TLUSTÉ VRSTVY - UMEL - Vysoké učení technické v Brně

Obsah• Úvod – tlusté vrstvy• Sítotiskové pasty• Depozice past - sítotisk a síta- šablonový tisk- popisem (writing)• Sintrace (výpal) tlustých vrstev• Tlustovrstvové pasty• Vrstvový odpor a návrh rezistorů• Návrh kondenzátorů a cívek• LTCC

ÚvodMiniaturizacehardwareMikroelektronikaKonstrukční(assembly)substraty(DPS, keram.)Obvodová Funkční Diskrétní prvkyOptoelektronikaKonstrukční prvkyPolovodičové IO Vrstvové IO Mikrovlnná Moduly …MCMMonolitickéTV(Tenkévrstvy)AkustoelektronikaPouzdraNa izolačníchpodložkáchTLV …..LTCCBioelektronikaCOIC, BGA, CSPCMOS, BiCMOS,CCD, BiCMOS ….polymerníKvantováelektronikaatd.MEMS, …atd.

Tlusté vrstvy - úvod• TLV jsou vytvářeny nanášením funkčních materiálů veformě pasty na keramické substráty aditivním způsobem.• Charakteristickým znakem tlustovrstvové technologiepoužívané v elektronice pro realizaci vodivých, odporovýcha dielektrických vrstev je amorfní struktura vytvořenánevakuovými depozičními metodami (nejčastěji sítotiskem),a následným výpalem při teplotě kolem 850C.• Tloušťky vrstev po výpalu se pohybují řádově v desítkáchm, tedy přibližně o dva řády více než je tomu u tenkýchvrstev.

Tlustovrstvové struktury

Tlustovrstvovéhybridní integrovanéobvody

Tlusté vrstvy - TLV• Tlusté vrstvy jsou založeny na fyzikálních a chemických jevech zoblasti elektrotechniky, pro jejichž využívání jsou aplikovány materiálovésměsi nabízené jejich výrobci ve formě past (tixotropní pasty … DuPont,ESL, Hereaus …). Tyto pasty mohou být vodivé, odporové nebodielektrické a lze s nimi vytvořit tlustovrstvové (TLV) nebo tenkovrstvové(TV) pasivní sítě.• Pod pojmem TLV/TV hybridní integrované obvody (HIO) jsou obecněchápány elektrické obvody (pasivní i aktivní sítě) vytvořené TLV/TVtechnologií, doplněné polovodičovými součástkami. Jsou-li polovodičeve formě čipů, jedná se o klasický TLV HIO, naopak jsou-li ve forměSMD součástek, jedná se o povrchově montovaný HIO.• Takové obvody se skládají z elektrických prvků a mají většinoujednoznačný elektrický model.• Naproti tomu obvody, ve kterých je využit takový děj (fyzikální,chemický,…), při němž je signál šířen jinou cestou než elektrickou, jsouobecně řazeny do oblasti nekonvenčních aplikací tlustých vrstev. Polenekonvenčních aplikací se v současnosti velmi rychle rozšiřuje a vyvíjí .

Tlusté vrstvy - využití• Mezi nejčastější využití tlustých vrstev vedlerealizace výkonových či mikrovlnných obvodůpatří nekonvenční aplikace, kam lze v současnostizahrnout oblast optických displejů, topnýchelementů, solárních článků, antén pro čipové karty,vysokonapěťové izolace, rychlých tlustovrstvovýchpojistek, vysokoteplotních supravodičů,piezoreproduktorů ahlavně senzorů, včetněbiosenzorů.

Obsah• Úvod – tlusté vrstvy• Sítotiskové pasty• Depozice past - sítotisk a síta- šablonový tisk- popisem (writing)• Sintrace (výpal) tlustých vrstev• Tlustovrstvové pasty• Vrstvový odpor a návrh rezistorů• Návrh kondenzátorů a cívek• LTCC

Tlusté vrstvy - pasty• Materiály používané v elektronice pro vytvářenípasivních sítí jsou dodávány ve formě past (Inks)s definovanou viskozitou.• Tlustovrstvové pasty představují heterogennítermodynamický systém, tj. systém s více složkami orůzných chemických a fyzikálních vlastnostechs odděleným povrchovým rozhraním.• Vyznačují se tixotropními vlastnostmi, což znamená, žejejich viskozita se mění v závislosti na mechanickémtlaku

Příprava past• Pasty jsou připravovány z práškových materiálů mícháním aroztíráním (rozpracováním) těchto komponent s pojivem(např. terpineol), které dodá příslušné pastě potřebnouviskozitu.• Materiálové kompozice jsou připravené ve forměpráškových frit, pokud možno s co nejdefinovanějšímtvarem jednotlivých částic (o průměru 5 m) tak, aby bylyzaručeny jak dobré tiskové vlastnosti, tak také homogenitapasty při jejím nanášení a následném výpalu.

TLV pasty a reologie (1)…slavné zvolání starořeckého filozofa Herakleita „Panta rhei!“, neboli „Vše plyne“.• Řecké slovo rhein znamená téci a rheologie/reologie je tedy nauka o toku a plynutí, přesnějiřečeno, je to věda o časově závislých tokových a deformačních procesech v různýchmateriálech.• 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. Vestarozákonním zpěvu prorokyně Debory se vyskytuje verš „skály tekly před Hospodinem“.Podle tohoto Debořina zpěvu bylo v rheologii zavedeno takzvané Debořino číslot rel je relaxační doba daného materiálu, která charakterizuje rychlost molekulárních přeskupení.(je velice krátká pro tekutou vodu a velmi dlouhá pro tvrdou žulu)t obs 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 počátkupodmořské exploze se i voda může jevit jako velmi tvrdý a tuhý materiál).

Tlustovrstvové pasty – reologie (2)• Reologie - vědní obor mechaniky spojitých prostředí• Zkoumá a modeluje deformační vlastnosti látek(deformace ε, napětí σ)Euklidova hmotaHookova hmota(Newtonova hmota)Pascalova hmota

TLV pasty a reologie (3)Středoškolská fyzika zná dva zákony, kteréjsou základem veškeré mechaniky. Jsou to:• Newtonův zákon viskózního toku, kterýdefinuje viskozitu• Hookův zákon o deformaci tuhých těles.

TLV pasty a reologie (4)• Zatímco Newtonův zákon viskózního toku je základem mechaniky kapalin, naopačné straně mechaniky materiálů je Hookův zákon deformace tuhých těles.Když jej Robert Hooke experimentálně objevil, dlouho se trápil pochybnostmi anejprve zveřejnil v roce 1676 tajuplný anagram „ceiiinosssttuv“, o němžprohlásil, že skrývá skutečnou teorii pružnosti.• Teprve o tři roky později uveřejnil úplný článek, v němž prozradil, že záhadnýnápis lze přepsat do latinského výroku „Ut tesion sic vis“ neboli „Jaké protažení,taková síla“. Při tahovém zatížení je mechanické napětí σ přímo úměrnédeformaci ε neboliϬ se nazývá prostě napětím, ε relativním prodloužením a konstanta E Youngovým modulempružnosti (modulem pružnosti v tahu). Grafem takového vztahu je přímka a její směrnice jetentokrát Youngův modul pružnosti E (odpor ideálně hookeovského tělesa proti deformaci závisína její velikosti, ale vůbec nezávisí na rychlosti).

Tlustovrstvové pasty - složeníTři základní složky:• Funkční (určuje charakter pasty – drahé kovy u vodivých past,dielektrické materiály u dielektrických past,oxidy u odporových past)• Tavivová (nízkotavná skla pro vytvoření vazby na substrát)• Pojivová (organické materiály – např. terpineoil – prodosažení potřebné viskozity, při sintraci se odpaří)

TLV pastykovová frita (prášek)

Obsah• Úvod – tlusté vrstvy• Sítotiskové pasty• Depozice past - sítotisk a síta- šablonový tisk- popisem (writing)• Sintrace (výpal) tlustých vrstev• Tlustovrstvové pasty• Vrstvový odpor a návrh rezistorů• Návrh kondenzátorů a cívek• LTCC

Způsob nanášení viskózních materiálůNanášení tlustých vrstev se v mikroelektroniceprovádí následujícími způsoby:• sítotiskem• šablonovým tiskem• popisem (writing)• přímé způsoby (jehlou, hrotem, dispenzerem)

Princip sítotisku

Průběh viskozity v procesu sítotiskuNejnižší viskozity dosahují pasty při nanášení stěrkou v okamžiku odskokusíta (bod C), kdy dochází k přenosu pasty na substrát.

Ruční sítotiskAutomatický sítotisk

Pracoviště sítotiskuElectro Science LaboratoryDuPontHeraeusTanaka, Senju, Sumitomo MetalJapan……CLEC Group, Jiangyin MengyouElectric …

Faktory působící v průběhu sítotisku

SítaTabulka :Parametry polyesterových sít používaných pro nanášení pájecích pastPočet ok naPrůměrvláknaTloušťkasítaSvětlost okaSvětlost sítaTeoret. objemprotlač. pasty(palec/cm) (cm2) (m) (m) (m) (%) (m 3 /oko)35/14 196 220 410 500 48,2 197,5 →60/24 576 145 265 275 42,8 113,580/32 1024 100 170 200 44,5 75,5100/40 1600 80 130 167 45,7 59,5130/51 2600 70 116 120 38,7 45 Tl160/62 3844 64 112 92 32,2 38 us205/81 6560 48 82 72 34 28 té240/95 9025 48 67 50 22,7 19,5305/120 14400 34 57 44 27,9 16Pájecípastyvrstvy←

Parametry sítaTkaná síta, které jsou vyráběny z nerezové oceli, nebo pomocípolymerních materiálů.A o… světlost síta

Parametry síta a tloušťka čárybmin 2dwb min - minimálníhodnota tloušťky čáryd - průměr vláknaw - šířka okat - tloušťka síta

Pružnost a protažení síta

Osnova síta a šablonaPřímá (emulze)Nepřímá (fólie)Síto se pak opatří vrstvou světlocitlivé emulze s tloušťkou 25μm, která uzavře všechnyjeho otvory. Ovrstvené síto se osvětlí přes fotomatrici ultrafialovým světlem aneosvětlené části emulze se vyplaví ve vodě. Šablona zhotovena popisovanýmzpůsobem se nazývá přímou sítotiskovou šablonou. U nepřímých sítotiskových šablonse používá místo maskovací emulze šablonových filmů, u kterých je světlocitliváemulze na pomocném plastovém nosiči. Motiv tištěného obrazce je zhotoven předem apak přenesen na síťku.

Příklad síta se šablonou

Šablonový tiskŠablonový tisk je svou základní podstatou obdobou sítotisku. Rozdíl jev provedení šablony, jejíž motiv určený k tisku je vytvořen v pevném(tuhém) materiálu, kterým často bývá ocelová nebo bronzová planžeta(např. CuSn6).Šablona se přikládá kontaktně přímo na substrát, takže hodnota odtrhu opo celou dobu tisku rovna nule (viz obr.). Vlastní odtrh šablony odsubstrátu (anglicky „snap-off“) je pak proveden mechanickým pohybem,zpravidla stolu tiskového stroje, až po ukončení pohybu stěrky a tedy ponanesení pasty do volného prostoru (motivu) v šabloně. Po odtrhu jepasta příslušného tvaru odpovídajícího nanášenému motivu přenesenana substrát.Je zřejmé, že tištěné motivy musí být natolik uzavřené plochy aby nebylanarušena tuhost šablony. Rychlost odtrhu musí být dostatečná proto,aby se šablona dobře oddělila od nanesené pasty a aby zůstalzachován nanesený obrazec (~ 10 mm/s ). Tři postupné základní krokypři šablonovém tisku jsou znázorněny na obr

Šablonový tiskŠablonový tisk je metoda nanášení podobná sítotisku, rozdíl je v tom, ženamísto síta je použita do rámu upnutá kovová šablona s vytvořeným motivem(leptáním nebo laserem). Šablona je přiložena přímo na substrát a její odskok jeproveden po nanesení pasty do volných prostorů celoplošně. Tento způsobtisku je vhodný pro nanášení souvislých ploch, nikoliv však dlouhýcha složitých čar. Proto se používá k vytváření kontaktních plošek a k nanášenípájecích past.

Chemické leptání šablon• Chemické leptáníŠablona se vytváří chemickým odleptáním plechuz nerezové oceli, kdy se na plech nanáší obrazz chemicky odolné látky, která chrání místa, kteránemají být odleptána. Tato metody vytváří šikméhrany, které mohou způsobit zatékání past při velmijemných strukturách i když jsou hrany otvoru hladké

Laserové řezání šablon• Šablony se vytváří řezáním pomocí laserového paprsku do kovovédesky. Laser řeže otvory do kovové desky kontinuálněs lichoběžníkovými hrany (s proměnnou kuželovitostí). Tytošablony jsou obecně drahé než chemicky leptané šablony. Vnitřnístěny mohou pomocí elektrolytickému leštění dosáhnout hladkéhopovrchu. Metoda je vhodná pro velmi přesné aplikace a prowaferový tisk.

Galvanoplastické šablonyŠablony vytvořené touto metodou jsou nejlepší pro velmi jemnéstruktury a waferový tisk. Proces se skládá z nanášení niklu nafotoaktivní plastovou vrstvu pokovováním, která se mění působenímsvětla na požadovaný obraz šablony. Fotoaktivní vrstva je odstraněna,když je dosažena tloušťka niklové vrstvy dosáhne 25 (m. Šablonavytvořená touto metodou je 5-10x levnější než šablona vytvořenálaserovým řezáním o stejném množství otvorů.

Návrh šablony• Tloušťka šablony t se volí podle rozměrů motivu• Kritický je minimální rozměr x minčáry (vodiče)Platí obecné pravidlo, že nejmenší rozměrpravoúhlého motivu musí být více než 0,66tloušťky šablony, což lze vyjádřit vztahem:Xmin : t = 1 : 1,5

Nanášení popisem (DirectWriting)Základní části zařízení:• Plotter obsahující dávkovací jednotku (dispenser) a pohonstolku (manipulátor)• Řídící jednotka s řídícím softwarePLOTTER DRIVE UNITCAD DATADISPENSING UNITX,Y,Z AXIS

Zařízení pro writing

Obsah• Úvod – tlusté vrstvy• Sítotiskové pasty• Depozice past - sítotisk a síta- šablonový tisk- popisem (writing)• Sintrace (výpal) tlustých vrstev• Tlustovrstvové pasty• Vrstvový odpor a návrh rezistorů• Návrh kondenzátorů a cívek• LTCC

Výpal – sintrace tlustých vrstev• Po nanesení vrstvy na keramický substrát je nutné vrstvu aktivovattepelným sintrováním• V jeho průběhu se vytváří spojení vrstvy se substrátem a na povrchu seformuje aktivní struktura• Vypálená vrstva je tvrdá a odolná vůči mechanickým i chemickým vlivůmVypalovací teplotní profil:1. sušení 70-150°C …15-30 minut2. zóna předehřívací350°C3. zóna vypalovací850°C4. zóna chladící

Tlustá vrstva na keramickém substrátu po výpalu

Struktura TLV vodiče po výpalu

Technologický postup vytvářenítlustovrstvové struktury• Typický sled operací v procesu vytváření tlustovrstvovéstruktury je znázorněn na obrázku. Operace sítotisku anásledného zasušení se může v případě nanášení vícetypů odporových past, nebo také při vytvářenívícevrstvých struktur s dielektrikem několikrát opakovat.ČištěnísubstrátuSítotisk a sušenívodivé vrstvyVýpal vodivévrstvySítotisk a sušeníodporové vrstvyVýpal odporovévrstvyTrimováníodporové vrstvy

Obsah• Úvod – tlusté vrstvy• Sítotiskové pasty• Depozice past - sítotisk a síta- šablonový tisk- popisem (writing)• Sintrace (výpal) tlustých vrstev• Tlustovrstvové pasty• Vrstvový odpor a návrh rezistorů• Návrh kondenzátorů a cívek• LTCC

TLV materiályMateriály pro tlusté vrstvy jsou dodávány ve formě past. Svým složením sepasty, jejichž viskozita má hodnotu pohybující se v rozsahu 50 až 80 Pas,skládají ze tří základních složek:• funkční• tavivové• PojivovéFunkční složka určuje charakter pasty a je tvořena částicemi drahých kovů uvodivých materiálů nebo částicemi dielektrických a skelných frit u izolačníchmateriálů. U odporových materiálů je složení funkční složky závislé napoužitém odporovém systému jehož základ může tvořit směs drahých kovů(např. PdAg) nebo oxidy (např. Ru 2 O). Velikost částic se pohybuje řádově vm a jejich velikost musí být dostatečně malá oproti velikosti ok síta.Tavivová složka je tvořena skleněnou fritou, jejímž posláním je vytvoření vazbymezi funkční složkou a substrátem. Proto se používají pro tavivovou složkunízkotavná skla s teplotou měknutí již od 600C. V poslední době sepoužívají stále více pasty s oxidovou vazbou vytvořenou přídavným kovem(např. 4% Cu do Au).Při výpalu musí dojít k měknutí, nikoli však k roztavení,aby vznikla nosná matrice pro funkční složku.Pojivová složka obsažená v pastě zajišťuje její tiskové vlastnosti – viskozitu a tvoříji organické látky jako např. terpineol, butyldiglykolacetát apod. Tato složkase v průběhu tepelného zpracování odpaří a nepodílí se na konečnéfunkčnosti vrstvy.

Materiály pro TLV - pastyMateriály ve formě sítotiskových past lze rozdělit do tří základních skupin:• vodivé,• odporové,• Dielektrické, izolační a krycí,• speciální.- Pro vodivé pasty se používají jako funkční složka drahé kovy (Au, Pd,Pt, Ag), především pro svoji stálost a netečnost vůči vlivům prostředí.- Jako funkční složka odporových materiálů se používají různé směsidrahých kovů, které u některých systémů vytvářejí oxidy (např. RuO2).Hodnota odporu je nastavována poměrem vodivé (kovové) části atavivové (skelné) složky.- U dielektrických past tvoří funkční složku materiály používané prokeramické kondenzátory (typ I nebo II ) a u izolačních past různé typyskelných frit.Jako tlusté vrstvy mohou být nanášeny i další předem připravené funkční směsi. Tytomateriály řadíme do skupiny speciálních past, jako jsou např. termistorové,magnetické, luminiscenční, stínící a také pasty pro chemické senzory apod.

Vodivé pastyFunkce vodivých past:Vodivé pasty mají tyto základní funkce:1. Propojení součástek2. Zakončení rezistorů3. Jsou vhodné jako kontaktní plošky pro diskrétní součástky4. používají se jako elektrody tlustovrstvých kondenzátorůVlastnosti materiálu pro vodivé tlusté vrstvy:Jsou požadovány následující vlastnosti:1. Dobrá vodivost, 0,002 až 0,15 W/2. Dobrá adheze3. Musí poskytovat spolehlivý základ pro připojení drátového vodiče4. Pasta musí poskytovat dobrou eutektickou matrici pro spojení5. Pájitelnost s vysoce čistým spojem co se přechodového odporu týká6. Stabilní a neměnné vlastnosti během výrobního procesu7. Dobrá přesnost tisku a rozlišitelnost natištěných čar.8. Dobré tiskové vlastnosti bez roztečení pasty po tisku, tvorbě skvrn nebozvrásnění natištěné vrstvy9. Dlouhá životnost

Vodivé pasty• Vazební složka se skládá z nízko tavných skel kteráspojují kovové částice vzájemně mezi sebou a zároveňzajišťují spojení pasty se základním substrátem.• Pojivová složka určuje tiskové vlastnosti materiálu.Zaujímá většinou kolem 12 až 25% hmotnosti vodivépasty. Pojiva obsahují alkoholy, různé oleje a -terpineol.• Funkční složka obsahuje částice vodivého kovovéhomateriálu menší než 5 m. Typicky zaujímá funkčnísložka 50 až 70% celkové hmotnosti pasty. Velikost,rozložení a tvar částic mají velký význam pro výslednéelektrické a fyzikální vlastnosti natištěné vrstvy.

Vodivé pasty – funkční složku vodivých past představují prášky drahých kovů,jejich směsi nebo slitiny (AgPd, AuPd, AuPt, Au). Přídavek druhého kovu upravujevlastnosti vrstvy (snižuje celkovou rozpustnost v pájce případně omezuje el. migraci)Základ pastyZlatoPalladiumstříbro (Ag)Palladium zlatoPlatina zlatoTypický odpor(/ ) 0,005 0,03 0,05 0,05Pájitelnost Ne Výborná Výborná VýbornáKontaktovatelnostdrátemKontaktovatelnosttlakemVýborná Průměrná Dobrá DobráVýborná Průměrná Dobrá DobráCena Vysoká Nízká Vysoká VysokáMateriálNejvíce užívané oblastiZlato Všechny kromě 9, 13, 14Palladium stříbro (Ag) Všechny kromě 9, 10, 11Palladium zlato Všechny kromě 1, 10, 11, 14Platina zlato Všechny kromě 1, 10, 11, 14Kódy oblastí použití:1. mikrovlnné výčnělky 8. vrchní desky kapacitorů2. přívody rezistorů 9. kontakty pro spínače3. spodní část vodivých vrstev 10. drátové spoje4. vodivé vrstvy 11. tlakové spoje5. vícevrstvové vodiče 12. zemnící plochy6. křížení vodičů 13. pájecí místa7. spodní desky kapacitorů 14. velmi levné aplikace

Odporové pastyOdporové pasty umožňují realizaci tlustých odporových vrstev typu cermetu,který je založen na kombinaci práškového vodivého pigmentu a skelnéboritokřemičité frity. Požadované hodnoty odporu lze dosáhnout volboukoncentrace vodivých částic v heterogenním systému. S ní souvisí iuspořádání vodivých částic ve skelné matrici. Kvalita a reprodukovatelnostvlastností odporových vrstev závisí na dodržení technologických podmínek,především teploty (na ± 1ºC) a doby výpalu.VlastnostJednotka Pd-Ag RuO 2RuteničitanyPlošný odpor Rp Ω 10-10 5 1-10 7 10-10 7Rozptyl odporu po výpalu % 30 10 10-25Typické vlastnosti odporových pastTeplotní součinitel-55 až + 125ºCK -1 300.10 -6 300.10 -6 50-250.10 -6Napěťový součinitel V -1 150.10 -6 400.10 -6 -19.10 -6Vypalovací teplota oC 850 980 850Doba výpalu min 60 45 60

Odporové pastyPožadavky:- Široký rozsah hodnot vrstvového odporu- Stabilita odporové hodnoty, zvláště při zvýšených teplotách- Nízký teplotní součinitel odporu (TCR)- Dobrá reprodukovatelnost parametrů na různých substrátech- Nízký napěťový součinitel odporu (VCR)- Nízký šum- Kompatibilita s vodivými pastamiTypický průběh TKRModerní odporové pasty jsou založeny na bázi kysličníků rhutenia, iridia a rhenia. Tyto kompozice jsoumálo citlivé na změnu teploty v průběhu sintrace než tomu bylo u klasických cermetových past, arovněž vykazují lepší hodnoty TCR a stability. Všeobecně TCR je závislé na hodnotě vrstvovéhoodporu, kde nejpříznivější hodnoty jsou u 1kΩ/čtv. až 10kΩ/čtv. (viz obr.).

Odporové pasty 1ohm/ - 1Mohm/ / (Hereaus)Typical Fired Resistor Properties **):R 8900 D Series R 8911 D R 8921 D R 8931 D R 8935 DL R 8935 DHN R 8941 DN R8951 D R 8961 DNResistivity 2) 10 ± 10% 100 ± 10% 1 k ± 10% 5 k ± 10% 5 k ± 10% 10 k ± 10% 100 k ± 10% 1 M ± 10%TKR 2) [ppm/K] ± 100 ± 100 ± 100 ± 100 ± 100 ± 100 ± 100 ± 100Short term overload Voltage 3) [V/mm]7.5 26 78 - - 180 415 479Standard working voltage 4) [V/mm]3 10 31 - - 72 165 192Maximum rated power dissipation 5) [mW/mm2]910 1000 975 - - 650 280 37Quantech noise 6) [dB] -25 -19 - - -11 -1 -• (2 layers, printed with a 200 mesh steel screen; screen thickness and emulsion thickness combined was c.100 µm)• Substrate: 96% alumina (Ceramtec, Rubalit 708 S).• Printing: 200 mesh stainless steel screen with 30 μm emulsion, to a dried thickness of 25 ± 3 μm (resistivity £ 10 W: 22 ± 3 μm).• Firing: 60 minute cycle (furnace entry to exit) to a peak temperature of 850 °C for 10 minutes.• 2) Shipping specifications: Resistor geometry: 1.5 x 1.5 mm. Temperature coefficient of resistance: -55 °C to +25 °C and +25 °Cto +125 °C.• 3) Short term overload voltage: Voltage required (5 seconds duration) to induce a resistance change of ± 0.1% in a 1 x 1 mmresistor at 25 °C.• 4) Standard working voltage: 0.4 x short term overload voltage.• 5) Maximum rated power dissipation = (standard working voltage)/ resistance• 6) Resistor geometry: 1 x 1 mm at power wattage of 0.1 W.• 7) On request: Available down to 0.5 W / .• **) Typical properties based on laboratory test methods. For optimum results all materials should be fired in a profiled furnacesupplied by dried,

Dielektrické pastyZákladní požadavky:• Vysoká elektrická pevnost (10 7 V/m)• Dobrý izolační odpor (10 22 ohm.m −2 )• Nízký ztrátový činitel (

Dielektrické pasty• Z hlediska využití u MHIO je možné dielektrické pasty rozdělit do třískupin. První skupinu tvoří pasty pro vytváření kapacitorů, druhou proizolaci křížících se vodičů, a třetí pro krytí a pouzdření pasivních sítí,především rezistorů.• Základní materiály používané pro dielektrika kondenzátorů jsouodvozeny z materiálů používaných pro klasické keramickékondenzátory. Je to především stabilit, rutilit a negatit jež jsoucharakterizovány nízkou hodnotou kapacity, nízkým ztrátovýmčinitelem a minimální teplotní závislostí.

Složení dielektrických pastV teplotním cyklu používaném při zpracování tlustých vrstev nelze použít teplotunutnou pro sintraci těchto materiálů />1500˚C/ a proto jsou tyto smíchány v pastěs pojivou skelnou složkou vytvářející vazbu s nosnou podložkou. Pro takovýsystém keramika – sklo, platí pro stanovení výsledné permitivity Lichteneckerůvvztah :log2V1.log1V2. logkde V 1,V jsou objemové části skelné a keramické složky ve výsledné vrstvě /V 2 1 +V 2 /,ε 1 ,ε 2jsou permitivity skelné a keramické složky.Pro izolaci mezi křížícími se vodiči se používají materiály na bázi různých sklovin /ε r=5-10, jejichž ztrátový činitel závisí na kmitočtu /0,01 – 0,005 pro stovky MHz/.Vrstvy určené k ochranným účelům (krycí) jsou vytvořeny na bázi nízkotavnýchbezalkalických skel. Žádoucí je nízká permitivita a dobrá homogenita.

Vlastnosti izolačních pastParametrJednotkaSklovinajednoducháSklovinarekrystalizačníSklokeramikaTloušťka vrstvy µm 37-50 37-50 37-50Relativní permitivita ε r(1kHz)Ztrátový činitel tg δ1kHz- 6-9 10-20 11- 0,005 0,005 0,005Činitel jakosti Q (1kHz) - 500 1000 -Izolační odporměř.při napětí 100 VΩ 10 11 10 11 10 13Elektrická pevnost E dkVmm -1 8,5 11 20Vypalovací teplota ˚C 875 850 850Doba výpalu min 60 60 45

Speciální pasty• Termistorové• Pro topná tělesa• Pro zobrazovací prvky• Feromagnetické• Piezoelektrickéwww.electroscience.com

Obsah• Úvod – tlusté vrstvy• Sítotiskové pasty• Depozice past - sítotisk a síta- šablonový tisk- popisem (writing)• Sintrace (výpal) tlustých vrstev• Tlustovrstvové pasty• Vrstvový odpor a návrh rezistorů• Návrh kondenzátorů a cívek• LTCC

Vrstvový odpor (Sheet resistance)R ls lw tRv1wRvAkde R je hodnota odporu rezistoru [] je měrný odpor [.m]l je délka odporu [m]s je plocha průřezu odporu [m2]w je šířka odporu [m]t je tloušťka odporu (vrstvy) [m]Rv je vrstvový odpor ( )A je počet čtverců (vyjadřující poměr délky ku šířce)

Tolerance procesuDostatečné tolerance odpor - kontaktyŠpatný návrh odpor –kontakty (odporová – vodivápasta), nedostatečné přesahyToleranční poleodpor - kontaktyJak vyplývá z obrázků, tolerance vývodů je ±175 µm, v některých případech můžebýt i méně (±125 µm). Při řízené technologii je to až ±75 µm.Stejná tolerance platí pro kondenzátory, i když jejich návrh je odlišný.

Tlustovrstvový rezistor

Trimování (justování) odporů

Výkonové zatížení odporůVelikost plochy rezistoru je přímo úměrná jehovýkonovému zatížení P. Pro jeho výpočet vyjdeme zevztahu pro stanovení plochy rezistoruS R = P / P 0SRPPOkde P je výkonové zatížení rezistoru [W]P 0 je měrné výkonové zatížení pro daný typ pasty a substrátu [W/mm 2 ]Úpravou a dosazením výrazu pro počet čtvercůodporové vrstvy dostaneme pro šířku:w PP lOPOPA(nebo podobným způsobem pro výpočet délky rezistoru)

Navrhněte a nakreslete v minimální rozměrové konfiguraci tlustovrstvový rezistor R = 2k2 pastou 1 k Ωna čtverec pro výkonové zatížení P = 1 W, je-li na substrátu tloušťky 0,635mm jmenovité zatíženíodporu Po = 200 m W / mm 2 .SPPo10,2 5mm2S l.wS 2,2w2225mm 2,2wZkouška správnostinavrženého odporu:

Obsah• Úvod – tlusté vrstvy• Sítotiskové pasty• Depozice past - sítotisk a síta- šablonový tisk- popisem (writing)• Sintrace (výpal) tlustých vrstev• Tlustovrstvové pasty• Vrstvový odpor a návrh rezistorů• Návrh kondenzátorů a cívek• LTCC

Vrstvové kondenzátoryTopologievrstvovéhokondenzátoruC = ε . S / dε … permitivitaS … plocha elektrod (mm 2 )D … vzdálenost mezielektrodami (mm)Topologieinterdigitálníhokondenzátoru

Induktor (cívka)Indukčnost plochéspirálové cívky:N … počet závitůR … střední průměrD … šířka vodiče

Obsah• Úvod – tlusté vrstvy• Sítotiskové pasty• Depozice past - sítotisk a síta- šablonový tisk- popisem (writing)• Sintrace (výpal) tlustých vrstev• Tlustovrstvové pasty• Vrstvový odpor a návrh rezistorů• Návrh kondenzátorů a cívek• LTCC

LTCC – Low Temperature Cofired CeramicNízkoteplotní souběžně vypalovaná keramická fólie)• Technologie LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) nacházísvé uplatnění zejména v mikrovlnných aplikacích. Žádné jinétechnologie nevykazují takovou rovnováhu mezi různýmiparametry, jako jsou nízké ztráty ve vodičích, přesné rozměry,cena, spolehlivost atd. Jedná se o technologii realizovanou nakeramickém substrátu, jehož vlastnosti se mírně liší odvlastností klasických keramických materiálů. Charakteristickévlastnosti 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 – základní principNevakuová technologie využívající sítotisk a plastické keramické substrátypro realizaci pasivních sítí. Skládá se několik substrátů na sebe. Jednotlivésubstráty se propojí s pomocí prokovených děr.Výhody: nízké dielektrické ztráty, definovaná a stabilní relativní permitivita,dobrý odvod tepla malé rozměry a nízká cena

LTCC – znázornění technologického procesu

LTCC – technologický postup• Substrát LTCC můžeme charakterizovat jako vícevrstvý keramickýsubstrát, který umožňuje na jednotlivé vrstvy integrovánípropojovacích vodivých sítí a pasivních prvků. Jednotlivé vrstvysubstrátu mohou mít různou relativní permitivitu a díky tomu sloužiti jako dielektrikum pro integrované kapacitory. Řez substrátemLTCC s integrovanými rezistory a kapacitory je znázorněn na obr.

Kontrolní otázky1) Definujte tlustovrstvovou technologii a její komponenty2) Vysvětlete co je to rheologie a její souvislost s viskozitou – Newtonův aHookův zákon (definice)3) Popište složení sítotiskových past a jejich viskozitu4) Popište základní princip sítotisku, jeho parametry a faktory ovlivňující jakosttisku5) Popište síta používaná v mikroelektronice a vysvětlete jejich základníparametry6) Vysvětlete princip šablonového tisku a popište způsoby realizace šablon7) Vysvětlete co to jsou sítotiskové pasty a objasněte mechanizmus jejichsintrace8) Popište odporové pasty a vypočtěte vztah pro určení vrstvového odporu9) Popište způsoby trimování odporů a vysvětlete dvě metody provedení10) Vysvětlete složení dielektrické pasty a Lichteneckerův vztah11) Vypočtěte výkonové zatížení tlustovrstvových odporů12) Popište realizaci vrstvových kondenzátorů a cívek, definujte výpočet jejichjmenovité hodnoty13) Vysvětlete princip technologie LTCC a popište její význam