1 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs Comment fabriquer des circuits 3D pour applications microtechniques ? En LTCC ! [email protected] Lundi

1 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs

Comment fabriquer des circuits 3D pour applications

microtechniques ? En LTCC !

[email protected]

Lundi 4 septembre 2006Groupe Technologies des Couches Épaisses, Prof. P. Ryser Laboratoire de Production Microtechnique

http://lpm.epfl.ch/ltcc

Introduction pour ingénieurs


Le LTCC ?

Low-Temperature, Cofired Ceramic

•Céramiques frittées en feuilles (bleues, blanches ou noires)

•Vous en transportez sans le savoir (téléphone mobile, voiture)

•Matériau relativement nouveau (<20 ans)

•Développé pour l’électronique hautement intégrée

feuilles de LTTC crues (micro-

réacteur)

micro-débitmètre assemblé

platine fluidique, gestion

d’électrovannes avec électronique

SMD


Objectifs

•Objectifs de ma thèseIntégrer dans un circuit :- des capteurs (pression, température, débit)- des actionneurs (électrovannes)- de l’électronique (SMD)par un processus industrialisable.

•Objectifs de cet exposéVous faire découvrir la technologie LTCCet ses multiples possibilités.

Micro-réacteur hybride en LTCC et alumine

Capteur de viscosité de gazà modules


Sommaire

1. Le principe du LTCC

2. Propriétés

3. Réalisations du LPM

4. Méthodes concurrentes

5. Etat de l’art

6. En pratique

7. Conclusion


1.1) Le principe du LTCC

1. Feuilles crues découpées facilement (laser, poinçon)

2. Feuilles imprimées individuellement (circuits multicouches)

3. Empilement des feuilles pour en faire une structure 3D

4. Cuisson-> frittage, circuit monobloc

5. Individualisation et post-cuisson(assemblage par brasure)


1.2) Types de réalisations

Circuits :

• fluidiques

• électroniques

• mécaniques

Micro électrovanne hybride en LTCCM. Gongora-Rubio et al., 2001

M. Gongora-Rubio et al., 1999

www.ltcc.de


1.3) Acronyme

Le LTCC se démarque du HTCC :

•Low- LTCC 875°C

•Temperature HTCC 1400-1600°C

•Cofired co-cuisson de pâtes (di)électriquesLTCC : métaux précieux (Au, Ag,

Pd, Cu)HTCC : métaux réfractaires (W, Mo,

MoMn)

•Ceramic mélange de :- alumine Al2O3

- verres SiO2 - B2O3 - CaO - MgO

- liants organiques

- HTTC : essentiellement Al2O3


1.4) Mise en œuvre

Matière première sous forme de :

•feuilles ou rouleauxépaisseur 50-320μm5-6 grands fabricants :DuPont, ESL, Ferro, Heraeus…

•poudre : à mélanger soi-même, LTCC propriétaire (grosses production genre automobile, militaire etc.)

•Processus simple mais complexe

•Temps incompressibles :- lamination 5-15 minutes- cuisson 2-8 heures- post-cuissons 45 minutes

www.ltcc.de


2) Propriétés physiques

1. Chimiquement stable, inerte à HCl, NaOH…

2. Thermiquement stable (>600°C)

3. Basse conductivité thermique (3 W/mK)

4. Dureté élevée (8 Mohs)

5. Très bon diélectrique (faibles pertes en hautes fréquences, applications antennes GHz)

6. rupture=320 MPa, E=120 GPa, densité=3.1

7. Haute fiabilité et herméticité


3) Réalisations au LPM

1. Débitmètre et micro-réacteur

2. Capteur de viscosité de gaz Wobbe

3. Capteur de force Millinewton

4. Platine pour électrovannes pneumatiques

5. Boîtier de test d’étanchéité


3.1) Débitmètre et micro-réacteur

1. Débitmètre- 3 couches de LTCC- principe de l’anémomètre à fil chaud- canal de 1 à 2 mm de large

2. Micro-réacteur- 2 réactants- 2 débitmètres- 1 calorimètre

Microreactors and micro flowsensor (bottom)Hybrid micro-reactor


3.2) Capteur de viscosité de gaz Wobbe

Capteur modulaire mesurant l’indice Wobbe :

- 1 base- 1 module de chauffe- 1 module capteur de pression à

membrane

Application : optimisation de la combustion dans chaudières à mazout

Capteur avec ses modules externes désassemblés


3.3) Capteur de force Millinewton

Version alumine (200..2000 mN)

• poutre rectangulaire brasée sur embase

• sérigraphie biface (4 R en pont de Wheatstone)

Version LTCC (10..100 mN)

• poutre en T de forme optimisée

• Module de Young 2.6x plus faible

• Meilleure sensibilité

• Version demi-pont(monoface)

• Fabrication plus simple


3.4) Platine pour électrovannes

• Jusqu’à 22 couches de LTCC

• 2 niveaux d’interconnexions

• canaux de 0.3..3 mm de large

• gestion par électronique SMD

• adaptateurs en laiton


3.5) Boîtier de test d’étanchéité

• Base en LTCC, capot en verre

• Pistes électriques co-cuites

• Fils de tungstène brasés Sn-Pb

• Cordon d’étanchéité post-cuit

• Brasure Sn-Bi 138°C pour le capot

• De la planche à dessin au boîtier fini : 2 semaines


4.1) Méthodes concurrentes

• SLS (Selective Laser Sintering)- lent- prototypes pièce par pièce- plus pour formes que pour circuits- poreux

• Alumine + couches épaisses classiques- monosubstrat (assemblage par scellement)- multicouche, mais processus séquentiel- moins avantageux pour grand nb de couches- 1400°C (HTCC)


4.2) Méthodes concurrentes

• PCB- Tmax 150°C- usinage pour fluidique difficile- pertes en haute fréquence- pas hermétique- meilleur marché pour un simple circuit électrique

• Alu et résine époxy- mise en œuvre plus facile- uniquement pour la fluidique

• Silicium- salle blanche- processus lourds et compliqués- concurrence partielle car Si ~ m, LTCC ~ 0.1mm-> à utiliser en complément

Mini-PCB fluidique empilé de l’inst. Fraunhofer IZM Berlin

Pneumotech


5.1) Etat de l’art

M. Gongora-Rubio et al., 1999

J. Kita, Bayreuth, Germany, 2005Peterson, Sandia National Lab, 2005


5.2) Etat de l’art

Fraunhofer IZM Berlin


6.1) Problèmes technologiques

En pratique on doit tenir compte de :

• Variations des dimensions finales dues à la variabilité du retrait (lots + naturelle)

• Retrait différent qu’annoncé par le fabricant (10..15% en X-Y, 15-40% en Z)

• Écrasement des cavités quand on suit les recommandations de lamination

• Délamination des couches au bord quand on réduit la pression ou la température de lamination


6.2) Setup expérimental au LPM

préconditionnement

étuve 30min - 120°C

feuilles LTCCép. 50-320μm

6”x6”

découpe laser +

soufflage air

empilement

laminoir à goupilles

laminationpresse uniaxiale

5min - 70°C - 200bar

retrait feuilles

de protection

cuissonfour à air

8h - 875°C

prêt pour sérigraphies

et post-cuissons

sérigraphie de pâtes

sur couches crues


7) Conclusions

•Technologie robuste et fiable

•Mature pour l’électronique; en développement pour le fluidique

•Automatisable

•Coûts et investissements modérés (salle grise)

•Possibilités de formes et combinaisons infinies

•Nombre de couche quasi-illimité

•Prix pour qtés industrielles : 1€ / dm2 / couche

•Finesse des structures ~ 50 m


Fin

Merci pour votre attention!

Plus d’infos surhttp://lpm.epfl.ch/ltcc

http://personnes.epfl.ch/yannick.fournier

Toutes les images sans source indiquée proviennent du LPM-EPFL.


Annexe – profil de température du four

LTTC Oven Temperature Profile "Yannick 16"

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

000 060 120 180 240 300 360 420

Time [min]

Te

mp

era

ture

[°C

]

burnoutdwell 450°C

100 min(LTCC is at 440°C)

sinteringdwell 895°C

30 min

sinteringramp 895°C

2.5K/min

ramp 200°C-20 K/min

for the LTCC samples to reach a peak temp of 875°C, the oven must be higher ->

ramp 450°C2.4K/min

ramp 230°Cslope 8K/min

ramp 400°C-16 K/min

ramp 660°C10 K/min

Duration [h:min]

Total time

[h:min]

Final temp [°C]

Slope [K/min]

1 Fast ramp 00:25 00:25 230 82 Ramp to 440°C 01:30 01:55 450 2.43 Burnout dwell 100 mins 01:39 03:34 450 04 Fast ramp 00:21 03:55 660 105 Sintering ramp to 875°C 01:35 05:30 895 2.56 Sintering dwell 30 mins 00:30 06:00 895 07 Natural furnace cooling 00:30 06:30 400 -16.58 Fast cooling 00:10 06:40 200 -209 Back to ambiant 00:10 06:50 70 -13

Step


Annexe – comparaison de propriétés


Annexe – specs de deux pâtes courantes

Documents

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