Ścieżka LTCC

1.1    Moduł H1: Zastosowanie technologii LTCC w czujnikach

Zajęcia odbyły się 25 września, zaraz po zakończeniu konferencji IMAPS-CPMT Poland 2013. Moduł miał za zadanie zaprezentować studentom przegląd wiedzy na temat technologii LTCC ze szczególnym uwzględnieniem zastosowań w czujnikach. Na moduł składały się dwa wykłady:

Dr Karol Malecha, Politechnika Wrocławska: LTCC technology in sensor applications Dr Thomas Maeder, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, LTCC for integrated sensor-device applications. Po lewej: Dr Thomas Maeder (EPFL) podczas wykładu na temat systemów czujnikowych opartych na LTCC.

1.2    Moduł L1: Wytwarzanie LTCC

Celem ćwiczeń laboratoryjnych było zaznajomienie uczestników Szkoły Letniej SENSEIVER z całością procesu LTCC, począwszy od wytwarzania surowej folii do finalnego produktu w postaci urządzenia elektronicznego.

Szkolenie obejmowało szereg etapów procesu LTCC: odlewanie folii, cięcie, sitodruk, składanie stosu, laminację izostatyczną, inspekcję, wypalanie, montaż, lutowanie i testowanie.

Pierwszy etap (odlewanie folii) odbywał się z użyciem surowej folii wyprodukowanej w ITE, podczas gdy w pozostałych krokach produkcji konwertera DC/DC użyto komercyjnej folii dielektrycznej Du Pont 951.

Ćwiczenie trwało 4 dni (1-4 października), a instruktorami byli:

• Prof. Dorota Szwagierczak (ITE)
• Dr Jan Kulawik (ITE)
• Dr Dominik Jurków (Politechnika Wrocławska)
• Mgr Beata Synkiewicz (ITE)
• Andrzej Kapusta (ITE).

1.2.1    Odlewanie folii

Gęstwa służąca wytwarzaniu folii zawiera składniki nieorganiczne, jak i organiczne. Część organiczna zawiera spoiwo,  plastyfikator, dyspergator oraz rozpuszczalnik. Końcowe właściwości wysuszonej folii są określone przez proszek ceramiczny. Zawarty rozpuszczalnik nie może reagować z proszkiem ceramicznym, ani go rozpuszczać, jednakże powinien rozpuszczać inne składniki gęstwy. Spoiwo natomiast tworzy cienkie warstwy przylegające wokół cząsteczek nieorganicznych, które po wyparowaniu rozpuszczalnika sklejają te cząsteczki. Jest to potrzebne, aby folię cechowała duża gęstość i wytrzymałość. Z kolei dyspergator i plastyfikator ułatwiają równomierną dyspersję spoiwa. Składniki te mogą być adsorbowane na powierzchni cząsteczek ceramiki. Dyspergator obniża lepkość gęstwy, natomiast plastyfikator zwiększa plastyczność folii ceramicznej. W trakcie szkolenia jako składnik nieorganiczny wykorzystano szklano-ceramiczny materiał wyprodukowany w ITE. Wykazuje on dobrą zgodność z komercyjnymi pastami przewodzącymi. Część organiczna gęstwy zawierała poliwinylobuteral w roli spoiwa, olej rybi w roli dyspergatora, glikol polietylenowy i ftalan dibutylu w roli plastyfikatorów oraz toluen i izopropanol w roli rozpuszczalników.
Przeprowadzona została dwuetapowa procedura ważenia i kolejnych mieleń w młynku kulkowym. W pierwszym kroku proszek szklano-ceramiczny, rozpuszczalniki, dyspergator i plastyfikatory były ważone we właściwych proporcjach oraz mielone, aby rozbić miękkie aglomeraty i zapewnić równomierną adsorpcję dyspergatora na powierzchni cząsteczek proszku ceramicznego. Następnie zostało dodane spoiwo i mieszankę poddano kolejnemu mieleniu, aby uzyskać lepszą homogenizację gęstwy.
Zostało także przeprowadzone dwuetapowe mieszanie części nieorganicznej i organicznej gęstwy poprzez mielenie w planetarnym młynku kulkowym firmy Fritsch (Pulverisette 5, Niemcy).
Odlewanie folii z gęstwy przygotowanej przez uczestników zostało przeprowadzone za pomocą urządzenia do odlewania folii TTC-1200 firmy R. Mistler. Gęstwa była odlewana na folię nośną z poliestru pokrytą silikonem. Wypolerowane granitowe bloki na początku urządzenia zapewniają bardzo dobrą gładkość odlewanej powierzchni oraz zapobiegają drganiom. Odstęp rakli może być precyzyjnie ustawiany za pomocą śrub mikrometrycznych. Prędkość odlewania, temperatura grzejnika oraz przepływ powietrza także mogą być regulowane.
Suszenie jest jednym z najważniejszych kroków podczas procesu odlewania folii. Cienkie folie wymagają szczególnej kontroli warunków suszenia. Dla każdego opracowania gęstwy istnieje krytyczna grubość, przy której folia zaczyna spontanicznie pękać podczas suszenia, co jest powodowane naprężeniami skurczowymi. Surowe folie wykazują anizotropową kurczliwość. Skurcz w kierunku odlewania jest zazwyczaj mniejszy niż w kierunku poprzecznym. Otrzymane folie były gładkie, elastyczne, odpowiednio wytrzymałe i niemal wolne od defektów.

Poniżej: Otrzymana folia LTCC.

1.2.2    Cięcie laserem

Pierwszym krokiem w produkcji konwertera DC/DC techniką LTCC było wycięcie laserem surowych arkuszy (komercyjna taśma dielektryczna DP 951 o grubości 100 um) o pożądanych wymiarach, a także wycięcie viasów i otworów pozycyjnych. Urządzenie E-355-3-G-OA (Oxford Lasers, UK) jest wyposażone w laser pulsowy, pracujący w zakresie ultrafioletowym.
Po załadowaniu skonwertowanego pliku w kodzie G do oprogramowania urządzenia, uczestnicy mogli obserwować proces cięcia. Studenci dowiedzieli się, jakie podstawowe ustawienia mogą być modyfikowane w urządzeniu laserowym Oxford, a także o ich wpływie na głębokość i jakość cięcia.

1.2.3    Sitodruk

Zostało wyjaśnione działanie sitodrukarki MT-320TVC (Micro-tec, Japonia). Jest to ustawiana automatycznie sitodrukarka o wysokiej precyzji. Za pomocą tego urządzenia wzory mogą być nadrukowywane z wysokim stopniem powtarzalności i pod niskim naciskiem. Parametry drukowania mogą być ustawiane cyfrowo.
W ramach ćwiczenia wykorzystano przygotowane wcześniej w ITE szablony do produkcji konwerterów DC/DC. Do ich wytworzenia wykorzystano siatkę ze stali nierdzewnej 325 oraz błonę kapilarną Murakami 30 mm.

1.2.4    Wypełnianie viasów Sitodrukarka MT-320TVC została użyta do wypełnienia zarówno viasów (przelotek), jak i nałożenia cienkowarstwowych ścieżek przewodzących w następnym punkcie. Srebrna pasta przewodząca DuPont 6141 została użyta do wypełnienia viasów. Każdy arkusz zawierał 2-3 takie przepusty. Po nadrukowaniu warstwy przewodzące zostały wysuszone. 1.2.5    Drukowanie przez szablon ścieżek przewodzących Ścieżki przewodzące zostały nadrukowane przez szablon za pomocą srebrnej pasty ESL 9916. Po nadrukowaniu warstwy przewodzące zostały wysuszone.

1.2.6    Składanie stosów arkuszy ceramicznych Cztery czyste arkusze (z wypełnionymi viasami) i trzy arkusze z nadrukowanymi ścieżkami przewodzącymi zostały połączone w stos za pomocą przyrządu do skłaadania folii. Przygotowano 12 stosów do dalszej laminacji. Powyżej: ESR Mitar Simic sprawdzający arkusz surowej folii. Po lewej: Radosław Wójcik (student z AGH-UST) podczas operacji składania stosów arkuszy.

1.2.7    Laminacja izostatyczna

Stosy surowych arkuszy zostały zamknięte próżniowo w plastikowych woreczkach za pomocą zgrzewarki próżniowej. Do prasowania izostatycznego stosów została użyta prasa IL 4008PC firmy Pacific Trinetics Corporation.

1.2.8    Kontrola procesu za pomocą mikroskopu optycznego i grzewczego

Studentom zaprezentowano sposób określenia profilu wypału i kontroli szkodliwych efektów, takich jak delaminacja w trakcie obróbki termicznej, poprzez obserwację w mikroskopie grzewczym. Do śledzenia zmian w kształcie i wymiarach podczas ciągłego ogrzewania małej próbki badanego materiału został użyty mikroskop wysokich temperatur Leitza, wyposażony w kamerę i system do ciągłej rejestracji obrazów. Obserwacje takie pozwalają na ustalenie punktów rozmiękania i topnienia oraz optymalnego zakresu temperatur dla spiekania. Możliwe jest także wykrycie zakresu temperatur, w których pojawia się niepożądane zjawisko.
Uczestnicy mieli także możliwość obejrzenia obrazów przecięć zlaminowanych struktur wielowarstwowych kondensatorów kompozytów multiferroicznych za pomocą cyfrowego mikroskopu optycznego Hirox z powiększeniem do 3500 raza. Mikroskop ten może być pomocny w kontroli jakości na kilku etapach procesu LTCC, jak cięcie laserem, wypełnianie viasów, sitodruk, laminacja, tworzenie się kanałów i jam i inne.

1.2.9    Wypalanie Wypalanie zlaminowanych struktur zostało przeprowadzone w piecu komorowym. Profil wypału został dobrany według zaleceń producenta. Podczas pierwszego etapu wypalane są składniki organiczne taśmy ceramicznej i pasty przewodzącej. W drugim etapie następuje spiekanie warstw ceramicznych i metalicznych. Po prawej: Jedno z wypalonych podłoży.

1.2.10    Inspekcja viasów i ścieżek przewodzących

Przewodność elektryczna viasów i ścieżek przewodzących została sprawdzona. Jakość ścieżek została zweryfikowana także pod mikroskopem optycznym.

1.2.11    Montaż

Instruktor pokazał dwie pracujące układarki (Quadra) do montażu powierzchniowego na płytkach drukowanych i wyjaśnił zasady ich działania. Zostało także zademonstrowane drukowanie pasty lutowniczej przez szablon.
Ze względów ekonomicznych uczestnicy przeprowadzili montaż powstającego urządzenia ręcznie. Nanosili pastę lutowniczą i układali elementy elektryczne (rezystory, kondensatory, układy scalone) zgodnie z projektem konwertera DC/DC.

1.2.12    Lutowanie Zostały zaprezentowane trzy typy urządzeń lutowniczych – konwencjonalny taśmowy piec konwekcyjny trójstrefowy do lutowania rozpływowego, urządzenie do lutowania na fali (z użyciem fali stojącej) oraz dwa piece do lutowania w fazie gazowej. Po montażu przystąpiono do lutowania powstałego urządzenia z pomocą pieca do lutowania w fazie gazowej (Asscon, Niemcy). Po prawej: Poprawnie zmontowane urządzenie.

1.2.13    Testowanie

W wyniku ćwiczenia powstał pracujący konwerter DC/DC w technologii LTCC. Wyjściowe napięcie urządzenia zostało zmierzone i było zgodne z wartością zaprojektowaną.

Zdjęcie grupowe w laboratorium LTCC (od lewej do prawej): D. Szwagierczak (instruktor, ITE), K. Cvejin (ESR), G. Miskovic (ESR), M. Zawadzka (ER), D. Jurków (instruktor, Politechnika Wrocławska), J. Kulawik (instruktor, ITE), L. Manjakkal (ESR), I. Kianpour (ESR), M. Simic (ESR), B. Hussein (ESR), S. Ajkalo (ESR).