Haudatut passiiviset, aktiiviset ja optiset komponentit piirilevyllä Johdanto Integraaliset vastusrakenteet Integraaliset kondensaattorit Integraaliset kelat Aktiivikomponenttien integrointi (optiset komponentit) Tuomas Waris Elektroniikan valmistustekniikan laboratorio (TKK)
++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ Melting point of metal Boiling point of metal Transition point of metal Boiling point of oxide EPT s Assembly, Inspection and Testing Facilities HUT G = RTlnK = RTlnp O2 (kj/mol) O -100-200 -300-400 -500-600 -700-800 -900 4Cu + O 2 = 2Cu 2O M T M M B 2Ni + O 2 = 2NiO 2Zn + O 2 = 2Z no Ti + O 2 = TiO 2 Si + O 2 = SiO 2 4/3Al + O 2 = 2/3Al2O 3 2H 2 + O2 = 2H2O M M M -1000-1100 M B T B Wafer-scale bumping HD-PWBs Wafer-scale flip chip T(x,y,z,t) 200 600 1000 1400-273 1800 2200 ( oc) O 2 + H 2 O control Visual inspection Paste Printer Mounter CIM Reflow processing C-board station Multigas chamber Off-line Dispenser Environmental testing Mechanical testing Thermomechanical testing SEM/EDS Acoustic inspection X-ray inspection
Passiivien integrointi - intro 10 10 Tyypillisesti kannettavassa elektroniikka tuotteessa 80 % komponenteista on passiivikomponentteja, kuten vastukset, kondensaattorit ja kelat Nämä passiivikomponentit vievät yli 50 % pinta-alasta ja maksavat enemmän kuin piirilevy Passiivikomponenttien integrointi säästää piirilevyn kallista pintaa ❺ piirilevyn koko pienenee 10 Passiivikomponentit vaativat n. 25 % juotosliitoksista luotettavuus lyijyttömyys 2006 10 Vastuksia tyypillisesti 30-50 % kaikista passiiveista vastusten integrointi helpointa kondensaattorit seuraavaksi
Passiivien integrointi edut ja haitat 10 Edut Säästävät piirilevyn pintatilaa Parempi sähköinen suorituskyky ❺ Vähemmän parasiittisia vaikutuksia Komponenttilevyn koko ja paino pienenevät Kustannussäästöt ❺ Paneelivalmistus Luotettavuus paranee Lyijyttömyys Erillisladottavien komponenttien edelleen pienentäminen hankalaa 10 Haitat Uusia valmistustekniikoita ja prosesseja Uusia materiaaliyhdistelmiä Valmistustoleranssit Suunnitteluohjelmien puute Kehittymätön toimistusketju Saanto Muutokset liiketoimintamalliin
Passiivien integrointi - vastukset 10 Valmistustekniikat kemiallisesti pinnoittamalla laminoitavat vastuskalvot paksukalvomenetelmät tyhjöpinnoitus 10 Kaupallisesti valmiita tekniikoita
Passiivien integrointi - vastukset R = ρ L t W = R S L W = R S N
Passiivien integrointi - vastukset Sandborn P. et al. Application-Specific Economic Analysis of Integral Passives in Printed Circuit Boards IEEE Transaction on Electronics Packaging Manufacturing, Vol. 24, No. 3, July 2001, s. 203-213
Passiivien integrointi - vastukset 10 Stabiilisuus sisäisten jännitysten relaksoituminen käytön aikana aika- tai aika-lämpötilariippuvia rakennemuutoksia korroosio tai oksidoituminen 10 Lämpötilariippuvuus (TCR) < 50 ppm/c 10 Jänniteriippuvuus (VCR) tyypillisesti alle 10 ppm/v 10 Kohina lämpökohina raekohina virtakohina
Passiivien integrointi vastukset - trimmaus 10 Yleensä integraalisten vastusten valmistusprosessin hajonta on kohtuullisen suurta ja vastusten trimmaus on välttämätöntä hidas ja kallis prosessivaihe
Passiivien integrointi vastukset kemiallinen nikkelipinnoitus Orgaaninen substraatti Slotonip 70 K ph 4,5 P-pitoisuus 9-10 % Nikkeli kenttämetalli Pinnoitettava näyte Vesihaude Läm pöm ittari Lämpömittari Magneetti ph- mittari 75 C ph 4.50 Magneettisekoitin/Lämpölevy
Passiivien integrointi vastukset kemiallinen nikkelipinnoitus Lkm Neliövastus-arvo (Ω/sq) Lämpötila ( C) Aika (s) 4 25 80 40 500 nm 4 50 80 30 200 nm 4 100 75 35 100 nm 4 250 70 35 50 nm
Passiivien integrointi vastukset semiadditiivinen menetelmä Nikkeli kenttämetalli Kuviopinnoitusmaski Sähkökemiallinen kupari
Passiivien integrointi vastukset semiadditiivinen menetelmä
Passiivien integrointi vastukset additiivinen menetelmä Nikkeli kenttämetalli Syövytysmaski Maskin strippaus
Passiivien integrointi vastukset additiivinen menetelmä
Passiivien integrointi vastukset valmistusmenetelmien vertailu
Passiivien integrointi laminoitavat vastuskalvot ohmega ply Lkm 4 4 4 4 Neliövastusarvo (Ω/sq) 25 50 100 250 NiP paksuus (nm) 50 100 200 400
Passiivien integrointi - laminoitavat vastuskalvot ohmega ply 10 Valmistustoleranssit 10-15 %
Passiivien integrointi vastukset - keraamismetallinen paksukalvo 10 Dupont n kaupallinen prosessi LaB6 pasta Felten J, Advanced embedded passives technologies putting ceramic components into organic pwb s, electronic circuits world convention 9
Passiivien integrointi vastukset - keraamismetallinen paksukalvo
Passiivien integrointi - vastukset Polymer Thick Film (PTF) vastukset 10 Piirilevyn sisäkerrokseen määritetään vastukset print & etch prosessilla 10 Johtimet musta-oksidoidaan 10 Johtimen päät pinnoitetaan immersio hopealla 10 Vastukset valmistetaan levyn pintaan silkkipainamalla 10 Kovetetaan paistossa (230 C) 10 Yleisin hiilimusta/fenoli pasta
Passiivien integrointi Polymer Thick Film (PTF) vastukset 10 Yksikköhinta erittäin alhainen 10 Usean eri vastusarvon valmistaminen samaan kerrokseen mahdollista 10 Toleranssit 15-20 % tietämillä, operaattorin merkitys suuri 10 Kosteudenkestävyys huono 1000 h 85/85 testi 3-8 % muutos vastusarvossa galvaaninen korroosio hiili/kupari rajapinnalla 10 Pastojen vastusarvot 120 Kohm/neliö asti
Passiivien integrointi PTF selektiiviset annostelumenetelmät Syöttöaukko Pietsosähköinen muunnin Lasineula Suutin 10 50 um halkaisijaltaan pisaroita, 2000/s viskositeetin oltava riittävän alhainen Shah G. Fabrication of passive elements using ink-jet technology pc fab, september 2002
Passiivien integrointi - kondensaattorit 10 10 Erotuskondensaattorit Vastaavat IC:n virransyötöstä Hyvälaatuiset (kalliit) matalan induktanssin kondensaattorit erittäin lähellä IC:n aktiivipintaa Tyypillisesti >100 nf hyvälaatuisia keraamikondensaattoreita Korvattavissa integraalisilla kondensaattoreilla? Integrointi pakettiin tai puolijohdepinnalle
Passiivien integrointi - kondensaattorit 10 10 Integraalinen kondensaattori valmistetaan usein tasomaisesti myös sormi tai 3d rakenteet mahdollisia Kondensaattorin suorituskykyyn vaikuttaa saavutettava kapasitanssiarvo sekä häviökerroin
Passiivien integrointi kondensaattorit - keraamismetalliset paksukalvot 10 Du Pont n prosessi Felten J, Advanced embedded passives technologies putting ceramic components into organic pwb s, electronic circuits world convention 9
Passiivien integrointi - kondensaattorit - laminoitavat 10 3M C-ply keraamitäytteinen epoksi 4-10 um 10 Cu-foil 35 um laminoitu molemmille puolille 10 10-30 nf/in2
Passiivien integrointi - kondensaattorit - täyteainepartikkelit 10 Polymeerimatriisiin lisätään esim. barium titanaatti partikkeleita (k=10 000) 10 95 wt% epoksia, 5 wt% BaT, k=50 10 Tällaisella seossuhteella valmistetun komposiitin käsittely erittäin hankalaa haurasta adheesio ongelmia 10 ennätys k=150, BaT wt% 2, epoksia wt% 98 (15/85 vol%) 10 levitetään esim. silkkipainamalla tai spinnaamalla
Passiivien integrointi - kondensaattorit - perkolaatiokerroin 10 10 Epoksimatriisia täytetään 10 um hopeapartikkeleilla Lähellä perkolaatiokerrointa k kasvaa nopeasti Wong C.P., Novel ultra-high dielectric constant polymer based compsite for embedded capacitor application, polytronic 2002 85/85
Passiivien integrointi - kondensaattorit - tyhjötekniikat 10 Sputteroituja tai anodisoituja ohutfilmi metallioksideja käyttäen voidaan saavuttaa 100 nf/cm2 kapasitansseja 10 Tyhjötekniikat orgaanisia piirilevyjä valmistettaessa kustannustehokkuus substraattimateriaalien laatuvaatimukset
Passiivien integrointi - kelat 10 10 10 Kelan induktanssi riippuu Kelan materiaalista ❺ Esim. Johtavuudesta Kelan sydämest ❺ Ilma ferromagneettinen sydän Dielektrisestä materiaalista Geometriasta ❺ 2D/3D Käämittyä kelaa vastaavaa integraalista rakennetta hankala valmistaa Integraaliset sovellukset RFIDantenneissa ym.
Passiivien integrointi - kelat 10 Integraaliset kelat muuttujat ❺ n kierrosta ❺ johtimen leveys ja korkeus ❺ johdinten väli ❺ substraatin Dk 10 3-D kelarakenteet sydänmateriaalin valmistus mahdollista
Passivien integrointi kelat - etälukukortti 10 Picopak electronicsin kanssa yhteistyönä valmistettu etälukukortti 10 Rakenne Kaksi integroitua spiraalikelaa (antenni) Integroitu kondensaattori Interoitu chippi 10 Samantyyppisiä kelarakenteita käytetään yleisesti RFID-tägeissä
Aktiivien integrointi tekniikat 10 HDI-process (by General Electric)
Aktiivien integrointi Integrated Module Board (IMB) prosessi G E B A CD F H Resist coating Litographic process Additive plating Completed module Flip Bare chip Resist coating Litographic process Additive plating Flexible substrate Dispensing flexible mold Removing adhesive Adhesive for chip bonding F lip 10 Aktiivikomponentit haudataan käyttämällä chip-in-board tekniikkaa 10 Passiivikomponentit integroidaan samanaikaisesti HDI-kerroksen valmistuksen kanssa 10 Uloimpaan kerrokseen voidaan liittää SMTkomponentteja Dispensing flexible m old Removing adhesive Bare chip Flexible substrate Adhesive for chip bonding A B C D E F G H C om pleted m od ule
Aktiivien integrointi Integrated Module Board prosessi (IMB) Passive component integration - Resistors, capacitors and inductors - Fabricated simultaneously with the fully additive multilayer PWB Fully additive multilayer PWB - Based on: - Electroless deposition of copper - Photodefinable dielectrics - High density capability (< 20µm line width) 25 µm NiP resistor ~3 µm Copper conductor Micro anchor Photodefinable polymer Cu conductors on IC - Cu TaX Si Technology - Excellent electrical properties Integrated active components - 376 I/Os diam. 50µm, gap 50µm - Copper, gold or nickel bumps - Bumpless Cu/Cu -inteconnection Solderless Cu/Cu -interconnection Contact pads for SMT components - Texas Instruments 167GJJ CSP component - EPT's MCP component - 30 µm Cu- conductor 350µm pad Ta 50 µm Cu 50 µm Si 100 µm via
Aktiivien integrointi Integrated Module Board prosessi 10 Etälukukortti paneeli 80 etälukukorttia 5 toiminnallista 10 220 x 300 mm FR4, 0,3 mm paksu 10 Integroidut passiivikomponentit 2 planaarista kelarakennetta 1 levykondensaattori 10 Yksinkertainen rakenne 1 additiivinen HDI kerros 120 um
Aktiivien integrointi IMB joustava moduuli 10 10 Joustava IMB moduuli 50 um aktiivikomponentti 100 um FR4 72 Ni/Au nystyä, 100 um halkaisija Testi chipissä daisy chain johdotus 250 µm jakovälillä nysty 150 µm väli 100 µm 7 mm 5 mm 50 um 100 um Substrate Mold polymer Thin chip
Aktiivien integrointi - Imbera 10 Komponentit ladotaan piirilevyyn jyrsittyyn avaukseen 10 RCC (Resin Coated Copper) kerrokseen valmistetaan chipin ulostulot copyright imbera electronics www.imbera.biz
Aktiivien integrointi - Imbera 10 Uloimpaan kerrokseen normaaliin tapaan SMT - komponentit copyright imbera electronics www.imbera.biz
Integroidut aktiivikomponentit Intel BBUL www.intel.com
Integroidut aktiivikomponentit Fraunhofer IZM Integration of passive and active components into build-up layers Ostmann, A, et al., Electronics Packaging Technology Conference, 2002.
Optiset komponentit - Optics on future printed circuit board in high speed data transmission applications 10 10 10 10 10 Optical technology integrating light into next generation platforms More functionality, increased transmission capacity and higher performance with photonics on board R&D at the Laboratory of Electronics Production Technology / HUT in cooperation with VTT Electronics Objectives to develop technologies and materials to embedd optics for high performance applications Develop enabling technologies for commercial products within 5-10 yrs
Optiset komponentit polymeeri valokanavia Straight waveguide structures Bent waveguide structures Cladding layer Waveguide cores Core