn¹trz struktury (rura cieplna „heat pipe”, kana³y ch³odz¹ce z obiegiem wody itp.). Uk³ady takie opisano w rozdziale 5.

Prezentowana monografia informuje o podstawach, procesach wytwarzania i mo¿-liwoœciach technologii LTCC. Przeznaczona jest dla szerokiego krêgu odbiorców – stu-dentów i specjalistów z wielu dziedzin nauki, w których LTCC znalaz³a, lub mo¿e zna-leŸæ zastosowanie. Z tego wzglêdu w niniejszej monografii bardzo szeroko zaprezen-towano ró¿nego typu modu³y LTCC. Przedstawiono kilka konkretnych rozwi¹zañ konstrukcyjnych i technologicznych struktur LTCC, maj¹cych zastosowania w bardzo ró¿nych dziedzinach.

Podano ogólne informacje o technologii LTCC, jej wadach i zaletach oraz kierun-kach zastosowañ (rozdz. 1).

Opisano ró¿ne techniki wykonywania modu³ów MCM – struktury typu MCM-D (Multichip Module – Deposition), MCM-L (Multichip Module – Lamination) i MCM-C (Multichip Module – Ceramics) (rozdz. 2).

Opis technologii grubowarstwowej, bêd¹cej podstaw¹ techniki LTCC zawarto w rozdz. 3.

Przedstawiono szczegó³owo materia³y stosowane w technologii LTCC, poszczegól-ne procesy technologiczposzczegól-ne i w³aœciwoœci modu³ów LTCC (rozdz. 4). W rozdziale tym podano równie¿ podstawowe informacje dla osób projektuj¹cych struktury LTCC. Opi-sano w nim tak¿e specjalne metody wytwarzania modu³ów LTCC.

Obszerny przegl¹d zastosowañ struktur LTCC - uk³ady mikrofalowe do telekomu-nikacji bezprzewodowej, uk³ady MCIC (Multichip Integrated Circuits), czujniki i mi-krosystemy zawiera rozdz. 5. Podano konstrukcjê, technologiê, zasadê dzia³ania i pa-rametry ró¿nych czujników (gazu, ciœnienia, temperatury, prêdkoœci przep³ywu, prze-mieszczenia). Opisano sondê LTCC do pomiaru w³aœciwoœci plazmy, uk³ady ch³odz¹ce i grzejne, mikrozawory, mikrokana³y, urz¹dzenia µTAS i wskaŸniki PDP.

W podsumowaniu przedstawiono najwa¿niejsze informacje na temat w³aœciwoœci i zastosowañ LTCC oraz perspektywy rozwoju i kierunki badañ LTCC w przysz³oœci.

2. MODU£Y WIELOSTRUKTUROWE MCM

Rozwój urz¹dzeñ elektronicznych zmierza w kierunku zmniejszenia ich wymiarów i wagi, poprawy w³aœciwoœci (wiêksze czêstotliwoœci pracy, wiêksze szybkoœci dzia³ania, lepsza niezawodnoœæ) oraz obni¿enia ceny. Ci¹gle roœnie stopieñ integracji uk³adów oraz liczba wyprowadzeñ. Zale¿noœæ miêdzy liczb¹ wyprowadzeñ, a liczb¹ bramek scalonych w uk³adzie mo¿na wyraziæ wzorem empirycznym Renta [92]:

N = Kna

gdzie: N – liczba wyprowadzeñ, K – sta³a,

n – liczba bramek w uk³adach scalonych,

a – 0,4–0,7 wspó³czynnik zale¿y od technologii i typu uk³adu.

Coraz doskonalsze technologie s¹ stosowane w celu uzyskania jak najwiêkszej gê-stoœci po³¹czeñ elektrycznych miêdzy coraz mniejszymi strukturami uk³adów scalonych umieszczanymi jak najbli¿ej siebie. Gêstoœæ œcie¿ek przewodz¹cych na pod³o¿u przed-stawia równanie Seraphina [195]:

S N G_p =2,25

gdzie: G_p – gêstoœæ linii po³¹czeniowych,

N – liczba wyprowadzeñ uk³adów scalonych,

S – skok (raster) ustawienia struktur uk³adów scalonych.

Maksymaln¹ gêstoœæ upakowania elementów elektronicznych mo¿na osi¹gn¹æ sto-suj¹c modu³y wielostrukturowe MCM (Multichip Modules).

Modu³ MCM mo¿e byæ zdefiniowany jako struktura wielowarstwowa o bardzo du-¿ej liczbie wewnêtrznych po³¹czeñ elektrycznych pomiêdzy nieobudowanymi uk³ada-mi scalonyuk³ada-mi, g³ównie VLSI, zajmuj¹cyuk³ada-mi uk³ada-minimum 20% powierzchni pod³o¿a, po³¹-czonymi w du¿¹ jednostkê funkcjonaln¹ mog¹c¹ pracowaæ dla czêstotliwoœci powy¿ej 50 MHz (zapewniaj¹c¹ mo¿liwoœæ transmisji sygna³ów z prêdkoœci¹ wiêksz¹ ni¿ 50 MB). Uk³ad stanowi sztywn¹ konstrukcjê mechaniczn¹ [203]. Produkcja uk³adów MCM szybko zwiêksza siê. Wartoœæ wyprodukowanych w Ameryce Pó³nocnej uk³adów wy-nosi³a oko³o 350 mln $ w roku 1993 [173]. Przewidywane wartoœci uk³adów MCM pro-dukowanych w latach 1995–2005 przedstawiono w tabeli 2.1.

Tabela 2.1. Wartoœæ modu³ów MCM produkowanych w latach 1995–2005 (w mln. $) [48] Rok Miejsce 1995 2000 2005 Azja 950 6 800 12 000 USA 5 200 12 000 15 000 Europa 250 3 800 9 000 Suma 6 400 22 600 36 000

Rys. 2.1. Przekrój przez modu³ MCM

Modu³y MCM mo¿na podzieliæ na 3 podstawowe typy:

• MCM-D (D deposition – osadzanie) wytworzone przez osadzanie cienkich warstw metalicznych lub dielektrycznych na krzemie, diamencie, ceramice lub pod³o¿u meta-lowym.

• MCM-L (L lamination – laminowanie) wykonane podobnie jak laminatowe wie-lowarstwowe obwody drukowane.

• MCM-C (C ceramics – ceramika) zbudowane z pod³o¿y ceramicznych wielowar-stwowych wspó³wypalanych (cofired ceramics) lub wielowarwielowar-stwowych uk³adów gru-bowarstwowych na pod³o¿u ceramicznym.

Modu³ MCM sk³ada siê z wielu warstw izolacyjnych, sieci œcie¿ek przewodz¹cych i otworów zapewniaj¹cych po³¹czenie elektryczne miêdzy poszczególnymi poziomami lub spe³niaj¹cych specjaln¹ rolê w odprowadzaniu ciep³a. Po³¹czenia elektryczne pól kontaktowych chipów i struktury MCM wykonuje siê metodami wire bonding (po³¹-czenia drutowe), TAB (tape automated bonding) i flip chip. Na rysunku 2.1 przedsta-wiono przekrój przez przyk³adowy modu³ MCM.

Rys. 2.2. Porównanie wydajnoœci upakowania Fp ró¿nych typów modu³ów MCM

G³ówn¹ zalet¹ uk³adów MCM jest mo¿liwoœæ wykonania ekstremalnie gêstej sieci po³¹czeñ elektrycznych dla do³¹czenia maksymalnej liczby chipów. W celu porówna-nia w³aœciwoœci ró¿nych modu³ów MCM wprowadzono wspó³czynnik F_p (packaging efficiency – wydajnoœæ upakowania) zdefiniowany przez Recke [160] jako:

p sc p A A F =100

gdzie: F_p РwydajnoϾ upakowania, A_sc Рpowierzchnia chipu, A_p Рpowierzchnia obudowy.

Porównanie wydajnoœci F_p ró¿nych typów modu³ów MCM pokazano na rys. 2.2. Na rysunku 2.3 przedstawiono liczbê po³¹czeñ mo¿liwych do uzyskania z zastoso-waniem ró¿nych technik monta¿u.

Pierwsze próby wytwarzania uk³adów wielowarstwowych typu MCM podjêto pod koniec lat szeœædziesi¹tych. Prawdziwy rozwój uk³adów MCM nast¹pi³ w latach osiem-dziesi¹tych. Obecnie prace nad technologiami MCM prowadzi siê w wielu oœrodkach. Liczba firm zajmuj¹cych siê t¹ tematyk¹ przekracza 100. Liczba publikacji poœwiêco-nych MCM stale zwiêksza siê (~200 rocznie) [92]. Porównanie ró¿poœwiêco-nych technik wy-twarzania uk³adów MCM przedstawiono w tabelach 2.2 i 2.3 [49, 80].

100 200 300 50 100 szerokoœæ œcie¿ek [ m]µ . w yd aj no œæ u pa ko w an ia F MCM-D MCM-C MCM-L SMT hybrydy

Tabela 2.2. Porównanie technik wytwarzania uk³adów MCM

MCM-D MCM-L MCM-C

Pod³o¿e Polimery PWB – laminat Ceramika

na krzemie wspó³wypalana

Materia³ Poliimid BCB Epoksyd szklany Al2O3 Przenikalnoœæ dielektryczna 2,6–4 2,8–4,5 4,5–10

Odprowadzanie ciep³a œrednie ma³e wysokie

Szerokoœæ œcie¿ki [µm] 12–50 75–750 90–125

Raster wysoki niski œredni

Gêstoœæ I/O wysoka niska œrednia

Koszt pod³o¿a MCM wysoki niski œredni

techniki monta¿u MCM-C MCM-L MCM-D SMT SMT monta¿ przewlekany 2,54 mm 1,27 mm 0,3 do 0,5 mm _{300 m}µ 200 mµ 50 mµ ilo œæ p un kt ów ³¹ cz on yc h na p ow . 1 d m 2 5 10 10 10 5 10 . . 3 4 4 3 raster

2.1. Modu³y typu MCM-D

W przypadku uk³adów MCM-D (D – deposition – osadzanie) pod³o¿e pe³ni rolê ele-mentu konstrukcyjnego. Warstwy przewodz¹ce i dielektryczne nak³ada siê technik¹ cien-kowarstwow¹. Uk³ady MCM-D stwarzaj¹ najwiêksze mo¿liwoœci w zakresie miniatu-ryzacji spoœród wszystkich typów modu³ów MCM i dlatego s¹ obecnie najbardziej in-tensywnie rozwijane [22, 75, 110, 148, 154].

Typowy przyk³ad uk³adu MCM-D przedstawiono na rys. 2.4.

Podstawowe informacje na temat materia³ów najczêœciej stosowanych do wytwa-rzania uk³adów MCM-D zamieszczono w tabeli 2.4.

Tabela 2.3. Porównanie ró¿nych technologii

Ceramika Materia³ organiczny LTCC warstwy cienkie FR–4 materia³ PTFE

zaawansowany

W³aœciwoœci termiczne ++ + – – –

W³aœciwoœci elektryczne ++ + – – ++

Rezystory + + – – –

Zintegrowane elementy bierne ++ – – – –

Struktury 3D ++

Gêstoœæ po³¹czeñ + + – – –

Rozmiar p³yta/pod³o¿e – – ++ + +

Proces przyjazny mikroelektronice + + – – –

NiezawodnoϾ + Р+ + +

Infrastruktura projektowania – – ++ + +

Infrastruktura wykonania – – ++ + –

++ wskaŸnik wielkoœci zalet

Rys. 2.4. Typowy przyk³ad uk³adu MCM-D 1 pod³o¿e 2 warstwa zaporowa 3 warstwy metaliczne 4 warstwy dielektryczne 5 warstwa zabezpieczaj¹ca 2 1 3 33 3 4 4 4 5

Pod³o¿a

Pod³o¿e musi spe³niaæ odpowiednie wymagania termiczne, elektryczne i mechanicz-ne. Aby osi¹gn¹æ optymalne parametry uk³adów MCM-D, pod³o¿e powinno mieæ na-stêpuj¹ce w³aœciwoœci [203]:

• du¿¹ przewodnoœæ ciepln¹,

• odpowiedni wspó³czynnik rozszerzalnoœci termicznej (dostosowany do do³¹cza-nych elementów i obudowy),

• wytrzyma³oœæ na wysokie temperatury procesu, • wysok¹ rezystywnoœæ izolacji,

• ma³¹ wartoœæ sta³ej dielektrycznej,

• odpornoœæ chemiczn¹ na stosowane procesy technologiczne, • g³adk¹ powierzchniê bez defektów,

• p³askoœæ powierzchni (ca³kowite wygiêcie mniej ni¿ 50–100 µm), • ma³y koszt.

Do wytwarzania uk³adów MCM-D najczêœciej stosuje siê pod³o¿e z ceramiki Al₂O₃. Charakteryzuj¹ siê one du¿¹ wytrzyma³oœci¹ mechaniczn¹, stabilnoœci¹ termiczn¹ i che-miczn¹ oraz du¿¹ rezystywnoœci¹ elektryczn¹. G³ówn¹ wad¹ ceramiki Al₂O₃ jest ma³a przewodnoœæ cieplna. Wiêksz¹ przewodnoœci¹ ciepln¹ charakteryzuj¹ siê ceramiki AlN, BeO i SiC. Wspó³czynniki rozszerzalnoœci termicznej AlN i SiC s¹ zbli¿one do wspó³-czynnika Si. G³ówn¹ wad¹ ceramiki AlN jest trudnoœæ w uzyskaniu dobrej adhezji warstw metalicznych wskutek braku mo¿liwoœci wytworzenia wi¹zañ poprzez tlenki metali. Du¿e ziarna ceramiki AlN s¹ przyczyn¹ wystêpowania du¿ych otworów na po-wierzchni. Wad¹ SiC jest du¿a przenikalnoœæ dielektryczna. Toksycznoœæ tlenków BeO jest g³ównym problemem wystêpuj¹cym w produkcji tego typu ceramiki.

Ró¿ne rodzaje metali stosuje siê na pod³o¿e uk³adów MCM-D – najczêœciej Al i Cu. Pod³o¿a metalowe charakteryzuj¹ siê du¿¹ przewodnoœci¹ ciepln¹, ³atwoœci¹ obróbki

Tabela 2.4. Podstawowe informacje o uk³adach MCM-D

Jednostka Typowe materia³y lub wartoœci

Pod³o¿e Si, Al, ceramiki Al2O3, AlN

Warstwa przewodz¹ca Al, Cu, Ag, Au

Liczba warstw 2–5

Gruboœæ warstwy przewodz¹cej µm 2–5

Szerokoœæ œcie¿ki przewodz¹cej µm min. 10, zwykle 25 Odleg³oœæ miêdzy œrodkami œcie¿ek µm min. 50

Pole kontaktowe Al lub Ni/Au

Warstwa dielektryczna SiO2, poliimid, BCB

Gruboœæ warstwy dielektrycznej µm 3–15

Œrednica otworu µm 10–50

mechanicznej i nisk¹ cen¹. Wad¹ pod³o¿y Al i Cu jest podatnoœæ na trawienie stosowa-nymi zwykle œrodkami trawi¹cymi oraz du¿a wartoœæ wspó³czynnika rozszerzalnoœci termicznej, znacznie wiêksza ni¿ wspó³czynnik dla krzemu.

Ze wzglêdu na du¿y modu³ elastycznoœci i ma³¹ wartoœæ wspó³czynnika rozszerzal-noœci termicznej dobrymi materia³ami na pod³o¿e jest molibden i wolfram. Niestety, metale te maj¹ du¿y ciê¿ar w³aœciwy i s¹ trudne do obróbki. Molibden stosuje siê do odprowadzania ciep³a i jako materia³ do kompensacji ró¿nicy wspó³czynników rozsze-rzalnoœci termicznej.

Krzem jest korzystnym materia³em pod³o¿owym ze wzglêdu na du¿¹ przewodnoœæ ciepln¹ i idealne dopasowanie rozszerzalnoœci termicznej do krzemowych uk³adów sca-lonych. G³ówn¹ wad¹ krzemu jest ma³a wartoœæ modu³u mechanicznego oraz du¿o mniejsza rozszerzalnoœæ termiczna ni¿ rozszerzalnoœæ warstw dielektrycznych, co po-woduje wyginanie uk³adów podczas stosowania poliimidów o du¿ych wspó³czynnikach rozszerzalnoœci termicznej.

Ostatnio zaczêto stosowaæ diament jako materia³ na pod³o¿e. Jest to spowodowane ekstremalnie du¿¹ przewodnoœci¹ ciepln¹ diamentu (1600 W/(m·K)), czterokrotnie wiêk-sza od przewodnoœci miedzi, bardzo du¿ymi wartoœciami modu³ów mechanicznych i rozszerzalnoœci¹ termiczn¹, zbli¿on¹ do rozszerzalnoœci krzemu. Niestety, pod³o¿e dia-mentowe jest bardzo drogie.

Parametry ró¿nych materia³ów na pod³o¿e stosowanych w technice MCM-D przed-stawiono w tabeli 2.5.

Metalizacja

Materia³y przewodz¹ce maj¹ trojakiego rodzaju zastosowanie w technologii uk³a-dów MCM-D [203]:

• œcie¿ki przewodz¹ce tworz¹ce sieæ po³¹czeñ elektrycznych,

• metale nanoszone na powierzchnie graniczne spe³niaj¹ce rolê bariery dyfuzyjnej lub materia³u zwiêkszaj¹cego przyczepnoœæ,

• œcie¿ki górne, do których s¹ do³¹czane elementy zewnêtrzne.

W³aœciwoœci metali najczêœciej stosowanych w technice MCM-D przedstawiono w tabeli 2.6 [203].

Typowe procesy metalizacji, stosowane w uk³adach MCM-D, pokazano na rysunku 2.5. Materia³y metaliczne nanosi siê technik¹ rozpylania, parowania, platerowania jo-nowego i elektroplaterowania. Najwa¿niejsze wymagania stawiane warstwom prze-wodz¹cym tworz¹cym sieæ po³¹czeñ elektrycznych to du¿a przewodnoœæ elektryczna i niezawodnoœæ. Najczêœciej warstwy te wykonuje siê z aluminium, miedzi lub z³ota. Przewodnoœæ elektryczna aluminium jest wystarczaj¹ca dla wiêkszoœci zastosowañ. Oznacza siê ono dobr¹ przyczepnoœci¹ do dielektryków i nisk¹ cen¹.

MiedŸ ma najwiêksz¹ przewodnoœæ elektryczn¹ i nisk¹ cenê. Wad¹ miedzi jest z³a przyczepnoœæ do wiêkszoœci dielektryków i mo¿liwoœæ reagowania z dielektrykiem na bazie poliimidów. Prowadzi to do pogorszenia stabilnoœci.

Tabela 2.5. W³aœciwoœci materia³ów stosowanych na pod³o¿e uk³adów MCM-D [45] Materia³

Gêstoœæ Wspó³czynnik Modu³ Przewodnoœæ rozszerzalnoœci Younga cieplna

cieplnej [g/cm3_{] [ppm/K] [GPa] [W/(m·K)]} Poliimid 1,4 40 2,5 0,15 Si 2,3 2,6 113 148 Al2O3 (99,6%) 3,9 6,3–6,7 360 20–35 Al2O3 (92% wspó³wypalany) 3,6 6,7 275 17-20 BeO (99,5%) 30 6,9 350 251 AlN 3,3 4 340 160–190 SiC 3,1 3,7 400 270 Mo 10,2 4,9 324 138 Cu 8,9 16,8 110 398 Al 2,7 2,5 62 237 Stal (AISI 1010) 7,9 11,3 192 64 Cu/Invar/Cu (20/60/20) 8,4 6,4 134 170 Cu/Mo/Cu (20/60/20) 9,7 7 248 208 Cu/Mo/Cu (13/74/13) 9,9 5,7 269 242 Kovar (FeNiCo) 8,4 6,1 138 16 Diament naturalny 3,5 1,1 2000 Diament CVD 3,5 1,5–2,0 890–970 400–1600

Uwagi: 1. Wartoœci parametrów podano dla temperatury 25°C,

2. W przypadku materia³ów platerowanych podano przewodnoœæ ciepln¹ zmierzon¹ dla kierunku poprzecznego.

Z³oto oznacza siê wiêksz¹ przewodnoœci¹ elektryczn¹ od aluminium oraz doskona-³¹ odpornoœci¹ na korozjê. Wad¹ z³ota jest z³a przyczepnoœæ do materia³u dielektrycz-nego i wysoka cena.

Jako materia³y zwiêkszaj¹ce przyczepnoœæ i stanowi¹ce barierê dyfuzyjn¹ stosuje siê chrom, tytan, platynê, pallad i nikiel.

Na pola kontaktowe, na powierzchni modu³u MCM-D (odpornoœæ na korozjê, mo¿-liwoœæ po³¹czeñ) stosuje siê Au, Ni i Cr.

Materia³y dielektryczne

Stosowane materia³y dielektryczne powinny mieæ nastêpuj¹ce w³aœciwoœci [203]: • minimaln¹ higroskopijnoœæ,

• mo¿liwoœæ uzyskiwania p³askich powierzchni, • stabilnoœæ termiczn¹,

rozpylanie

nanoszenie emulsji

wytworzenie wzoru nanoszenie emulsjiwytworzenie wzoru

trawienie mokre

usuwanie

emulsji usuwanieemulsji usuwanieemulsji rozpylanie

nanoszenie lubbezpr¹dowe

nanoszenie metalu elektrolityczne trawienie metalu nanoszenie emulsji i naœwietlanie wywo³ywanie naparowywanie metalu

Tabela 2.6. W³aœciwoœci metali stosowanych w technologii MCM-D [203] copyright ©1994 John Wiley & Sons (za zgod¹ John Wiley & Sons Inc.)

Temperatura Wspó³czynnik Wspó³czynnik Metal Symbol Rezystywnoœæ topnienia rozszerzalnoœci przewodnoœci

cieplnej cieplnej [µΩ·cm] [°C] [ppm/K] [W/(m·K)] MiedŸ Cu 1,67 1083 19,7 (17) 418 (393) Z³oto Au 2,35 1064 14,2 297 Glin Al 2,65 (4,3) 660 23,0 240 Wolfram W 5,52 3415 4,5 200 Nikiel Ni 6,9 1455 13,3 92 (89) Tytan Ti 55 1667 8,9 22 Platyna Pt 10,52 1774 9,0 71 (73) Pallad Pd 10,75 1550 11 70 (75) Chrom Cr 12,99 (20,2) 1900 6,3 66 Tantal Ta 15,63 2980 6,5 58

Rys. 2.5. Procesy metalizacji stosowane w uk³adach MCM-D [203] copyright ©1994 John Wiley & Sons (za zgod¹ John Wiley & Sons Inc.)

• ma³e straty dielektryczne, • ma³e naprê¿enia,

• dobre w³aœciwoœci mechaniczne (sztywnoœæ, wytrzyma³oœæ),

• dobr¹ przyczepnoœæ do pod³o¿a, warstw przewodz¹cych i dielektrycznych, • ³atwoœæ wytwarzania,

• ma³y koszt.

Wybór dostêpnych materia³ów dielektrycznych jest bardzo du¿y, ale niestety, ¿aden z dostêpnych materia³ów nie spe³nia wszystkich wymagañ. Najczêœciej jako materia³ dielektryczny stosuje siê dwutlenek krzemu lub polimery. W tabeli 2.7 [203] przedsta-wiono informacje na temat dostêpnych materia³ów dielektrycznych, ich w³aœciwoœci elektrycznych i mechanicznych.

W uk³adach MCM-D najczêœciej stosuje siê dielektryki oparte na poliimidach. Odznaczaj¹ siê one dobrymi w³aœciwoœciami mechanicznymi, s¹ odporne na rozpu-szczalniki oraz s¹ wytrzyma³e na wysokie temperatury wystêpuj¹ce w czasie wytwa-rzania modu³u MCM-D. G³ówn¹ wad¹ poliimidów jest wchodzenie w reakcje chemiczne

Tabela 2.7. W³aœciwoœci materia³ów dielektrycznych stosowanych w uk³adach MCM-D [203] Nazwa Typ ε tg δ γ Tg Wytrzyma³oœæ Wyd³u¿enie Absorpcja

polimeru polimeru na rozci¹ganie wilgoci

[10–6_{/K] [°C] [MPa] [%] [% wag.]} Amoco fotoczu³y 2,8 0,004 24 >400 3,4 Ultradel poliimid 7501 Du Pont standardowy 3,5 0,002 20 >400 105 40 2-3 PI-2545 poliimid Du Pont standardowy 3,3 0,002 40 >320 135 15 2-3 PI-2555 poliimid

Du Pont poliimid 2,9 0,002 3(xy) >400 350 25 0,5 PI-2610D/ 2611D Du Pont fotoczu³y 2,9 25 >400 192 8 1,5 PI-2732/33 poliimid Hitachi standardowy 3,4 0,002 45 >350 130 20 2,3 PIQ-13 poliimid Hitachi poliimid 3,2 0,002 3 410 380 22 1,3 PIQ-L100 Toray fotoczu³y 3,2 0,002 40 280 140 11 1,1 UR-3800 poliimid Tg – temperatura zeszklenia,

γ – wspó³czynnik rozszerzalnoœci cieplnej, ε – wzglêdna przenikalnoœæ dielektryczna, tg δ – wspó³czynnik strat.

z miedzi¹. Czasem stosuje siê poliimidy œwiat³oczu³e, które upraszczaj¹ technologiê wykonywania otworów i po³¹czeñ elektrycznych miêdzy ró¿nymi poziomami.

Dielektryki polimerowe s¹ nanoszone technik¹ nak³adania na wirówce lub przez natryskiwanie.

Po³¹czenia wewnêtrzne

Wykonanie po³¹czeñ wewnêtrznych wymaga stosowania kilku procesów technolo-gicznych. Pierwszym etapem jest wykonanie otworów w warstwie dielektrycznej, na-stêpnym wype³nienie otworów materia³em przewodz¹cym. Najczêœciej stosuje siê cztery metody wykonywania sieci po³¹czeñ elektrycznych:

• trawienie na mokro,

• wykorzystanie polimerów œwiat³oczu³ych, • trawienie na sucho,

• ablacja laserowa.

Schematycznie etapy wytwarzania po³¹czeñ miêdzy ró¿nym poziomami uk³adu przedstawiono dla ka¿dej z metod na rys. 2.6.

Rys. 2.6. Etapy wytwarzania po³¹czeñ miêdzy ró¿nym poziomami uk³adu [203] Copyright ©1994 John Wiley & Sons (za zgod¹ John Wiley & Sons Inc.)

RIE/SLA materia³y œwiat³oczu³e trawienie mokre ablacja

1) nanoszenie maski 2) fotolitografia 3) wytwarzanie maski 4) usuwanie emulsji 5) trawienie 6) usuwanie maski trawienie jonowe reaktywne

2.2. Modu³y typu MCM-L

Uk³ady MCM-L (L – lamination – laminowanie) wykonuje siê analogicznie do la-minatowych wielowarstwowych obwodów drukowanych [20, 21, 45, 68, 145, 146, 154, 203]. Warstwy metalizacji s¹ laminowane wstêpnie do folii organicznych, a nastêpnie wykonywane s¹ otwory technik¹ laserow¹ lub wiercenia mechanicznego (œrednice do 150 µm). Kolejnym krokiem jest zastosowanie techniki platerowania do wype³nienia otwo-rów materia³em przewodz¹cym elektrycznie. Uk³ady MCM-L ró¿ni¹ siê od zwyk³ych obwodów drukowanych wiêksz¹ precyzj¹ wykonania oraz innym materia³em izolacyj-nym o ma³ej wartoœci sta³ej dielektrycznej ε (ε poni¿ej 4). S¹ to najczêœciej laminaty szklano-teflonowe, szklano-poliimidowe oraz aramidowe [92]. W³aœciwoœci stosowanych materia³ów dielektrycznych przedstawiono w tabeli 2.8.

Podstawowe parametry uk³adów MCM-L [69, 203]:

• szerokoœci œcie¿ek i odleg³oœci miedzy œcie¿kami 50–150 µm,

• œrednice otworów 200–300 µm,

• odleg³oœci miêdzy otworami 300–450 µm, • minimalna gruboœæ warstwy dielektrycznej 50 µm,

• œrednia liczba warstw 6–8,

• gêstoœæ po³¹czeñ 50 cm/cm2_.

Uk³ady MCM-L s¹ tañsze od uk³adów MCM-C i MCM-D [169]. Ze wzglêdu na gorsz¹ stabilnoœæ i mniejszy zakres temperatur pracy uk³ady MCM-L maj¹ mniejsze zastosowanie, ni¿ pozosta³e modu³y. G³ówn¹ wad¹ uk³adów MCM-L jest ma³a prze-wodnoœæ cieplna oraz du¿y temperaturowy wspó³czynnik rozszerzalnoœci liniowej.

Podstawowe procesy wytwarzania uk³adu MCM-L [45]:

1. Wykonanie indywidualnych warstw dielektrycznych pokrytych foli¹ Cu.

2. Obróbka fotolitograficzna, trawienie i wytworzenie sieci œcie¿ek przewodz¹cych,

Tabela 2.8. W³aœciwoœci materia³ów dielektrycznych stosowanych w technice MCM–L [92, 203] Sta³a Przewodnoœæ Wspó³czynnik Temperatura Absorpcja Materia³ dielektryczna cieplna rozszerzalnoœci zeszklenia wody

liniowej Tg [W/(m·K)] [·106_{/K] [°C] [%]} Epoksyd BT 4,3 – 15–16 180 0,05 FR4 4,8 – 13–18 125 0,10 Poliimid 4,2 – 10–14 250 0,35 Cyanate ester 3,6 – 8–10 230 0,08

Fluoro polymer composite 2,9 – 16 327 0,05

Epoxy /nonwoven aramid 3,9 – 6–9 180 0,85

Laminat szklano poliimidowy 4,3 0,4 40 – –

3. Wiercenie otworów w indywidualnych warstwach lub/i na ca³¹ gruboœæ laminatu (otwory przelotowe).

4. Proces laminacji – laminacja indywidualnych warstw w przypadku otworów za-grzebanych i œlepych. Jeden proces laminacji w przypadku gdy nie ma otworów œle-pych i zagrzebanych.

5. Platerowanie otworów w pojedynczych warstwach lub czêœciowo zlaminowanych. Platerowanie warstw przewodz¹cych na powierzchni.

Na rysunku 2.7 [45] pokazano typow¹ konstrukcjê uk³adu MCM-L.

Do wytworzenia uk³adu MCM-L stosuje siê nastêpuj¹ce rodzaje materia³ów [45]: • warstwy dielektryczne rdzenia – materia³ sztywny,

• elastyczne warstwy dielektryczne,

• materia³ przewodz¹cy – najczêœciej trawiona folia Cu,

• materia³y pokryæ koñcowych umo¿liwiaj¹ce do³¹czenie elementów zewnêtrznych (Sn–Pb, Ni–Au, Pd) nanoszone metod¹ platerowania.

W³aœciwoœci materia³ów stosowanych do wytwarzania MCM-L zamieszczono w tabeli 2.9 [45].

warstwa 1

warstwa 2

warstwa 3

dielektryk warstwa miedzi

otwór zagrzebany otwór warstwy 2/3 po laminacji warstwy 2/3 po wierceniu otworów warstwa 4 wszystkie warstwy po laminacji, wierceniu otworów i platerowaniu otwór po platerowaniu

Tabela 2.9. W³aœciwoœci materia³ów stosowanych w uk³adach MCM–L [45]

γ γ Tg k ε ρ tg δ

Materia³ osie x,y oœ z (1 MHz,

[ppm/K] [ppm/K] [°C] [W/m·K] 25°C) [Ω·cm] [%] FR4 (epoxy–E glass) 16–18 60/320a) _{125–140 0,16–0,4 4,0–5,5 4,00·10}14 _2,2 Polyimide (PI)–E glass 13–15 40/190a) _{255–260 0,3–0,6 4,0–5,0 4,00·10}14 _1,3

Teflon–E glass 20 75 0,26 2,3–2,6 1,00·1010 _0,2

Epoxy–aramid (PPDETA) 6,5 172 0,18 3,7 2,6

PI–Kevlar 108 5–8 85 250 3,51 1,1

PI–fused sislica 6–12 30 250 4,00·109

BT epoxy–Kevlar 120 73,7 3,51 1,1

High Tg epoxy–fused silica

#525 6–12 65 1,3

'Gore–Ply' (cyanate ester–

expanded PTFE) 55 190 2,6 >10·107 _0,3

PI–unwoven Kevlar'

ROHSI 2800' (Rogers) 16 24 Thermoplast. 2,8 0,3

PI film: Kapton H 20–25 3,5 1·1012 _0,25 Upilex S 3,5 1·1011 _0,13 Polyester film 25–30 2,8–3,2 0,3–1,6 Epoxy resin (#5010) 55 3,8 PTFE224 224 2,2 'S'–glass 2,3 5,3 MiedŸ (CDA 102) 17,3 17,3 393 1,67·10–6 Glin (elemental) 22,1 240 2,66·10–6 Glin (6061) 21,1 200 4,30·10–6 Molybden 5 5 146 Kovar 5,3 17 4,70·10–5 Cu/Invar/Cu:20/60/20 5,5 169 Cu/Invar/Cu:12,5/75/12,5 3,15 114 Cu/Mo/Cu: 20/60/20 6,7 (20°C) 141 3,30·10–6 Cu/Mo/Cu: 13/74/13 5,8 (20°C) 122 3,80·10–6

γ – wspó³czynnik rozszerzalnoœci cieplnej, Tg – temperatura zeszklenia,

k – wspó³czynnik przewodnoœci cieplnej, ε – wzglêdna przenikalnoœæ dielektryczna, ρ – rezystywnoœæ skroœna,

tg δ – wspó³czynnik strat, a) – (<Tg )/ (>Tg).

2.3. Modu³y typu MCM-C

Modu³y MCM-C maj¹ powszechne zastosowanie w urz¹dzeniach o du¿ej niezawod-noœci, przystosowanych do pracy w trudnych warunkach klimatycznych [171].

Pierwsze uk³ady typu MCM-C wykonywano na pocz¹tku lat szeœædziesi¹tych jako wielowarstwowe uk³ady grubowarstwowe.

W latach osiemdziesi¹tych uk³ady MCM-C wykonywano z ceramiki wysokotem-peraturowej (HTCC), wypalanej w temperaturze 1800 °C w atmosferze wodoru. Wol-framowe lub molibdenowe warstwy przewodz¹ce nanoszono technik¹ sitodruku.

Szybki rozwój uk³adów MCM-C nast¹pi³ na pocz¹tku lat dziewiêædziesi¹tych, po opracowaniu ceramiki niskotemperaturowej (LTCC) wypalanej w powietrzu, w tem-peraturze 850 °C. Obni¿enie temperatury wspó³wypalania pozwoli³o na zastosowanie typowych materia³ów grubowarstwowych (warstwy przewodz¹ce ze srebra, z³ota lub miedzi wypalanej w azocie).

Modu³y MCM-C mo¿na podzieliæ na trzy grupy: • wielowarstwowe uk³ady grubowarstwowe,

• HTCC (High Temperature Cofiring Ceramics) – uk³ady z ceramiki wysokotem-peraturowej,

• LTCC (Low Temperature Cofiring Ceramics) – uk³ady z ceramiki niskotempera-turowej.

Wielowarstwowe uk³ady grubowarstwowe

Grubowarstwowy uk³ad typu MCM zosta³ wyprodukowany po raz pierwszy przez firmê UNIVAC (obecnie Unysis) w roku 1980. Uk³ad sk³ada³ siê z 5 warstw przewo-dz¹cych oraz rezystorów.

Technologia uk³adów wielowarstwowych polega na kolejnym nanoszeniu technik¹ sitodruku, na przemian, past przewodz¹cych i dielektrycznych. Warstwy s¹ suszone oddzielnie i nastêpnie wypalane wspólnie w jednym procesie (w temperaturze 500–850 °C) lub wypalane indywidualnie po ka¿dym suszeniu. Na pod³o¿e stosuje siê ceramikê alundow¹ lub azotek aluminium. Œcie¿ki przewodz¹ce wykonuje siê z typo-wych past PdAg, PtAg, Au, Cu. Kszta³t œcie¿ek przewodz¹cych oraz otworów w war-stwach dielektrycznych uzyskuje siê metod¹ druku precyzyjnego, trawi¹c wypalone œcie¿ki przewodz¹ce typow¹ metod¹ fotolitografii lub stosuj¹c specjalne pasty œwia-t³oczu³e i metodê fotolitografii wysuszonych warstw. Precyzyjne otwory w warstwach dielektryka mo¿na wykonaæ metod¹ Diffusion Patterning (maskowanie dyfuzyjne). Dok³adniej technologiê grubowarstwow¹ opisano w rozdz. 3.

Uk³ady z ceramiki wysokotemperaturowej (HTCC)

Materia³em wyjœciowym jest w tym przypadku surowa, nie wypalona folia ceramicz-na (green tape). Na foliê z wywierconymi otworami do metalizacji ceramicz-nanosi siê metod¹ sitodruku warstwy grube przewodz¹ce z wolframu lub molibdenu. Otwory w folii

wy-konuje siê przy pomocy wykrojników (œrednice 75–200 µm) lub laserem (15–50 µm). Folie ceramiczne po wysuszeniu naniesionych warstw s¹ sk³adane w stos, prasowane, ciête na odpowiednie wymiary i wypalane w temperaturze 1600–1800 °C w atmosfe-rze wodoru. Po wypaleniu pola kontaktowe s¹ pokrywane technik¹ platerowania ni-klem lub z³otem w celu zmniejszenia rezystancji i uzyskania odpowiedniej jakoœci po-wierzchni do monta¿u. Modu³y MCM-C wykonane technik¹ HTCC maj¹ najwiêksz¹ odpornoœæ na nara¿enia klimatyczne oraz najwiêksz¹ niezawodnoœæ. Wad¹ modu³ów jest du¿a rezystancja œcie¿ek przewodz¹cych. Ceramika HTCC sk³ada siê najczêœciej z 88–96% Al₂O₃ i 4–12% szk³a poprawiaj¹cego proces zagêszczania w ni¿szych tempe-raturach spiekania. Modu³y HTCC charakteryzuj¹ siê du¿¹ wytrzyma³oœci¹ mechaniczn¹ (~420 MPa), wspó³czynnikiem rozszerzalnoœci liniowej ~7·10–6_{/°C, przenikalnoœci¹}

die-lektryczn¹ ~9,5, przewodnoœci¹ ciepln¹ ~20 W/(m·K) [80].

Uk³ady z ceramiki niskotemperaturowej (LTCC)

Proces wytwarzania uk³adu LTCC przebiega podobnie jak w przypadku uk³adu HTCC. Najwa¿niejsz¹ ró¿nic¹ jest obni¿enie temperatury wypalania do 850 °C. Sta³o siê to mo¿liwe dziêki zastosowaniu specjalnego tworzywa szklano-ceramicznego. Uzy-skanie ni¿szej temperatury wypalania umo¿liwi³o stosowanie typowych past przewo-dz¹cych (Au, Ag, PdAg, Cu) na œcie¿ki przewodz¹ce oraz wykonanie biernych elemen-tów grubowarstwowych nie tylko na powierzchni modu³u, ale równie¿ w jego wnêtrzu. Dodatkow¹ zalet¹ materia³u LTCC, w porównaniu do HTCC, jest ni¿sza przenikal-noœæ dielektryczna oraz dopasowanie wspó³czynnika rozszerzalnoœci cieplnej do wspó³-czynnika struktur pó³przewodnikowych (Si lub GaAs), co zwiêksza niezawodnoœæ po-³¹czeñ nieobudowanych chipów.

Stosowane s¹ dwa rodzaje materia³ów do wytworzenia surowej ceramiki LTCC. Pierwszy typ ceramiki LTCC sk³ada siê ze szkie³ ulegaj¹cych krystalizacji w czasie wypalania. W wyniku tego procesu powstaje szk³o-ceramika. Najczêœciej stosowany-mi szk³astosowany-mi krystalizuj¹cystosowany-mi w czasie procesu wypalania s¹: MgO–Al₂O₃–SiO₂, CaO–B₂O₃–SiO₂, CaO–Al₂O₃–SiO₂, BaO–Al₂O₃–SiO₂, ZnO–Al₂O₃–SiO₂. Drugi spo-sób wytwarzania ceramiki LTCC, stosowany przede wszystkim przez firmy japoñskie, polega na zastosowaniu mieszaniny sk³adnika krystalicznego i szk³a. Po spieczeniu struk-tura LTCC ma charakter kompozytu szk³o+ceramika. W uk³adach tego typu wykorzy-stuje siê szk³a B₂O₃–SiO₂, SiO₂, PbO–B₂O₃–SiO₂ oraz jako krystaliczny wype³niacz kordieryt, kwarc, Al₂O₃ i mullit [184].

Opracowana przez firmê IBM szk³o–ceramika o przenikalnoœci dielektrycznej rów-nej 5 ma sk³ad zbli¿ony do kordierytu: SiO₂ (50–55%), Al₂O₃ (18–23%), MgO (18–25%), P₂O₃ i B₂O₃ (0–3%) [196]. Wspó³czynnik rozszerzalnoœci liniowej wypalonego mate-ria³u LTCC jest równy 3,0 ppm/K.

Firma Ferro wytwarza szk³o–ceramikê przeznaczon¹ do uk³adów pracuj¹cych dla wielkich czêstotliwoœci opart¹ na szkle CaO–B₂O₃–SiO₂ krystalizuj¹c¹ w postaci faz CaO·B₂O₃, CaO·SiO₂, i 3CaO·2SiO₂ [178, 183]. Sta³a dielektryczna ceramiki wynosi 5,9, wspó³czynnik rozszerzalnoœci liniowej 6,5 ppm/K, a wspó³czynnik strat 0,002.

Firma Du Pont produkuje ceramikê green tape, przeznaczon¹ do uk³adów pracuj¹-cych dla wielkich czêstotliwoœci, bêd¹c¹ mieszanin¹ szk³a krystalizuj¹cego z wytwo-rzeniem kordierytu lub anortytu, oraz szkliwa borokrzemowego o ma³ej przenikalnoœci dielektrycznej i niskim wspó³czynniku strat, u³atwiaj¹cego zagêszczanie tworzywa w procesie spiekania niskotemperaturowego [184].

Firma NEC produkuje tworzywo typu szk³o+ceramika przeznaczone do MCM dla uk³adów VLSI o bardzo du¿ej szybkoœci dzia³ania. Struktura LTCC sk³ada siê z mie-szaniny szk³a krzemionkowego i szk³a borokrzemowego.

Do podstawowych zalet uk³adów LTCC nale¿¹: • mo¿liwoœæ wykonywania struktur trójwymiarowych, • niska temperatura wypalania,

• ma³a gruboœæ i zwi¹zana z tym ma³a masa i bezw³adnoœæ cieplna, • mo¿liwoœæ stosowania typowych past wewn¹trz i na powierzchni LTCC, • mo¿liwoœæ integrowania ró¿nych elementów elektronicznych,

• dobre w³aœciwoœci mechaniczne (podobne do ceramiki alundowej), • hermetycznoœæ uk³adu – odpornoœæ na wp³yw otoczenia,

• mo¿liwoœæ pracy w wysokiej temperaturze i uci¹¿liwym œrodowisku.

Uk³ad LTCC mo¿e sk³adaæ siê z kilkudziesiêciu warstw. Przewodnoœæ elektryczna warstw przewodz¹cych ze z³ota wynosi 2–5 mΩ/. Przewodnictwo cieplne struktury LTCC mo¿na zwiêkszyæ, stosuj¹c specjalne otwory termiczne odprowadzaj¹ce ciep³o z uk³adu. Otwory wype³nia siê z³otem lub srebrem. Przewodnictwo cieplne takich otwo-rów wynosi odpowiednio 70 W/(m·K) i 120 W/(m·K). W³aœciwoœci ceramik LTCC pro-dukowanych przez ró¿ne firmy przedstawiono w tabeli 2.10.

Liczba uk³adów LTCC stosowanych w przemyœle elektronicznym zwiêksza siê dziêki doskona³ym w³aœciwoœciom elektrycznym, mechanicznym i niezawodnoœciowym. Oprócz typowych zastosowañ w uk³adach VLSI, ceramika LTCC mo¿e byæ wykorzy-stana do wytwarzania elementów biernych oraz czujników.

Tabela 2.10. Porównanie w³aœciwoœci ró¿nych pod³o¿y

LTCC LTCC LTCC Pod³o¿e Pod³o¿e

Parametr DuPont Ferro ESL AlN alundowe

951 A6 D-101C

Przenikalnoœæ dielektryczna ε 7,8 5,9 8–9 10 9,5 Przewodnoœæ cieplna [W/(m·K)] 3 2 – 140–170 10–35 Wspó³czynnik rozsz. cieplnej [ppm/K] 5,8 7 7 4,6 7,3 Gêstoœæ po wypaleniu [g/cm3_{] 3,1 2,5 3,16 3,3}

Skurcz [%] w kierunku osi z 15 25 16 – –

osi x i y 13 15 12 Gruboœæ po wypaleniu [µm] 95, 137, 95 100–130

Elementy bierne (rezystory, kondensatory, cewki, linie transmisyjne, warystory) mog¹ byæ wytwarzane jako elementy planarne na powierzchni ceramiki LTCC lub jako za-grzebane (2D i 3D) wewn¹trz struktury LTCC [85].

Opis ró¿nego typu czujników wykonanych technik¹ LTCC znajduje siê w rozdziale 5. (czujniki do diagnostyki plazmy, czujniki gazu, temperatury, ciœnienia, grzejniki do czujników). Technologia LTCC oferuje kilka nowych rozwi¹zañ konstrukcyjnych w pro-dukcji ró¿nego typu czujników. Wielk¹ zalet¹ ceramiki LTCC jest mo¿liwoœæ tworze-nia trójwymiarowych struktur wielowarstwowych. Uk³ady 3D sk³adaj¹ siê z obszarów izolacyjnych, pustych wnêk, œcie¿ek przewodz¹cych i rezystywnych, grzejników oraz obszarów o du¿ej i ma³ej przewodnoœci cieplnej.

Dziêki mo¿liwoœci drukowania obwodów na ka¿dej z laminowanych warstw otrzy-mujemy uk³ady o bardzo du¿ej gêstoœci upakowania. Zastosowanie technologii LTCC do produkcji sensorów umo¿liwia budowanie zarówno wewn¹trz, jak i na powierzchni pod³o¿a zintegrowanych czujników wraz z uk³adami elektronicznymi do przetwarza-nia otrzymanych danych. Technologia ta mo¿e byæ tak¿e stosowana do wytwarzaprzetwarza-nia ró¿nych mikrosystemów.

3. TECHNOLOGIA GRUBOWARSTWOWA

3.1. Informacje ogólne

Technika wykonywania elementów grubowarstwowych polega na nanoszeniu od-powiednich past na pod³o¿e izolacyjne technik¹ sitodruku. Warstwy po wysuszeniu s¹ wypalane w piecach tunelowych w temperaturze maksymalnej oko³o 850°C, w czasie 10 minut (w temperaturze maksymalnej). Technika sitodruku jest bardzo stara. Stoso-wali j¹ ju¿ Chiñczycy kilka tysiêcy lat temu w celu nanoszenia z³otych ozdób na wyro-by ceramiczne. Do celów elektronicznych zosta³a zastosowana po raz pierwszy w la-tach trzydziestych XX wieku. Wykonywano t¹ technika elektrody srebrowe kondensa-torów ceramicznych. Pierwszy uk³ad hybrydowy grubowarstwowy wykonano w 1945 r. w USA. By³ to uk³ad elektroniczny czujnika zbli¿eniowego stosowanego w bombach lotniczych. Zosta³ zaprojektowany przez grupê in¿ynierów z Milwaukee. Uk³ad sk³a-da³ siê ze srebrowych œcie¿ek przewodz¹cych i rezystorów polimerowych wykonanych na pod³o¿u ceramicznym.

Masowa produkcja hybrydowych uk³adów grubowarstwowych z do³¹czanymi ele-mentami czynnymi rozpoczê³a siê w latach szeœædziesi¹tych. W latach osiemdziesi¹-tych, po rozpowszechnieniu technologii monta¿u powierzchniowego (SMT), nast¹pi³o zmniejszenie produkcji grubowarstwowych uk³adów hybrydowych. Ponowny wzrost znaczenia technologii grubowarstwowej nast¹pi³ w latach dziewiêædziesi¹tych. Tech-nologia ta znalaz³a powszechne zastosowanie, oprócz tradycyjnego pola zastosowañ, w uk³adach MCM, sensorach i mikrosystemach [85]. W rozdziale 3 podano podstawo-we informacje na temat technologii grubowarstwopodstawo-wej. Opisano poszczególne etapy wy-twarzania uk³adu grubowarstwowego, stosowane materia³y i zasady projektowania.

Zalety technologii grubowarstwowej: • niski koszt,

• ³atwoœæ automatyzacji, • op³acalnoœæ krótkich serii, • miniaturyzacja,

• dobre w³aœciwoœci elektryczne,

• ró¿norodnoœæ wykonywanych elementów,

• odpornoœæ na wysokie temperatury i uci¹¿liwe warunki klimatyczne, • dobra wytrzyma³oœæ mechaniczna.

Przyk³ady ró¿nych elementów i uk³adów elektronicznych wykonywanych techno-logi¹ grubowarstwow¹: • œcie¿ki przewodz¹ce, • rezystory, • warstwy izolacyjne, • kondensatory, • cewki • uk³ady wielowarstwowe TFM, • uk³ady wielowarstwowe LTCC, • termistory, • warystory, • elementy grzejne, • elementy nadprzewodz¹ce,

• czujniki (temperatury, gazu, ciœnienia, wilgotnoœci itp.), • przetworniki,

• mikrosystemy.

3.2. Etapy wytwarzania

Technologi¹ grubowarstwow¹ wykonuje siê warstwy o ró¿nych w³aœciwoœciach elek-trycznych, zale¿nych od sk³adu nadrukowanej pasty. Gruboœci wypalonych warstw za-le¿¹ od gêstoœci sita, gruboœci emulsji i lepkoœci pasty. Najczêœciej warstwy przewo-dz¹ce i rezystywne maj¹ po wypaleniu 5-15 µm gruboœci, a warstwy dielektryczne 35– 45 µm. Minimalna szerokoœæ warstwy dla druku zwyk³ego wynosi oko³o 300 µm, dla druku precyzyjnego 50–75 µm, a w razie stosowania trawienia i procesu fotolitografii oko³o 15 µm.

Wysokotemperaturowe uk³ady grubowarstwowe (stosowane równie¿ w strukturach LTCC) s¹ wypalane najczêœciej w temperaturze 850°C. Uk³ady niskotemperaturowe – polimerowe, s¹ utwardzane w temperaturach 200–400°C.

Na rysunku 3.1 przedstawiono etapy wytwarzania uk³adu wysokotemperaturowego.

Pod³o¿a

Materia³ na pod³o¿e musi charakteryzowaæ siê nastêpuj¹cymi w³aœciwoœciami: • odpornoœci¹ na wysokie temperatury (proces wypalania),

• dobr¹ przewodnoœci¹ ciepln¹ (odprowadzanie ciep³a z uk³adu), • dobr¹ izolacj¹ elektryczn¹ (brak zwaræ miedzy elementami),

• dobr¹ p³askoœci¹ powierzchni i powtarzalnymi wymiarami geometrycznymi (pro-ces sitodruku).

Najczêœciej na pod³o¿a stosuje siê ceramikê alundow¹ (96% Al₂O₃), berylow¹ (BeO) lub z azotku glinu (AlN). Czasami na pod³o¿e u¿ywa siê stal emaliowan¹. Najwa¿niej-sze parametry ceramik pod³o¿owych zestawiono w tabeli 3.1.

Pasta

Trzy podstawowe elementy sk³adowe wchodz¹ w sk³ad past wysokotemperaturo-wych:

• Sk³adnik podstawowy – drobno sproszkowany materia³ (wielkoœæ ziaren poni¿ej 1 µm) decyduj¹cy o w³aœciwoœciach elektrycznych wytworzonej warstwy. W przypad-ku pasty przewodz¹cej jest to najczêœciej proszek z³ota, srebra lub stopu PdAg, pasty

POD£O¯A OBUDOWA TEST CIÊCIE MONTA¯ KOREKCJA WYPALANIE SUSZENIE SITODRUK SITA PROJEKT PASTY

Rys. 3.1. Etapy wytwarzania uk³adu grubowarstwowego Tabela 3.1. Najwa¿niejsze parametry ceramik pod³o¿owych

Ceramika AlN Al2O3 BeO LTCC

Przewodnoœæ termiczna [W/(m·K)] 140–170 10–35 150–250 2–3 Rozszerzalnoœæ termiczna [10–6_{/K] 4,6 7,3 5,40 5,8–7} Rezystywnoœæ [Ω·m] 4·1011 _>1014 ₁₀13_–1015 _>1012 Przenikalnoœæ dielektryczna ε (1 MHz) 10 9,5 7 5,9-9

rezystywnej dwutlenek rutenu (RuO₂), dwutlenek irydu (IrO₂) lub rutenian bizmutu (Bi₂Ru₂O₇).

• Szk³o – proszek o wielkoœci ziaren rzêdu pojedynczych µm. Szk³o zapewnia do-skona³¹ przyczepnoœæ warstwy do pod³o¿a. Najczêœciej stosuje siê szk³o o³owiowo-borowo krzemowe (PbO–B₂O₃–SiO₂) ze wzglêdu na bardzo du¿¹ rezystywnoœæ elek-tryczn¹, stabilnoœæ, w³aœciwy wspó³czynnik rozszerzalnoœci termicznej (dopasowany do pod³o¿a) i odpowiednie zmiany lepkoœci z temperatur¹ w czasie procesu wypalania. • Noœnik organiczny – ciecz o odpowiednich w³aœciwoœciach reologicznych, dziêki którym mo¿na precyzyjnie nanosiæ warstwy na pod³o¿e technik¹ sitodruku. W sk³ad noœnika wchodzi rozpuszczalnik i etyloceluloza. Zadaniem rozpuszczalnika jest korek-cja lepkoœci, zmniejszenie napiêcia powierzchniowego oraz poprawa zwil¿alnoœci ele-mentów sta³ych pasty. Etyloceluloza utwardza siê w procesie suszenia, zapewniaj¹c wstêpn¹ przyczepnoœæ warstwy do pod³o¿a. Dziêki temu mo¿na proces sitodruku wy-konywaæ kilkakrotnie (np. podczas nanoszenia pasty dielektrycznej lub pasty rezystyw-nej o ró¿rezystyw-nej rezystywnoœci), wypalaj¹c równoczeœnie kilka na³o¿onych warstw. Noœnik organiczny rozk³ada siê i jest usuwany z warstwy w czasie wypalania.

Wszystkie sk³adniki pasty s¹ doskonale wymieszane ze sob¹. Z 1 g pasty mo¿na nadrukowaæ od 40 do 90 cm2 _{powierzchni (w zale¿noœci od rodzaju pasty, gêstoœci sita}

i gruboœci emulsji). Z pasty przewodz¹cej mo¿na wykonywaæ warstwy przewodz¹ce o rezystancji powierzchniowej w zakresie od 2 do 100 mΩ/. W sk³ad pasty wchodzi najczêœciej Au, Ag, PtAu, PdAu, PtAg lub PdAg. Zestawienie rezystancji powierzch-niowej warstw przewodz¹cych zamieszczono w tabeli 3.2.

W sk³ad past rezystywnych wchodz¹ najczêœciej tlenki platynowców o strukturze rutylu (RuO₂, IrO₂) lub pirochloru (Bi₂Ru₂O₇). Podstawowe w³aœciwoœci warstw rezy-stywnych przedstawiono poni¿ej:

a) Rezystancja powierzchniowa R_: ] / [ 10 10 7 d R = ρ = − Ω _,

gdzie: ρ – rezystywnoœæ warstwy rezystywnej, d – gruboœæ warstwy,

Tabela 3.2. Rezystancje powierzchniowe R ró¿nych warstw przewodz¹cych

Materia³ R [mΩ/] Materia³ R [mΩ/]

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

b) Temperaturowy wspó³czynnik rezystancji TWR: ppm/K ) 300 50 ( ) ( 10 ) ( 1 2 1 6 1 2 _{=± ÷} − ⋅ − = T T R R R TWR

gdzie: R₁ – rezystancja w temperaturze T₁, R₂ – rezystancja w temperaturze T₂.

Dla rezystorów grubowarstwowych podaje siê tzw. „zimny” TWR (T₁ = 25°C, T₂ = –55°C) lub „gor¹cy” TWR (T₁ = 25°C, T₂ = 125°C).

c) Obci¹¿alnoœæ p_r – parametr okreœlaj¹cy maksymaln¹ gêstoœæ mocy, jaka mo¿e byæ rozproszona w warstwie rezystywnej bez pogorszenia jej w³aœciwoœci:

dla pod³o¿y alundowych 96% Al₂O₃ ch³odzonych swobodnie

2 W/cm 15 8÷ = = r r s p p

gdzie: p_r – gêstoœæ mocy w warstwie, p – moc rozproszona w warstwie, s_r – powierzchnia warstwy rezystywnej.

Ponadto nie mo¿e byæ przekroczona dopuszczalna gêstoœæ mocy na powierzchni ca³ej p³ytki pod³o¿owej p_p, która dla pod³o¿y alundowych wynosi 0,25–1 W/cm2

d) Wspó³czynnik czu³oœci odkszta³ceniowej GF charakteryzuj¹cy w³aœciwoœci pie-zorezystywne: 20 10÷ = ∆ ∆ = l l R R GF

gdzie: ∆R – przyrost rezystancji, R – rezystancja pocz¹tkowa,

∆l – przyrost d³ugoœci, l – d³ugoœæ pocz¹tkowa.

Projekt

Typowe kszta³ty, dopuszczalne wymiary elementów grubowarstwowych drukowa-nych w zwyk³y sposób oraz odleg³oœci miêdzy warstwami przedstawiono na rysunkach 3.2 i 3.3 oraz podano w tabelach 3.3 i 3.4. Dok³adne informacje na temat projektowa-nia uk³adów grubowarstwowych mo¿na znaleŸæ w ksi¹¿ce [177].

a = kr aw êd Ÿ po d³ o¿ a dielektryk b > c ? d e f l s s 1 /2 ·s warstwa przewodz¹ca

Rys. 3.2. Typowe wymiary rezystorów oraz naciêcia stosowane przy korekcji laserowej Tabela 3.3. Typowe wymiary rezystorów grubowarstwowych (rys. 3.2) Oznaczenie D³ugoœæ [µm] Uwagi

l 1000 (500) 0,5 < l/s < 5 (0,3 < l/s <10)

s szerokoœæ zale¿y od tolerancji i mocy

a 250 (125)

b 250 (125)

c 250 (200) zak³adka

d 500 (375) odleg³oœæ od warstwy przewodz¹cej e 750 (500) odleg³oœæ od krawêdzi pod³o¿a f 500 (500) odleg³oœæ od warstwy dielektrycznej (i) – w nawiasach podano wartoœci minimalne

krawêdŸ pod³o¿a krawêdŸ pod³o¿a s1 d1 s2 d2 s2 s3 d3

Tabela 3.4. Typowe wymiary œcie¿ek przewodz¹cych (rys. 3.3)

Oznaczenie Wymiar [µm] Uwagi

s1 (125) zale¿y od natê¿enia pr¹du lub rezystancji s2 250 (125)

s3 500 (375) metalizacja ³¹cz¹ca elementy po obu stronach pod³o¿a d1 250 (200) d³ugoœæ œcie¿ki < 375 µm

d1 375 (250) d³ugoœæ œcie¿ki ≥ 375 µm d2 375 (250)

d3 250 (250)

(i) – w nawiasach podano wartoœci minimalne

Sita

Proces sitodruku jest wykonywany przez sita nylonowe, fosforobr¹zowe lub ze sta-li nierdzewnej. Najlepsze, ale i najdro¿sze, s¹ sita stalowe. W zale¿noœci od rodzaju pasty oraz gruboœci warstw jakie chcemy uzyskaæ, stosuje siê sita o ró¿nej gêstoœci. Gêstoœæ sita jest podawana w liczbie oczek na 1 cm d³ugoœci (oznaczenie T) lub 1 cal d³ugoœci (oznaczenie M lub mesh). Pastê dielektryczn¹ drukuje siê przez sita najbar-dziej rzadkie (100–200 mesh), pastê rezystywn¹ przez sita o œredniej gêstoœci (oko³o 200 mesh), a pastê przewodz¹c¹ przez najbardziej gêste (300–400 mesh).

Sita naklejane s¹ na specjalne ramy dla œciœle okreœlonej si³y naci¹gu i odpowie-dnio zachowanych proporcjach miêdzy wielkoœci¹ ramy i wielkoœci¹ pod³o¿a (rys. 3.4). Wzory na sitach mo¿na wykonaæ nanosz¹c emulsjê œwiat³oczu³¹ bezpoœrednio na sito (tzw. emulsja bezpoœrednia), lub stosuj¹c emulsjê poœredni¹ na specjalnej polimero-wej folii noœnej. Proces obróbki fotograficznej odbywa siê w tym przypadku bez sita, a emulsja jest nanoszona na sito po wywo³aniu i utrwaleniu wzoru. Gruboœæ nanoszo-nej emulsji jest dostosowana do rodzaju nanoszonanoszo-nej pasty i precyzji wykonanego wzo-ru. Najczêœciej gruboœæ emulsji mieœci siê w granicach 5–10 µm. Podczas drukowania

Rys. 3.4. Zalecane proporcje miêdzy wymiarami sita i wymiarami wzoru na sicie [64] r - szerokoœæ rakli

w - przesuw rakli h - odleg³oœæ “off-contact” k - krótsza krawêdŸ ramki l - d³u¿sza krawêdŸ ramki zalecane wymiary ramki: k = ok. 3 r l = ok. 2 w h = ok. (0,002 - 0,005) k . . . h r w k l

rakla pasta

sito rama

emulsja pod³o¿e

Rys. 3.5. Proces sitodruku

precyzyjnych wzorów stosuje siê specjalne sita kalendrowane o du¿ej gêstoœci. Bardzo dobre wyniki uzyskuje siê te¿, stosuj¹c zamiast sita cienkie folie metalowe z wytra-wion¹ siatk¹ w miejscu wzoru [64]. Lepkoœæ i w³aœciwoœci reologiczne pasty do druku precyzyjnego musz¹ byæ utrzymywane w œciœle okreœlonych granicach, a proces sito-druku jest wykonywany w pomieszczeniach o odpowiedniej klasie czystoœci. Inne me-tody nanoszenia precyzyjnych œcie¿ek i wytwarzania otworów w uk³adach wielowar-stwowych opisano w dalszej czêœci (w punkcie omawiaj¹cym nanoszenie past).

Nanoszenie pasty – sitodruk

Pastê nanosi siê na pod³o¿e najczêœciej technik¹ sitodruku. Jakoœæ naniesionych warstw oraz ich w³aœciwoœci elektryczne zale¿¹ w istotny sposób od precyzji procesu sitodruku. Bardzo wa¿na jest kontrola gruboœci nanoszonych warstw [211]. Schemat tego procesu przedstawiono na rys 3.5. Pasta jest przeciskana przez niezape³nione emul-sj¹ oczka sita za pomoc¹ elastycznej rakli wykonanej z tworzywa sztucznego. Kilka wielkoœci wp³ywa na dok³adnoœæ odwzorowania. Precyzja wykonanego wzoru zale¿y

z V V V V1 2 3



η

τ

η

η

τ

Rys. 3.6. W³aœciwoœci reologiczne cieczy: a) ciecz miêdzy dwiema p³aszczyznami równoleg³ymi, b) ciecz niutonowska, c) ciecz nieniutonowska

od gêstoœci sita, gruboœci emulsji, odleg³oœci spoczynkowej sito–pod³o¿e, naci¹gu sita, si³y nacisku rakli, szybkoœci przesuwu rakli i w³aœciwoœci reologicznych pasty. W³a-œciwoœci reologiczne to lepkoœæ pasty oraz jej zale¿noœæ od kilku czynników zewnêtrz-nych (temperatury, si³y nacisku itp.). Pasty s¹ cieczami nieniutonowskimi typu tikso-tropowego. W przeciwieñstwie do cieczy niutonowskich, z którymi spotykamy siê naj-czêœciej, lepkoœæ pasty zale¿y od szybkoœci œcinania. Podstawowe parametry opisuj¹ce w³aœciwoœci reologiczne cieczy to naprê¿enie styczne τ, lepkoœæ η i szybkoœæ œcinania R. Wielkoœci te opisuj¹ nastêpuj¹ce równania:

τ = ηR S F ∆ = τ dz dv R=

gdzie: F – si³a tarcia wewnêtrznego,

∆S – pole powierzchni warstw cieczy, miêdzy którymi wystêpuje si³a F, v – szybkoœæ przep³ywu cieczy,

z – odleg³oœæ w kierunku osi z.

Znaczenie poszczególnych parametrów wyjaœnia rys. 3.6a. Zaznaczono na nim dwie równoleg³e powierzchnie znajduj¹ce siê w p³aszczyŸnie x–y. Powierzchnia 2 jest nie-ruchoma, natomiast powierzchnia 1 porusza siê z szybkoœci¹ v_n. Poszczególne warstwy cieczy, znajduj¹ce siê miêdzy tymi powierzchniami, poruszaj¹ siê z szybkoœciami v₁, v₂, ..., v_i. Podstawowe charakterystyki reologiczne cieczy niutonowskich i nieniutonow-skich zamieszczono na rys. 3.6b i c.

Na rysunku 3.7 przedstawiono zmiany lepkoœci pasty w czasie procesu sitodruku. Najmniejsz¹ lepkoœæ ma pasta w momencie przechodzenia przez sito. Druk precyzyjny do którego stosuje siê specjalne sita kalandrowane [64], umo¿liwia wykonanie œcie¿ek

pod³o¿e sito

J

Rys. 3.7. Zmiany lepkoœci pasty w czasie procesu sitodruku

Rys. 3.8. Technologia trawienia wypalonej warstwy grubej [64]

o szerokoœci oko³o 50 µm. Inne metody wykonywania precyzyjnych wzorów to trawie-nie wypalonej warstwy (rys. 3.8), trawietrawie-nie pasty œwiat³oczu³ej po wysuszeniu (tech-nologia FODEL [2, 16, 209, 215], rys. 3.9), nanoszenie warstw metod¹ gravure offset [94, 124, 128, 125] (rys. 3.10) lub wycinanie wzorów w wysuszonej warstwie przy

po-mocy lasera (rys. 3.11) [115]. W technologii wielowarstwowej TFM (thick film multi-layer) wykorzystuje siê metodê diffusion patterning do wykonywania precyzyjnych otworów w warstwie dielektrycznej [2, 70] (rys. 3.12). Mo¿na w ten sposób wykonaæ otwory o œrednicach minimalnych, oko³o 50 µm.

Rys. 3.10. Nanoszenie warstw metod¹ gravure offset [128]

Rys. 3.11. Przyk³ad œcie¿ek przewodz¹cych wyciêtych w warstwach Pt (a) i PdAg (b) za pomoc¹ lasera (szerokoœæ/odleg³oœæ 50/80 µm)

warstwa dyfuzyjna

obszary wdyfundowane

1. Sitodruk pasty dielektrycznej i dyfuzyjnej

2. Suszenie pasty dyfuzyjnej dyfuzja œrodka maskuj¹cego

3. Wymywanie otworów strumieniem wody dielektryk

Rys. 3.12. Technologia wykonywania otworów metod¹ diffusion patterning (maskowanie dyfuzyjne)

Wypalanie

Typowe warstwy grube naniesione na pod³o¿e alundowe po wysuszeniu (w tempe-raturze 110–130 °C, w czasie 10 min.) s¹ wypalane w tempetempe-raturze maksymalnej 850 °C (czas przetrzymania 10 min.) w piecach tunelowych w cyklu 60-minutowym (rys. 3.13) lub 30-minutowym (rys. 3.14). W czasie suszenia wyparowuje rozcieñczalnik organiczny i polimeryzuje etyloceluloza wchodz¹ca w sk³ad noœnika pasty (rys. 3.15b). W czasie wypalania s¹ usuwane sk³adniki organiczne i nastêpuje zagêszczanie struktury warstwy (rys. 3.15c i 3.16).

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 0 2 00 4 00 6 00 8 00 1 000 T e m p er a tur a [° C ] czas [m in] 10 min

szybkoϾ narostu temp.

szybkoœæ sch³adzania 20 min 30 min 850 °C 300 °C - 500 °C 700 °C - 300 °C ~ 50 °C/min ~ 50 °C/min >800 °C >600 °C

Rys. 3.14. Skrócony profil wypalania warstw grubych

10 min szybkoœæ narostu szybkoœæ sch³adzania temp. szczytowa 850 °C 300 °C - 500 °C 700 °C - 300 °C ~ 100 °C/min ~ 100 °C/min 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 00 T e m p er a tur a [° C ] czas [m in]

Rys. 3.13. Typowy profil wypalania warstw grubych

W czasie wypalania typowej warstwy rezystywnej zachodz¹ nastêpuj¹ce procesy: • wypalanie sk³adnika organicznego (<450°C),

• spiekanie szk³a (400–500 °C),

• zwil¿anie cz¹stek przewodz¹cych przez szk³o (>400°C), • przemieszczanie siê cz¹stek przewodz¹cych (>400°C), • zagêszczanie szk³a (>500°C),

• wydzielanie siê gazu – tworzenie porów (550–750°C), • spiekanie ziaren przewodz¹cych (>800°C),

Rys. 3.15. Gruboœci warstwy grubej: a) po nadruku, b) po wysuszeniu, c) po wypaleniu

=

>

?

=

_@

=

>

8

Rys. 3.16. Wzglêdna zmiana gruboœci warstwy (drel) i zawartoœci objêtoœciowej porów (vp) w zale¿noœci od temperatury wypalania: a – rezystor Bi2Ru2O7, b – samo szkliwo [122]

• dyfuzja materia³u ziaren przewodz¹cych do warstwy szkliwa miêdzy ziarnami prze-wodz¹cymi (>800°C),

• dyfuzja materia³ów miêdzy warstw¹ rezystywn¹ i warstw¹ przewodz¹c¹, • dyfuzja materia³ów miêdzy warstw¹ rezystywn¹ i pod³o¿em,

• dyfuzja materia³ów miêdzy warstw¹ przewodz¹c¹ i pod³o¿em, • powstawanie naprê¿eñ termicznych,

Korekcja

Rozrzuty rezystancji rezystorów grubowarstwowych po procesie wypalania mog¹ dochodziæ do 20%. Przez wyci-nanie czêœci warstwy rezystywnej, metod¹ korekcji piasko-wej lub laseropiasko-wej, mo¿na doregulowaæ wartoœæ rezystan-cji (±0,1%). W czasie korekrezystan-cji nastêpuje zwiêkszenie re-zystancji (rys. 3.17). Przyk³ad laserowego urz¹dzenia do korekcji pokazano na rys. 3.18, a rodzaje wykonywanych naciêæ na rys. 3.2. Najczêœciej do korekcji stosuje siê laser Nd-YAG (domieszkowany neodymem granat itrowo-alu-miniowy) o d³ugoœci fali 1064 nm, pracuj¹cy w modzie TEM00, o mocy 5–10 W. Jakoœæ naciêcia mo¿na poprawiaæ dobieraj¹c odpowiednio czêstotliwoœæ wi¹zki laserowej, jej moc i szybkoœæ przesuwu wzglêdem warstwy rezystywnej.

impulsy lasera czas czêœæ wspólna naciêæ szerokoœæ wi¹zki = > laser uk³ad optyczny lustro y lustro x soczewka zwierciad³o pó³przepuszczalne uk³ad grubowarstwowy kamera tv lub mikroskop

Rys. 3.18. Urz¹dzenie do korekcji laserowej. a) wygl¹d naciêcia, b) droga optyczna wi¹zki [34] n

a)

b)

R Rys. 3.17. Rozk³ad rezystancji: a) po wypaleniu i b) po korekcji.

R Рrezystancja, n РlicznoϾ

Po korekcji uk³ady grubowarstwowe s¹ testowane – do³¹cza siê elementy zewnêtrz-ne (najczêœciej metod¹ monta¿u powierzchniowego), tnie siê na poszczególzewnêtrz-ne uk³ady i do³¹cza wyprowadzenia, na koniec zabezpiecza lub montuje w obudowach.

W rozdziale podano podstawowe informacje na temat wyjœciowego materia³u LTCC, struktury krystalograficznej materia³u LTCC w ró¿nych stadiach procesu oraz wyniki pomiarów termograwimetrycznych wykonanych w czasie procesu wypalania folii LTCC. W dalszej czêœci podano informacje na temat poszczególnych etapów wytwarzania struk-tury LTCC, w³aœciwoœci wypalonego materia³u oraz zasad projektowania modu³u LTCC. Na rysunku 4.1 przedstawiono przekrój przez gotowy modu³ LTCC. Wewn¹trz struk-tury zaznaczono zagrzebane elementy bierne typu 2D (dwuwymiarowe) i 3D (trójwy-miarowe), otwory termiczne odprowadzaj¹ce ciep³o, otwory wype³nione past¹ przewo-dz¹c¹ tworz¹ce sieæ po³¹czeñ elektrycznych miêdzy poszczególnymi elementami oraz

wierzchnia œcie¿ka przewodz¹ca spodnia œcie¿ka przewodz¹ca rezystor powierzchniowy elementy aktywne rezystor zagrzebany zagrzebane via wnêka element zagrzebany 3D via zagrzebany kondensator

kana³y i wnêki, przez które mo¿e byæ przepuszczany gaz lub ciecz. Na powierzchni struk-tury s¹ wykonane elementy grubowarstwowe wypalane razem z modu³em LTCC (cofi-ring) lub nadrukowane na wypalon¹ strukturê LTCC i wypalane oddzielnie (postfi(cofi-ring). Na powierzchni znajduj¹ siê ponadto elementy czynne typu SMD do³¹czone metod¹ SMT lub ball grid.

4.1. Materia³y

Firmy produkuj¹ce folie LTCC o ma³ej sta³ej dielektrycznej przy doborze wyjœcio-wego sk³adu stosuj¹ dwa rozwi¹zania. Pierwsze rozwi¹zanie polega na u¿yciu szkie³

ulegaj¹cych krystalizacji i uzyskaniu w wyniku procesu krystalizacji uk³adu LTCC sta-nowi¹cego szk³o-ceramikê. Najczêœciej stosowanymi szk³ami ulegaj¹cymi krystaliza-cji podczas procesu wypalania s¹: MgO–Al₂O₃–SiO₂, CaO–B₂O₃–SiO₂, CaO–Al₂O₃– –SiO₂, BaO–Al₂O₃–SiO₂, ZnO–Al₂O₃–SiO₂ [184].

W drugiej metodzie za materia³ wyjœciowy stosuje siê mieszaninê sk³adnika cera-micznego i szk³a, która po procesie wypalania tworzy kompozyt szk³o+ceramika. Jako sk³adnika ceramicznego wykorzystuje siê kordieryt, kwarc, Al₂O₃ i mulit. Najczêœciej u¿ywane szk³a ulegaj¹ce krystalizacji to: B₂O₃–SiO₂, SiO₂, B₂O₃, PbO–B₂O₃–SiO₂ [184].

W³aœciwoœci tworzyw ceramicznych, szkie³ i kompozytów szk³o+ceramika zamie-szczono w tabeli 4.1 [184]. W tabeli 4.2 podano informacje o modu³ach szklano-cera-micznych LTCC o ma³ej sta³ej dielektrycznej wytwarzanych przez ró¿nych producen-tów. Na rysunku 4.2 pokazano sposób wytwarzania folii LTCC.

Firma DuPont opracowa³a technologiê green tape, która umo¿liwi³a otrzymanie mo-du³ów LTCC o ma³ej sta³ej dielektrycznej (4,8), ma³ym wspó³czynniku strat (<0,003) i wspó³czynniku rozszerzalnoœci cieplnej dopasowanym do krzemu (4,4·10–6_{/°C) [95,}

184]. Materia³ green tape jest mieszanin¹ trzech sk³adników: