Совместно обожженная керамика
совместного обжига Керамические устройства — это монолитные керамические микроэлектронные устройства, в которых вся керамическая опорная конструкция и любые проводящие, резистивные и диэлектрические материалы обжигаются в печи одновременно. Типичные устройства включают конденсаторы , катушки индуктивности , резисторы , трансформаторы и гибридные схемы . Эта технология также используется для надежной сборки и многослойной упаковки электронных компонентов в электронной промышленности, такой как военная электроника, MEMS , микропроцессоры и радиочастотные приложения.
Керамические устройства совместного обжига изготавливаются с использованием многослойного подхода. Исходным материалом являются композитные ленты зеленого цвета, состоящие из керамических частиц, смешанных с полимерными связующими. Ленты являются гибкими и могут подвергаться механической обработке, например, с использованием резки, фрезерования, штамповки и тиснения. К слоям можно добавлять металлические конструкции, обычно с использованием заливки и трафаретной печати. Затем отдельные ленты соединяются вместе в процессе ламинирования, а затем устройства обжигаются в печи, где полимерная часть ленты сгорает, а керамические частицы спекаются вместе, образуя твердый и плотный керамический компонент. [1]
Совместное обжиг можно разделить на низкотемпературное (LTCC) и высокотемпературное (HTCC) применение: низкая температура означает, что температура спекания ниже 1000 °C (1830 °F), тогда как высокая температура составляет около 1600 °C (2910 °C). °Ф). [2] Более низкая температура спекания LTCC-материалов достигается за счет добавления в керамику стеклофазы, снижающей температуру ее плавления. [1]
Благодаря многослойному подходу на основе листов стеклокерамики эта технология дает возможность интегрировать в корпус LTCC пассивные электрические компоненты и токопроводящие линии, обычно изготавливаемые по толстопленочной технологии. [3] Это отличается от производства полупроводниковых приборов , где слои обрабатываются последовательно, и каждый новый слой изготавливается поверх предыдущих слоев.
История
[ редактировать ]Керамика совместного обжига была впервые разработана в конце 1950-х — начале 1960-х годов для изготовления более надежных конденсаторов. [4] Позже, в 1960-х годах, технология была расширена и теперь включает многослойные структуры, подобные печатным платам. [5]
Компоненты
[ редактировать ]Гибридные схемы
[ редактировать ]Технология LTCC особенно полезна для радиочастотных и высокочастотных приложений. В радиочастотных и беспроводных приложениях технология LTCC также используется для создания многослойных гибридных интегральных схем , которые могут включать в себя резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы и активные компоненты в одном корпусе. Более подробно, эти приложения включают в себя мобильные телекоммуникационные устройства (0,8–2 ГГц), беспроводные локальные сети, такие как Bluetooth (2,4 ГГц), и автомобильные радары (50–140 ГГц и 76 ГГц). [3] Гибриды LTCC имеют меньшую первоначальную («единовременную») стоимость по сравнению с микросхемами , что делает их привлекательной альтернативой ASIC для небольших интеграционных устройств.
Индукторы
[ редактировать ]Индукторы формируются путем печати проводящих обмоток на ферритовой керамической ленте. В зависимости от желаемой индуктивности и способности проводить ток, на каждом слое может быть напечатана частичная обмотка или несколько обмоток. При определенных обстоятельствах можно использовать неферритовую керамику. Это наиболее распространено для гибридных схем, в которых присутствуют конденсаторы, катушки индуктивности и резисторы, а также для приложений с высокой рабочей частотой, где петля гистерезиса феррита становится проблемой.
Резисторы
[ редактировать ]Резисторы могут быть встроенными компонентами или добавлены к верхнему слою после обжига. С помощью трафаретной печати на поверхность LTCC наносится резисторная паста, из которой генерируются сопротивления, необходимые в схеме. При срабатывании эти резисторы отклоняются от расчетного значения (±25%) и поэтому требуют регулировки для соответствия окончательному допуску. С помощью лазерной обрезки можно добиться этих сопротивлений с различными формами резки до точного желаемого значения сопротивления (± 1%). Благодаря этой процедуре потребность в дополнительных дискретных резисторах может быть уменьшена, что позволяет обеспечить дальнейшую миниатюризацию печатных плат.
Трансформеры
[ редактировать ]Трансформаторы LTCC аналогичны индукторам LTCC, за исключением того, что трансформаторы содержат две или более обмоток. Для улучшения связи между обмотками трансформаторы включают в себя диэлектрический материал с низкой проницаемостью, напечатанный на обмотках на каждом слое. Монолитная природа трансформаторов LTCC приводит к меньшей высоте, чем у традиционных проволочных трансформаторов. Кроме того, встроенный сердечник и обмотки означают, что эти трансформаторы не подвержены обрывам проводов в условиях высоких механических напряжений. [6]
Датчики
[ редактировать ]Интеграция толстопленочных пассивных компонентов и трехмерных механических структур внутри одного модуля позволила изготавливать сложные трехмерные LTCC-датчики, например акселерометры. [7]
Микросистемы
[ редактировать ]Возможность изготовления множества различных пассивных толстопленочных компонентов, датчиков и трехмерных механических структур позволила создать многослойные LTCC-микросистемы. [ нужна ссылка ]
С использованием технологии HTCC были реализованы микросистемы для суровых условий окружающей среды, например, для рабочих температур 1000 °C. [8]
Приложения
[ редактировать ]Подложки LTCC могут наиболее выгодно использоваться для создания миниатюрных устройств и надежных подложек. Технология LTCC позволяет объединять отдельные слои с различными функциональными возможностями, такими как высокая диэлектрическая проницаемость и низкие диэлектрические потери, в единый многослойный ламинированный корпус и тем самым достигать многофункциональности в сочетании с высоким уровнем интеграции и межсоединения. Это также дает возможность изготавливать трехмерные прочные структуры, позволяющие в сочетании с толстопленочной технологией интегрировать пассивные электронные компоненты, такие как конденсаторы, резисторы и катушки индуктивности, в одно устройство. [9]
Сравнение
[ редактировать ]Технология низкотемпературного совместного обжига имеет преимущества по сравнению с другими технологиями упаковки, включая высокотемпературный совместный обжиг: керамика обычно обжигается при температуре ниже 1000 °C из-за особого состава материала. Это позволяет совместное сжигание материалов с высокой проводимостью (серебро, медь и золото). LTCC также имеет возможность встраивать пассивные элементы, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, в керамический корпус, минимизируя размер готового модуля.
Компоненты HTCC обычно состоят из нескольких слоев оксида алюминия или циркония с металлизацией платиной, вольфрамом и молибденомарганцем. К преимуществам HTCC в технологии упаковки относятся механическая жесткость и герметичность , которые важны для высоконадежных и экологически вредных применений. Еще одним преимуществом является способность HTCC рассеивать тепло, что делает его выбором для корпуса микропроцессора, особенно для высокопроизводительных процессоров. [10]
По сравнению с LTCC, HTCC имеет с более высоким сопротивлением проводящие слои .
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Юркув, Доминик; Медер, Томас; Домбровский, Аркадиуш; Зарник, Марина Санто; Белавич, Дарко; Барч, Хайке; Мюллер, Йенс (сентябрь 2015 г.). «Обзор низкотемпературных керамических датчиков совместного нагрева» . Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 233 : 125–146. дои : 10.1016/j.sna.2015.05.023 .
- ^ «Керамика, обожженная при высоких температурах» . АМЕТЕК ЭГИС .
- ^ Jump up to: а б Хаджян, Али; Штегер-Поллах, Михаэль; Шнайдер, Майкл; Мюфтюоглу, Дорук; Крануэлл, Фрэнк К.; Шмид, Ульрих (2018). «Пористообразование подложек LTCC с гидроксидом калия» . Журнал Европейского керамического общества . 38 (5): 2369–2377. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.01.017 .
- ^ США 3004197 , Родригес, Антонио Р. и Уоллес, Артур Б., «Керамический конденсатор и способ его изготовления», выдан 10.10.1961.
- ^ США 3189978 , Стетсон, Гарольд В., «Способ изготовления многослойных схем», выдан 22.06.1965.
- ^ Рослер, Александр В.; Шаре, Джошуа М.; Гласс, С. Джилл; Юсук, Кевин Г.; Слама, Джордж; Авель, Дэвид; Шофилд, Дэрил (2010). «Плоские трансформаторы LTCC для высоковольтных обратноходовых преобразователей» . Транзакции IEEE по компонентам и технологиям упаковки (представленная рукопись). 33 (2): 359–372. дои : 10.1109/tcapt.2009.2031872 .
- ^ Юркув, Доминик (2013). «Трехосевой низкотемпературный керамический акселерометр». Микроэлектроника Интернэшнл . 30 (3): 125–133. дои : 10.1108/МИ-11-2012-0077 .
- ^ Стурессон, П; Хаджи, З; Кнауст, С; Клинтберг, Л; Торнелл, Дж. (01 сентября 2015 г.). «Термомеханические свойства и характеристики керамических резонаторов для беспроводного измерения давления при высоких температурах» . Журнал микромеханики и микроинженерии . 25 (9): 095016. Бибкод : 2015JMiMi..25i5016S . дои : 10.1088/0960-1317/25/9/095016 . ISSN 0960-1317 . S2CID 106915066 .
- ^ Хаджян, Али; Мюфтюоглу, Дорук; Конеггер, Томас; Шнайдер, Майкл; Шмид, Ульрих (2019). «О пористости подложек LTCC гидроксидом натрия» . Композиты. Часть B: Инженерия . 157 : 14–23. doi : 10.1016/j.compositesb.2018.08.071 .
- ^ Характеристики миллиметровых волн керамических корпусов совместного обжига оксида алюминия . Архивировано 4 сентября 2012 г. в Wayback Machine , Рик Стердивант, конференция IMAPS 2006 г., Сан-Диего, Калифорния.