Az LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) üveg-kerámia szerelőlemezek konstrukciója és technológiája.

Az előadások a következő témára: "Az LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) üveg-kerámia szerelőlemezek konstrukciója és technológiája."— Előadás másolata:

1 Az LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) üveg-kerámia szerelőlemezek konstrukciója és technológiája.

2 Az LTCC üveg-kerámia hordozók felépítése
a méretre vágott nyers (kiégetetlen) üveg-kerámia lapokon (v= 30 µm-254 µm) ablakokat, furatokat stb. alakítanak ki, a viákat kitöltik és a lapokra felviszik egyenként a huzalozás, ellenállás stb. rétegeket, minden egyes rétegfelvitelt szárítás követi, a lapokat pakettálják és laminálják, a pakett kiégetése. LTCC moduláramkör robbantott képe via keményforrasztással rögzített hűtőlap fémezés LTCC szerelőlemezek

3 Az LTCC szerelőlemezek korszerűsége
Az LTCC hordozóban passzív elemek (R;C; L) temethetők el (IPC’s = Integrated Passive Components). Az ábrán látható, hogy az LTCC szerelőlemez anyagválasztéka rendelkezik a legszélesebb permittívitás tartománnyal. LTCC pakett LTCC szerelőlemezek

4 NYERS ÜVEG-KERÁMIA KÉSZÍTÉSE
Kiindulási anyagok: alumíniumoxid-por, oldószer, szerves kötőanyag, frittanyag (pl. üveg) adalékanyagok. A fő adalékanyag az alumíniumoxid. Szerves oldószert a viszkozitás beállítása céljából használnak, a frittanyag (őrölt üveg) a beégetés során játszik szerepet. Az adalékanyagok: a beégetett réteg tapadását segítik elő, a szinterelési hőmérsékletet csökkentik, felületi érdességet csökkentik, tömörítik a kerámia szerkezetét, a színét beállítják. 4

5 Az LTCC hordozó technológiai szekvenciái
szinterelés LTCC szerelőlemezek

6 A kiégetetlen üveg-kerámia hordozók választéka
LTCC szerelőlemezek

7 Nyers (kiégetetlen) üveg-kerámiák tulajdonságai
A DuPont 951-es üveg-kerámia hordozó (green tape) tulajdonságai: hajlékony üveg-kerámia lapok, összetétele: 45 % Al2O3 és frittanyag (üveg=Pb2O5- Ba2O3-SiO2) por; szerves kötőanyag; oldószer (viszkozitás beállító); adalékok, a nyers lapok vastagság szerinti választéka: 50; 114; 165; 254 µm, a nyers lapok kontúrméret: 127x127 mm2 (5”x5”), az egymásra építhető rétegek maximális darabszáma: 40, a hordozón 100 µm szélességű és hídtávolságú vezetőhálózat hozható létre, a pakett laminálása: 70 ºC-on, 10 percig, 21 MPa (2100 N/cm2=3000 psi) nyomáson, a pakett kiégetése szállítószalagos vagy zárterű kemencében: 3 óra; csúcs 850 ºC, a kiégetés alatti zsugorodás X ,Y irányban: 12.7 ± 0.3 %; v (Z) irányban: 15 ± 0.5 %, a hővezető képesség: 3.3 W/mK; hőtágulási tényező: ( ºC) 5.8 ppm/ºC, permittivitás (3 GHz-en) 7.8; vesztességi tényező (3 GHz-en) 60x10-4, átütési szilárdság: ≥ 1kV/25 µm. LTCC szerelőlemezek

8 Az üveg-kerámia hordozóknál alkalmazott rétegek
együttégethető, forrasztható huzalozás, rányomtatva Ag vezető H B C I J D G F E Műszaki jellemzőket lásd a következő dián. LTCC szerelőlemezek

9 Az üveg-kerámia hordozóra felvitt rétegek
LTCC szerelőlemezek

10 A kiégetetlen üveg-kerámia hordozók réteganyagai
A DuPont cég a kiégetetlen üveg-kerámia hordozókra (green tape) felvitelre kerülő rétegekre 3 féle pasztarendszert dolgozott ki: Au; Ag; keverék (Au-Ag). Az Ag rendszerhez tartozó paszták tulajdonságai: Technológia; jellemzők huzalozásDP 6146 Ag/Pd via kitöltő DP 6138 Pd/Ag ellenállás CF sorozat acél szitaszövet, 325 mesh szám; emulzió v= 12 µm stencil réteg pihentetés/szárítás; min,ºC/min,ºC --/5,120 10,23/15,120 szárított rétegvastagság 12-15 µm ----- 20 µm beégetett rétegvastagság 8-12 µm ---- négyzetes ellenállás (R dekadikus értéksor) 60 mΩ ≤10 mΩ 1 gramm pasztával bevonható felület; cm2 60-70 0.18 TK ; ºC / ºC; ppm/ºC --- ±200/±200 LTCC szerelőlemezek

11 Az LTCC hordozók stabil dielektrikumok:
Permittivitás Frekvencia; GHz Veszteségi tényező A Ferro cég A6-S típusú üveg-kerámia LTCC hordozó dielektromos tulajdonságai. Az LTCC technológiával megvalósított áramkörök 30 GHz feletti frekvencia tartományban is működőképesek. LTCC szerelőlemezek

12 Az LTCC hordozók nagyfrekvenciás alkalmazása
Frekvencia; GHz Csillapítás; dB/25.4 mm Cu nélkül Ag Az egyre nagyobb frekvencián dolgozó áramkörök (wireless, mikrohullám stb.) kisebb vesztességü dielektrikumokat és vezető rétegeket igényelnek. Az ábrán kétféle üveg-kerámia hordozó nagyfrekvenciás csillapítását hasonlítottuk össze az FR4 típusú PWB alapanyaggal. LTCC szerelőlemezek

13 Eltemetett huzalozási pályák tervezése
Adatok a via átmérő 100 b a via fémezés átmérője 150 c a viák raszter-távolsága 300 d a via fémezés-huzal távolság e a via fémezés-lapka él távolság 400 f a via fémezés-süllyeszték táv. 200 g a huzalozási pálya szélessége h a huzalozási pályák távolsága i a huzalozás-lapka él távolsága j a huzalozás-süllyeszték távolság k a bemunkálás-huzalozás távolság l a bemunkálás-via fémezés táv Méretek µm-ben LTCC szerelőlemezek

14 Eltemetett föld és a tápfesz. rétegek tervezése
Adatok a via furat átmérő 100 b a via fémezés átmérője 150 c szigetelési távolság 200 d hídtávolság e a lap széle és föld réteg távolsága 300 f a via fémezés és a lap széle közötti táv. g a süllyesztek széle és a föld réteg táv. h a süllyesztek széle és a via fémezés táv. vezetőanyaggal kitöltött via A méretek µm-ben. LTCC szerelőlemezek

15 A többrétegű huzalozást összekötő viák típusai
A többrétegű LTCC hordozókban a viák a vastagság irányú elektromos összekötést vagy a hő vezetését oldják meg. A kiégetetlen üveg-kerámia lapokban a szokásos via átmérők: 125; 175; 250 µm. A gyakorlatban a legnagyobb alkalmazható és kitölthető via átmérő kb. megegyezik a kiégetetlen hordozó vastagságával. alkalmazásával a felső huzalozási réteg síklapú marad! LTCC szerelőlemezek

16 Üveg-kerámia hordozóról készült csiszolat
külső Ag huzal üveg-kerámia réteg via eltemetett huzalozás üveg-kerámia réteg LTCC szerelőlemezek

17 Termo (hőelvezető) viák tervezése
Kitöltött via pad 200 µm 250 µm 570 µm 285 µm via kitöltő anyag hővezető képesség arany (Au) 50 W/mK ezüst (Ag) 100 W/mK LTCC szerelőlemezek

18 Az ellenállás és a huzalozás rétegek átlapolása
adatok min. távolság max. távolság A 250 370 B 500 C A mérétek µm-ben. Első lépésben a huzalozás rétegeket nyomtatják fel. Ezeket pihentetik, majd beszárítják. Ezt követi az ellenállások felnyomtatása, pihentetése és beszárítása. LTCC szerelőlemezek

19 Eltemetett ellenállások tervezése
adatok max min a R hossz 2 mm 0,3 mm b R szélesség c elválasztó szélesség b+0.2 mm d R átlapolás 100 µm e huz-R távolság f huz- elválasztó távolság A beégetett R réteg négyzetes ellenállás választéka: 10 Ω; 100 Ω; 1 kΩ; 10 kΩ; 100 kΩ Az R-ek gyártási tűrése = ±30 % Az elválasztó réteg alkalmazása megszünteti a huzalozás és ellenállás rétegek között az anyagtranszport folyamatokat. LTCC szerelőlemezek

20 Üveg-kerámia hordozó belső R rétege
mérőhálózat eltemetett R-ek minősítéséhez, a hordozó 80x80 mm2, green tape DP 951, a huzalozás réteg DP 6146 Ag/Pd, az ellenállás réteg DP CF021, R□=100 Ω, az ábrán a beszárított rétegeket tartalmazó green tape lapka látható, ez a lapka kerül be a pakettbe, az ellenállások kivezetése: a lapka fölé elhelyezésre kerülő újabb kiégetetlen lapka fémezett viáin keresztül. BME-ETT 2009 LTCC szerelőlemezek

21 Eltemetett többrétegű kondenzátorok tervezése
Felülnézet Keresztmetszet max 20 mm felső fegyverzet alsó fegyverzet dielektrikum 1.3 mm 0.25 mm 0.5 mm LTCC szerelőlemezek

22 BETEMETETT KONDENZÁTOROK LTCC ÁRAMKÖRÖKBEN
LTCC szerelőlemezek

23 Nagy permittivitású rétegek az LTCC pakettben
Az eltemetett kondenzátorok felülete csökkenthető ha a fegyverzetek között nagy permittivitású réteget helyezünk el (a kapacitás értéke egyenes arányban áll a permittivitással). Az LTCC hordozókba kétféle módon lehet réteget létrehozni: a nyers üveg-kerámia lapra dielektrikumot felnyomtatni, a dielektrikumból nyers lapokat önteni, majd azt az üveg- kerámia pakettbe rétegezni, együtt laminálni és kiégetni. üveg-kerámia ε=7.8 via dielektrikum ε=20 Ag vezető Pl. a BaTiO3 – üveg ε=1.000 CaZrO3-SrTiO3-üveg ε=25 LTCC szerelőlemezek

24 Eltemetett C-k az üveg-kerámia hordozókban
via párhuzamosan kapcsolt síkkondenzátorok üveg-kerámia réteg C= εrεₒA d nagy ε dielk. az eltemetett C fegyverzete Ha az eltemetett síkkondenzátor dielektrikuma a kiégetés után a 42 µm vastagságú üveg-kerámia réteg (DP951), akkor a fajlagos felületi kapacitás 3.5 pF/mm2 ± 10 %. LTCC szerelőlemezek

25 Eltemetett induktivitás tervezése
adat érték a huzal szélesség 100 b hídtávolság c huzal-hordozó él távolság 300 d via furat átmérő e via fémezés átmérő 150 f via fémezés hordozó él távolság kitöltött via via fémezés Az induktivitás értékének növelése érdekében az L-eket 3D felépítéssel állítják elő. A több egymás felett elhelyezkedő LTCC rétegen lévő spirál részeket vezető anyaggal kitöltött viákkal kötik össze (3D struktúra). LTCC szerelőlemezek

26 Kontaktus felületek a chip&wire technikához
chiptartó felület via a mikrohuzalkötés helye via pad Az üveg hordozó felületén az IC chipek mikrohuzalos bekötéséhez kontaktus felületeket (pad-eket) alakítanak ki. A pad-ek és az eltemetett huzalozás összekötését viákkal oldják meg (via-in-pad).. Amennyiben a pad-ek raszterosztás távolsága kicsi célszerű a viákat az ábrán látható módon elhelyezni (zigzag). LTCC szerelőlemezek

27 Az LTCC hordozóba süllyesztékek tervezése
250 µm 380 µm 380 µm LTCC hordozó huzalozás réteg chip 2.5 x via átmérő 2.5 x via átmérő LTCC szerelőlemezek

28 Védőüveg réteg tervezése
adat méret a pad - OCG távolság 100 b OCG hídtávolság 150 c ablak szélessége d hordozó széle - OCG távolság 200 A méretek µm-ben. Az LTCC hordozóknál az üveg védőréteget a szerelőlemez külső felületén alkalmazzák, védelmi célokból. védőüvegréteg (OCG= Over Coat Glass) LTCC szerelőlemezek

29 A többrétegű üveg-kerámia szerelőlemezek (hordozók) alkalmazási területei:
a hordozóba többrétegű huzalozási hálózat eltemetése, passzív alkatrészek (R, C, L) eltemetése a hordozóba, a hordozóba süllyesztékek és/vagy áttörések kialakítása, a hordozó felületén vastagréteg R,C,L hálózat létrehozása, az MCM-C moduláramkörök szerelőlemeze, nagyfrekvenciás áramkörök megvalósítása (bluetooth modul, erősítő stb.), SMD alkatrészek gyártása (pl. többrétegű chip kondenzátorok), tokok előállítására (BGA, Chip Carrier, QFN, PGA stb.), szenzorok készítésére, mikrofluidikai csatornák készítése az LTCC hordozókban, nagy üzemi hőmérsékletű (T≥350ºC) alkalmazásoknál. LTCC szerelőlemezek

30 LTCC technológiával készülő hermetikus tokok
kivezetők LTCC technológiával készülő tok elvi felépítése. LTCC A tok alaplapja és egyben az áramkör szerelőlemeze LTCC hordozó. Az LTCC szerelőlemezre beültetett IC chipek és SMD alkatrészek a keret által létesített süllyesztésekben helyezkednek el. A kivezetők az LTCC hordozó szélén kialakított padekhez csatlakoznak, a kereten kívül. LTCC szerelőlemezek

31 LTCC technológiával készült BGA tok alaplap
R vastagréteg pad LTCC C chip Ni elválasztó réteg forrasz flip chip bump (ball) bump LTCC A BGA tok alaplapja, más néven elosztó (interposer) lemeze LTCC hordozó (Bluetooth rádió modul).. LTCC szerelőlemezek

32 LTCC technológiával készült BGA tok alaplap
fröccssajtolt műanyag tok LTCC szerelőlemezek

33 RF áramkör LTCC hordozón
A többrétegű LTCC áramköri hordozó mérete 55x30 mmxmm. A hordozó anyaga = Ferro A6M LTCC szerelőlemezek

34 LTCC technológiával készült Thomas féle folyadék mennyiség mérő
2 mm csatorna fűtő elem referencia termisztor AgPd huzalozás folyadék be folyadék ki 2 db termisztor termisztor LTCC szerelőlemezek

35 LTCC technológiával készült üveg-kerémia tokok
az LTCC technológiával csoportosan készült tokokat, a kiégetési műveletet követően lézerrel darabolják LTCC szerelőlemezek

36 LTCC technológiával készített PGA tokok
(pl. Au/Sn, T=350 ºC, N2 atmoszféra) A BGA (Ball Grid Array) tokok alaplemeze többrétegű LTCC hordozó. Az alul elhelyezkedő süllyesztésbe (cavity) rögzítik az IC chipet. A kemény bronz anyagból készült kivezetőket kemény forrasztással rögzítik. LTCC szerelőlemezek

37 LTCC technológiával készült QFN tokok
vastagréteg pad LTCC Ni elválasztó réteg QFN forrasz PWB PCB kontaktus felület A QFN (Quad Flat No-lead) üveg-kerámia tokok alaplapja, a beültetési felületükön nem bumpokat hanem jól forrasztható kontaktus felületeket (pads-eket) hordoznak. LTCC szerelőlemezek

38 Üveg-kerámia többrétegű szerelőlemezek
Többrétegű üveg-kerámia hordozó MCM-C modul részére (a viák a pad-eken helyezkednek el). Szerelt MCM-C modul kivezetőkkel ellátva. Az üveg-kerámia hordozó 10 rétegű. LTCC szerelőlemezek

39 Üveg-kerámia többrétegű szerelőlemezek
Többrétegű üveg-kerámia szerelőlemez alkalmazása autóelektronikai áramkörökben (Bosch). Disk-drive MCM-C multichip modul áramkör többrétegű üveg-kerámia hordozón. LTCC szerelőlemezek

40 Csak a vastagság irányában zsugorodó LTCC
Az újfajta LTCC hordozóknál szereléstechnológiailag nagy előny hogy kontúrméreteik (x;Y) gyakorlatilag változatlanok (≥0.2 %) maradnak, azaz nem zsugorodnak (shrinkage). Ilyen nyers üveg-kerámia lapokat gyárt a Heraeus cég HeraLock néven. Ezek főbb műszaki jellemzőik: adat érték zsugorodás x;y 0.2 % zsugorodás v (Z) % szita mesh száma szárítás 80 ºC-on 15 perc beégetés 850 ºC-on 9 óra adat érték nyers hordozó v= µm beégetett hordozó v 36-91 µm ε (2.5 GHz-en) 7.3±0.3 tgδ (2.5 GHz-en) 26x10-4 hőtágulás ºC 6.1 ppm/ºC LTCC szerelőlemezek

41 LTCC hordozón felépített HDI vékonyréteg, többrétegű huzalozás
HDI = High Density Interconnect (nagy sűrűségű huzalozás). forrasztásgátló kontaktus felület (pad) Cu poliimid réteg HDI LTCC Mivel az LTCC szerelőlemezek felületén nem tudunk HDI huzalozást megvalósítani, ezért azt vékonyréteg többrétegű (pl. Cu-poliimid) hálózattal valósítjuk meg. A HDI huzalozásra pl. sok kivezetéses, finom raszterosztás távolságú alkatrészek befogadásánál van szükség. LTCC szerelőlemezek

42 Ellenőrző kérdések: Mutassa be az LTCC hordozók technológiai szekvenciáit. Ismertesse a kiégetetlen üveg-kerámia hordozók néhány tulajdonságát. Milyen alkatrészeket lehet eltemetni az LTCC hordozókban és hogyan. Ismertesse az LTCC üveg-kerámia hordozók alkalmazási területeit. Mutassa be a BGA tokok LTCC technológiával készült elosztó (interposer) lemezét. Rajzolja le az LTCC technológiával készült chip carrier tok felépítését. Milyen módon lehet az LTCC hordozók külső felületén HDI rajzolatot előállítani. LTCC szerelőlemezek