Konstruktion und Technologie elektronischer Baugruppen

Leiterplattentechnologie

Beschreiben Sie kurz die Geräte-/Gehäusehierarchie in der Mikroelektronik

Ebene 1: Single-Chip-Module und Multi-Chip-Module
Ebene 2: Leiterplatten (einseitig, doppelseitig, mehrlagig)
Ebene 3: Rückverdrahtungsebene (Motherboard oder Backplane -> verbindet die einzelnen Leiterplatten miteinander)
Ebene 4: Baugruppen / Geräte-Gehäuse

Welche Schaltungsträgertechnologien gibt es?

Organisch ( Standart und HDI Leiterplatten meist aus Epoxid Harz und Glasfasergewebe)
Anorganisch (Keramisch)
- $AL_{2}O_{3}$ $AL_{2}O_{3}$ (Träger aus keramischen Substrat)
  - Direct Bonded Copper
  - Dünnschicht
  - Dickschicht
- LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics)
  - anfangs weiche keramische Folien, die bei 850°-900°C gesintert werden
  - mulilayer, kompatibel mit Dickschickttechnik
- HTCC (High Temperature Cofired Ceramics)
  - anfangs weiche keramische Folien, die bei 1600°-1800°C gesintert werden
  - mulilayer, wegen hoher Sintertemperatur nicht-kompatibel mit Dickschickttechnik

Welche Funktionen übernimmt ein Schaltungsträger (z.B. PCB)?

stellt elektrische Verbindungen zwischen den Bauelementen her
Isolation nicht verbundener Bauelemente
mechanische Fixierung
Abführung der Verlustwärme
Schutz vor Vibration, mechanische Einflüsse

In welche Klassen (Aufbauten, Technologien) lassen sich Leiterplatten unterteilen?

<graphviz> digraph R {

node [shape=box];

Leiterplatte -> starre Leiterplatte -> flexible Leiterplatte -> "starr-flexibel" Leiterplatte -> "3D"

starre -> "Bauteilträger \n in üblichen \n Flachbaugruppen" flexible -> "felxible gedruckte \n Verdrahtung oder \n gedruckter Kabelbaum" "starr-flexibel" -> "Ein- oder \n Mehrebenen-, \n Buchbindertechnik" "3D" -> "Form- Leiterplatte" } </graphviz>

nichtdurchkontaktierte Leiterplatten (eine Ebene)
durchkontaktierte Leiterplatte (doppelseitig)
Mehrlangenleiterplatte (Multilayer)
Mehrdrahtleiterplatte
Mehrschichtleiterplatte
HDI-Leiterplatte mit Mikrovias

Skizzieren Sie die Herstellschritte einer doppelseitigen Leiterplatte

Tenting (subtraktiv Verfahren)

Ausgangsbasis: Cu-kaschiertes LP-Material
Bohren der Vias, Reinigen etc.
stromloses Verkupfern der gesamten Leiterplatte, daher auch der Vias und der Innenseiten der Vias.
Cu galvanisch verstärken
Ätzresist aufgebracht (Fotozeug)
Ätzen
Ätzresist entfernen

Metallresisttechnologie (semiadditives Verfahren)

Leiterplatte mit Cu-Beschichtung
Bohren der Durchkontakierungen
Bürsten, Entfetten, Entoxidieren
Galvanisieren mit Cu (5 µm) für die Durchkontaktierung
Aufbringen eines Fotoresists
Belichten mit einen Film und Entwickeln des Fotoresists
Galvanisieren mit Cu auf die Leiterbahnstrukturen und Vias
Galvanisieren von PbSn auf die Leiterbahnstrukturen als Ätzresist
Entfernen des Fotoresists (Strippen)
Cu-Ätzen
Entfernen der PbSn Schicht
Oberflächenbeschichtung mit Sn, Ag oder NiAu

Wie sind Basismaterialien für PCB aufgebaut?

sie bestehen aus:

Harz (Phenolharze, Epoxidharze ...)
Glasfasern/Gewebe (Hartpapier oder Glasfasergewebe)
Kupferfolie

Beschreiben Sie die Strukturierungsverfahren für Leiterplatten (Add. /Semiadd./Subtr.)

Additiv-Technik

eine blanke Leiterplatte wird zuerst chemisch aufgeschlossen
die nicht zum Leiterbild gehörenden Flächen werden mit einen Fotoresist abgedeckt
durch eine chemische Abscheidung wird auf die nicht abgedeckten Flächen Kupfer aufgebracht
entfernen des Fotoresists

Semi-Additiv-Technik

auf blanke Leiterplatte wird eine dünne Kupfer-Grundschicht aufgebracht
die nicht zum Leiterbild gehörenden Flächen werden mit einen Fotoresist abgedeckt
durch eine chemische Abscheidung wird auf die nicht abgedeckten Flächen Kupfer aufgebracht
(Optional Aufbringen eines metallischen Ätzschutzes)
nach Einfernen des Fotoresists ätzen der Leiterplatte -> die Strukturen, die nicht zu dem Leiterbild gehören werden dabei entfernt

Subtraktiv-Technik

Ausgangsmatrial ist eine Leiterplatte mit Kupferschicht
Aufbringen eines Fotolacks (Fotoresist)
Abdecken mit Leiterbild
positiv Verfahren:
- Leiterbild wird abgedeckt und belichtet
- ätzen und zum Schluss entfernen des Fotolacks

negativ Verfahren:
- nicht zum Leiterbild gehörende Flächen werden abgedeckt und belichtet
- galvanische Verstärkung des Leiterbildes und Aufbringen eines Metallresists
- entfernen des Fotolacks und ätzen der Leiterplatte

Wie werden Multilayer hergestellt ?

1. Möglichkeit

zuerst herstellen von mind. 2 doppelseitigen Leiterplatten
im Kern ist ein Prepreg (ungehärtestes Epoxidharz mit Glasfasergewebe)
Sandwich aus den beiden doppelseitigen Leiterplatten mit den Prepreg im Kern
Bohren und Metallisieren der Vias

2. Möglichkeit

Herstellen von einer doppelseitigen Leiterplatte
Oben und Unten kommt je ein Prepreg mit Cu Beschichtung drauf
Bohren der Vias
Metallisierung der Durchkontaktierungen + Leiterbahnstrukturierung (genauso wie bei Doppelseitiger Leiterplatte)

Welche Oberflächenfinishes für Cu-Leitbahnen gibt es?

Zinn
Nickel/Gold
Silber

Was ist eine HDI-Leiterplatte (Kenngrößen)

HDI = High-Density-Interconnect
feinere Leitungsstrukturen und kleinere Durchkontaktierungen (Mikro-Vias)
viele Lagen (>20) möglich
bessere elektrische Eigenschaften (hochfrequenzfähig)
Nachteil:
- nicht mit üblichen Designwerkzeugen designbar
- komplexer Herstellungsprozess

Welche Verfahren zur Viaerzeugung kennen Sie

Bohren mit Microbohrer
Stanzen (bei LTCC)
Laservias (Einbrennen eines Sackloches durch einen Laser)
Belichten eines Fotoempfindlichen Prepregs und anschließende Entwicklung
Plasmaätzen ("chemical dry etching"-Verfahren (CDE))

Skizzieren Sie die unterschiedlichen Viatypen (vergraben, Sackloch, Duchgang)

1. Duchgangs-Via

gehen duch die ganze Leiterplatte durch

2. Blindvias ~ Sacklochvias

beginnen in der Oberfläche und gehen nicht ganz durch die Leiterplatte durch
verbinden die äüßere Schicht mit einer der inneren Schichten

3. vergrabene Vias (burried via)

verbinden innere Schichten miteinander
sind von außen hin nicht sichtbar

Wie können Widerstände und Kondensatoren in Leiterplatten integriert werden?

gedruckte Wiederstände in den inneren Lagen
Vergrabene SMD Bauteile (R, C oder L)
Integrierte Kondensatoren durch Polymerfilm in der Leiterplatte ( $\epsilon _{r}<=30$ )

Welche Faktoren beeinflussen die Stromtragfähigkeit von Leiterbahnen

Querschnitt des Leiters (Dicke und Breite der Leiterbahn)
Temperatur
Lagenanzahl
Metallisierungsgrad
Querschnittseinengung

Wärme

Welche Arten der Wärmeableitung sind bekannt?

Wärmeleitung
Wärmekonvektion
Wärmestrahlung
Änderung des Aggregatzustands (Phase Change Materials)

Skizzieren Sie ein thermisches Ersatzschaltbild (Äquivalenz zu elektr. Schaltkreis)

Welche Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmeableitung kann man ergreifen?

Reduktion der Schichtdicken mit schlechter Wärmeleitfähigkeit (z.B. Kleber, PCB)
Verwendung von Füge- und Substratmaterialien mit hoher thermischen Leitfähigkeit
Einfügen von Wärmespreitzern (dicke Cu-Leiterbahnen)
Einsatz thermischer Vias (z.B. komplett gefüllte Cu-Vias)

Verbesserung der Konvektion

Vergrößerung der Oberfläche (Kühlrippen)
Verwendung eines Fluids mit hoher Wärmeleitfähigkeit
Zwangskonvektion durch Lüfter

Hochfrequenzschaltungen

Wie ist die Phasengeschwindigkeit definiert?

Allgemein: Die Phasengeschwindigkeit v_p gibt an, mit welcher Geschwindigkeit sich die Phase einer Welle ausbreitet. Die Phasengeschwindigkeit berechnet sich aus der Periodendauer T und der Wellenlänge $\lambda$ zu

v_{ph}={\frac {\lambda }{T}}\,

in der Elektrotechnik

$v_{ph}={\frac {1}{\sqrt {L'C'}}}={\frac {c}{\sqrt {\epsilon _{r}}}}$

Welche Parameter beeinflussen die Phasengeschwindigkeit?

Anstiegszeit tr
Frequenz des Signals $t_{d}$
die Dielektrizitätskonstante: $\epsilon _{r}$

Welche Verluste treten bei der Übertragung von HF-Signalen auf?

Verluste durch

Leitbahnwiderstand
Dieletrische Verluste
Abstrahlung
Reflektion

Was versteht man unter Dispersion?

Unter Dispersion versteht man in der Physik die Abhängigkeit einer Größe von der Wellenlänge.

Welche Leitungstypen lassen sich in Multilayeraufbauten (PCB, LTCC) realisieren?

Skizzieren Sie die Veränderung des Z_L in Abhängigkeit des w/h-Verhältnisses für Microstrip, Stripline etc.

je größer das w/h Verhältnis, desto kleiner wird der Wellenwiderstand
der Wellenwiderstand berechnet sich aus: $Z_{L}={\frac {87\Omega }{\sqrt {\epsilon _{r}+1.41}}}\cdot \ln {\left[{\frac {5.98\cdot h}{0.8\cdot w+t}}\right]}$

Wie verändert sich die Leitungsbreite (Materialdicke konstant), wenn ein Material mit geringerer Permitivität eingesetzt wird?

kleinere Permitivität $\epsilon _{r}$ bedeutet einen größeren Wellenwiederstand
kleinere Leitungsbreite $w$ bedeuten auch einen größeren Wellenwiederstand
wenn sich die Permitivität kleiner wird, dann muss die Leitung entsprechend breiter werden, um das auszugleichen

Welche Parameter werden zum Entwurf von Coplanarleitungen benötigt?

Impendanz wird durch:

Leiterbreite
Spalt
Permitivität
Abstand zur Masse, wenn Groundplatine

bestimmt

Skizzieren Sie ein allgemeines Leitungs-ESB

Widerstandsbelag R'
Ableitungsbelag G'
Kapazitätsbelag C'
Induktivitätsbelag L'

Wie sind der Wellenwiderstand und die Ausbreitungskonstante definiert?

Der Wellenwiderstand ist definiert durch: ${\bar {Z}}={\frac {\vec {E}}{\vec {H}}}={\sqrt {\frac {j\cdot \omega \cdot \mu }{\sigma +j\cdot \omega \cdot \epsilon }}}={\sqrt {\frac {R'+j\omega L'}{G'+j\omega C'}}}$

Die Ausbreitungskonstante ist definiert: $\gamma ={\sqrt {(R'+j\omega L')(G'+j\omega C')}}$

Wie vereinfacht sich die Definition des Z_L bei verlustlosen Leitungen

für eine verlustlose Leitung gilt: $Z_{L}={\sqrt {\frac {L'}{C'}}}$

Welchen Wert hat der Freiraumwellenwiderstand?

für den Freiraumwellenwiderstand gilt ${\bar {Z}}={\sqrt {\frac {\mu _{0}}{\epsilon _{0}}}}\approx 377\Omega$

Welche Anteile an der Leitungsdämpfung sind Ihnen bekannt?

Dämpfung durch Leiterbahnwiderstand
Dämpfung durch induktive und kapazitive Anteile der Leitungen

Wie verschieben sich die Anteile bei höheren Frequenzen?

die Dämpfung durch induktive und kapazitive Anteile erhöht sich

Welchen Einfluss hat die Rauigkeit der Oberfläche für die Signalübertragung?

durch eine rauhe Oberfläche entstehen Reflektionen, wodurch der Wellenwiderstand vergrößert wird
größere Oberfläche => mehr Weg => größerer Widerstand
wegen Skin-Effekt ist die Auswirkung frequenzabhängig

Vor- und Nachteile von Microstrip, Stripline, CPW, embedded Microstrip

Vorteil :

komplette Abschirmung durch GND- und Power-Plane
geringes Übersprechen
höhrere Verdrahtungsdichte bei schmalen Leiterbahnen
keine Dispersion

Nachteil :

hohe Lagendicke bzw. schmale Leitungen für 50 Ohm erforderlich
hohe Kosten
hohe Leiterbahnverluste

Welche Leitungsformen (nach Potenzialbezug) sind Ihnen bekannt?

gekoppelte Leitungen
- Ansteuerung über:
  - Even mode
  - Odd mode

Welche Vorteile haben differentielle Leitungen?

Störunempfindlichkeit gegenüber Störungen auf der Masselage
hohe Frequenzen übertragbar
unempfindlich gegenüber äußeren Störungen
Energetisch günstiger, da höhere Impendanz und kleinerer Spannungshub
geringe Abstrahlungsverluste

Welche Koppelmöglichkeiten für Leitungspaare sind bekannt?

Was versteht man unter EMV?

Unter EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) versteht man die Fähigkeit eines elektronischen Systems in der elektromagnetischen Umwelt zu arbeiten

a) ohne dabei von der Umwelt beeinflusst zu werden
b) ohne dabei die Umwelt zu beieinflussen

Welche Kopplungsmechanismen für Störsignale sind Ihnen bekannt?

Kapazitive Kopplung
- bei parallelen Leitungen mit geringen Abstand
- bei kreuzenden Leitungen
Leitungsgebundene Störungen
Störungen der Spannungsversorgung durch die Clock-Leitung
Induktive Kopplung (Leiterschleifen, Signal-Ground Schleifen uws.)

Welche Funktionen hat ein Blockkondensator/Entkoppelkondensator?

bietet ein Pufferspeicher für schnelle Schaltvorgänge
Dämpfung von überlagerten HF-Signalen

Was ist bei der Übertragung steiler digitaler Signale zu beachten?

eine Übertragung kurzer digitaler Signale führt zu einer kurzen Anstiegszeit $t_{r}$
das erfordert eine hohe Bandbreite im Spektrum damit es keine Verzerrungen gibt -> Kritische Frequenzen $f_{krit}$

Wie wird die kritische Leitungslänge definiert?

Die kritische Leitungslänge ist definiert: $l_{krit}\approx {\frac {\lambda }{10}}$ mit $\lambda \approx {\frac {c}{f_{3dB}\cdot {\sqrt {\epsilon _{r,eff}}}}}$

Wenn die Leitungslänge größer als $l_{krit}$ ist, müssen Leitungseffekte berücksichtigt werden.

Was ist der Reflexionsfaktor?

Der Reflektionsfaktor wird verwendet um die Reflektionen von Wellen zu beschreiben. Bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen entsteht am Leitungsende eine Reflektion, wenn die Impendanz $Z_{0}$ der Leitung nicht der Eingangsimpendanz $Z$ der angeschlossenen Leitung entspricht.

Der Reflektionsfaktor berechnet sich auch: $\rho ={\frac {Z-Z_{0}}{Z+Z_{0}}}$

Für $Z=Z_{0}$ ergibt sich ein Reflektionsfaktor von "0".

Was passiert beim Schaltvorgang nichtangepasster langer Leitungen?

eine Reflexion des Signals, möglicherweise mehrfach hin und her - bestimmt durch den Reflexionsfaktor

Entwurf von Leiterplatten

Nennen Sie die grundsätzlichen Schritte zur Erstellung eines Layouts / Wie ist ein Layoutsystem aufgebaut?

Idee
erstellen des Schaltplans im Schaltplaneditor
ev. neue Symbole im Symboleditor erstellen
Generierung einer Netzliste + Simulation
erstellen des Layouts im Layoutsystem (unter Nutzung der Bauteile aus der Bauelementebibliothek)
optional Modell- und Struktursimulation
erstellen der Fertigungsdaten + Archivierung

Bauelement-Verbindungstechniken

Nennen Sie stoff- und kraftschlüssige Verbindungen in der Mikroelektronik

kraftschlüssig

unmittelbar (ohne Zustatzstoffe)
- Wickeln
- Stecken
- Klemmen
mittelbar (mit Zusatzstoffen)
- Thermi-Point
- Schrauben
- Quetschen

stoffschlüssig

unmittelbar (ohne Zustatzstoffe)
- Bonden (Ultraschall-, Thermokompressions-, Thermosonic-Bonden)
- Schweißen
mittelbar (mit Zusatzstoffen)
- Löten (Laser, Inrarot, Lötkolben, Heißgas, Bad, Mikroflamme, Dampf)
- Kleben (Leitkleben)

Was ist unter Löten zu verstehen? Welche Phasen laufen dabei ab?

Löten ist ein Verfahren zum Verbinden metallischer Werkstoffe mit Hilfe eines geschmolzenen Zustatzstoffes (Lot). Dabei können Flussmittel oder Löt-Schutzgase verwendet werden. Die Schmelztemperatur des Lotes muss kleiner als die der Grundwerkstoffe, die verbunden werden sollen.

Phasen:

Flussmittel benetzt die oxydierte Oberfläche des Grundmetalls
durch Erwärmung verflüssigen des Lotes
Verdrängung des Flussmittels durch das flüssige Lot und Benetzung der Metalloberfläche
durch Diffusion entsteht eine Legierung zwischen Lot und Grundmetall, die fest zusammenhält

Was sind intermetallische Phasen?

struktuell und stofflich unterschliche Lötverbindungen zwischen Lot und Grundmaterial
führen zur Versprödung der Verbindung und wachsen mit weiterer Temperatureinwirkung
je kleiner der Lotpunkt, umso mehr wirkt sich das aus

Was muss beim Löten mit Pb-freien Loten beachtet werden?

Pb-Freies Lot hat eine höhere Schmelztemperatur. Daher erfordert der Einsatz von Pb-freiem Lot:

höhere Temperaturstabilität der Leiterplatten
höhere Temperaturstabilität der Bauelemente
modifizierte Flussmittel
angepasste Oberflächen
z.T. neue Geräte (Lotwannen, Reflowöfen)
höheren Energiebedarf

Beschreiben Sie die unterschiedlichen Löttechniken.

Wellen- bzw. Schwalllöten
- (nur bei SMD) Kleber auftragen, SMD bestücken und Kleber aushärtem
- Flussmittel auftragen (Sprühen oder Schäumen)
- die Leiterplatte wird über wasserfallartigen Schwall aus flüssigen Lot gezogen (Schwalllöten). Das Lot bleibt dabei an den Lotpads hängen
Tauchen (Badlöten)
- die Leiterplatte wird einseitig vollständig in ein Lötbad getaucht
Reflowlöten
- Aufbringen einer Lotpaste auf die Pads. Die Lotpaste besteht aus Lotkugeln (Sn, Pb, Ag) und Flussmitteln (Harze und Lösungsmittel)
- Bauelemente-Bestückung
- Lot zum Schmelzen bringen durch:
  - Ofen
  - Infrarotlöten
  - Konvektionslöten
  - Dampfphasenlöten
  - Konduktionslöten (z.B. unter Vakuum)
  - Handlöten (mit Kolben oder Pistole)
  - Heißgaslöten
  - Heizplatten-/Heizbandlöten
  - Lichtstrahllöten
  - Laserlöten
  - Widerstandslöten

Vorteile und Nachteile des Wellenlötens

Vorteile:

beidseitige Montage möglich
volumentauglich
reine THT bzw. gemischte SMD/THT Bestückung mit einen Durchgang lötbar
Löttemperatur gut kontrollierbar ( ~ 245°+-10°)
kurze Lötzeit, dadurch kurze Wärmebeanspruchung der Bauelemente
Löten unter Schutzgas möglich (N₂)

Nachteile

SMDs müssen vor dem Löten mit Kleber fixiert werden
bei großen SMDs "Schattenbildung" möglich
PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) schlecht/nicht lötbar
BGA (Ball Grid Array) nicht lötbar
einige Bauelemente dürfen dem Lötschwall nicht ausgesetzt werden (z.B. Drosseln/Spulen mit Lackdraht)

Folgende Abbildung zeigt die Bauteile die nicht lötbar sind: (links: BGA, Oben: Spule, rechts: PLCC)

Welche Funktionen hat ein Flussmittel in einer Lotpaste?

Benetzen von Oberflächen
Erhöhung der Lagerfähigkeit von Lotpsten
Aufbrechen der Oxidverbindungen
Festkleben/Fixieren der SMD-Bauelemente

Nennen Sie drei Arten von Bestücktechniken (THT, SMT, DCA).

THT (Through Hole Technology)

Durchsteck-Bestückung
veraltet durch SMD

SMT (Surface Mounted Technology)

Bestückung ohne Vias auf der Oberfläche
höhere Bestückungs und Verdrahtungsdickte als bei THT
kleinere Gehäuse

DCA (Direct Chip Attach)

"nackter" Chip direkt auf die Leiterplatte platzieren
sehr feine Strukturen
sehr geringer Platzbedarf
verbinden mit der Leiterplatte durch
- Chip on Board (zB Draht-Bonden)
- Flip Chip Technik

Welche Klebstoffe werden in der Mikroelektronik verwendet?

isolierende Klebstoffe
- Vergussmassen zur
  - IC-Umhüllung
  - Schutzschicht
  - Modulverguss
- Kleber für
  - Bauelemente
  - Baugruppenmontage
leitfähige Klebstoffe (elektrisch und thermisch leitend) als Kleber für
- SMD-Bauelemente
- Die-Attach (Verkleben des "nackten" Si-Chips)
- Montage von Kühlkörpern (gute thermische Leitfähigkeit erforderlich)
- leitfähige Klebstoffe sind z.B. Epoxidharze gefüllt mit Ag, Cu, Ni oder Au

Funktionen von Klebstoffen erläutern

isolieren der Bauelemente
elektrisch oder thermisch leiten
fixieren der Bauelemente

Welche Schweißverfahren werden zur Assemblierung von Schaltungen eingesetzt?

Tape- Draht- und Bändchenbonden
- Ultaschall-, Thermokompressions-, Thermosonicbonden
Widerstandsschweißen
Elektronenstrahlschweißen
Laserschweißen

Skizzieren Sie den Prozess des US-Bondens.

Skizzieren Sie den Prozess des TS-Bondens für Ball-Wedge.

Wie können Nackchips (bare die) montiert werden?

Kleben (leitend oder nichtleitend)
Weichlöten (Reflowlöten)
Anlegieren
Anglasen
Ansintern
Anodisches Bonden (auf Glas)

Anschließend verbinden der Pins durch Bonden (US, TC oder TS- Bonden)

Was versteht man unter FlipChips?

Bei FlipChips wird der "nackte" Chip "auf den Kopf" gestellt und mit der PAD Seite nach unten auf die Substratseite befestigt
die Si-Pads werdern Über bumps mit den Pads auf den Substrat verbunden. Die Bumps besthen aus Lot (Au, Au/Ni) oder Leitkleber
gängige Verbindungsverfahren sind Reflow-Löten, Kleben oder Thermosonic-Bonden (TS)
Vorteil:
- Chips mit sehr großen Pin-Zahlen lötbar
- sehr geringer Platzbedarf

Welche Verfahren werden zur Montage von FlipChips eingesetzt?

Reflow-Löten
Kleben
FlipChip-Thermosonic-Bonden (FC-TS-Bonden)

Auf welchen Wegen kann das „Be-Bumpen“ von ICs erfolgen?

Pastendruck (nach Siebdruckverfahren)
Aufdampfen
Galvanisch
Preform (Lotkugel)

Hybridtechnologien: Dünnschicht

Was kennzeichnet Hybridtechnologien?

Verdrahtung und passive Elemente (R,C,L) werden integriert

Welche Hybridtechnologien sind Ihnen bekannt, wodurch unterscheiden sie sich?

Dünnschichttechnik
- Leitungshöhe < 1 µm
- Aufbringen der dünnen Schicht durch
  - Aufdampfen, gleich mit Strukturierung über Masken möglich
  - Sputtern: Strukturierung nachträglich durch Atzen
Dickschickttechnik
- Leitungshöhe > 1 µm (typisch 5µm .. 40µm)
- Aufbringen einer Leitpaste durch Siebdruckverfahren

Nennen Sie zwei Verfahren zur Erzeugung von Dünnschichten.

Aufdampfen
- Problem bei Stoffen mit hohen Verdampfungstemperaturen
- Strukturierung schon während des Aufdampfens über Masken möglich
- am Rand dünnere Schichten
Sputtern
- Stoffe mit hohen Verdampfungstemperaturen (>3000°C) möglich
- Strukturierung nur nachträglich möglich
- gleichmäßig dicke Schichten

Wie kann man Dünnschichtmultilayer herstellen?

indem Polymere als Isolationsschichten verwendet werden
diese Polymere sollten eine niedrige Dielktrizitätskonstante (damit keine Kondensatoren entstehen), hohe Durchschlagsfestigkeit (Schutz vor Spannungsübersprechen) und eine gute Haftung auf Metall haben

Hybridtechnologien: Dickschicht

Wie erfolgt die Strukturierung in Dickschichttechnologie?

über Siebdruck-Verfahren

Welches Basismaterial wird hauptsächlich eingesetzt?

Keramik (z.B. $Al_{2}O_{3}$ )

Skizzieren Sie den Ablauf der Herstellung einer Dickschichtschaltung.

Ausgangsmaterial ist $Al_{2}O_{3}$

1. erste Leitbahnen drucken, trocken, brennen
2. Bondanschlüssen drucken, trocken, brennen
3. Dielektrika drucken (2x) , trocknen, brennen
4. Isolation drucken (2x), trocknen , brennen
5. zweite Leitbahn drucken, trocken, brennen
6. alle Wiederstände nacheinander drucken, trocken und zum Schluss alle auf einmal brennen
7. Widerstände mit Laser abgleichen/trimmen (Widerstände haben ungetrimmt Toleranzen von 25%)
8. Lotpaste + SMD Stückung und Reflow löten
9. Chips montieren und Drahtbonden

Welche Vorteile der Dickschichttechnik bestehen gegenüber der Dünnschichttechnik?

geringere Reinraumbedingungn (Staubklasse) für die Produktion
höhere Verlustleistungen bei gedruckten Widerständen
umweltfreundlicher, weil keine Ätzprozesse
höherer Wertebereich der Widerstände (von $\Omega$ bis $G\Omega$ )
kostengünstiger

Wie kann eine Kontaktierung von Vorder- zur Rückseite der Dickschichtschaltung erfolgen?

Durch eine Durchkontraktierung des Substrats
geht aber relativ schlecht, besser mehrere Schichten übereinanderlegen wie bei der Dünnschicht-Technik
Drurudru: Drumrumdruck

Nennen Sie typische Materialien für die Dickschichttechnik (Pasten).

Pasten für

Leiterbahnen, Kondenstoren,Spulen, Kontakte (Ag, AgPd, AgPt, Au, Cu)
Widerstände (RuO2, IrO, BiO2RuO)
Dielektrika -> Isolation, Plattenkondensatoren ( $Al_{2}O_{3}$ )
Glaspasten -> Passivierung, Schutz vor Umwelteinflüssen

Was ist beim Widerstandsentwurf zu beachten?

der Entwurf muss auf 75-80% des Sollwertes erfolgen, weil die Widerstände eine Toleranz von 25% haben
durch einen Trimmschnit mit einen Laser kann der Widerstand vergrößert, aber nicht verkleinert werden

Wie kann man Leiterbahnquerungen realisieren?

Abdeckung der unteren Leitung mit einer Isolation (z.B. Glas)
obere Leitung durch weiteren Pastendruck oder Bonddraht überkreuzen
Alternativ: 0 Ohm Widerstand (SMD, Jumper) drüber setzen oder Durchkontaktierung

Hybridtechnologien: LTCC

Wie werden LTCC-Multilayer hergestellt?

die ungebrannten Keramikfolien werden einzeln strukturiert (mit Vias, Leiterbahnen, Widerständen usw)
dann gestapelt und laminiert
danach bei ca. 850°C gesintert

Welche Multilayer-Dickschichttechnologien sind Ihnen bekannt (LTCC, TOS, DS-ML)?

LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics)
TOS (Tape On Substrate)
DS-ML (Dickschicht Multilayer)

Was unterscheidet HTCC von LTCC?

HTCC (High Temperature Cofired Ceramics)

wegen der hohen Sintertemperatur (1600°-1800°C) ist diese Technologie nicht mit der Dickschichttechnik kompatibel
Leitbahnmaterial sind Wolfram und Molybdän
Vorteil: hohe Ebenenzahl (bis 70), hohe Integrationsdichte, gute Wärmeleitung
Nachteil: schlechte Hochfrequenzeigenschaften, schlechte Leitfähigkeit

LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics)

niedrigere Sintertemperatur (850°-900°C), daher mit Dickschichttechnik kombinierbar
gute Hochfrequenzeigenschaften
gute Leitfähigkeit

Nennen Sie Vorteile von LTCC-Substraten (elektrisch, mechanisch, thermisch)

elektrisch

geringere Dielektrizitätszahl im Vergleich zu HTCC
geringere Dielektrische Verluste
höhere Leitfähigkeit
hohe Verdrahtungsdichte und Anzahl von Ebenen
Integration passiver Bauelemente möglich
Widerstandsdruck im Postfiring möglich (7 Dekaden)

thermisch

hohe Arbeitstemperaturbeständigkeit (bis zu 350°C)
hohe Wärmeleitfähigkeit im Vgl. zu PCBs
ähnliche Ausdehnungskoeffizienten wie Halbleiter

mechanisch

gute Formbarkeit im grünen Zustand ( grüner Zustand = noch nicht gesintert)
hohe mechanische Stabilität
Versenkbarkeit von diskreten Elementen

Wie werden LTCC/HTCC-Folien hergestellt?

ein Gemisch aus Keramikpulver, Binder, Dispergiermittel, Lösungsmittel und Plastifikatoren wird mit einen Rakel auf eine Trägerfolie gebracht und in einen Ofen getrocknet
anschließend zugeschnitten
in den "grünen" Zustand sind die Folien noch recht weich und elastisch

Welche grundsätzlichen Bestandteile sind in den Folien?

Keramikpulver
Binder
Dispergiermittel
Lösungsmittel
Plastifikatoren

Was unterscheidet Postfiring und Cofiring?

Cofiring beschreibt das gleichzeitige Sintern von LTCC mit anderen Materialien
- ist z.B. eine Paste zum Leitbahnendrucken cofire-fähig, wird sie auf das ungebrannte (grüne) LTCC-Substrat gedruckt und im selben Prozess wie das LTCC gesintert
Postfiring wird angewendet, wenn die Pasten die hohen Sintertemperaturen nicht überstehen. Hier würde z.B. der Leitbahndruck mit einer nicht cofire - fähigen Paste erst nach dem Sintern des LTCC erfolgen. Geht natürlich nur auf den äußeren Ebenen, weil der Rest ja schon zusammen gefügt ist
- wird häufig auch gemacht, um eine hohe Genauigkeit der äußeren Pads für die maschinelle Bestückung zu haben

Welche Laminationsverfahren gibt es?

uniaxiales Laminieren
- einfach Druck von Oben
isostatisches Laminieren
- in Heißten Wasser Druck von allen Seiten

Welche Sinterverfahren gibt es?

freien Sintern
- schrumpfen in x,y und z Richtung
erzwungendes Sintern (auch 0-Schrumpfungsprozess)
- nur schrumpfen z-Richtung (in x,y mit einer geringen Toleranz)
  - SCS (Self Constrained Sintering x,y +- 0.02%)
  - PLAS (Pressure Less constrained Sintering x,y +- 0.1%)
  - PAS (Pressure Assisted constrained Sinteringx,y +- 0.05% )

Was versteht man unter 0-Schrumpfungsprozessen in der LTCC-Technik?

Schrumpfung nur in z-Richtung , aber keine Schrumpfung in x- und y-Richtung. (bzw. nur mit einer sehr kleinen Toleranz)

Wie erreicht man 0-Schrumpfung?

Mechanische Befestigung
Opfer-Tapes aufkleben, die sich nicht verformen udn die oberen Lagen fixieren
Druckausübung

Bei allen drei Methoden sind Verformungen möglich (zB Herausquetschen oder Hereinziehen der inneren Lagen)

Welche Faktoren beeinflussen die Schrumpfung von LTCC?

Metallisierungsgrad
Laminationsart (Uniaxial oder Isostatisch)
Lagenanzahl
Struktur von eventuellen Aussparungen im LTCC

Wie kann man die losabhängige Schrumpfung kompensieren?

90° Drehung
exklusive Verwendung eines Loses

Wie wirkt sich der Metallisierungsgrad auf die Schrumpfung aus?

eine höhere Metallisierung der Oberfläche bedingt eine geringere Schrumpfung. Daher sollte man auch die ganze Oberfläche etwa gleich metallisieren, damit keine unregelmäßigen Schrumpfungen auftreten

Was muss man beachten, damit die Schrumpfungstoleranzen gering sind?

Metallisierungsgrad < 50%
ausgewogene Metallisierung innerhalb der Lagen
90°-Verdrehung der Lagen zum Ausgleich von Folienanisotropien
nur geradzahlige Lagenzahl verwenden ( bei Lagenzahl < 8)

Welchen Einfluss hat der Laminationsdruck?

ein falscher Laminationsdruck kann nach dem Sintern ein schlechtes Resultat liefern

Warum schrumpfen LTCC-Folien beim Sintern (ab welcher Temperatur)?

die Folien durchlaufen ein definiertes Sinterprofil (siehe Frage 92)
in der Burnoutphase (bei 350°C) verdampen ca. 85% der organischen Anteile der Folie, dadurch nimmt das Volumen ab --> Die Folie schrumpft
anschließend werden die Folien bei ca. 850°C gebrannt (Sinterphase)

Wie können LTCC-Folien/Lagenstapel mechanische strukturiert werden?

Wie sieht ein Cofire-Profil aus?

Welche Vorteile haben 0-Schrumpfungsprozesse, Nachteile?