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1 TECNOLOGIAS HÍBRIDAS Estas tecnologias permitem a implementação de módulos funcionais, combinando e integrando técnicas diversas, para exercer funções sistêmicas como recepção, aquisição, processamento e/ou saída de informação. NECESSIDADE DAS TÉCNICAS HÍBRIDAS Existem nichos onde os circuitos integrados monolíticos, sozinhos não podem as especificações necessárias, estas áreas são: Circuitos de Alta Freqüência Circuitos de Potência Conversores A/D, D/A Circuitos para Eletrônica Embarcada Circuitos para Bioengenharia Circuitos Eletrônicos Militares e Aeroespaciais VANTAGEMS DÁS TÉCNICAS HÍBRIDAS Funciona como Tecnologia Complementar Aumenta a densidade de Empacotamento dos circuitos Aumenta a densidade de Interconexão dos circuitos Diminui retardos de propagação de I/O Aumenta a capacidade de Potência Possibilita Manufatura automatizada Aumenta Confiabilidade e diminui Custos PS Híbridos-Espessos 1

2 SEQUÊNCIA DE PROJETO DE CIRCUITOS HÍBRIDOS PS Híbridos-Espessos 2

3 MATERIAIS E APLICAÇÕES DAS TECNOLOGIAS HÍBRIDAS PS Híbridos-Espessos 3

4 PRINCIPAIS TECNOLOGIAS HÍBRIDAS TECNOLOGIA DE FILMES FINOS Filmes de espessura máxima de 1 μm TECNOLOGIA DE FILMES ESPESSOS Filmes entre 5 e 30 μm PS Híbridos-Espessos 4

5 CIRCUITOS HÍBRIDOS DE FILME ESPESSO PS Híbridos-Espessos 5

6 MICRO CIRCUITOS HÍBRIDOS PS Híbridos-Espessos 6

7 TECNOLOGIA DE FILME ESPESSO PS Híbridos-Espessos 7

8 CIRCUITO HÍBRIDO DE FILME ESPESSO TÍPICO PS Híbridos-Espessos 8

9 SEQUÊNCIA DE FABRICAÇÃO DE UM CIRCUITO HÍBRIDO DE FILME ESPESSO Resistor Resistor em Chip 5. Secagem de Pasta Corte A-A Capacitor 1. Limpeza de Substrato 6. Depósito de Pasta Dielétrica 2. Depósito de Pasta condutora 7. Secagem e Cura 8. Depósito de Pasta Condutora 3. Secagem e Cura 9. Secagem e Cura 4. Depósito de Pasta resistiva 10. Posicionamento de componente PS Híbridos-Espessos 9

10 SERIGRAFIA EM FILME ESPESSO O processo de Serigrafia requer a interação entre: Molduras Telas Emulsão Foto-sensível Rodo Substratos Pastas Resistivas Condutivas Dielétricas De Isolação e Passivação PS Híbridos-Espessos 10

11 MOLDURAS As Molduras utilizadas para Filme Espesso são de aço inox com dimensões de 5 x 5 ou 8 x 10 e com características como: Excelente Estabilidade Dimensional Excelente Estabilidade Torsional Excelente Planicidade Facilidade de Montagem da Tela (Epoxy + Parafusos) Excelente resistividade a Solventes Possibilidade de Reutilização Custo Moderado PS Híbridos-Espessos 11

12 Screen Size Nominal I.D. (Inch) INFORMAÇÕES SOBRE MOLDURAS Outside Dimension (Inch) Frame Thickness (Inch) Mounting Hole Location (Inch) (center to center) PS Híbridos-Espessos 12 Mounting Hole Thread (Inch) Typical Image Size (Inch) 5x5 6.6 x x x 2 5x7 6.6 x x x 3 7x8 8.5 x x x 3 8x x x / x 5 12x12 12x17 15x15 20x20 24x x x x x x x / x x / x x / x x / x x / x 18

13 TELAS SERIGRÁFICAS Constitui-se do material que montado na moldura, serve como suporte para a máscara gerada através de uma foto emulsão colocada na sua superfície. Telas com fios de aço inox 304 ou 316 são as mais usadas para a construção de telas com diversos tipos de MESH. O termo MESH refere-se ao N o de aberturas na tela por polegada linear. As telas de aço Inox apresentam as seguintes características: Possibilidade de uso de fios finos (30-45 μm) Excelente estabilidade dimensional Excelente resistência à abrasão Possibilidade de montagem em alta tensão Excelente resistência Tensional Excelente resistência Química Custo Moderado PS Híbridos-Espessos 13

14 ESCOLHA DE TELAS SERIGRÁFICAS Pode-se escolher o MESH da tela de aço inox usando diversos criterios. O mais usado é MESH 325 que permite uma abertura de 41,28 %. Deve-se ajustar a tensão da tela de acordo com a moldura e o MESH adotados, como mostrado na tabela. MESH φ (μm) Abertura MESH (μm) PS Híbridos-Espessos 14 Deflexão em Mils 5 x Deflexão em Mils 8 x

15 ESPESSURA DO DEPÓSITO VS.MESH De acordo com o MESH da tela utilizada será possível obter espessura final dos depósitos entre 10 e 30 μm com aberturas de 30 a 45%. Existem diversas tramas e sistemas calandrados que podem otimizar a abertura com o mesmo MESH Mesh Count Wire Diameter Mesh Opening Percent Open Area Mesh Thickness Wet Print Thickness* Calendered Calendered PS Híbridos-Espessos 15 Medidas em Polegadas

16 EMULSÃO NA SERIGRAFIA Tipos de Emulsão Os dois tipos básicos de emulsão são: Diazo e Foto-polímeros. Geralmente, a emulsão com Foto-polímeros fornece a melhor combinação de resolução, resistência a solventes e acabamento superficial. A emulsão tipo Diazo fornece características muito boas quanto a resistência a solventes e a abrasão, mas são difíceis na transferência de imagem e sua durabilidade é limitada já que apresentam uma tendência a micro-quebras. Existem emulsões que são combinação destas duas químicas, sendo conhecidas como emulsões de cura dupla. Espessura da Emulsão A emulsão é aplicada no lado do substrato da tela serigráfica. A espessura da emulsão aumenta a espessura do depósito úmido, por causa do aumento de volume de pasta depositada através da abertura. Para determinar a espessura da emulsão deve-se obter a espessura do deposito úmido para o processo especifico, calcula-se primeiro o valor teórico de espessura úmida produzido pela tela usada e depois calcula-se o valor real de espessura de emulsão, utilizando as seguintes formulas: Espessura úmida teórica de impressão = Espessura da tela x Percentual de área aberta Espessura de Emulsão = Espessura úmida de impressão desejada - Espessura úmida teórica de impressão PS Híbridos-Espessos 16

17 AJUSTE DE ESPESSURA COM EMULSÃO Assim é possível usar a emulsão para modificar a espessura do deposito de filme espesso úmido. A espessura com excesso de emulsão é: T = T w + b Ângulo da Tela A trama da tela de aço Inox é composta de fios ortogonais. Para melhorar a definição da impressão e aumentar a vida da tela costuma-se modificar a orientação da trama em relação à moldura. Assim utilizam-se ângulos de 22 o ou 45 o regularmente. T w PS Híbridos-Espessos 17

18 PROCESSO DE DEPOSIÇÃO A deposição de um filme espesso se aproveita da variação da viscosidade da pasta, que apresenta característica tixotrópica quando aplicado cizalhamento, nos diferentes estágios do processo de impressão: Ajuste da viscosidade inicial da pasta; Aplicação pelo Rodo Squeegee de tensão de cizalhamento na pasta; Passagem da pasta pela Tela; Nivelamento da Pasta no substrato. PS Híbridos-Espessos 18

19 PROCESSO DE DEPOSIÇÃO POR SERIGRAFIA PS Híbridos-Espessos 19

20 TERMOS USADOS EM SERIGRAFIA Termos usados em Serigrafia Snap-Off Distância entre a tela e a superfície do substrato Attack Angle Ângulo entre o rodo e a superfície do substrato, varia de o Durometer Dureza do Rodo Peel Saída do da tela após a serigrafia Emulsion Emulsão foto sensível MESH Count N o de Fios por Polegada linear Screen Tension Tensão na Tela PS Híbridos-Espessos 20

21 FATORES QUE AFETAM A ESPESSURA DOS FILMES MESH Count Attack Angle Durometer Coplanaridade da Tela Pressão do Rodo Squeegee Velocidade do Rodo Espessura de Emulsão SNAP-OFF % de sólidos na pasta PS Híbridos-Espessos 21

22 IMPACTO NO YIELD DEVIDO A PROBLEMAS DE IMPRESSÃO PS Híbridos-Espessos 22

23 PARÂMETROS QUE VARIAM A ESPESSURA DO DEPOSITO Dentre os fatores que afetam a espessura do deposito de filme espesso estão: A dureza do rodo, associada ao ângulo de ataque durante a serigrafia A coplanaridade da tela com o substrato garante a deposição de filmes com espessura uniforme PS Híbridos-Espessos 23

24 PARÂMETROS QUE VARIAM A ESPESSURA DO DEPOSITO Outros fatores que afetam a espessura do deposito de filme espesso são: Velocidade do rodo Squeegee em (mm/s) onde a maior velocidade mais espesso o filme A espessura pode variar de acordo com a largura do deposito, verifica-se uma tendência a estabilizar para largura maiores PS Híbridos-Espessos 24

25 SUBSTRATOS DE ALUMINA PARA FILME ESPESSO PS Híbridos-Espessos 25

26 QUALIFICAÇÃO DE SUBSTRATOS Medição de propriedade físicas Vs. as tolerâncias especificadas Comparação das propriedades funcionais com um lote padrão Procedimento de Qualificação Testes Físicos: Tolerância dimensional Largura Comprimento Espessura Camber Rugosidade Superficial Morfologia superficial (inspeção visual) Testes Funcionais: Adesão de condutores Soldabilidade de condutores Verificação de valores de resistências e TCR PS Híbridos-Espessos 26

27 IMPERFEIÇÕES EM SUBSTRATOS PARA FILME ESPESSO PS Híbridos-Espessos 27

28 SINTERIZAÇÃO PARA FILME ESPESSO O processo de Sinterização de um depósito de filme espesso requer um perfil de temperatura com patamares e rampas adequados para permitir a realização dos principais eventos térmicos necessários: Evaporação da fase volátil Queima da fase não volátil Fluxo da fase de ligante Sinterização e recozimento completa PS Híbridos-Espessos 28

29 Num forno de esteira realiza-se a sinterização dos depósitos de filme espesso. É importante ter uma adequada ventilação e exaustão durante a fase de evaporação, assim a quantidade de ar necessária para a queima do material orgânico pode ser calculada por: V = PLAWS Com: V =Volume de fluxo de ar P = Razão entre área impressa e área total do substrato L = Razão entre área do substrato e a área da esteira A = Quantidade de ar por unidade de área para uma dada pasta W = Largura da esteira S = Velocidade da esteira FORNO DE ESTEIRA PS Híbridos-Espessos 29

30 ESTRUTURA DOS FILMES ESPESSOS As composições de Filme Espesso são constituídas por três componentes principais, portanto trata-se de um material compósito: Veículo ( ajusta viscosidade, aparência e define as características de impressão) Fase Funcional (Define o tipo de filme: Condutor, resistivo ou dielétrico) Fase de Ligante (Fornece o corpo do filme, conferindo rigidez e encapsulamento) PS Híbridos-Espessos 30

31 COMPOSIÇÃO PARA FILME ESPESSO Teste para definir características das composições de filme espesso: Físicos % de Sólidos Viscosidade Dispersão Funcionais Propriedades de impressão Características geométricas Adesão Soldabilidade para condutores Resistividade e TCR para Resistores Capacitância /unidade de área para Dielétricos Pós Vítreos (Fase Ligante) Pós Metálicos (Fase Funcional) Veículo Composição de Filme Espesso PS Híbridos-Espessos 31

32 COMPONENTES DE PASTAS DE FILME ESPESSO PS Híbridos-Espessos 32

33 RESISTÊNCIA DE FOLHA COMO FUNÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE DIVERSAS FASES CONDUTIVAS PS Híbridos-Espessos 33

34 PROBLEMAS NOS RESISTORES DE FILME ESPESSO Efeitos de Espessura Modificam a resistência O comprimento do resistor modifica a resistência Efeitos de Difusão Existe interdifusão (substrato resistor) que afeta a resistividade Efeitos de Terminação Existe formação de fases na interfase (resistor-condutor) TCR Existem dois TCR nos resistores de filme espesso: HOT TCR COLD TCR PS Híbridos-Espessos 34

35 What to Consider When Selecting a Resistor Paste What is the right sheet resistance for the available space? Do I have to blend adjacent decade values to an intermediate resistance value? What are the following property requirements? Temperature coefficient of resistance (TCR) Voltage coefficient of resistance (VCR) Working voltage and peak voltage Trim stability and trim accuracy Long term thermal stability Long term stability in harsh environment such as moisture, vibration, chemical attack etc. Current noise With which conductor and substrate material has the resistor to be compatible? Which power has to be dissipated? Can electrostatic discharge be a problem? What metallurgy will be used for the conductor termination? What type of substrate will the resistor be used on? What are the size of the resistors to be printed? Will the resistors be printed to value or trimmed to value? What is the fired value tolerance? What is the required peak firing temperature? PS Híbridos-Espessos 35

36 ELEMENTOS CONDUTORES EM FILMES ESPESSOS PS Híbridos-Espessos 36

37 DIELÉTRICOS EM FILME ESPESSO Existem vários tipos de dielétricos usados: Multicamada Isola grandes áreas de condutores Crossover Isola pequenas áreas de condutores Capacitor Armazena energia elétrica Encapsulante Fornece proteção ambiental ao circuito Componentes dos materiais dielétricos Pós de Vidro Promovem adesão, produzem filmes densos e coesos, fornecem encapsulamento e afetam as características físicas e elétricas Pós refratários Fornecem estrutura ao filme em altas Temperaturas e afetam as características físicas e elétricas Veículos Conferem as propriedades de impressão, produzem taxas adequadas de secamento PS Híbridos-Espessos 37

38 LASER TRIMMING Laser Trimming é um processo importante para a tecnologia de filme espesso já que este permite que componentes como resistores e capacitores sejam processados para obter valores adequados e portanto aumentar o Yield do processo. Existe uma dispersão inerente ao processo devido à grande quantidade de parâmetros envolvidos, portanto no projeto dos componentes estes aspectos devem ser levados em conta PS Híbridos-Espessos 38

39 EQUIPAMENTO PARA LASER TRIMMING O equipamento de Laser Trimming consta de : Circuito de Laser Ressonante Circuito Ótico de chaveamento Sistema Opto-mecânico de deflexão de feixe Sistema de medição e controle eletrônico PS Híbridos-Espessos 39

40 CARACTERÍSTICAS DE AJUSTE PARA CORTE TIPO P PS Híbridos-Espessos 40

41 LASER TRIMMING TIPOS DE CORTE PS Híbridos-Espessos 41

42 Tipos de Ajuste em Laser Trimming Os principais tipos de ajuste em Laser Trimming são: Ajuste Paramétrico: Neste caso deseja-se ajustar somente o valor específico do componente (Resistência Capacitância, etc) Ajuste Funcional Neste caso deseja-se ajustar um valor característico do circuito como um todo ( Ganho, offset, Frequência de corte, Frequência central, etc). PS Híbridos-Espessos 42

43 SIMULAÇÃO DO CORTE DE LASER PS Híbridos-Espessos 43

44 MARCAS PARA CORTE DE SUBSTRATOS COM LASER Laser de CO 2 é utilizado para definir nas cerâmicas: Linhas de corte Scribe Lines Chanfros Furos de Localização Fiduciais Fendas de acesso Normalmente são utilizados substratos em tamanhos maiores e realizadas linhas de corte para depois realizar a singulação do dispositivo. PS Híbridos-Espessos 44

45 ENCAPSULAMENTOS HÍBRIDOS São encapsulamentos usados por circuitos híbridos de filmes finos e espessos e módulos MCM multi-chip montados em sustratos cerâmicos ou metálicos e suas aplicações são: Circuitos de potência, A/D, D/A, digitais, optoeletrônicos, microondas, microsistemas. As formas de encapsulamento são muito variadas, algumas de elas são: Flat-Pack, Plug-In,LCC Leadless Chip Carrier, de Cavidade para potência. As funções destes encapsulamentos são similares às dos encapsulamentos convencionais: Fornecer suporte mecânico, Realizar interconexão elétrica, Realizar escoamento térmico, Fornecer proteção ambiental Os encapsulamentos híbridos são projetos também para funções especificas como: Fazer interconexões com fibras óticas, Fornecer contatos coaxiais, Permitir dissipação de alta potência, Realizar dispositivos herméticos PS Híbridos-Espessos 45