Ki TUE wyklady - Elektronika inż PDF

Preview

Summary

Przemysłowy proces projektowaniaaparatury elektronicznejKonstruowanieKonstruowanie¾ Konstruowanie, Design, Konstruieren, Konstruirowanije...¾ Brak jednolitej i jednoznacznej definicji procesu,¾ Brak jednoznacznego poglądu na najbardziej twórczą część procesu – znajdowanie koncepcji rozwiązania probl...

Description

Przemysłowy proces projektowania aparatury elektronicznej

Konstruowanie ¾ Konstruowanie, Design, Konstruieren, Konstruirowanije… ¾ Brak jednolitej i jednoznacznej definicji procesu, ¾ Brak jednoznacznego poglądu na najbardziej twórczą część procesu – znajdowanie koncepcji rozwiązania problemu konstrukcyjnego,  „Konstruowanie jest zjawiskiem psychologicznym, w którym myślenie intuicyjne, co najwyżej wspomagane myśleniem logicznym i fantazją odgrywa podstawową rolę”  „Konstruowanie to zwykłe przetwarzanie informacji”

¾ Konstruowanie a projektowanie ¾ Konstruieren – cały proces opracowania nowej konstrukcji, Enwerfen – odpowiednik polskich pojęć „projekt wstępny” i części projektu technicznego, ¾ W praktyce przemysłowej proces konstruowania jest podzielony na etapy o ściśle określonym zakresie.

Kamienie milowe rozwoju elektroniki 1904 - John Ambrose Fleming buduje pierwszą diodę lampową

1906 - Lee de Forest buduje pierwszy wzmacniacz elektroniczny (oparty na skonstruowanej triodzie) 1958 - Texas Instruments (Kilby) konstruuje pierwszy układ scalony (Nagroda Nobla 2000)

1972 - Intel Corporation buduje pierwszy mikroprocesor

~2000 - Nanotechnologia, elektronika węgla, elektronika organiczna (pol (polimerowa) imerowa)

Ewolucja i skalowanie w elektronice ¾ SSI (Small-Scale Integration) – umowna bariera do 100 tranzystorów na chipie, ¾ MSI (Medium-Scale Integration ) na chipie

(102

–

umowny przedział 100 - 1000 tranzystorów

103),

¾ LSI (Large-Scale Integration ) - umowny przedział 1 000 – 100 000 tranzystorów na chipie (103 – 105),

¾ VLSI (Very Large Scale Integration ) - liczba tranzystorów w procesorze lub chipie zawiera się w przedziale 105 – 106 (początek lat 70tych),

¾ ULSI (Ultra Large Scale Integration ) - umownie grupa układów zawierających liczbę tranzystorów z przedziału 106 - 109,

¾ GSI (Giga Scale Integration ) – liczba tranzystorów w procesorze lub chipie zawiera się w przedziale 109 - 1012, (1 miliard przekroczony w 2007),

¾ TSI (Tera-Scale Integration ) liczba tranzystorów w procesorze lub chipie zawiera się w przedziale 1012 - 10 15.

Definicja urządzenia elektronicznego Czak

Cin

s4

s2

e2

s1

e1

e3

s5

e4

s3 e5

s6

ei sj

i =1

j =1

∑ ei + ∑ s j n

m

− − −→

− − −→

Cout = Cin • F (...)

Cout

Strukturyzacja i funkcjonalizacja urządzeń ¾ Funkcja urządzenia i funkcjonalizacja ¾ Struktura urządzenia i strukturyzacja ¾ Wielopoziomowość funkcjonalizacji i strukturyzacji ¾ Funkcja urządzenia jako złożenie funkcji ¾ Bloki funkcjonalne

Przebieg procesu projektowania ε(…) Q

Sztuczne

Zewnętrzne czynniki środowiskowe Pochodzenia naturalnego

Pochodzenia sztucznego

Temperatura

Wilgoć

Temperatura

Wilgoć

Ciśnienie

Pyły

Ciśnienie

Zanieczyszczenia

Pole magnetyczne Ziemi

Wiatr

Pola elektromagnetyczne

Działalność człowieka

Czynniki chemiczne

Oddziaływania mechaniczne

Czynniki chemiczne

Oddziaływania mechaniczne

Promieniowanie słoneczne

Wstrząsy sejsmiczne

Promieniowanie słoneczne

Czynniki biologiczne

Ruchy tektoniczne Ziemi

Promieniowanie α, β, γ

Oddziaływania mechaniczne ¾ Zbiór wymagań związanych z oddziaływaniami mechanicznymi  odporność na wibracje (ruchy harmoniczne z przyśpieszeniami przemiennymi o określonej częstotliwości i amplitudzie)

9 o jednej częstotliwości 9 w określonym zakresie częstotliwości

 odporność na udary (nagłe wzrosty i zaniki przyśpieszenia występujące jednorazowo lub wielokrotnie o określonym przyspieszeniu, czasie trwania i kierunku)

 odporność na przyśpieszenia jednokierunkowe (o stałej wartości i kierunku np. podczas startu i lądowania samolotu)

 odporność na wstrząsy (nagłe wzrosty i zaniki przyśpieszenia działające w określonym kierunku z określonym przyśpieszeniem i czasem trwania np. podczas transportu samochodowego)

   

odporność na siły mechaniczne (o charakterze naporu lub uderzeń) odporność na przechyły okresowe i stałe odporność na upadki odporność na szumy akustyczne i hałas

Podział narażeń ¾ Podział narażeń w w zależności od faz produkcji i eksploatacji: 1. PRODUKCYJNE  Technologiczne  Probiercze

2. EKSPLOATACYJNE    

Magazynowe Transportowe Antropogenne Normalnej pracy

Charakterystyka czynników środowiskowych ¾ Temperatura ¾ Podwyższona: T > 250C ¾ Obniżona: T < -200C ¾ Dynamiczne zmiany temperatury (szoki temperaturowe) ΔT > 10/min ¾ Cykliczne

Charakterystyka czynników środowiskowych ¾ Wilgotność ¾ Względna – procentowy udział w stosunku do pary nasyconej ¾ Bezwzględna – ilość gramów pary wodnej w 1 m3

¾ Pojęcia i terminy ¾ Bardzo wilgotno

90-100%

Wilgotno Normalnie Sucho Bardzo sucho

70-90% 60-70% 40-60% < 30%

¾ ¾ ¾ ¾

¾ Adsorbcja - absorbcja

Narażenia transportowe ¾ Narażenia mechaniczne  Narażenia mechaniczne występujące podczas składowania  Narażenia mechaniczne występujące podczas manipulacji przeładunkowych  Narażenia mechaniczne występujące podczas transportu 9 9 9 9 9

Transport drogowy Transport kolejowy Transport lotniczy Transport morski Transport w kontenerach

¾ Narażenia klimatyczne oddziałujące na przewożone produkty

Technologia grubowarstwowa

Porównanie technologii mikroelektronicznych ¾ Technologie monolityczne ¾ Technologie hybrydowe  Cienkowarstwowa  Grubowarstwowa

¾ Definicje, terminologia ¾ Historia technologii grubowarstwowej ¾ Zalety techniki grubowarstwowej ¾ Obszary aplikacji ¾ Materiały, procesy… ¾ Projektowanie

Grube warstwy - definicja

Czy „grube” może być cieńsze niż „cienkie”?

Grube warstwy - definicja Technologia grubowarstwowa (Thick-film technology) – obszar mikroelektroniki, w której specjalnie opracowane kompozycje - zwane pastami - są nanoszone na podłoża ceramiczne, zazwyczaj przy wykorzystaniu techniki sitodruku, następnie suszone i wypalane w celu uzyskania topografii ścieżek przewodzących, indywidualnych rezystorów, kondensatorów, elementów specjalnych (np. różnego rodzaju czujników), które tworzą funkcjonalny mikroukład hybrydowy.

Zalety technologii grubowarstwowej ¾ ¾ ¾ ¾

Własności Elastyczność procesów Niezawodność Ekonomia

Własności funkcjonalne ¾ Znacząca redukcja rozmiarów i masy w stosunku do elementów dyskretnych, ¾ Relatywnie prosta konwersja standardowego układu (elementy dyskretne) do postaci układu scalonego. ¾ Redukcja pasożytniczych elementów pojemnościowych i indukcyjnych, ograniczenie długości doprowadzeń – duża szybkość, wysokie częstotliwości, ¾ Praca w zakresie od DC to kilku GHz (drukowane ścieżki Au) i do 40 GHz (trawione ścieżki Au, materiały foto-obrabialne), ¾ Bardzo dobra izolacja – również przy wysokich częstotliwościach (aplikacje wysokonapięciowe, duże częstotliwości, odporność na różnego rodzaju promieniowanie), ¾ Możliwość optymalizacji kształtu, układu wyprowadzeń i obudowy,

Własności funkcjonalne ¾ Integracja rezystora z podłożem – znaczący wzrost dopuszczalnej mocy traconej w elementach i redukcja gradientów temperatury, ¾ Grubowarstwowe rezystory – doskonałe własności cieplne (obciążalność mocą do 20-30 W/cm2), ¾ Duża przewodność cieplna materiałów podłożowych – minimalizacja gradientu temperatury pomiędzy elementami (odpowiednio profilowany rozkład pola temperatury), ¾ Własności rezystorów grubowarstwowych (stabilność czasowa i temperaturowa – TWR), ¾ Możliwość dostrajania rezystancji z dokładnościami rzędu 0.1% - korekcja bezwzględna i funkcjonalna,

Niezawodność ¾ Technologiczna dojrzałość pozwalająca na optymalizację niezawodności układu, ¾ Ceramiczne podłoża efektywnie rozpraszające ciepło – skuteczne chłodzenie, ¾ Minimalizacja liczby połączeń lutowanych i systemu interpołączeń, ¾ Automatyzacja produkcji – optymalizacja procesu wytwarzania, ¾ Wypalanie rezystorów w temperaturach około 8500C zabezpiecza stabilną i niezawodną pracę w standardowych reżimach pracy, ¾ Zgodność z wymaganiami standardów wojskowych, ¾ Odporność na oddziaływanie czynników środowiskowych (trudne warunki pracy), ¾ Zminimalizowany MTBF (Mean Time Between Failures)

Aspekty ekonomiczny ¾ Niski koszt opracowania finalnej konstrukcji układu, ¾ Powszechnie dostępne materiały, oprzyrządowania, standardowe procesy – nie wymagające stosowania kosztownych programów i technik, ¾ Relatywnie niski kapitał niezbędny na zakup oprzyrządowania, ¾ Względnie niskie nakłady na szkolenie personelu, ¾ Maski, materiały i narzędzia produkcyjne – relatywnie tanie (w porównaniu do pozostałych technologii mikroelektronicznych), ¾ Technologia grubowarstwowa idealnie odpowiada wymaganiom produkcji na skalę masową, ¾ Bardzo niskie koszty i krótkie czasy przygotowania prototypów lub układów testowych, ¾ Wyjątkowa łatwość i niski koszt wprowadzania poprawek do projektu (w porównaniu do pozostałych technologii mikroelektronicznych),

Obszary aplikacji technologii grubowarstwowej Użytkowa

Przemysłowa

Militarna

Telewizja

Telekomunikacja

Telekomunikacja

Radio

Zabezpieczenia

Sonary

Elektronika mocy

Elektronika medyczna

Nawigacja

Motoryzacja

Systemy Systemy sterowania sterowania

Sterowania rakiet

Czujniki

Czujniki

Sprzęt Sprzęt kosmiczny kosmiczny

Materiały dla techniki grubowarstwowej ¾Podłoża ¾Siatki ¾Pasty  Materiały przewodzące  Materiały rezystywne  Materiały dielektryczne  Materiały specjalne

Podłoża - wymagania ¾ Stała dielektryczna - determinuje wartość pojemności stowarzyszonej z elementem warstwowym wytworzonym na podłożu, ¾ Wytrzymałość dielektryczna – określa napięcie przebicia podłoża, ¾ Współczynnik strat (tanges delta) – określa poziom strat elektrycznych w podłożu (wysokie częstotliwości, mikrofale), ¾ Przewodność termiczna – określa właśności cieplne podłoża, ¾ Temperaturowy współczynnik rozszerzalności liniowej TWRL (TCLE) – podstawowy czynnik określający kompatybilność pomiędzy podłożem a wytworzonymi elementami, ¾ Rezystywność objętościowa – określa rezystancję izolacji elektrycznej pomiędzy poszczególnymi elementami na podłożu,

Podłoża - wymagania ¾ Wytrzymałość na wysokie temperatury – dla typowych aplikacji między 500 a 10000C, ¾ Wytrzymałość mechaniczna, ¾ Gładkość powierzchni – istotne zwłaszcza przy wytwarzaniu precyzyjnych układów, cienkich ścieżek przewodzących, ¾ Defekty optyczne – defekty powierzchniowe, ¾ Kompatybilność materiałowa – powierzchnia powinna być kompatybilna pod względem fizycznym i chemicznym ze stosowanymi odczynnikami i materiałami, ¾ Niski koszt w produkcji masowej.

Materiały na podłoża ¾ Ceramika korundowa (alundowa) - Alumina (Al2O3) - 94-96%, ¾ Ceramika berylowa - Beryllia (BeO), ¾ Azotek glinu - Aluminium Nitride (AlN), ¾ Podłoża stalowe emaliowane - Porcelain Enamelled Steel Substrates (PES), ¾ Podłoża szklano-ceramiczne - Glass-Ceramic substrates, ¾ Wielowarstwowe podłoża ceramiczne (LTCC, HTCC), ¾ Inne materiały podłożowe – dla specjalnych zastosowań:  Ceramika steatytowa i forsterytowa – wysokie częstotliwości,  Podłoża szklanne – np. urządzenia optyczne (wyświetlacze),  Ceramika cyrkonianowa (ZrO2) – czujniki ciśnienia, duża odporność na odksztalcenia,  Podłoża polimerowe „plastikowe” - poliestry, włókna węglowe, poliimidy –

(Polymer Thick Film)

Materiały na podłoża ¾ Ceramika korundowa  Najbardziej odpowiedni materiał dla grubych warstw (95% wszystkich aplikacji),  Standard przemysłowy – 94-96% Al2O3  Dodatki: ¾ magnez - inicjator wzrostu ziarn glinu, ¾ krzem - modyfikator nowej fazy między-ziarnistej (mulite), która spaja cały system,

¾ Ceramika berylowa (BeO)  Wysoka przewodność cieplna (w obszarze izolatorów ustępuje tylko diamentowi),  Wysoka mechaniczna wytrzymałość,  Odporność na szoki termiczne,  Ograniczenia: wysoki koszt, toksyczność podczas obróbki mechanicznej,  Aplikacje: systemy dużej mocy, wysoka częstotliwość

Podłoża z azotku aluminium Azotek aluminium (Aluminium nitride - AlN) : ¾ Bardzo dobra przewodność cieplna, ¾ TWRL bardzo zbliżony do Si oraz GaAs (arsenek galu) – możliwość bezpośredniego montażu struktur półprzewodnikowych na podłożu, ¾ Bardzo duża odporność na szoki termiczne, ¾ Wysoka wytrzymałość na zginanie (ugięcia), ¾ Mała twardość – pozwala na relatywnie łatwą obróbkę i cięcie laserowe, ¾ Bardzo dobra odporność chemiczna,

Podłoża metalowe emaliowane Metalowe emaliowane (Porcelain Enameled Steel substrates - PES): ¾ Rdzeń metalowy pokryty szkliwem, kompozytem szklano-ceramicznym lub szkłem krystalizującym (grubość 100-200 mm) ¾ Bardzo dobra przewodność cieplna, ¾ Naturalna wytrzymałość mechaniczna, odporność na wibracje, szoki termiczne, ¾ Łatwa i niedroga obróbka rdzenia – przed wykonaniem pokrycia izolacyjnego, ¾ Możliwość wykonywania konstrukcji przestrzennych (3D), ¾ Relatywnie duże wartości TWRL,

Podłoża Podłoża ¾ Wielowarstwowe podłoża szklano-ceramiczne  Laminacja i obróbka cieplna kilku/kilkudziesięciu warstw “green” (nie wypalonej) taśmy ceramicznej z uprzednio naniesioną na niej topografią warstw przewodzących (sitodruk) - interconnections network

¾ Stosowane materiały  Kompozycje szklano-ceramiczne (MgO-Al2O3-SiO2) o dużej łatwości do spiekania w relatywnie niskich temperaturach (850-10000C)

¾ Zastosowanie  Wielowarstwowe układy wysokiej częstotliwości  Moduły wielostrukturowe – MCM  Układ i zastosowania specjalne

Podłoża wielowarstwowe ¾ Zalety:

¾ Szansa na wyeliminowanie problemów wyginania podłoży (efekt bimetaliczny) z powodów różnic wartości TWRL pomiędzy podłożem i materiałami dielektrycznymi, ¾ Możliwość inspekcji optycznej w celu wykrycia obecności mikroporów i pustych przestrzeni, ¾ Większa grubość taśmy (100-125 mm przed wypaleniem) – zapewniająca lepszą izolację międzywarstwową, ¾ Rozmiary otworów przelotowych „ Vias” mogą być zmniejszone, o gładszych powierzchniach wewnętrznych, możliwe do uzyskania węższe linie, ¾ Mniejsza liczba operacji technologicznych w porównaniu do klasycznych układów wielowarstwowych (wystarczająca jedna operacja wypalania), ¾ Możliwość realizacji układów do 80 warstw – udokumentowana,

¾ Wady

 Niska przewodność cieplna (10 razy mniejsza niż podłoży korundowych)

Siatki

Przykłady różnych konstrukcji siatek (sploty).

Siatki

Sita nylonowe – różne typy splotów

Siatki - parametry, jednostki ¾ Podstawowe wielkości charakteryzujące siatki ¾ rozmiar oczka ¾ grubość włókna ¾ powierzchnia otwartego oczka ¾ rodzaj splotu ¾ Jednostki ¾ Mesh (amerykańska) – ilość oczek na 1 cal długości sita ¾ T (europejska) – ilość oczek na 1 cm długości sita ¾ oczka/cm2 - (środkowo-europejska)

Siatki stalowe Typowe parametry siatek:

Mesh 120 180 230 325 400

Ś Średnica drutu,

Przestrzeń otwarta,

μm

66 46 36 28 25

Cloth Thick,

μm

Otwarte oczko (%)

145 97 74 51 38

47.3 45.7 45.9 41.3 36.0

132 -147 94-109 71-86 58-71 50-61

μm

Przygotowanie siatek ¾ Sita stalowe, polyestrowe lub nylonowe ¾ Naciąganie – napinanie przy zapewnieniu odpowiedniej siły na ramach ¾ Nakładanie emulsji światłoczułej (światło – UV) ¾ Metoda emulsji bezpośredniej, ¾ Metoda emulsji pośredniej,

¾ Naświetlanie przez wzorce pozytywowe lub negatywowe ¾ Wywoływanie naświetlonej emulsji ¾ Usuwanie emulsji z naświetlonych/nienaświetlonych regionów

Przygotowanie siatek

Przykład zamaskowanej siatki.

Przygotowanie siatek

Przykład zamaskowanej siatki.

Pasty - wymagania Wymagania odnośnie past: ¾ Ciecze nieniutonowskie (lepkość η zależna od naprężeń wewnątrz kompozycji γ), ¾ Tiksotropowość (pamięć kształtu) własność niektórych rodzajów płynów, w których występuje zależność lepkości od czasu działania sił ścinających (duża η przy małych naprężeniach γ), ¾ Bardzo słaba parowalność w temperaturze pokojowej (max 3% w otwartym naczyniu na rok), ¾ Zjawisko „płynięcia” od działaniem rakli; pseudoplastyczne właściwości (mała η przy dużych naprężeniach γ), ¾ Zdolność do zwilżania powierzchni podłoża i przywierania do niej (niskie napięcie powierzchniowe), ¾ Pozostawienie „czystego” oczka siatki po zakończeniu procesu druku (objętość oczka + emulsji = grubość warstwy), ¾ Zminimalizowany efekt rozpływu pasty i ostre odwzorowanie kształtu transferowanego obrazu (duże napięcie powierzchniowe η przy małych wartościach naprężeń γ) – warunki suszenia kompozycji.

Przygotowanie past Podstawowe elementy składowe: ¾ Metale lub tlenki metali ¾ Fryta szklana (Pb-BeO-SiO) ¾ Nośnik organiczny  terpineol z dodatkiem etylocelulozy  octan butylokarbitolu

Materiały przewodzące ¾ ¾ Zadania Zadania przewodników przewodników grubowarstwowych grubowarstwowych ¾ ¾ System System połączeń, połączeń, ¾ ¾ Punkty Punkty połączeń połączeń podzespołów podzespołów zz podłożem podłożem (punkty (punkty lutownicze), lutownicze), ¾ ¾ Punkty Punkty do do bondingu bondingu struktur struktur nieobudowanych, nieobudowanych, ¾ ¾ Kontakty Kontakty rezystorów rezystorów grubowarstwowych grubowarstwowych ¾ ¾ Niskoomowe Niskoomowe rezystory rezystory (np. (np. platynowe platynowe elementy elementy grzejne) ¾ ¾ Elementy Elementy łączenia łączenia zz obudowami obudowami

Materiały przewodzące ¾ Rodzaje stosowanych materiałów: ¾ Metale szlachetne - Ag, Au, Pd, Pt ¾ Metale - Al, Cu, Ni, Cr, W, Mo ¾ Stopy metali - układy binarne, potrójne, itp…

Materiały przewodzące Skład

Rezystywność, mΩ/ο

Ag Au Au (metalorganiczne ) Cu Pt Ag/Pd Ag/Pt Ag/Pd/Pt Au/Pt Au/Pd

1.5 to 3 3 to 5 > 300 2 to 3 50 - 150 15 - 40 3 - 20 4 - 30 50 - 100 10 - 80

Materiały przewodzące

Typowa Typowa mikrostruktura mikrostruktura warstwy warstwy przewodz przewodzącej

Materiały przewodzące Mikrostruktura warstwy przewodzącej

Materiały rezystywne ¾ Podstawowe własności: ¾ Szeroki zakres zmian rezystancji właściwej, ¾ Niskie wartości temperaturowego współczynnika rezystancji (TWR) ¾ Niska wartość napięciowego współczynnika rezystancji (VCR) ¾ Względnie niski poziom szumów, ¾ Łatwość procesu dostrajania (korekcji)

Materiały rezystywne ¾ Kompozycje i mikrostruktura ¾ Srebro + szkliwo ¾ Pallad + srebro + tlenek palladu ( Pd-Ag-PdO) ¾ Przewodzące tlenki rutenu (RuO2), ruteniany (Ru-perovskities, iryd (głównie IrO2) i renu (RhO2)

¾ Obecnie stosowane kompozycje ¾ RuO2, Bi2Ru2O7-6, Pb2Ru2O7-6

¾ Poszukiwania last minionych ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

Platyna - grzejniki, Tantal, azotki tantalu, Borek lantanu (LaB6) Tlenek cyny Tlenki indu

Materiały dielektryczne ¾ Rodzaje kompozycji dielektrycznych: ¾ Kondensatorowe – jedna lub więcej warstw dielektrycznych pomiędzy elektrodami metalowymi, ¾ Materiały izolacyjne (crosses) – separacja przecinających się warstw przewodzących od siebie, ¾ Wielowarstwowe – separacja poszczególnych warstw przewodzących, ¾ Zabezpieczające – nakładane na kondensatory i rezystory w celu zminimalizowania wpł...