EGYÉB TECHNOLÓGIÁK Nulla felületi zsugorodás | kémiai rétegfelvitel | Lézerrel történő párologtatás |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Nulla felületi zsugorodás | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
A nulla felületi zsugorodás jelenségét az angol szakirodalom Zero-Shrinkage-nek nevezi. Az LTCC hordozók egyik nagy hátránya a kiégetés utáni térfogat zsugorodás. Manapság a Szabályozatlan Szinterelés (Unconstrained Sintering, UCS) az egyik legelterjedtebben használt technológia az LTCC hordozók kiégetésére. A technológia számos előnyével szemben határt szab a megvalósítható rétegek száma. Minél több réteget kívánunk együtt laminálni és kiégetni, annál kevésbé tudjuk pozícionálni az átmenő furatokat. Ezzel szemben a Szabályozott Szinterelési folyamat kiküszöböli az x/y irányú térfogat zsugorodását. Különböző Szabályozott Szinterelési folyamatok léteznek:
A szinterelési metódusokat az alábbi ábrán foglaltuk össze.
A fenti technológiák fejlődését a következő ábrán szemléltetjük:
A Préselésmentes önszabályzó Szinterelés (SCPLAS) egy olyan új technológia, mely külső beavatkozás nélkül működik. A folyamat mechanizmusa a hordozóban lévő üveg-kerámia összetételén alapszik. Olyan új technológiáról van szó, melynél a vele kompatibilis paszták választéka erősen limitált. Ellenállás paszta még nem kapható. A szinterelési folyamatok főbb előnyei illetve hátrányai:
A PAS művelet csak speciális kemencében végezhető. A préselő kemence része egy égetőkemence, illetve egy présgép az egytengelyű nyomáshoz. A nyomóerő 0.6 kN és 35 kN között állítható, a hőmérséklet max. 1000 °C. A PAS alapelvét az alábbi ábrán szemléltetjük:
Az LTCC hordozó térfogat zsugorodását a kiégetési folyamaton kívül az alábbi tényezők befolyásolják:
A PLAS technológiával készült LTCC hordozók x/y térfogat zsugorodása kb. 0.3 %. A PAS technológia ezzel szemben 0.1-0.3 %-os térfogat zsugorodást tesz lehetővé. A kísérletekkel legjobban elért eredmény 0.1 % volt. A következő ábrán az x/y, illetve a z irányú térfogat zsugorodás mértéke látható különböző szinterelési nyomásértékek mellett.
A PLAS technológia érzékenysége 0.1 %, míg a PAS és az SCS technológiáé 0.05 %. Ez lehetővé teszi nagybonyolultságú áramkörök, valamint mikroviák tervezését, megvalósítását. Az alábbi ábrán a hagyományos szinterelési technológia és a PAS technológia közti különbséget mutatjuk be a viák pozícionálhatóságának tükrében.
Egy másik speciális következménye a szinterelésnek a szélek közelében bekövetkező térfogat zsugorodás. A PLAS technológiát használva a szélek közelében létesített viák homorúak lesznek. A PAS technológiát használva ez a jelenség elkerülhető.
Az alábbi táblázatban összehasonlítottuk két különböző típusú LTCC hordozó térfogat zsugorodásának mértékét különböző hordozóvastagság esetén. A szinterelés PAS technológiával történt. A táblázatból kitűnik, hogy a többrétegű hordozó közepén lévő réteg térfogat zsugorodása jóval nagyobb, mint a felületen lévő hordozóké.
A hagyományos szinterelési eljárás és a PAS technológia egyaránt hatással van az LTCC hordozó felületére, megváltoztatva annak érdességét. A következő ábrán ezt a jelenséget mutatjuk be:
A megfelelően beállított nyomásérték megakadályozza a felület kristályosodását, ezáltal lehetővé teszi a vékonyréteg anyagok használatát a hordozó felületén. Elmondható tehát, hogy a PLAS, de különösképpen a PAS technológia lehetővé teszi a nagyobb integráltságú vezető és via hálózatok kialakítását. A PAS technológiával akár a 0.1 % tűrésű térfogat zsugorodás (0.3 % - 0.5 %) is beállítható. Ez lehetőséget ad arra, hogy további kutatásokat végezzenek a vezető hálózatok vonalszélességének minimalizálásán, ezzel utat nyitnak a nagyfrekvenciás eszközök további fejlesztése és méretcsökkentése előtt. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kémiai rétegfelvitel | vissza | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
A technológia lényege, hogy lézer segítségével aktiválják az LTCC hordozó felületét, ezáltal lehetővé teszik a vezető fémréteg kémiai úton történő felvitelét. Az eljárás lehetővé teszi a nagy vezetőképességű réz (Cu) vezetőhálózatok, valamint az arany (Au) és ezüst (Ag) vékonyrétegek kialakítását, melyeknek laterális felbontása mindössze néhány tíz mikrométernyi. Számos lézerrel történő eljárás létezik a polimer, kerámia, félvezető felületek fémezésére. A leggyakrabban használt technológiák:
A kerámiák esetében a katalitikus reakcióképesség az oxigén, nitrogén, és a szén kristályrács (lézeres megmunkálás következtében kialakult) hibák keletkezésével magyarázhatóak. A kristályrács hibák az Al2O3-ban, AlN-ben és SiC-ban Al és Si nanocsoportokat eredményeznek. Az így létrejövő elektronban gazdag környezet elősegíti a fémvegyületek reakcióját a galvanizálási művelet során. Az LTCC hordozókat Nd:YAG lézerrel kezelik. A következő lézerparamétereket alkalmazzák:
Különböző lézer teljesítményeket alkalmazva az LTCC felületén a lágyítás, illetve a párolgás jelensége volt tapasztalható. A megfigyelések szerint a lágyítás a későbbi rétegfelvitel szempontjából sokkal kedvezőbbnek bizonyult, mint a párolgás. A röntgen-diffrakciós elemzések nem mutattak ki szignifikáns elváltozásokat a kristály szerkezetében, aminek oka valószínűleg a gyors olvadásnak és megszilárdulásnak köszönhető. A réz, arany illetve ezüst réteg felvitele a lézerrel aktivált LTCC kerámia hordozókon történik galvanizálással. A galvanizált felületeket a következő ábrán mutatjuk be:
A réz galvanizáláshoz Cu2+ lúgos tartarát oldatot használnak, a redukálószer formaldehid. Az első fém gyöngyök kb. 4 óra elteltével jelennek meg, majd a folyamat végére egy 150-200 nm vastag réteg keletkezik. A keletkezett réteg vezetőképessége 2.5 mW x cm. A passzív komponensek, úgy, mint a kondenzátorok, induktivitások, ellenállások és kontaktus felületek megvalósítására használható ez a technológia. Egy példát mutatunk be az alábbi ábrán:
A technológia lényegét az alábbiakban foglaltuk össze:
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Lézerrel történő párologtatás | vissza | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
A technológia neve: Mátrix-elrendezésű Impulzusüzemű Lézeres Párologtatás, amit az angol szakirodalom Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation-nak hív és MAPLE-DW-nek rövidít. Egy olyan technológiáról van szó, mellyel az LTCC hordozó felületére vékony réteget lehet felvinni. A felvitt huzal szélessége akár 10 µm is lehet. Előnyeinek egyike, hogy az ábrakialakításhoz nem igényel maszkot. Egy MAPLE-DW berendezés felépítését a következő ábrán mutatjuk be:
A berendezés egy vibrációmentes asztalra van rögzítve és az egész folyamat ezen megy végbe. A MAPLE-DW része egy 1047 nm hullámhosszú Nd:YLF lézer. Az impulzus időtartama 20 ns, valamint az impulzusismétlési frekvencia 1 Hz és 10 kHz között változtatható. A két expander segítségével megnövelik a lézernyaláb átmérőjét, így nagyobb lézerfoltot érhetünk el a hordozón. Az optikai x-y szkenner két tükörből áll, melyeket külön-külön egy szervomotor vezérel. A használt lencse átmérője 100 mm, gyújtótávolsága 163 mm. A fókusz síkjában elérhető nyaláb átmérő 16 mm körüli. A pontozási távolság az impulzus ismétlési frekvencia és az x-y szkenner sebességével szabályozható. Az LTCC hordozó pozícionálását egy CCD kamera végzi. Az x-y szkennernek köszönhetően a hagyományos rétegfelviteli áljáráshoz képest nagyobb írási sebesség érhető el. A szalag és az LTCC hordozó is rögzítve van. A folytonos hullámhosszú Fiber gyártmányú lézer (l=1100 nm) segítségével az Nd:YLF lézer által felvitt réteget égetik ki. A két lézersugár azonos utat jár be. A kísérletben egy DuPont gyártmányú QS300 típusú Ag/Pt összetételű, a hagyományos szitanyomtatásnál használt vezető pasztát 11 % tömegszázalékos a-terpinollal kevernek össze. Az eljárás során három szakasz különböztethető meg:
A három szakaszt mutatjuk be a következő ábrán.
A párologtatás három szakasza: a) kitüremkedés (0.79 J/cm2); b) áramlás (1.02 J/cm2); c) csóva (1.27 J/cm2) Az első szakaszban a paszta felületéről buborék képződése, kitüremkedése figyelhető meg. Jellemzője, hogy a kiterjedő buborék soha nem válik le teljesen a paszta felületéről. Előfordulhat, hogy buborék visszakerül a paszta felületére, ekkor kinetikus energiája kevés ahhoz, hogy legyőzhesse a felületi feszültséget. Az áramlás jelensége akkor figyelhető meg, mikor a buborék energiája elég nagy ahhoz, hogy a felületi feszültséget legyőzze. Ekkor a paszta egy része elválik a felülettől. A csóva szakasz hasonló az előzőhöz, a különbség csak annyi, hogy a paszta felülettől való elszakadási sebessége elég nagy ahhoz, hogy apró foltokként távozzon. Az áramlás nagy sebessége miatt az LTCC hordozóval való érintkezés miatt jelentős instabilitások figyelhetők meg az áramlási és paszta foltban. Ezek az instabilitások határt szabnak a felvihető vonal szélességének. Egy másik kísérlet során olyan szárított szalagot használtak, melyek közvetlenül érintkeztek az LTCC hordozóval. A száraz szalag alkalmasabb tárolásra és nyomtatásra is. A szalag és az LTCC hordozó közvetlen érintkezése miatt a radiális szétfolyás minimalizálható. Egy hasonló kísérletben szintén a DuPont gyártmányú QS300 típusú Ag/Pt vezetőpasztát használták, de nem kevertek hozzá oldószert. A pasztát vékonyan egy hagyományos üveg felületre viszik fel. Az eredményeket összefoglalva, a buborékok mérete növekszik, ha növeljük a lézer intenzitását (J/cm2), mindaddig míg a buborék csóvaszerűen elválik a felülettől. Az alábbi ábrán a buborék maximális elmozdulása látható a lézer intenzitás függvényében. A lézer intenzitását úgy választják meg, hogy lefedje a kitüremkedés szakasz teljes tartományát.
Megállapítható tehát, hogy a buborékok maximális elmozdulása növekszik a lézer intenzitás függvényében. Szélesebb lézernyaláb nagyobb elmozdulást eredményez. Következésképp nagyobb lézer intenzitás szükséges egy vastag paszta réteg elmozdításához, mint egy vékonyhoz. Az ábra azt mutatja, hogy nagyobb alapsugarú buborék - adott elmozdulás esetén - kisebb görbülettel rendelkezik, mint egy kisebb sugarú buborék. A buborék falának feszültsége arányos a görbülettel. A legjobb kísérleti eredmények akkor születtek, mikor a szalag és az LTCC hordozó távolsága a legkisebb volt, mert ekkor rakódott le a paszta javarésze. Fontos még a paszta és az LTCC hordozó közti kölcsönhatás. A végső mintázat morfológiájában kritikus szerepet játszik az a tényező, hogy a paszta mennyire nedvesíti be az LTCC hordozó felületét. Érdemes valamilyen minőségi faktort definiálni, ami quantifikálja a shot-shot interferenciát. A következő ábra a buborék maximális elmozdulásának (Zmax) és a képződött buborék alapsugarának (R0) arányát mutatja a lézer intenzitás függvényében.
A legjobb paszta lerakódások ott fordultak elő, ahol maximális az elmozdulás és kicsi az alapsugár. Ezen az ábrán különböző lézer intenzitások mellett mutatjuk a lerakódott mintázatokat.
A vonal 7 cm/s nyalábeltérítési sebességgel íródott, a paszta és a hordozó közti távolság kb. 12.5 mm volt. A alábbi ábrán egy 20 mm széles, 5 mm hosszú vonal látható, amit 1.26 J/cm2 lézer intenzitással vittek fel a hordozó felületére. A vezetőképesség 1.67 x 107 1/ohm x m.
A Fiber gyártmányú lézer segítségével hővezetés útján 150 °C-ok a felvitt pasztát szárítják. A MAPLE-DW technológiával elért legkisebb csíkszélesség 10 µm-nek adódott.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
| vissza |
