NECESSIDADE DAS TÉCNICAS HÍBRIDAS VANTAGEMS DÁS TÉCNICAS HÍBRIDAS

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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 PSI

2 SEQUÊNCIA DE PROJETO DE CIRCUITOS HÍBRIDOS PSI

3 MATERIAIS E APLICAÇÕES DAS TECNOLOGIAS HÍBRIDAS PSI

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 PSI

5 MICRO CIRCUITOS USANDO FILME FINO PSI

6 MÉTODOS DE DEPOSIÇÃO DE FILMES FINOS DEPOSIÇÃO POR VAPOR Sputtering PVD Deposição por Vapor Físico Deposição Deposição em por Ion Beam Vácuo CVD Deposição por Vapor Químico Reação CVD por Química Plasma Ordinário Ion Plating Ordinária Redução de Hidrogênio Glow Discharge Reativo IVD MBE Mo-CVD RF Deposição assistida a Laser PSI

7 CONDUTORES DE FILME FINO São em geral compósitos multicamadas de vários metais, dado que não existe um filme simples que possua todas as propriedades de um bom condutor. Estas propriedades são : Baixa resistividade Boa adesão ao substrato Boa adesão às outras camadas Superfície superior que protege contra corrosão, permitindo Wire Bonding, TAB ou refusão de solda Ter compatibilidade com métodos de posicionamento de e Dies Ser corroído seletivamente Ter compatibilidade com químicas e processos híbridos PSI

8 CARACTERÍSTICAS COMUNS DOS CONDUTORES DE FILME FINO (Cu, AL, Au) Resistência de Folha 3-5 mω/ Espessura <10 μm Largura de Linha <25 μm Adesão 20 N/mm 2 Corrente de Ruptura ma/mm Numero de camadas 1-6 Tamanho de Via <40 μm PSI

9 RESISTIVIDADE VS. SUBSTRATO EM CONDUTORES DE FILME FINO PSI

10 SISTEMAS DE CONDUTORES/RESISTORES EM FILME FINO PSI

11 SEQÜÊNCIA DE PROCESSAMENTO DO SISTEMA (OURO-NÍQUEL-CROMO) PSI

12 MATERIAL TÍPICO PARA SUBSTRATO DE FILME FINO PSI

13 IMPERFEIÇÕE S SUPERFICIAIS EM SUBSTRATOS DE FILME FINO PSI

14 TOLERÂNCIAS DIMENSIONAIS DE SUBSTRATOS CERÂMICOS PSI

15 CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE SUBSTRATOS PSI

16 (CET) DE SUBSTRATOS PSI

17 PROPRIEDADEs DOS SUBSTRATOS PARA FILME FINO PSI

18 R = ρl/a A = w h RESISTORES DE FILME FINO com: ρ = Resistividade do Material A= Área da Seção L= Comprimento do caminho de Corrente Se w = L a resistência de folha é dada por: R = ρ/ h em ( Ω/) Uma dada resistência pode ser expressa em termos de R assim: R = R L/w sendo L/w a razão de aspecto do resistor se L/w = N então R= N R Com N: Número de quadrados PSI

19 GEOMETRIAS DE RESISTORES DE FILME FINO Em geral o valor da resistência inclui contribuições do N: N o de quadrados de segmentos retilíneos e correções para contatos, curvas e outras mudanças de forma Configurações para alguns resistores típicos N o de PSI

20 RESISTORES PARA VALORES OHMICOS ELEVADOS Para obter resistores de valor ohmico elevado sem gastar muita área, normalmente utiliza-se a geometria sanfonada O numero de quadrados N está dado pela seguinte expressão sendo N = w r 2w w l l wg + + w l C L w w r g g C w + w w g l l 1 2 C 1 = correção para as curvas C 2 = correção para os contatos PSI

21 OBTENÇÃO DE N PARA RESISTORES SANFONADOS Na tabela a seguir tem-se uma forma de obter o N quando w l =w g PSI

22 LARGURA MÍNIMA PARA RESISTOR Éimportante saber a largura mínima w min de forma que o resistor possa suportar uma certa dissipação de potência P d. Para uma geometria retangular, a área mínima do resistor é dada por: A min =P d / p max, sendo p max a densidade de potência máxima que é determinada por: Material do filme Condutividade térmica do substrato Temperatura ambiente Material do substrato Tamanho do resistor Para um resistor retangular então : w min = [(P d R )/(p max R)] 1/2 PSI

23 VARIAÇÃO DOS RESISTORES COM A TEMPERATURA Outro fator importante nos resistores é sua dependência com a To, para alguns materiais esta dependência pode ser expressa assim: R = R [1+α (T-T o )] Com: T o = Temperatura de referência R o = Valor de T o α = Coef. de variação da resistência com a Temperatura, sendo que: α = TCR = (1/ R ) d R / d T PSI

24 CAPACITORES DE FILME FINO C = ε r ε o (A/d) ε o = Permitividade do Vácuo (8, F/m) ε r = Permitividade do Filme Dielétrico d = Espessura do Filme Dielétrico A = Área do Capacitor PSI

25 CAPACITORES DE FILME FINO Um parâmetro para levar em consideração para a escolha do material dielétrico é a tensão de ruptura V b do Capacitor. Esta apresenta relação com a resistência à ruptura dielétrica do material do filme, assim: V b =E b / d Com E b : Campo elétrico de ruptura e d: Distância entre placas. Por considerações de confiabilidade a tensão de trabalho de um Capacitor de filme fino define-se: V r = k V b com 0<k <1 (tipicamente 0,1-0,5) PSI

26 ESTRUTÚRAS TÍPICAS DE CAPACITORES DE FILME FINO PSI

27 CAPACITOR INTERDIGITAL Apresenta uma capacitância dada por: C L = ( ε + 1 ) ε ( ) w n 3 k + k 1 2 i r o [ ] em (Farad / unidade de comprimento) com: n = N o de dedos de comprimento L w = largura do padrão k1 = Contribuição dos dedos interiores k2 = Contribuição dos dedos exteriores k2 k1 PSI

28 PROCESSAMENTO DE ESTRUTURAS HÍBRIDAS MULTICAMADAS DE FILME FINO As estruturas híbridas multicamadas de filme fino envolvem os seguintes passos para seu processamento: Preparação do substrato inicial Aplicação de precursores Formação de Vias Cura do Polímero Metalização do dielétrico Os polimidas são os materiais mais usados para estruturas multicamada com filme fino, devido a : Baixa constante dielétrica ε r : 3.5; Resistência a solventes; Alta temperatura de transição vítrea; Boas características de planarização; Alta estabilidade térmica T g : 280 o C Facilidade de deposição (Spin Coating) PSI

29 MULTICAMADAS COM POLIMIDA (VIA HOLE) Existem diversos processo de geração de Via Hole usando Polimida: Usando Foto-Resist positivo Usando Foto-Resist negativo Usando métodos de corrosão seca: Corrosão Isotrópica (BPE) Corrosão Direcional (RIE) Usando Polimida Fotosensitivo PSI

30 FORMAÇÃO DE VIAS (Cont.) PSI

31 Metalização de Vias O processo de metalização de vias seque os seguintes passos: Formação das Vias Deposição de Níquel Electroless Deposição de camada de adesão por Sputtering Aplicação de Foto- Resist e definição de padrões Eletro deposição de cobre Remoção de Foto- Resist e corrosão de camada Acabamento Flash de níquel Electroless PSI

32 PRINCIPAIS TECNOLOGIAS HÍBRIDAS TECNOLOGIA DE FILMES FINOS Filmes de espessura máxima de 1 μm TECNOLOGIA DE FILMES ESPESSOS Filmes entre 5 e 30 μm PSI

33 CIRCUITOS HÍBRIDOS DE FILME ESPESSO PSI

34 MICRO CIRCUITOS HÍBRIDOS PSI

35 TECNOLOGIA DE FILME ESPESSO PSI

36 CIRCUITO HÍBRIDO DE FILME ESPESSO TÍPICO PSI

37 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 PSI

38 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 PSI

39 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 MOLDURAS PSI

40 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 PSI

41 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 PSI

42 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) Deflexão em Mils 5 x 5 Deflexão em Mils 8 x PSI

43 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 Medidas em Polegadas PSI

44 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 PSI

45 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 PSI

46 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. PSI

47 PROCESSO DE DEPOSIÇÃO POR SERIGRAFIA PSI

48 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 rodo da tela após a serigrafia Emulsion Emulsão foto sensível MESH Count N o de Fios por Polegada linear Screen Tension Tensão na Tela PSI

49 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 PSI

50 IMPACTO NO YIELD DEVIDO A PROBLEMAS DE IMPRESSÃO PSI

51 PARÂMETROS QUE VARIAM A ESPESSURA DO DEPÓSITO 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 PSI

52 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 PSI

53 SUBSTRATOS DE ALUMINA PARA FILME ESPESSO PSI

54 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 PSI

55 IMPERFEIÇÕES EM SUBSTRATOS PARA FILME ESPESSO PSI

56 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 PSI

57 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 PSI

58 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) PSI

59 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 PSI

60 COMPONENTES DE PASTAS DE FILME ESPESSO PSI

61 RESISTÊNCIA DE FOLHA COMO FUNÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE DIVERSAS FASES CONDUTIVAS PSI

62 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 PSI

63 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? PSI

64 ELEMENTOS CONDUTORES EM FILMES ESPESSOS PSI

65 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 PSI

66 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 PSI

67 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 PSI

68 CARACTERÍSTICAS DE AJUSTE PARA CORTE TIPO P PSI

69 LASER TRIMMING TIPOS DE CORTE PSI

70 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). PSI

71 SIMULAÇÃO DO CORTE DE LASER PSI

72 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. PSI

73 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 PSI