Articulo de referencia

Cerámica cocida conjuntamente

Circuito híbrido sin componentes (cerámica cocida a baja temperatura) Los dispositivos cerámicos de cocción simultánea son dispositivos microelectrónicos cerámicos monolíticos e...

Circuito híbrido sin componentes (cerámica cocida a baja temperatura)

Los dispositivos cerámicos de cocción simultánea son dispositivos microelectrónicos cerámicos monolíticos en los que toda la estructura de soporte cerámica y los materiales conductores, resistivos y dieléctricos se cuecen en un horno al mismo tiempo. Entre los dispositivos típicos se incluyen condensadores , inductores , resistencias , transformadores y circuitos híbridos . Esta tecnología también se utiliza para el ensamblaje y empaquetado robusto de componentes electrónicos multicapa en la industria electrónica, como en aplicaciones militares, MEMS , microprocesadores y radiofrecuencia .

Los dispositivos cerámicos cocidos conjuntamente se fabrican mediante un enfoque multicapa. El material de partida son cintas verdes compuestas, formadas por partículas cerámicas mezcladas con aglutinantes poliméricos. Estas cintas son flexibles y se pueden mecanizar, por ejemplo, mediante corte, fresado, punzonado y estampado. Se pueden añadir estructuras metálicas a las capas, generalmente mediante relleno y serigrafía. A continuación, las cintas individuales se unen mediante un proceso de laminación antes de que los dispositivos se cuezan en un horno, donde la parte polimérica de la cinta se combustiona y las partículas cerámicas se sinterizan, formando un componente cerámico duro y denso. [ 1 ]

La cocción conjunta se puede dividir en aplicaciones de baja temperatura (LTCC) y alta temperatura (HTCC): baja temperatura significa que la temperatura de sinterización es inferior a 1000 °C (1830 °F) , mientras que alta temperatura es de alrededor de 1600 °C (2910 °F) . [ 2 ] La menor temperatura de sinterización para los materiales LTCC es posible gracias a la adición de una fase vítrea a la cerámica, lo que reduce su temperatura de fusión. [ 1 ]    

Debido a un enfoque multicapa basado en láminas de vitrocerámica, esta tecnología ofrece la posibilidad de integrar en el cuerpo del LTCC componentes eléctricos pasivos y líneas conductoras que normalmente se fabrican con tecnología de película gruesa. [ 3 ] Esto difiere de la fabricación de dispositivos semiconductores , donde las capas se procesan en serie y cada nueva capa se fabrica sobre las anteriores.

Historia

Las cerámicas cocidas conjuntamente se desarrollaron por primera vez a finales de la década de 1950 y principios de la de 1960 para fabricar condensadores más robustos. [ 4 ] Posteriormente, en la década de 1960, la tecnología se amplió para incluir estructuras multicapa similares a las placas de circuitos impresos. [ 5 ]

Componentes

Circuitos híbridos

La tecnología LTCC es especialmente beneficiosa para aplicaciones de RF y alta frecuencia. En aplicaciones de RF e inalámbricas , la tecnología LTCC también se utiliza para producir circuitos integrados híbridos multicapa , que pueden incluir resistencias, inductores, condensadores y componentes activos en el mismo encapsulado. En detalle, estas aplicaciones comprenden dispositivos de telecomunicaciones móviles (0,8–2  GHz), redes locales inalámbricas como Bluetooth (2,4 GHz) y radares  para automóviles (50–140 GHz y 76 GHz). [ 3 ] Los híbridos LTCC tienen un menor costo inicial ("no recurrente") en comparación con los circuitos integrados , lo que los convierte en una alternativa atractiva a los ASIC para dispositivos de integración a pequeña escala.  

Inductores

Los inductores se forman imprimiendo bobinados conductores sobre cinta cerámica de ferrita . Según la inductancia y la capacidad de conducción de corriente deseadas, se puede imprimir un bobinado parcial o varios en cada capa. En ciertas circunstancias, se puede utilizar cerámica sin ferrita. Esto es más común en circuitos híbridos donde coexisten condensadores, inductores y resistencias, y en aplicaciones de alta frecuencia donde el bucle de histéresis de la ferrita representa un problema.

Resistencias

Las resistencias pueden ser componentes integrados o añadirse a la capa superior después del proceso de cocción. Mediante serigrafía, se imprime una pasta resistiva sobre la superficie LTCC, a partir de la cual se generan las resistencias necesarias para el circuito. Tras la cocción, estas resistencias presentan una desviación respecto a su valor de diseño (±25 %) y, por lo tanto, requieren ajuste para cumplir con la tolerancia final. Con el corte láser , se pueden obtener estas resistencias con diferentes formas de corte para lograr el valor exacto (±1 %) deseado. Este procedimiento reduce la necesidad de resistencias discretas adicionales, lo que permite una mayor miniaturización de las placas de circuito impreso.

Transformers

Los transformadores LTCC son similares a los inductores LTCC, con la diferencia de que contienen dos o más bobinados. Para mejorar el acoplamiento entre los bobinados, incorporan un material dieléctrico de baja permeabilidad impreso sobre cada capa. La naturaleza monolítica de los transformadores LTCC resulta en una menor altura que la de los transformadores bobinados tradicionales. Además, la integración del núcleo y los bobinados implica que estos transformadores no son propensos a fallas por rotura de hilo en entornos de alta tensión mecánica. [ 6 ]

Sensores

La integración de componentes pasivos de película gruesa y estructuras mecánicas 3D dentro de un módulo permitió la fabricación de sofisticados sensores LTCC 3D, por ejemplo, acelerómetros. [ 7 ]

Microsistemas

La posibilidad de fabricar diversos componentes pasivos de película gruesa, sensores y estructuras mecánicas 3D permitió la fabricación de microsistemas LTCC multicapa.

Mediante la tecnología HTCC, se han desarrollado microsistemas para entornos hostiles, como temperaturas de trabajo de 1000  °C. [ 8 ]

Aplicaciones

Los sustratos LTCC pueden utilizarse de forma muy ventajosa para la fabricación de dispositivos miniaturizados y sustratos robustos. La tecnología LTCC permite combinar capas individuales con diferentes funcionalidades, como alta permitividad y baja pérdida dieléctrica, en un único encapsulado laminado multicapa, logrando así multifuncionalidad con un alto nivel de integración e interconexión. Además, ofrece la posibilidad de fabricar estructuras tridimensionales robustas que, en combinación con la tecnología de película gruesa, permiten la integración de componentes electrónicos pasivos, como condensadores, resistencias e inductores, en un único dispositivo. [ 9 ]

Comparación

La tecnología de cocción conjunta a baja temperatura (LTCC) presenta ventajas en comparación con otras tecnologías de encapsulado, incluida la cocción conjunta a alta temperatura: la cerámica se cuece generalmente por debajo de 1000  °C debido a la composición especial del material. Esto permite la cocción conjunta con materiales altamente conductores (plata, cobre y oro). Además, la tecnología LTCC permite integrar elementos pasivos, como resistencias, condensadores e inductores, en el encapsulado cerámico, minimizando así el tamaño del módulo final.

Los componentes HTCC generalmente consisten en multicapas de alúmina o zirconia con metalización de platino, tungsteno y molibdeno-manganeso. Las ventajas del HTCC en la tecnología de encapsulado incluyen rigidez mecánica y hermeticidad , ambas importantes en aplicaciones de alta fiabilidad y en entornos exigentes. Otra ventaja es la capacidad de disipación térmica del HTCC, lo que lo convierte en una opción de encapsulado para microprocesadores, especialmente para procesadores de alto rendimiento. [ 10 ]

En comparación con el LTCC, el HTCC tiene capas conductoras de mayor resistencia .

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Jurków, Dominik; Maeder, Thomas; Dąbrowski, Arkadiusz; Zarnik, Marina Santo; Belavič, Darko; Bartsch, Heike; Müller, Jens (septiembre de 2015). "Descripción general de los sensores cerámicos cocidos a baja temperatura" . Sensores y Actuadores A: Físicos . 233 : 125– 146. doi : 10.1016/j.sna.2015.05.023 .
  2. "Cerámica cocida a alta temperatura" . AMETEK AEGIS .
  3. 1 2 Hajian, Ali; Stöger-Pollach, Michael; Schneider, Michael; Müftüoglu, Doruk; Crunwell, Frank K.; Schmid, Ulrich (2018). "Comportamiento de porosificación de sustratos LTCC con hidróxido de potasio" . Journal of the European Ceramic Society . 38 (5): 2369– 2377. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.01.017 .
  4. US 3004197 , Rodríguez, Antonio R. y Wallace, Arthur B., "Condensador cerámico y método para su fabricación", publicado el 10/10/1961 
  5. US 3189978 , Stetson, Harold W., "Método para fabricar circuitos multicapa", publicado el 22/06/1965 
  6. Roesler, Alexander W.; Schare, Joshua M.; Glass, S Jill; Ewsuk, Kevin G.; Slama, George; Abel, David; Schofield, Daryl (2010). "Transformadores LTCC planares para convertidores flyback de alto voltaje" . IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies (manuscrito enviado). 33 (2): 359– 372. doi : 10.1109/tcapt.2009.2031872 .
  7. Jurków, Dominik (2013). "Acelerómetro cerámico cocido a baja temperatura de tres ejes". Microelectronics International . 30 (3): 125– 133. doi : 10.1108/MI-11-2012-0077 .
  8. Sturesson, P; Khaji, Z; Knaust, S; Klintberg, L; Thornell, G (2015-09-01). "Propiedades termomecánicas y rendimiento de resonadores cerámicos para lectura inalámbrica de presión a altas temperaturas" . Journal of Micromechanics and Microengineering . 25 (9) 095016. Bibcode : 2015JMiMi..25i5016S . doi : 10.1088/0960-1317/25/9/095016 . ISSN 0960-1317 . S2CID 106915066 .  
  9. Hajian, Ali; Müftüoglu, Doruk; Konegger, Thomas; Schneider, Michael; Schmid, Ulrich (2019). "Sobre la porosificación de sustratos LTCC con hidróxido de sodio" . Composites Part B: Engineering . 157 : 14–23 . doi : 10.1016/j.compositesb.2018.08.071 .
  10. Rendimiento en ondas milimétricas de encapsulados de circuitos integrados de cerámica de alúmina cocida a alta temperatura . Archivado el 4 de septiembre de 2012 en Wayback Machine , Rick Sturdivant, Conferencia IMAPS 2006, San Diego, CA.
  • Animación del proceso de producción de LTCC