Post on 03-Apr-2015
1 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
Comment fabriquer des circuits 3D pour applications
microtechniques ? En LTCC !
Yannick.Fournier@epfl.ch
Lundi 4 septembre 2006Groupe Technologies des Couches Épaisses, Prof. P. Ryser Laboratoire de Production Microtechnique
http://lpm.epfl.ch/ltcc
Introduction pour ingénieurs
2 of 23Introduction au LTCC 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
3 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
4 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
5 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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)
6 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
7 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
8 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
9 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
10 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
11 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
12 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
13 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
14 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
15 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
16 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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)
17 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
18 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
5.1) Etat de l’art
M. Gongora-Rubio et al., 1999
J. Kita, Bayreuth, Germany, 2005Peterson, Sandia National Lab, 2005
19 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
5.2) Etat de l’art
Fraunhofer IZM Berlin
20 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
21 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
22 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
23 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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.
24 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
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
25 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
Annexe – comparaison de propriétés
26 of 23Introduction au LTCC pour ingénieurs
Annexe – specs de deux pâtes courantes