Spoluspalovaná keramika - Co-fired ceramic

KL Hybrid Circuit b.jpg

Spoluspalovaná keramika zařízení jsou monolitický, keramický mikroelektronická zařízení, kde celá keramická nosná konstrukce a veškeré vodivé, odporové a dielektrické materiály jsou vypalovány současně v peci. Mezi typická zařízení patří kondenzátory, induktory, rezistory, transformátory, a hybridní obvody. Tato technologie se také používá pro robustní montáž a balení vícevrstvých elektronických součástek obal v elektronickém průmyslu, jako je vojenská elektronika, MEMS, mikroprocesor a RF aplikace.[1]

Spoluspalovaná keramická zařízení jsou vyráběna pomocí vícevrstvého přístupu. Výchozím materiálem jsou kompozitní zelené pásky, sestávající z keramických částic smíchaných s polymerními pojivy. Pásky jsou flexibilní a lze je obrobit, například řezáním, frézováním, děrováním a ražbou. Kovové struktury lze přidávat do vrstev, obvykle pomocí výplně a sítotisku. Jednotlivé pásky se potom spojí dohromady v laminovacím postupu před vypálením zařízení v peci, kde se spaluje polymerní část pásky a keramické částice se slinují dohromady a tvoří tvrdou a hustou keramickou složku.[2]

Spoluspalování lze rozdělit na aplikace s nízkou teplotou (LTCC) a vysokou teplotou (HTCC): nízká teplota znamená, že teplota slinování je nižší než 1 000 ° C (1 830 ° F), zatímco vysoká teplota je kolem 1 600 ° C (2 910 ° F) ).[3] Nižší teplota slinování pro materiály LTCC je umožněna přidáním skelné fáze do keramiky, což snižuje její teplotu tání.[2]

Vzhledem k vícevrstvému ​​přístupu založenému na sklokeramických deskách tato technologie nabízí možnost integrovat do těla LTCC pasivní elektrické součásti a vodivá vedení obvykle vyráběná technologií tlustého filmu.[4] To se liší od výroba polovodičových součástek kde jsou vrstvy zpracovávány sériově a každá nová vrstva je vyráběna nad předchozími vrstvami.

Dějiny

Spoluspalovaná keramika byla poprvé vyvinuta na konci 50. a na počátku 60. let 20. století za účelem výroby robustnějších kondenzátorů.[5] Tato technologie byla později v 60. letech rozšířena o vícevrstvé struktury s plošnými spoji.[6]

Součásti

Hybridní obvody

Technologie LTCC je obzvláště výhodná pro vysokofrekvenční a vysokofrekvenční aplikace. v RF a bezdrátový aplikace, technologie LTCC se také používá k výrobě vícevrstvých hybridní integrované obvody, které mohou zahrnovat rezistory, induktory, kondenzátory a aktivní součásti ve stejném balíčku. Podrobně tyto aplikace zahrnují mobilní telekomunikační zařízení (0,8–2 GHz), bezdrátový místní sítě jako Bluetooth (2,4 GHz) do automobilu radary (50–140 GHz a 76 GHz).[4] Hybridy LTCC mají menší počáteční („neopakující se“) cenu ve srovnání s Integrované obvody, což z nich dělá atraktivní alternativu k ASIC pro malá integrační zařízení.

Induktory

Induktory jsou tvořeny potištěním vinutí vodičů ferit keramická páska. V závislosti na požadované indukčnosti a schopnostech přenášet proud může být na každou vrstvu vytištěno částečné vinutí do několika vinutí. Za určitých okolností lze použít ne feritovou keramiku. To je nejběžnější pro hybridní obvody, kde budou všechny kondenzátory, induktory a rezistory, a pro aplikace s vysokou provozní frekvencí, kde hystereze smyčka feritu se stává problémem.

Rezistory

Rezistory mohou být zabudovanými součástmi nebo mohou být přidány k horní vrstvě po vypálení. Pomocí sítotisku je na povrch LTCC vytištěna rezistorová pasta, ze které jsou generovány odpory potřebné v obvodu. Při odpálení se tyto rezistory odchylují od své konstrukční hodnoty (± 25%), a proto vyžadují úpravu, aby splňovaly konečnou toleranci. S Laserové ořezávání je možné dosáhnout těchto odporů různými tvary řezu na přesnou požadovanou hodnotu odporu (± 1%). Tímto postupem lze snížit potřebu dalších samostatných rezistorů, což umožňuje další miniaturizaci desek plošných spojů.

Transformátory

Transformátory LTCC jsou podobné induktorům LTCC, kromě toho, že transformátory obsahují dvě nebo více vinutí. Pro zlepšení vazby mezi vinutími transformátory obsahuje dielektrický materiál s nízkou propustností natištěný přes vinutí na každé vrstvě. Monolitická povaha transformátorů LTCC vede k nižší výšce než u tradičních vinutých transformátorů. Integrované jádro a vinutí také znamenají, že tyto transformátory nejsou náchylné k poruchám přerušení vodiče v prostředích s vysokým mechanickým namáháním.[7]

Senzory

Integrace tlustovrstvých pasivních komponent a 3D mechanických struktur uvnitř jednoho modulu umožnila výrobu sofistikovaných 3D LTCC senzorů, např. akcelerometry.[8]

Microsystems

Možnost výroby mnoha různých pasivních tlustovrstvých komponent, senzorů a 3D mechanických struktur umožnila výrobu vícevrstvých LTCC mikrosystémů.[9]

Pomocí technologie HTCC byly realizovány mikrosystémy pro náročná prostředí, jako jsou pracovní teploty 1000 ° C.[10]

Aplikace

Substráty LTCC lze nejpřínosněji použít pro realizaci miniaturizovaných zařízení a robustních substrátů. Technologie LTCC umožňuje kombinaci jednotlivých vrstev s různými funkcemi, jako je vysoká permitivita a nízké dielektrické ztráty, do jediného vícevrstvého laminovaného obalu, a tím dosáhnout multifunkčnosti v kombinaci s vysokou úrovní integrace a propojení. Poskytuje také možnost vyrobit trojrozměrné, robustní struktury umožňující v kombinaci s technologií silného filmu integraci pasivních, elektronických součástek, jako jsou kondenzátory, rezistory a induktory, do jednoho zařízení.[11]

Srovnání

Technologie nízkoteplotního spoluspalování představuje výhody ve srovnání s jinými balicími technologiemi včetně vysokoteplotního spoluspalování: keramika se obvykle vypaluje pod 1 000 ° C díky speciálnímu složení materiálu. To umožňuje společné vypalování vysoce vodivými materiály (stříbro, měď a zlato). LTCC také nabízí schopnost zabudovat do keramického obalu pasivní prvky, jako jsou rezistory, kondenzátory a induktory, čímž se minimalizuje velikost hotového modulu.

Součásti HTCC se obvykle skládají z vícevrstev oxid hlinitý nebo zirkon s metalizací platiny, wolframu a molymanganu. Mezi výhody HTCC v obalové technologii patří mechanická tuhost a hermetičnost, které jsou důležité ve vysoce spolehlivých a ekologicky náročných aplikacích. Další výhodou je schopnost HTCC rozptýlit teplo, což z něj činí volbu balení mikroprocesoru, zejména pro procesory s vyšším výkonem.[12]

Ve srovnání s LTCC má HTCC vyšší odpor vodivé vrstvy.

Viz také

Reference

  1. ^ Webové stránky mikrovlnné trouby 101
  2. ^ A b Jurków, Dominik; Maeder, Thomas; Dąbrowski, Arkadiusz; Zarnik, Marina Santo; Belavič, Darko; Bartsch, Heike; Müller, Jens (září 2015). „Přehled o nízkoteplotních spalovaných keramických senzorech“. Senzory a akční členy A: Fyzikální. 233: 125–146. doi:10.1016 / j.sna.2015.05.023.
  3. ^ Web AMETEK ECP https://www.ametek-ecp.com/products/hermetic-packages/ceramic-htcc
  4. ^ A b Hajian, Ali; Stöger-Pollach, Michael; Schneider, Michael; Müftüoglu, Doruk; Crunwell, Frank K .; Schmid, Ulrich (2018). „Porosifikační chování substrátů LTCC hydroxidem draselným“. Věstník Evropské keramické společnosti. 38 (5): 2369–2377. doi:10.1016 / j.jeurceramsoc.2018.01.017.
  5. ^ USA 3004197, Rodriguez, Antonio R. a Arthur B. Wallace, „Keramický kondenzátor a způsob jeho výroby“, vydáno 10. 10. 1961 
  6. ^ USA 3189978 „Stetson, Harold W.,„ Metoda výroby vícevrstvých obvodů “, vydaná 22. 6. 1965 
  7. ^ Roesler, Alexander W .; Schare, Joshua M .; Sklo, S Jill; Ewsuk, Kevin G .; Slama, George; Abel, David; Schofield, Daryl (2010). „Planární transformátory LTCC pro vysokonapěťové převodníky zpětného chodu“. Transakce IEEE na komponenty a balicí technologie (Vložený rukopis). 33 (2): 359–372. doi:10.1109 / tcapt.2009.2031872.
  8. ^ Jurków, Dominik (2013). "Tři axiální nízkoteplotní keramický akcelerometr s nízkou teplotou". Microelectronics International. 30 (3): 125–133. doi:10.1108 / MI-11-2012-0077.
  9. ^ Golonka, Leszek; Pawel Bembnowicz; Dominik Jurkow; Karol Malecha; Henryk Roguszczak; Rafal Tadaszak (2011). „Nízkoteplotní spoluspalovaná keramika (LTCC) mikrosystémy“ (PDF). Optica Applicata. 41 (2): 383–388. Archivovány od originál (PDF) dne 5. května 2014. Citováno 5. května 2014.
  10. ^ Sturesson, P; Khaji, Z; Knaust, S; Klintberg, L; Thornell, G (01.09.2015). „Termomechanické vlastnosti a výkon keramických rezonátorů pro bezdrátové snímání tlaku při vysokých teplotách“. Journal of Micromechanics and Microengineering. 25 (9): 095016. Bibcode:2015JMiMi..25i5016S. doi:10.1088/0960-1317/25/9/095016. ISSN  0960-1317.
  11. ^ Hajian, Ali; Müftüoglu, Doruk; Konegger, Thomas; Schneider, Michael; Schmid, Ulrich (2019). „O porosifikaci substrátů LTCC hydroxidem sodným“. Kompozity Část B: Inženýrství. 157: 14–23. doi:10.1016 / j.compositesb.2018.08.071.
  12. ^ Výkon milimetrových vln vysokoteplotních keramických IC obalů z oxidu hlinitého Archivováno 04.09.2012 na Wayback Machine, Rick Sturdivant, 2006 IMAPS Conference, San Diego, CA.

externí odkazy