LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen
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- Erika Junge
- vor 7 Jahren
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1 Design & Electronic Entwicklerforum LTCC als Schalungsträger für innovative Anwendungen München Franz Bechtold VIA electronic GmbH, Hermsdorf
2 Dienstleistungen Entflechtung vom Schaltplan mit modernen CAD Anlagen Flexible Fertigungslinie, unterschiedlichste Losgrößen Fertigungskapazität von über 5 Mio Schaltungen p.a. Zuverlässige Prozessführung im Reinraum Hochwertige Prüftechnik Erfahrung mit verschiedenen Materialsystemen Entwicklungskapazität Material und Elektronik im Netzwerk
3 Produkte Keramische Multilayer Substrate Komplexe 3D Mehrlagengehäuse Multichip Module Substrate für die Dünnfilmtechnik Keramische Bauelemente HF Module
4 Inhalt Was ist LTCC und warum wird LTCC eingesetzt Die treibenden Kräfte am Beispiel der Automobiltechnik Der Herstellungsprozess von LTCC Modulen Materialien zur Herstellung von LTCC Modulen Design Rules Anwendungen: Automobiltechnik, Telekommunikation, Medizintechnik, Sensorik Stand der Technik und Herausforderungen an die Hersteller Technologische Weiterentwicklungen und neue Anwendungen
5 Eigenschaften im Vergleich Technische Eigenschaften PCB µvia LTCC HTCC Si Lebensdauer Isolationsfestigkeit - + Hochtemperaturbeständigkeit - + Beschleunigungsfestigkeit + + Thermische Leitfähigkeit - + Elektrische Leitfähigkeit + +- Integrationsdichte Integration passiver Komponenten - + Integration fluidischer Komponenten - + Hochfrequenzstabilität
6 Eigenschaften im Vergleich Wirtschaftliche Eigenschaften PCB µvia LTCC HTCC Si Kosten pro Verbindung Entwicklungs- und Werkzeugkosten Time to Market ++ + Logistik ++ - Simulationswerkzeuge Lieferanteninfrastruktur ++ - Maschineninfrastruktur ++ - F&E Infrastruktur
7 Stand der Technik Leiterplatte: Micro-Via Technologie Multilayer Leiterplatte Durchmesser Micro Via (µm) Linienauflösung (µm). Fang Pad Durchmesser Anzahl Aufbaulagen pro Seite /100 75/75 50/
8 Stand der Technik LTCC: Siebdrucktechnik Stand der Technik Via Durchmesser (µm <80 Via Abstand (µm) <200 Leiterbahnbreite (µm) <100 Leiterbahnabstand (µm) <100
9 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Warum wir LTCC eingesetzt Zuverlässigkeit Verbindung Elektronik- Mechanik 50 Verbindungen pro cm 2 Wärmeableitung über thermische Vias Betriebstemperatur bis 150 C CTE in Diff. to In % ppm Si in µm Al2O ,08 LTCC 6 6 0,06 FR ,28 SI Chip: 1 cm edge length, temperature change from -40 auf 160 C
10 Warum wird LTCC eingesetzt Erhöhung der Lebensdauer Erhöhung der Isolationsfestigkeit/Anwendungstemperatur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit Optimierung passiv integrierter Bauelemente Integration neuer Funktionen und Elemente Reduzierung von Eigenschaftsschwankungen Verbesserung mechanischer Eigenschaften
11 Technologietreiber nach Anwenderbranchen Marktbereich Technologie Treiber Unterhaltung Kosten, Baugröße Gebrauchsgüter Kosten, Baugröße Informationstechnik Telekommunikation Automobiltechnik Industrieelektronik Militär/Luft-Raumfahrt Kosten, Integrationsdichte, Zuverlässigkeit Kosten, Integrationsdichte, Zuverlässigkeit Kosten, Zuverlässigkeit, Gewicht Integrationsdichte, Kosten, Zuverlässigkeit Zuverlässigkeit, Integrationsdichte, Gewicht, Kosten
12 Treibende Kräfte in der Automobilindustrie Anwendungsbedingungen Motorraum Chassis Temperatur 150 C 100 C Leistung 15 W 20 W Qualität 10 ppm 10 ppm Gewicht 100 g 600 g Verbindungsdichte hoch mittel
13 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Treibende Kräfte in der Automobilindustrie Komplexitätsentwicklung ECU Size Number Number Interc. cm x cm IC`s interc. /cm2 ECU ,5 x 2, ECU ,9 x 3, ECU ,1 x 8, ECU ,8 x 4, ECU ,5 x 4,
14 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Treibende Kräfte in der Automobilindustrie Motormanagement- System( ) Konventionelle Dickschicht Baugröße ca. 10x10 cm
15 Treibende Kräfte in der Automobilindustrie Verbindung Elektronik- Mechanik 25 Verbindungen pro cm 2 Wärmeableitung über thermische Vias Betriebstemperatur bis 150 C Baugrösse 40x50mm
16 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Der Herstellungsprozess von LTCC Modulen Ungebrannte Keramikfolien (ceramic) werden mechanisch in Form gebracht Vertikale Leitungsstrukturen(Vias) werden als winzige Löcher gestanzt und anschließend mit Metallpaste gefüllt Die laterale Leitungsstruktur wird in Dickschichttechnik aufgebracht Die einzelnen Lagen werden exakt aufeinander positioniert und durch einen Warmpreßvorgang zu einem homogenen Paket miteinander verbunden Dieses Paket wird in einem einzigen Sinterprozeß (cofiring) bei niedrigen Temperaturen( low temperature) von ca. 900 C zum verdrahteten Substrat oder Gehäuse gebrannt
17 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Herstellung von LTCC Schaltungen Unichem Automatisches CNC Stanzsystem + 10µm
18 Herstellung von LTCC Schaltungen Ekra E5 Halbautomatischer Siebdrucker mit automatischer Bilderkennung + 25µm
19 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Herstellung von LTCC Schaltungen Presskammer der isostatischen Presse
20 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Herstellung von LTCC Schaltungen Cofiring Kammerofen Abgasführung mit Kat
21 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Modularisierung für kleinere Stückzahlen Modularität mit Mach-X Match-X Cover Land Grid Array Wire Bond Loop Die Bus Vias Ball Grid Array Match-X Carrier Internal Rew iring Layer 17 32
22 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Modularisierung für kleinere Stückzahlen Modularität mit Mach-X LTCC gehäuste Anwendungsbeispiele: µkontroller, Processor, Interface, Speicher
23 Modularisierung für kleinere Stückzahlen Teilkomponente: Gehäuse in Mehrlagentechnik 15 bis 25 Verdrahtungsebenen Nur etwa 4 Verdrahtungsebenen werden zur Individualisierung benötigt Elektrische und thermische Funktionsfähigkeit als Datensatz hinterlegt Source: VW Group
24 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Modularisierung für kleinere Stückzahlen Zweiseitige Bestückung in der Kavität Wandhöhe: 3.2mm Produktentwicklung im Verbund DSP hohe Integrationsdichte Frame Can-Interface RAM RS232-Interface Quarz Cover with LGA SMD Bottom with BGA Gute Wärmeabfuhr stressarme BGA Verbindung durch Si angepassten TAK hohe Zuverlässigkeit in rauher Umgebung
25 Modularisierung für kleinere Stückzahlen Produktentwicklung im Verbund: Das LTCC Gehäusekonzept ist wesentlicher Teil des Modulansatzes: Absoluter Druck Relativer Druck Differenzdruck Verfügbar in unterschiedlichen Empfindlichkeiten (Chip Größen) µprozessor kann nahe am Sensor integriert werden Kompatibel zum Match-X-Baukasten
26 Modularisierung für kleinere Stückzahlen
27 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Modularisierung für kleinere Stückzahlen Produktentwicklung im Verbund Sensor-Oberseite mit Rückseitigen Kontakten MATCH-X kompatibel 12.5mm/BGA 63 Gehäuse Optisches Signal Optisch funktionelles Glas sensor chip Verschiedene Sensor Anwendungen Dünnfilm Kontakte Lötkontakte vias MATCH-X- BGA 63 Umverdrahtung
28 Kundenspezifische Integrationslösungen L/C Bandpass Leistungsumformer Integrierte Optische Bauelemente Integrierte Fluidik LC phasenschieber Integrierte Widerstände
29 Herstellkosten im Vergleich Costs per cm2 4. Costs Costs per interconnection 15 0,1 2,5 1,5 0,05 0,25 0,15 0,05 Silicon LTCC Hybrid PCB 0,02 0,01 0,005 0,002
30 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen LTCC Materialien System Supplier Feature Avail. Qualif. 951 DuPont Standard, F.s. yes Yes 951 DuPont 0-shrinkage Restr. Yes 943 DuPont Low loss yes In work CT700 Heraeus Standard, F.s. yes yes CT800 Heraeus 0-shrinkage Restr. yes CT 2000 Heraeus Low loss yes no Heralock Heraeus 0-shrinkage yes In work A6 M Ferro Low loss Yes tested GC Ceramtec No inks yes In work D-4110 ESL Spec. Appl. Yes tested
31 LTCC Materialien Material System 951 DuPont Material Prozess Funktion El. Eigensch. Tol.% Au/AuPt cofire Wire/solder 3/30 mohm 20 Ag/AgPd cofire Wire/solder 3/30 mohm 20 Ag/AgPd/Au cofire Wire/solder/bond 3/30/3 mohm 20 Au, AuPtPd postfire Wire/solder 3/30 mohm 20 Ag, AgPd Postfire Wire/solder 3/30 mohm 20 Dielectric glass Cofire Solder stop Dielectric glass Postfire Insulator RuO2-Bi2O3 Cofire Resistor Not qualified 30 RuO2-Bi2O3 Buried Resistor 10 to 10kOhm 50 RuO2-Bi2O3 postfire Resistor 10 to 10MOhm 1 (tr.) Metallisation Co/post Inductor, capac. E = 7 20
32 Anwendung Mobilfunk Quelle: ZVEI FG IV Dr. Hoffmann, Epcos
33 Anwendung Automobilelectronic Quelle: ZVEI FG IV Dr. Göbel, Bosch
34 Anwendung Telekom: (aus:) Quelle: Workshop MakroNano, Ilmenau 2006 Dr. Martin, Ericsson
35 Einsatzbedingungen Min C Max C Arbeits Temp. C Lebens dauer Jahre Konsum Industrie Telekom Automotive Luft/Raumf Sensoren -40 >200 n.a. 1-50
36 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Neue Möglichkeiten und Herausforderungen Marktmöglichkeiten Herausforderungen Technische Anforderungen Biotechnologie und chemische Sensoren Heterogene System Integration Systemintegration im Gehäuse MEMS Gehäuse MOEMS Gehäuse Lab on Chip, integrierte Fluidik, integrierte Reaktoren und Sensoren Hohe Anschlußzahlen mit QFP, LGA und BGA Ausgängen, Integration neuer Funktionen 3D Aufbautechnik, passive Integration, thermisches Management 3D Aufbautechnik, Hermetisierung, Häusung auf Waferebene Integration of optical and electrical conductors/components Chemische Eigenschaften Biokompatibilität Ebenheit, Anpassung des Ausdehnungsverhaltens an die Leiterplatte Neue und angepaßte Materialien und Prozesse Anpassung des Ausdehnungsverhaltens an Si, keine XY Schrumpfung Keine XY Schrumpfung, exzellente Planarität und Genauigkeit
37 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Technologische Weiterentwicklungen Si angepasstes Matched LTCC für anodisches bonden auf Wafer Ebene Ferritisches LTCC für Flachspulen und Leistungstransformer AuSn löten von Lead frames, Rahmen und Wärmesenken Fine pitch Technologie für Hohe Frequenzen Hochleistungs LTCC Technologie zur Integration optische Bauelemente Direkte Dünnfilmbeschichtung auf LTCC
38 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Technologische Weiterentwicklungen Teststrukturen für den Einsatz in HF Anwendungen Basistape: DuPont 951 Metallisierung: Au Hoch K Tape ESL K=100 Leiterbahnbreite: 125 µm Leiterbahnabstand: 70µm
39 Technologische Weiterentwicklungen Fluidkanal 0,1 x 0,1 mm Fluidkanal 0,2 x 0,2 mm Fluidkanal 0,4 x 0,6 mm Sensorgehäuse mit integrierter Medienführung
40 Technologische Weiterentwicklung: Fodel und Ätztechnik Photolithographische Dickschicht (FODEL) Leiterbahnbreite und Abstand < 50µm Einsatz: F+E, Kleinserien Basissubstrat: DuPont 951, cofired Fine line Siebdruck, 60 µm Breite geätzte Dickschicht, 60µm Breite Einsatz: F+E Basissubstrat: DuPont 951, postfired
41 Technologische Weiterentwicklung: Dünnfilm auf LTCC Fine Pitch CSP Anschlüsse Raster 100µm HF Dünnfilmstrukturen mit geringen Verlusten Dünnfilmanbindung auf 90µm Via, 50µm Linienbreite, 50µm Abstand
42 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Technologische Weiterentwicklung: 0-Schrumpfung Selbst unterstütztes Sintern Drucklos unterstütztes Sintern Basismaterial: Heralock 2000 Basismaterial: Ceramtape GC
43 Materialentwicklung: ferritische Werkstoffe Materialentwicklung im regionalen Verbund: FANIMAT SMT Hochleistungsinduktivitäten 16 Lagen, Metallisierung: Au, AgPd Induktivitäten: 0,2 bis 2 mh
44 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Technologische Weiterentwicklung: 0-Schrumpfung Druck unterstütztes Sintern Basismaterial DuPont 951 Cavities, postfire gelasert Sacklöcher, postfire gelasert Vias 90µm Anbindung in Dünnfilmtechnik
45 Neues Anwendungsgebiet Optoelektronik MOEMS Packaging Prozess: druckunterstütztes Sintern Kavitäten, gebrannt lasergeschnitten, +-50µm Sacklöcher, gebrannt laser gebohrt +-25µ Vias 90µm, Position +-50µm über 10 cm Anwendung: CSP für eine optische Bank in Si CMOS Bumps CMOS UBM CMOS BGA Rückseitenansicht Window Blind hole CSP Bumps
46 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Neues Anwendungsgebiet Optoelektronik MOEMS packaging Prozess: druckunterstütztes Sintern Oberfläche geläppt, ra<0,2µm Dicke 1,5mm +/- 5µm Via Anbindung: Dünnfilm Verbindungstechnik: Flip chip, BGA Signalgeschwindigkeit: bis 10Gbit Flip-Chip Oberseitenansicht
47 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Neue Anwendung: Phasenschieber für Radarantenne cond 2 cond 1a cond 1 layer 1 layer 2 layer 3 layer 4 structured 40µm sealing 951C2/ 37µ layer resistors high k layer cond 2 cond 1a cond 1 layer 1 ESL layer 2 layer 3 layer 4 Integrated high-k-tape cond 2 cond 1a cond 1 layer 1 structured high-k-tape highk paste RF-structures RF-MEMS switch with cap thermal vias / spreader ESL layer 2 layer 3 layer 4 Integrated high-k ink sidewall metallization cavities for RF-MEMS
48 LTCC als Schaltungsträger für innovative Anwendungen Neue Anwendung: Phasenschieber für Radarantenne Source: Daimler Chrysler Research
49 Neue Anwendung: Bio-Sensoren Fluidik Chip mit integrierten Hochspannungsleitungen Bio-Sensor Modul mit integrierter Fluidik Medienanschluß mit 100µm Kanal
50 Integrated project proposal IST Call 4 FP IST-4 Service Action RF-PLATFORM Generic manufacturing and design technology platforms based on novel RF technologies
51 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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