Concepto. 4. Circuitos híbridos

Transcripción

1 4. Circuitos híbridos 4.1. Introducción 4.2. Substratos de interconexión 4.3. Tecnología de lámina gruesa 4.4 Tecnología de lámina delgada 4.5. Corte por láser 4.6. Montaje y encapsulado 4.7. Ventajas 4.8. Aplicaciones Concepto La microelectrónica híbrida es una tecnología de encapsulado e interconexión para combinar dos o más dispositivos semiconductores en un mismo substrato de interconexión, típicamente para crear una función eléctrica específica Un circuito híbrido podrá mezclar varias tecnologías: - SMT - ASIC (encapsulados o no encapsulados) - Circuitos flexibles - Etc. 1

2 Tecnologías Existen dos tecnologías: - Lámina gruesa - Lámina delgada Las pistas, resistencias y condensadores se imprimen sobre un substrato cerámico y posteriormente se someten a un proceso térmico denominado quemado (firing) para que se fijen al substrato. El circuito resultante podrá ser encapsulado con un material cerámico o plástico o podrá quedar sin encapsular Tecnologías El circuito se podrá insertar como componente independiente. Normalmente tendrá el aspecto externo de un chip: un encapsulado con unos pins de conexión: 2

3 4. Circuitos híbridos 4.1. Introducción 4.2. Substratos de interconexión 4.3. Tecnología de lámina gruesa 4.4 Tecnología de lámina delgada 4.5. Corte por láser 4.6. Montaje y encapsulado 4.7. Ventajas 4.8. Aplicaciones Substratos de interconexión Funciones del substrato: - Contener las pistas de interconexión eléctrica entre componentes - Dar soporte mecánico a los componentes - Evacuar el calor El substrato contendrá capas alternativas de material dieléctrico y conductor. También (al igual que los PCB s) tendremos vias para hacer la interconexión entre capas. 3

4 Materiales Materiales Thick Film Thin Film Substratos Al 2 O 3, AlN, BeO Al 2 O 3 AlN, BeO, Si, Cu, cerámico Conductores (aleaciones) Au, PdAu, PtAu, Ag, PdAg, PtAg, PtPdAg, Cu Au, Al, Cu Dieléctricos Vidrio-cerámicos, SiO2, Poliamida Resistencias vidrio dopado con RuO 2 NiCr, TaN Materiales El substrato típico es alúmina (Al 2 O 3 ), en el caso de lámina gruesa 96% y en el caso de lámina delgada 99.5% Este material tiene una - buena conductividad térmica - baja conductividad eléctrica - bajo coeficiente de expansión térmica - alta resistencia - bajo coste 4

5 Propiedades THICK FILM THIN FILM Ancho de linea (µm min) Diámetro de las vías (µm min) Número de capas de metal Resistancia de conductor (mω cm) Permeabilidad relativa Substrato Dieléctrico Valores de resistencia Conductividad térmica Substrato Dieléctrico Coste relativo Bajo volumen Alto volumen GΩ Medio Medio kΩ Alto Medio Propiedades Propiedades Si Al 2 O 3 (99.5% ) Al 2 O 3 (96% ) Eléctricas Resistividad Ω cm Témicas C onductividad térmica W/m K CTE ºC Mecánicas Densidad g/cm 3 Resistencia a com presión kpsi Tem peratura m áxima de uso > >

6 4. Circuitos híbridos 4.1. Introducción 4.2. Substratos de interconexión 4.3. Tecnología de lámina gruesa 4.4 Tecnología de lámina delgada 4.5. Corte por láser 4.6. Montaje y encapsulado 4.7. Ventajas 4.8. Aplicaciones Tecnología de lámina gruesa Proceso de impresión de la lámina: 6

7 Proceso de fabricación. Las capa se depositan por screen printing La pasta contiene: - Fase funcional, que define las propiedades eléctricas - Pegamento, que permite la unión entre la lámina quemada y el substrato - Aditivo que da las propiedades a la impresión Materiales. Conductores: aleaciones de oro, plata, cobre, paladioplata, platino-plata, paladio-oro, platino-oro. Resistencias: cristales dopados con rutenio (RuO 2, Bi 2 Ru 2 O 7 ) Dieléctricos: compuestos de cristales y material cerámico. Sus funciones son: - aislamiento - formación de condensadores - encapsulado del substrato Condensadores: titanato de bario 7

8 Materiales. Encapsulado: materiales con bajo punto de fusión (500ºC) para hacer el quemado a baja temperatura. Para minimizar el cambio de valor en las resistencias. Aditivo (para la pasta): resina polimérica en disolvente volátil. Proceso. El proceso consiste en ciclos de: - Impresión. - Secado. A unos 150ºC durante 15 min. Se elimina el disolvente volátil del aditivo. - Quemado. Se produce la adhesión de la lámina al substrato por medio de diversas reacciones, una de las cuales es la pirólisis de la resina Los conductores basados en metales preciosos se queman en aire, el resto en atmósferas neutras (nitrógeno). 8

9 4. Circuitos híbridos 4.1. Introducción 4.2. Substratos de interconexión 4.3. Tecnología de lámina gruesa 4.4 Tecnología de lámina delgada 4.5. Corte por láser 4.6. Montaje y encapsulado 4.7. Ventajas 4.8. Aplicaciones Tecnología de lámina delgada Deposición de la lámina Recubrimiento con resina fotosensible Exposición UV con patrón conductor SUBSTRATO UV Lámina de material Resina fotosensible Patrón Revelado Etching Stripping 9

10 Proceso. Los materiales se depositan por: - evaporación. En vació por medio de aplicación de calor. - pulverización. Más usada, se proyecta un chorro de iones de Ar acelerados sobre un bloque de material, de forma que se eyecta un polvo de átomos del material. - deposición química de vapor. 4. Circuitos híbridos 4.1. Introducción 4.2. Substratos de interconexión 4.3. Tecnología de lámina gruesa 4.4 Tecnología de lámina delgada 4.5. Corte por láser 4.6. Montaje y encapsulado 4.7. Ventajas 4.8. Aplicaciones 10

11 Corte por láser. Tolerancias excesivas en resistencias depositadas. Solución: corte por láser para ajustar los valores. - Deposición de resistencias de menor valor (mayor tamaño). - Corte por láser de la resistencia y monitorización continua del valor. Se consiguen valores de tolerancias de menos de 1% Corte por láser. 44 k 11

12 4. Circuitos híbridos 4.1. Introducción 4.2. Substratos de interconexión 4.3. Tecnología de lámina gruesa 4.4 Tecnología de lámina delgada 4.5. Corte por láser 4.6. Montaje y encapsulado 4.7. Ventajas 4.8. Aplicaciones Montaje. La unión de los dados de semiconductor se realiza en dos fases: - Unión al substrato con resina epoxy. Se suelen añadir aditivos cerámicos para aumentar la conductividad térmica de las resinas (Al 2 O 3 o AlN) - Soldado de cables de conexión. Se utilizan cables finos normalmente de oro para unir los pads de la parte superior de los dados con las pistas del substrato. Se realiza mediante soldadura termosónica, combinación de calor, presión y ultrasonidos. 12

13 Encapsulado. Funciones: - Protección mecánica y ambiental. - Interfaz E/S - Difusor de calor Puede encapsularse o no, en el caso de contener dados de semiconductor no encapsulados es necesario encapsular el circuito híbrido. El encapsulado puede ser cerámico (aplicaciones de alto rendimiento) o plástico, que podrá ser aplicado como lámina o en bloque. 4. Circuitos híbridos 4.1. Introducción 4.2. Substratos de interconexión 4.3. Tecnología de lámina gruesa 4.4 Tecnología de lámina delgada 4.5. Corte por láser 4.6. Montaje y encapsulado 4.7. Ventajas 4.8. Aplicaciones 13

14 Ventajas de los circuitos híbridos Sobre los PCB Calidad. Menores tolerancias en componentes. Fiabilidad. - Testeo como comp. Independientes - Resistencias sin soldaduras - Trabajo a menor temperatura Costes. Más baratos - Un único componente. - Inventario reducido - Inspección de entrada menor - Montaje sencillo - Menor número de rechazos: aumento de fiabilidad Ventajas de los circuitos híbridos Sobre los PCB (cont) Miniaturización. Reducción del orden de 50-65% de tamaño Gestión térmica. Se extrae mejor el calor. Protección de tecnología. Más difícil de copiar 14

15 Ventajas de los circuitos híbridos Sobre los Circuitos integrados monolíticos Adaptables a modificaciones de diseño Rápido prototipado-producción Posibilidad de mezclar distintas tecnologías (Bipolar, CMOS, potencia, analógico, digital, silicio, GaAs) 4. Circuitos híbridos 4.1. Introducción 4.2. Substratos de interconexión 4.3. Tecnología de lámina gruesa 4.4 Tecnología de lámina delgada 4.5. Corte por láser 4.6. Montaje y encapsulado 4.7. Ventajas 4.8. Aplicaciones 15

16 Aplicaciones típicas Dispositivos electrónicos domésticos. Controles remotos, regulación temperatura, sist. Seguridad, etc. Automoción. Alarmas automóviles, control encendido, control motor. Sensores (integrados). Ópticos, inductivos de proximidad, infrarrojos. Sistemas de seguridad. Transmisores, detectores ultrasónicos. Telecomunicaciones. Filtros, reguladores y detectores de corriente, amplificadores de micrófono. Fuentes de alimentación. Conversores DC/DC o AC/DC Equipos de sonido. Preamp. Y amplificadores. 16