| Nyers üveg-kerámia készítése | ||||||||||||||||||||||||
A zöld kerámia-szalag gyártásakor első lépéseként a kiindulási anyagokból egy elegyet készítenek, és ezt golyós malomban homogenizálják. Kiindulási anyagok az alumíniumoxid-por, oldószer, szerves kötőanyag, frittanyag, valamint adalékanyagok. A fő adalékanyag az alumíniumoxid. Szerves oldószert a viszkozitás beállítása céljából használnak, a frittanyag (őrölt üveg) a beégetés során játszik szerepet. Az adalékanyagok:
Az adalékanyagok általában oxidok. A zöld-kerámia gyártása során felhasznált adalékanyagokat és szerepüket az alábbi táblázatban foglaljuk össze:
Az ezekkel az anyagokkal elkészült öntetet poliészter (Mylar, Kapton) fóliára vagy üveglapra öntik. Ezután egy simítókés beszabályozza a nedves anyag vastagságát. Másfajta megoldás: hengerek között eresztik át az elegyet, és így kapnak egyenletes vastagságot. Az alábbi ábra ezt a folyamatot mutatja.
Ezt követi a többfokozatú szárítás mely során az oldószerek elpárolognak. A fóliáról lefejthetjük a nyers kerámia szalagot, amely állaga leginkább a gyurmához hasonlítható.
|
||||||||||||||||||||||||
| Méretre vágás | vissza | |||||||||||||||||||||||
|
Kereskedelmi forgalomban a nyers, hajlékony üveg-kerámiákat tekercs, illetve méretre vágott lapok formájában értékesítik. Az üveg-kerámiákat géppel, lézerrel vagy kézi szerszámmal az áramkörnek megfelelő méretre vágják.
|
||||||||||||||||||||||||
| Fólialefejtés | vissza | |||||||||||||||||||||||
A nyers üveg-kerámiát vékony poliészter (vagy poliimid) fólia védi a sérülésektől. Előállítás során egy vékony (~30 µm) poliészter fóliára viszik fel az üveg-kerámia keveréket. Ennek a poliészter fóliának a szerepe a későbbiek során is fontos, ugyanis ez védi meg a hordozót a szakadástól felhasználás előtt, továbbá a nyers üveg-kerámia hordozó fólia felőli oldala kevésbé érdes és szennyezett, mint a szabadon hagyott oldal. A kisebb mértékű érdesség oka, hogy gyártás során az üveg-kerámia keverék még kb. 2 hétig képlékeny halmazállapotú, így megfelelő pozícióban az anyag teljesen kitölti a hézagot önmaga és a poliészter fólia között. Ebben a technológiai műveletben géppel vagy kézzel fejtik le róluk a védőfóliát.
|
||||||||||||||||||||||||
| Via furatok kialakítása | vissza | |||||||||||||||||||||||
A következő fontos technológiai lépés a viafuratok kialakítása a hordozón. A viák teremtenek kapcsolatot a rétegek között, összekötve a különálló rétegeken megvalósított vezetőhálózatot. A viák lyukasztását manapság a kis szériás (prototípusok) gyártáskor többnyire Nd:Yag lézerrel végzik. Tekintettel arra, hogy a nyers üveg-kerámia szerves anyagokat is tartalmaz, lézeres vágás előtt ezeket hőkezeléssel el kell távolítani (máskülönben megolvadnak és bevonatot képeznek a vágás felületén, gátolva a via kitöltő anyag tapadását). Megfelelő beállítások mellett lehetőség van néhányszor 10 µm átmérőjű furatok vágására ezzel a technológiával, azonban számolni kell azzal, hogy a lyukátmárő a hordozó tetején más lesz, mint az alján (ez a lézernyaláb fókuszálásából adódik). Az alábbi képen egy 220 µm átmérőjű via képe látható, melyet Nd:Yag lézerrel vágtunk ki.
A lézeren kívül vannak alternatív, gyorsabb és olcsóbb nyers üveg-kerámia vágására alkalmas megoldások is. Ilyen például a kivágó bélyegekkel működő mechanikai lyukasztó berendezés. Tekintettel arra, hogy a nyers üveg-kerámia hordozóban nagy keménységű Al2O3 molekulák is vannak, a vágóbélyegek éleinek kopottságát gyakran ellenőrizni kell. Amennyiben kopott élű bélyegeket alkalmazunk, a nyers üveg-kerámia könnyen beszakadhat. Manapság az LTCC áramkörökön 100 µm átmérőjű via furatokat használnak. A furatok kialakításánál a nyers hordozó méretei megmunkálás alatt nem változhatnak, a megmunkálási felületnek síknak kell lennie, megfelelő pontosságú pozícionálásról gondoskodni kell és a maradék anyagot el kell távolítani a hordozóról.
|
||||||||||||||||||||||||
| Via furatok kitöltése | vissza | |||||||||||||||||||||||
A via furatok kitöltéséhez legelterjedtebben stencilnyomtatást használnak. Az áramkör mintázatának megfelelően kialakított apertúra nyílásokon keresztül pasztát visznek a viafuratok fölé, amit alulról - vákuumszivattyú segítségével - szívnak be a furatokba, hogy kitöltse azt. A paszta távozását a hordozó másik oldalán szálmentes papír, illetve porózus kerámialapok alkalmazásával akadályozzák meg. Az alábbi ábrán az érintkezéses szitanyomtatás elvi műveletét láthatjuk.
A viákat, pasztával vagy ritkább esetben fémporral töltik ki. Az alábbi a) ábrán fémpórral kitöltött via furat látható. A via furat másik oldalán a fémpor kiesik, ha nem lép fel lítikus reakció a nyers kerámia között, vagyis nincs tapadás. A problémára megoldás a b) ábrán látható, ahol a via furat alját pasztával zárják le és csak ezután töltik fel porral.
A via furatok pasztával való kitöltéséhez szükséges elrendezést az alábbi ábrán látható.
A porózus kerámia lap biztosítja a vákuum megfelelő eloszlását a stencilnyomtatás alatt. A papír megakadályozza, hogy a vastagréteg viakitöltő paszta keresztülhatoljon a porózus kerámia lapon, és nyílásait eltömítse pasztával. A Mylar fólia elzárja a vákuum útját a szabadon maradt rész felett, így a vákuum teljesítményét a hordozó alatti területre koncentrálja. Ha a vákuum túl nagy, a paszta elkenődhet a hordozó hátoldalán. A len papír megakadályozza a paszta túlfolyását, valamint szállítóeszközként szolgál a szárítási műveletnél használt kemencéhez. Számolni kell még azzal, hogy a pasztában lévő oldószer oldja a nyers üveg-kerámia anyagát. Ezért a via furatok deformálódhatnak. A paszta szilárd komponenseinek aránya 70 % körüli, ezért a kitöltési arány, vagyis a kitöltött és a ki nem töltött térrészek hányadosa limitált. Minél viszkózusabb a paszta, annál jobban növekszik a kitöltési arány értéke. A következő kép egy pasztával kitöltött via a kiégetés után, mely villamosan összeköti az alsó és felső vezetőhálózatot.
A szakirodalom szerint az alább felsorolt stencilnyomógép beállítások szükségesek a viák kitöltésére:
A már kitöltött viákat 5 perc időtartamig 120 °C-on szárítják. Egy másfajta berendezés is létezik, melynél egy kartusból adagolva, felülről injektálják a viakitöltő pasztát a furatokba.
|
||||||||||||||||||||||||
| Rajzolatkialakítás | vissza | |||||||||||||||||||||||
A már kitöltött viákat tartalmazó nyers üveg-kerámián szitanyomtatással alakítják ki az RC hálózatot. A nyomtatás közben a lapkát vákuummal az asztalhoz szorítják, ezzel megakadályozzák annak az elmozdulását. A nyomókés a pasztát a maszk nyitott felületén keresztül préseli, és a szitaszövetet a mintázatnak megfelelő vonal mentén érintkezésbe hozza a hordozóval. A mintázatot a nyomtatás után 5 percig szárítják 120 °C-on. A nyomtatás felbontása jobb, mint a vastagréteg áramkörök alumíniumoxid kerámia hordozóinál, mert itt sima a felület. A szitanyomtatás minőségét a szitanyomó berendezés három fő tényező befolyásolja:
A nyomtatási sebesség megválasztása a paszta viszkozitásától függ. Ha nagy a nyomtatási sebesség, a paszta viszkozitása lecsökken és könnyebben folyik át a szita nyílásain, mivel a kés mozgása olyan örvényeket kelt a pasztában, hogy annak viszkozitása lecsökken. Ezt a jelenséget hivatott bemutatni az alábbi ábra:
A késvonalnyomás a hordozó és a szitaszövet távolságától, valamint a szitaszövet rugalmasságától függ. A nagy késvonalnyomás következménye lehet a felvitt réteg széleinek fodrozódása, míg az alacsony nyomás könnyen foltos nyomtatást eredményezhet. A DuPont a nyomtatáshoz 325 mesh számú rozsdamentes acélszövésű szitát javasol. A DuPont cég vezetőpasztáival megvalósítható legkisebb csíkszélesség 125 µm. Az ennél keskenyebb huzalozási pályákat egyéb technológiával kell felvinni (fotólitográfia, lézerrel aktivált felület galvanizálása, direkt írás (MAPLE-DW), stb). A szitanyomtatóval nyomtatható rétegvastagságot a szitamaszk vastagsága erősen befolyásolja. Az alábbi ábrán egy poliészter szövésű szitát és a direkt emulziós réteget mutatja.
A felnyomtatott réteg vastagsága az alkalmazott szitaszövet anyagától (poliészter, rozsdamentes acél), annak mesh számától és az alkalmazott emulziós rétegtől függ. Az alábbi ábra ennek elméleti hátterét hivatott bemutatni.
Ezt az elméleti számítást a gyakorlatban számos tényező befolyásolhatja, mint pl. a paszta viszkozitása, a nyomtató beállítási paraméterei és a hordozó felületi érdessége. A lenti a) ábra vezető és ellenállás réteg nyomtatási képét mutatja egy cilinder ellenálláson. A DuPont 2031 típusú ellenállás paszta (fekete színu réteg) viszkozitása és összetevői különböznek a DuPont 6145 típusú vezetőpaszta (szürkés színű réteg) viszkozitásától és összetevőitől, így a nyomtatott rétegek is különböző tulajdonságúak. A vezető anyag egyenletesen szétoszlott a hordozón, ellentétben az ellenállás réteggel. Ez látható a kinagyított részeken, ahol az ellenállás paszta széle recézett, míg a vezetőanyag széle egyenes vonalú. Nyomtatáskor a szitamaszk szövetének kereszteződéseinél a kis viszkozitású pasztáknál kitöltetlen részek maradnak (a jelenség az úgynevezett "pinhole" effektus.)
Egy másik fontos jelenség a geometria torzulása a nyomtatáskor. A jelenséget a következő ábrán mutatjuk be. Az ellenállásréteg szitanyomtatásakor a már meglévő vezető réteg miatt a hordozó felülete nem egyenletes. Az ellenállás anyaga a lecsökkent hordozó-szitaszövet távolság miatt a vezető réteg fölött hiányos (1). Ahogy a kés túljut a vezető rétegen, egy üreg fölé érkezik. Ezt az üreget a szita szövete és a kés sem tudja követni. Ezen a helyen a paszta kitölti az üreget, de mivel az apertúra itt nem érintkezik a hordozóval, a kitöltés nem lesz szabályos (2), a geometria torzul. Ugyanez a helyzet áll elő, amikor a kés megközelíti a másik oldalon a vezető réteget. Az apertúrának megfelelő ellenállás szélesség csak az ellenállás végeitől megfelelő távolságban (> 300 µm) érhető el (3). A rétegellenállások vastagsága is itt lesz a beállításoknak megfelelő.
|
||||||||||||||||||||||||
| Pakettálás | vissza | |||||||||||||||||||||||
A kilyukasztott és vezetőpályákkal ellátott nyers üveg-kerámia lapokat egy szerszámban a helyező furatok segítségével egymásra rétegezik, pakettálják. A pakettáló szerszám az alábbi ábrán látható.
Pakettálás során fontos, hogy a nyers üveg-kerámia nem érintkezhet a pakettáló eszköz anyagával. Az alábbi ábrán egy pakettált áramkört mutatunk be.
|
||||||||||||||||||||||||
| Laminálás | vissza | |||||||||||||||||||||||
|
Az eddig különálló nyers üveg-kerámia rétegeket melegsajtolással egységes szerkezetté alakítják. Az LTCC hordozók laminálására két fajta technológia ismert:
A laminálási művelet után a hordozó alakváltozáson megy keresztül. Az előírt paraméterektől való kis eltérések is már könnyen delaminációhoz vezetnek. Az áramkör kiégetése után fellépő delamináció jelenségét 5 nagy csoportra osztjuk. A csoportokat az alábbi ábrán mutatjuk be.
A repedés egy olyan jelenség, mely a hordozó szélétől annak belseje felé irányul. A tapadás a rétegek közt erős és nem figyelhető meg delamináció. A laminálás alatt a nyomás a hordozó szegélye mentén koncentrálódik. Mivel a hordozó a szerszámban be van fogva, nem léphet fel torzulás az x/y síkban. Tehát az LTCC hordozó sűrűsége megnövekszik a szélek mentén és így a kiégetési folyamat során megreped. A repedés jelensége figyelhető meg az alábbi áramkörön is.
A rétegek közötti delamináció jelensége a kerámia és a belső vezető réteg határfelületén keletkezik. A jelenséget az okozza, hogy a kerámia és a vezető paszta közötti tapadás nem megfelelő. Mikor sok réteget laminálunk, valamint a felnyomtatott vezetőpaszták vastagsága nagy, keletkeznek olyan részek a hordozón melyek vastagabbak, mint azok ahol nem található vezető réteg. A kiégetés után a deformációk rétegek közötti delaminációt okozhatnak. Ez a jelenség figyelhető meg az alábbi áramkörön is.
A réteg elcsúszás jelensége a földelési, illetve a tápellátási rétegen lévő nagy kiterjedésű vezetőpaszta terület okozza. A tapadás ugyanis a kerámia és a vezető paszta között kisebb, mint kerámia és kerámia között. Továbbá a zsugorodási tényező különbsége is hozzájárul a jelenség kialakulásához a hordozó kiégetése alatt. A felületi púposodás jelensége akkor következik be, ha szennyező anyagok, illetve gázok kerülnek a hordozó belsejébe. Ezek a kiégetési ciklus alatt a magas hőmérséklet hatására olyan nagy nyomást keltenek az adott területen, hogy a hordozó felületi geometriáját eldeformálják. Tehát fontos, hogy a laminálás előtt az egymásra pakettált zöld üveg-kerámia hordozók között ne legyen légrés, illetve szennyező anyag. A koncentrikus delamináció oka, hogy a vezető mintázat területe a hordozó belsejében sűrűbb, mint a szélein. Így a préselés alatt egyenetlen lesz a felületre eső nyomóerő nagysága.
|
||||||||||||||||||||||||
| Kiégetés | vissza | |||||||||||||||||||||||
Az égetési folyamat két részből áll. A kiégetés egy órán át tart egy 350 °C-os konvekciós kemencében. Ehhez a részeket tárolóba helyezve, közvetlenül az előfűtött kemencébe rakják. Egy óra elteltével a szerves alkotórészek kb. 85%-a kiég, és a tároló rekeszeket átviszik a befejező égetési lépéshez. Ezt a műveletet normál vastagréteg-kemencében 850 °C-on végzik. Az átfutási sebességet úgy választják meg, hogy egy kb. 30 perces idő adódjon a csúcshőmérsékleten. Az égetési folyamat lehet előfűtés nélkül, ha olyan kemence áll rendelkezésre, ahol az elszívóberendezés hatásfoka és a hőmérsékletprofil állítható. Az alábbi grafikonon a Dupont 951 típusszámú GreenTape hordozó égetési hőprofilja látható.
A hőprofil négy elkülönülő részből áll. Az 1. szakasznál meredeken növekszik a hőmérséklet, míg eléri a 400 °C-t. Ezt egy 20 perces szakasz követi, ahol a hőmérséklet stabil, ekkor a legtöbb anyag kiég, illetve dezoxidálódik. A harmadik szakasz meredeksége 7.5 °C/perc míg el nem éri a 850 °C-os csúcshőmérsékletet. Itt követelmény a dús oxigén jelenléte. A következő, negyedik szakasz ezen a csúcshőmérsékleten marad 30 perc időtartamig, majd a végső, ötödik szakasz meredeken fut le szobahőmérsékletig. A kiégetés alatt a hordozó és az alatta lévő kiégetési segédeszköz közötti reakció jelentősen befolyásolja a hordozó zsugorodásának mértékét. Tehát olyan alátétet kell választani, mely utat enged a gázok távozásának, valamint megfelelően stabil marad a szerkezete magas hőmérsékleten. Az alábbi ábra ezt az elrendezést hivatott bemutatni.
Az LTCC hordozók külső felületén, hagyományos vastagréteg rétegfelviteli eljárással vezetőpályák és ellenállások, valamint ellenállás hálózatok állíthatók elő. Ezeknél az ún. felső vezető- és ellenállás-rétegeknél a vastagréteg-áramkörök előállításakor szokásos beégetési technológiát kell alkalmazni. Egy kiégetett áramkörön lévő vezetőhálózat kapcsolatát biztosító viákról készített metszeteti képet az alábbi ábrán mutatjuk be:
Az eltemetett alkatrészek többszörös hőhatásnak vannak kitéve, mint a laminátum kiégetés, felületi mintázat beégetése, védőüveg megömlesztés és a forrasztás. Ezek a hőhatások elváltozásokat hoznak létre az eltemetett rétegekben. Ennek az a magyarázata, hogy minden egyes hőkezelési ciklus során a hordozó anyagával együtt felmelegedő töltőanyagok (vezető szemcsék) diffundálni tudnak az őket körülvevő kerámiába. A diffúzió hatására megváltozik a réteg eredeti négyzetes ellenállás értéke, valamint a hőmérsékleti együtthatója. Eltemetett kondenzátorok esetén a diffúzió csökkenti az elektródák távolságát, és így növeli a kapacitást. Növeli továbbá a kondenzátor veszteségi tényezőjét is. A diffúzió legnagyobb hátránya, hogy nehezen kézben tartható, így a tervezésnél nehéz előre kompenzálni a hatást. A beégetési folyamat alatt az LTCC hordozók térfogatcsökkenést szenvednek, melynek értéke a DuPont 951 nyers üveg-kerámia esetében 12%-16% (+-0.2%) között van az (X,Y) tengely mentén, míg 15%-25% (+-0.5%) a Z tengely, azaz a vastagság irányában. Az alábbi ábra a hordozó térfogatcsökkenését szemlélteti.
Az LTCC hordozó térfogat zsugorodásának mértéke szoros kapcsolatban áll annak sűrűségével. Ahhoz, hogy a zsugorodás mértékét korlátok közt tartsuk, különböző olvadásponttal rendelkező alkáliszegény üveget kell kevernünk a nyers zagyhoz. A sűrűség és a térfogat zsugorodás közötti kapcsolatot az alábbi grafikonon muatjuk be.
A monolitikus modulok megvalósításához szükséges a vezető fémréteg és a kerámia együttes égetése. Az alábbi ábrán a kerámia és a vezető anyagok oldalirányú térfogat változását mutatjuk be a hőmérséklet függvényében:
A fenti diagram a nem megfelelő illesztéssel járó effektust jól szemlélteti. Az ábrán ΔT jelöli azt a hőmérsékletkülönbséget, mely a két anyagnak a zsugorodás kezdeti fázisában mutatkozik, míg a szinterelés végén jelentkező különbséget ΔS jelenti. Például, kerámia esetén az a hőmérséklet, ahol a szinterelés teljes 850 °C-nak felel meg, míg ugyanez fém esetén 600 °C-nál jelentkezik. A ΔS különbség oka a szubsztrátumban és a vezető felszínén keletkező üregszerű területek, ahol az égési sűrűség egyenlőtlen. Következésképpen, a kerámia szubsztrátum eltorzult lesz és a huzalozás méret pontossága is nehezen szabályozhatóvá válik. ΔT pedig a vezető/kerámia határfelületen fellépő tapadási deffektusok okának tekinthető. A jobb illeszthetőség érdekében optimalizálnunk kell a vezető anyagi részecskék méretét, összetételét és az adalékokat. Elengedhetetlen tehát, hogy az optimális égetési hőmérséklet mindkét anyag esetén egymáshoz közeli érték legyen, illetve az is, hogy az égetés hatására bekövetkező zsugorodási folyamat alatt a két anyag közel azonos módon viselkedjen. Az együttzsugorodás mértéke döntően befolyásolja tehát a két réteg egymáshoz való tapadásának mechanikai tulajdonságait, valamint a megbízható elektromos, illetve mechanikus viselkedés érdekében figyelemmel kell lennünk a vezető/dielektrikum határfelületén zajló jelenségekre.
|
||||||||||||||||||||||||
| Lézeres értékbeállítás | vissza | |||||||||||||||||||||||
Míg a topológiai tervezés során a tényleges ellenállás értéke nem mérhető, a trimmelés, a nyomtatás és kiégetés után a rétegellenálláson finomhangolást tesz lehetővé. Erre szükség is van, ugyanis a vastagréteg ellenállásoknál a gyártási pontatlanság +-20 % között van, mely a legtöbb alkalmazásban nem megengedhető. Az utólagos értékbeállítást lézerrel végzik, mely időigényes és költséges. Az eltemetett ellenállásokba lézerrel belevágnak, így annak értéke növekszik. A bevágás történhet X irányban, Y irányban és ezek kombinációjaként, L alakban. Az X irányú bevágás nagy értékváltoztatás esetén hosszadalmas. Az Y irányú bevágással nagy értékváltozást érhetünk el már rövidebb bevágással is. Az értékváltozás az alábbi ábra szerint becsülhető:
A merőleges bevágás hátránya, hogy hosszú bevágás esetén rendkívül érzékeny. Az L alakú bevágás ötvözi az X és Y bevágás előnyeit: a gyors, de érzékeny Y vágás és a lassú, de jól kézben tartható X vágás együttes alkalmazásával pontosan és stabilan beállítható a trimmelendő ellenállás értéke a trimmelés technológiai határai között. Értékbeállítás közben az ellenállás értékének mérésére lehetőség van. Ha a hordozón nincsenek trimmelési ablakok, akkor lézerrel a kerámia szigetelőréteget átvágják, így az eltemetett passzív elemek hozzáférhetővé válnak. A kerámiahordozón a beállítandó ellenállás a lézersugár számára hozzáférhető kell, hogy legyen. Ha a hordozón trimmelő ablakok vannak a pontosan beállítandó passzív elemek fölött, akkor nem kell lézerrel átvágni a szigetelőréteget, az elem közvetlenül hozzáférhető. Ez a módszer az ablakok mérete miatt jobban rontja a hordozó alkatrész- és vezetéksűrűségét, mint az előző megoldás. A lézeres értékbeállítással kizárólag ellenállásérték-növelés végezhető, az így beállított ellenállások pontatlansága +-0,25 % alatt van. A lézer vágás közben kárt tesz az ellenállás anyagában, továbbá szűkület keletkezik az áram útjában. Ezt a megbízhatósági analízis során nem szabad figyelmen kívül hagyni. Az alábbi ábra a lézeres vágáskor keletkező hibákat és folyamatokat szemlélteti:
|
||||||||||||||||||||||||
| vissza |
