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TECNOLOGIAS HÍBRIDAS• Estas tecnologias permitem a implementação de módulos funcionais,

combinando e integrando técnicas diversas, para exercer funções sistêmicas como recepção, aquisição, processamento e/ou saída de informação.

• NECESSIDADE DAS TÉCNICAS HÍBRIDAS–Existem nichos onde os circuitos integrados monolíticos, sozinhos não podem as especificações necessárias, estas áreas são:

• Circuitos de Alta Freqüência• Circuitos de Potência• Conversores A/D, D/A• Circuitos para Eletrônica Embarcada• Circuitos para Bioengenharia• Circuitos Eletrônicos Militares e Aeroespaciais

• VANTAGEMS DÁS TÉCNICAS HÍBRIDAS • Funciona como Tecnologia Complementar• Aumenta a densidade de Empacotamento dos circuitos• Aumenta a densidade de Interconexão dos circuitos• Diminui retardos de propagação de I/O• Aumenta a capacidade de Potência• Possibilita Manufatura automatizada• Aumenta Confiabilidade e diminui Custos

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SEQUÊNCIA DE PROJETO

DE CIRCUITOS HÍBRIDOS

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MATERIAIS E APLICAÇÕES DAS TECNOLOGIAS HÍBRIDAS

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PRINCIPAIS TECNOLOGIAS HÍBRIDAS

•TECNOLOGIA DE FILMES FINOS–Filmes de espessura máxima de 1 μm

•TECNOLOGIA DE FILMES ESPESSOS–Filmes entre 5 e 30 μm

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MICRO CIRCUITOS

USANDO FILME FINO

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MÉTODOS DE DEPOSIÇÃO DE FILMES FINOS

Glow Discharge

Redução de Hidrogênio

OrdináriaIon PlatingOrdinário

Mo-CVDMBEIVDReativo

CVD por CVD por PlasmaPlasma

ReaReaçção ão QuQuíímicamica

DeposiDeposiçção em ão em VVáácuocuo

DeposiDeposiçção ão por por Ion BeamIon Beam

SputteringSputtering

Deposição assistida a

Laser

RF

CVDDeposição porVapor Químico

PVDDeposição por Vapor Físico

DEPOSIÇÃO POR VAPOR

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CONDUTORES DE FILME FINO

•São em geral compósitos multicamadas de vários metais, dado que não existe um filme simples que possua todas as propriedades de um bom condutor.

–Estas propriedades são :• Baixa resistividade• Boa adesão ao substrato• Boa adesão às outras camadas• Superfície superior que protege contra corrosão ,

permitindo “Wire Bonding”, “TAB” ou refusão de solda• Ter compatibilidade com métodos de posicionamento de e

“Dies”• Ser corroído seletivamente• Ter compatibilidade com químicas e processos híbridos

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CARACTERÍSTICAS COMUNS DOS CONDUTORES DE FILME FINO (Cu, AL, Au)

Resistência de Folha 3-5 mΩ/Espessura <10 μm

Largura de Linha <25 μmAdesão ≈ 20 N/mm2

Corrente de Ruptura 100-300 mA/mmNumero de camadas 1-6

Tamanho de Via <40 μm

Resistência de Folha 3-5 mΩ/Espessura <10 μm

Largura de Linha <25 μmAdesão ≈ 20 N/mm2

Corrente de Ruptura 100-300 mA/mmNumero de camadas 1-6

Tamanho de Via <40 μm

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RESISTIVIDADE VS. SUBSTRATO EM CONDUTORES DE FILME FINO

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SISTEMAS DE CONDUTORES/RESISTORES EM FILME FINO

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SEQÜÊNCIA DE PROCESSAMENTO DO SISTEMA

(OURO-NÍQUEL-CROMO)

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MATERIAL TÍPICO PARA

SUBSTRATO DE FILME

FINO

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IMPERFEIÇÕES

SUPERFICIAIS EM

SUBSTRATOS DE FILME

FINO

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TOLERÂNCIAS DIMENSIONAIS DE SUBSTRATOS CERÂMICOS

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CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE SUBSTRATOS

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(CET) DE SUBSTRATOS

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PROPRIEDADEs DOS SUBSTRATOS PARA FILME FINO

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RESISTORES DE FILME FINO

R = ρL/A A = w h

–com: ρ = Resistividade do Material

–A= Área da Seção

–L= Comprimento do caminho de Corrente

• Se w = L a resistência de folha é dada por:

R� = ρ/ h em ( Ω/�)

• Uma dada resistência pode ser expressa em termos de R�assim:

R = R� L/w

• sendo L/w a razão de aspecto do resistor

se L/w = N então R= N R�

Com N: Número de quadrados

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GEOMETRIAS DE RESISTORES DE FILME FINO

•Em geral o valor da resistência inclui contribuições do N: No de quadrados de segmentos retilíneos e correções para contatos, curvas e outras mudanças de forma

•Configurações para alguns resistores típicos No de

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RESISTORES PARA VALORES OHMICOS ELEVADOS

• Para obter resistores de valor ohmico elevado sem gastar muita área, normalmente utiliza-se a geometria sanfonada

• O numero de quadrados N está dado pela seguinte expressão

• sendo C1 = correção para as curvas • C2 = correção para os contatos

N w ww

ww

CL ww w

ww

Cr l

l

g

l

r g

g l

g

l

=−

+ +⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

−+

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ + +

2 2 21 2

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OBTENÇÃO DE N PARA RESISTORES SANFONADOS

Na tabela a seguir tem-se uma forma de obter o N quando wl = wg

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LARGURA MÍNIMA PARA RESISTOR

• É importante saber a largura mínima wmin de forma que o resistor possa suportar uma certa dissipação de potência Pd.

• Para uma geometria retangular, a área mínima do

resistor é dada por: Amin = Pd / pmax, sendo pmax a densidade de potência máxima que édeterminada por:

– Material do filme

– Condutividade térmica do substrato

– Temperatura ambiente

– Material do substrato

– Tamanho do resistor

• Para um resistor retangular então :

wmin = [(Pd R� )/(pmax R)]1/2

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VARIAÇÃO DOS RESISTORES COM A TEMPERATURA

•Outro fator importante nos resistores é sua dependência com a To, para alguns materiais esta dependência pode ser expressa assim:

R = R� [1+α (T-To)]

Com: To = Temperatura de referênciaR�o = Valor de R� @ To

α = Coef. de variação da resistência coma Temperatura, sendo que:

α = TCR = (1/ R� ) d R� / d T

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CAPACITORES DE FILME FINO

C = εr εo (A/d)• εo = Permitividade do Vácuo (8,86 10-10

F/m) • εr = Permitividade do Filme Dielétrico• d = Espessura do Filme Dielétrico• A = Área do Capacitor

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CAPACITORES DE FILME FINO

•Um parâmetro para levar em consideração para a escolha do material dielétrico é a tensão de rupturaVb do Capacitor. Esta apresenta relação com a resistência à ruptura dielétrica do material do filme, assim:

Vb = Eb / d

•Com Eb: Campo elétrico de ruptura e d: Distância entre placas.

•Por considerações de confiabilidade a tensão de trabalho de um Capacitor de filme fino define-se:

Vr = k Vb

•com 0<k <1 (tipicamente 0,1-0,5)

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ESTRUTÚRAS TÍPICAS DE CAPACITORES DE FILME FINO

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CAPACITOR INTERDIGITAL

•Apresenta uma capacitância dada por:

em (Farad / unidade de comprimento)

– com: n = No de dedos de comprimento L

– w = largura do padrão– k1 = Contribuição dos dedos interiores

– k2 = Contribuição dos dedos exteriores

( ) ( )[ ]C Lw

n k ki r o= + ⎛⎝⎜⎞⎠⎟

− +ε ε1 3 1 2

k1

k2

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PROCESSAMENTO DE ESTRUTURAS HÍBRIDAS MULTICAMADAS DE FILME FINO

•As estruturas híbridas multicamadas de filme fino envolvem os seguintes passos para seu processamento:

–Preparação do substrato inicial–Aplicação de precursores–Formação de Vias–Cura do Polímero –Metalização do dielétrico

•Os polimidas são os materiais mais usados para estruturas multicamada com filme fino, devido a :

–Baixa constante dielétrica εr: 3.5;–Resistência a solventes;–Alta temperatura de transição vítrea;–Boas características de planarização;–Alta estabilidade térmica Tg: 280 oC–Facilidade de deposição (Spin Coating)

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MULTICAMADAS COM POLIMIDA (VIA HOLE)

•Existem diversos processo de geração de “Via Hole” usando Polimida:

–Usando Foto-Resistpositivo

–Usando Foto-Resistnegativo

–Usando métodos de corrosão seca:

•Corrosão Isotrópica (BPE)

•Corrosão Direcional (RIE)

–Usando Polimida Foto-sensitivo

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FORMAÇÃO DE VIAS (Cont.)

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Metalização de Vias

• O processo de metalização de vias seque os seguintes passos:

–Formação das Vias–Deposição de Níquel “Electroless”

–Deposição de camada de adesão por “Sputtering”

–Aplicação de “Foto-Resist” e definição de padrões

– Eletro deposição de cobre

–Remoção de “Foto-Resist” e corrosão de camada

–Acabamento “Flash” de níquel “Electroless”

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PRINCIPAIS TECNOLOGIAS HÍBRIDAS

•TECNOLOGIA DE FILMES FINOS–Filmes de espessura máxima de 1 μm

•TECNOLOGIA DE FILMES ESPESSOS–Filmes entre 5 e 30 μm

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CIRCUITOS HÍBRIDOS DE FILME ESPESSO

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MICRO CIRCUITOS HÍBRIDOS

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TECNOLOGIA DE FILME ESPESSO

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CIRCUITO HÍBRIDO DE FILME ESPESSO TÍPICO

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SEQUÊNCIA DE FABRICAÇÃO DE UM CIRCUITO HÍBRIDO DE FILME ESPESSO

Resistor Resistor em Chip

Capacitor

Corte A-A

1. Limpeza de Substrato

2. Depósito de Pasta condutora

3. Secagem e Cura

4. Depósito de Pasta resistiva

5. Secagem de Pasta

6. Depósito de Pasta Dielétrica

7. Secagem e Cura

8. Depósito de Pasta Condutora

9. Secagem e Cura

10. Posic ionamento de componente

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SERIGRAFIA EM FILME ESPESSO•O processo de Serigrafia requer a interação entre:

– Molduras– Telas– Emulsão Foto-sensível– Rodo– Substratos– Pastas

• Resistivas• Condutivas• Dielétricas• De Isolação e Passivação

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MOLDURAS

• As Molduras utilizadas para Filme Espesso são de aço inox com dimensões de 5” x 5” ou 8” x 10” e com características como:

– Excelente Estabilidade Dimensional

– Excelente Estabilidade Torsional

– Excelente Planicidade– Facilidade de

Montagem da Tela (Epoxy + Parafusos)

– Excelente resistividade a Solventes

– Possibilidade de Re-utilização

– Custo Moderado

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SERIGRAFIA EM FILME ESPESSO•O processo de Serigrafia requer a interação entre:

– Molduras– Telas– Emulsão Foto-sensível– Rodo– Substratos– Pastas

• Resistivas• Condutivas• Dielétricas• De Isolação e Passivação

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TELAS SERIGRÁFICAS• Constitui-se do material que montado

na moldura, serve como suporte para a máscara gerada através de uma foto –emulsão colocada na sua superfície.

• Telas com fios de aço inox 304 ou 316 são as mais usadas para a construção de telas com diversos tipos de MESH.

• O termo MESH refere-se ao No de aberturas na tela por polegada linear.

• As telas de aço Inox apresentam as seguintes características:

– Possibilidade de uso de fios finos (30-45 μm)

– Excelente estabilidade dimensional– Excelente resistência à abrasão– Possibilidade de montagem em alta

tensão– Excelente resistência Tensional– Excelente resistência Química– Custo Moderado

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ESCOLHA DE TELAS SERIGRÁFICAS• Pode-se escolher o

MESH da tela de aço inox usando diversos criterios. O mais usado é MESH 325 que permite uma abertura de 41,28 %.

• Deve-se ajustar a tensão da tela de acordo com a moldura e o MESH adotados, como mostrado na tabela.

Deflexão em Mils8” x 10”

Deflexão em Mils 5” x 5”

Abertura MESH (μm)

φ (μm)MESH

50407135235

453510045185

55455130325

48388640200

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ESPESSURA DO DEPÓSITO VS.MESH

• De acordo com o MESH da tela utilizada serápossível obter espessura final dos depósitos entre 10 e 30 μm com aberturas de 30 a 45%.

• Existem diversas tramas e sistemas calandrados que podem otimizar a abertura com o mesmo MESH

Mesh Count

Wire Diameter

Mesh Opening

Percent Open Area

Mesh Thickness

Wet Print Thickness*

80 .0020 .0105 70 .0042 .0030 105 .0030 .0065 47 .0064 .0030 165 .0020 .0041 45 .0042 .0019

200 .0016 .0034 46 .0034 .0016 230 .0014 .0029 46 .0030 .0014 250 .0016 .0024 36 .0034 .0013

270 .0014 .0023 38 .0030 .0014 280 .0012 .0024 44 .0026 .0012 290 .0008 .0027 60 .0018 .0011

325 .0006 .0024 59 .0014 .0008 325 .0009 .0022 50 .0020 .0010

325 .0009 Calendered .0021 47 .0014 .0007

325 .0011 .0020 41 .0024 .0010

325 .0011 Calendered .0019 39 .0019 .0008

400 .0007 .0018 52 .0016 .0008

400 .0010 .0015 38 .0022 .0008 Medidas em Polegadas

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EMULSÃO NA SERIGRAFIA•Tipos de Emulsão

– Os dois tipos básicos de emulsão são: Diazo e Foto-polímeros. – Geralmente, a emulsão com Foto-polímeros fornece a melhor combinação

de resolução, resistência a solventes e acabamento superficial.– A emulsão tipo Diazo fornece características muito boas quanto a

resistência a solventes e a abrasão, mas são difíceis na transferência de imagem e sua durabilidade é limitada já que apresentam uma tendência a micro-quebras.

– Existem emulsões que são combinação destas duas químicas, sendo conhecidas como emulsões de cura dupla.

•Espessura da Emulsão– A emulsão é aplicada no lado do substrato da tela serigráfica. A espessura

da emulsão aumenta a espessura do depósito úmido, por causa do aumento de volume de pasta depositada através da abertura. Para determinar a espessura da emulsão deve-se obter a espessura do deposito úmido para o processo especifico, calcula-se primeiro o valor teórico de espessura úmida produzido pela tela usada e depois calcula-se o valor real de espessura de emulsão, utilizando as seguintes formulas:

• Espessura úmida teórica de impressão = Espessura da tela x Percentual de área aberta

• Espessura de Emulsão = Espessura úmida de impressão desejada -Espessura úmida teórica de impressão

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AJUSTE DE ESPESSURA COM EMULSÃO

• Assim é possível usar a emulsão para modificar a espessura do deposito de filme espesso úmido.

• A espessura com excesso de emulsão é:

– T = Tw + b

•Ângulo da Tela • A trama da tela de aço Inox é

composta de fios ortogonais. • Para melhorar a definição da

impressão e aumentar a vida da tela costuma-se modificar a orientação da trama em relação à moldura.

• Assim utilizam-se ângulos de 22o ou 45o regularmente.

Tw

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PROCESSO DE DEPOSIÇÃO• A deposição de um filme espesso se aproveita da variação da

viscosidade da pasta, que apresenta característica tixotrópicaquando aplicado cizalhamento, nos diferentes estágios do processo de impressão:

–Ajuste da viscosidade inicial da pasta;–Aplicação pelo Rodo “Squeegee” de tensão de cizalhamento na

pasta;–Passagem da pasta pela Tela;–Nivelamento da Pasta no substrato.

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PROCESSO DE DEPOSIÇÃO POR SERIGRAFIA

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TERMOS USADOS EM SERIGRAFIA•Termos usados em Serigrafia

– Snap-Off•Distância entre a tela e a superfície do substrato

– Attack Angle•Ângulo entre o rodo e a superfície do substrato, varia de 30 – 60o

– Durometer•Dureza do Rodo

– Peel•Saída do rodo da tela após a serigrafia

– Emulsion•Emulsão foto sensível

– MESH Count•No de Fios por Polegada linear

– Screen Tension•Tensão na Tela

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FATORES QUE AFETAM A ESPESSURA DOS FILMES

• MESH Count• Attack Angle• Durometer• Coplanaridade da Tela• Pressão do Rodo (“Squeegee”)• Velocidade do Rodo• Espessura de Emulsão• SNAP-OFF• % de sólidos na pasta

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IMPACTO NO “YIELD” DEVIDO A PROBLEMAS DE IMPRESSÃO

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PARÂMETROS QUE VARIAM A ESPESSURA DO DEPÓSITO

•Dentre os fatores que afetam a espessura do deposito de filme espesso estão:

– A dureza do rodo, associada ao ângulo de ataque durante a serigrafia

–A coplanaridade da tela com o substrato garante a deposição de filmes com espessura uniforme

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PARÂMETROS QUE VARIAM A ESPESSURA DO DEPOSITO

•Outros fatores que afetam a espessura do deposito de filme espesso são:

–Velocidade do rodo “Squeegee” em (mm/s) onde a maior velocidade mais espesso o filme

–A espessura pode variar de acordo com a largura do deposito, verifica-se uma tendência a estabilizar para largura maiores

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SUBSTRATOS DE ALUMINA PARA FILME

ESPESSO

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QUALIFICAÇÃO DE SUBSTRATOS•Medição de propriedade físicas Vs. as tolerâncias especificadas

•Comparação das propriedades funcionais com um lote padrão

•Procedimento de Qualificação•Testes Físicos:

– Tolerância dimensional• Largura• Comprimento• Espessura• Camber

– Rugosidade Superficial– Morfologia superficial (inspeção visual)

•Testes Funcionais:– Adesão de condutores– Soldabilidade de condutores– Verificação de valores de resistências e TCR

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IMPERFEIÇÕES EM

SUBSTRATOS PARA FILME

ESPESSO

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SINTERIZAÇÃO PARA FILME ESPESSO

• O processo de Sinterização de um depósito de filme espesso requer um perfil de temperatura com patamares e rampas adequados para permitir a realização dos principais eventos térmicos necessários:

– Evaporação da fase volátil– Queima da fase não volátil– Fluxo da fase de ligante– Sinterização e recozimento

completa

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FORNO DE ESTEIRA •Num forno de esteira realiza-se a sinterização dos depósitos de filme espesso.

•É importante ter uma adequada ventilação e exaustão durante a fase de evaporação, assim a quantidade de ar necessária para a queima do material orgânico pode ser calculada por:

• V = PLAWS –Com: –V =Volume de fluxo de ar–P = Razão entre área impressa e área total do substrato

–L = Razão entre área do substrato e a área da esteira

–A = Quantidade de ar por unidade de área para uma dada pasta

–W = Largura da esteira–S = Velocidade da esteira

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ESTRUTURA DOS FILMES ESPESSOS

• As composições de Filme Espesso são constituídas por três componentes principais, portanto trata-se de um material compósito:

–Veículo ( ajusta viscosidade, aparência e define as características de impressão)

–Fase Funcional (Define o tipo de filme: Condutor, resistivo ou dielétrico)

– Fase de Ligante (Fornece o corpo do filme , conferindo rigidez eencapsulamento)

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COMPOSIÇÃO PARA FILME ESPESSO

• Teste para definir características das composições de filme espesso:

– Físicos • % de Sólidos• Viscosidade• Dispersão

– Funcionais• Propriedades de impressão• Características geométricas• Adesão• Soldabilidade para condutores• Resistividade e TCR para

Resistores• Capacitância /unidade de

área para Dielétricos

Pós Vítreos

(Fase Ligante)

Pós Metálicos

(Fase Funcional)

Veículo

Composição de

Filme Espesso

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COMPONENTES DE PASTAS DE FILME ESPESSO

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RESISTÊNCIA DE FOLHA COMO FUNÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE DIVERSAS FASES CONDUTIVAS

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PROBLEMAS NOS RESISTORES DE FILME ESPESSO

• Efeitos de Espessura–Modificam a resistência–O comprimento do resistor

modifica a resistência

• Efeitos de Difusão–Existe interdifusão

(substrato –resistor) que afeta a resistividade

• Efeitos de Terminação–Existe formação de fases na

interfase (resistor-condutor)

• TCR–Existem dois TCR nos

resistores de filme espesso:• HOT TCR• COLD TCR

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What to Consider When Selecting a Resistor Paste– What is the right sheet resistance for the available space?– Do I have to blend adjacent decade values to an intermediate resistance value?– What are the following property requirements?– Temperature coefficient of resistance (TCR)– Voltage coefficient of resistance (VCR)– Working voltage and peak voltage– Trim stability and trim accuracy– Long term thermal stability– Long term stability in harsh environment such as moisture, vibration, chemical

attack etc.– Current noise– With which conductor and substrate material has the resistor to be compatible?– Which power has to be dissipated?– Can electrostatic discharge be a problem?– What metallurgy will be used for the conductor termination?– What type of substrate will the resistor be used on?– What are the size of the resistors to be printed?– Will the resistors be printed to value or trimmed to value?– What is the fired value tolerance?– What is the required peak firing temperature?

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ELEMENTOS CONDUTORES EM FILMES ESPESSOS

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DIELÉTRICOS EM FILME ESPESSO• Existem vários tipos de dielétricos usados:

–Multicamada• Isola grandes áreas de condutores

– “Crossover”• Isola pequenas áreas de condutores

–Capacitor• Armazena energia elétrica

–Encapsulante• Fornece proteção ambiental ao circuito

• Componentes dos materiais dielétricos–Pós de Vidro

• Promovem adesão, produzem filmes densos e coesos, fornecem encapsulamento e afetam as características físicas e elétricas

–Pós refratários• Fornecem estrutura ao filme em altas Temperaturas e afetam as

características físicas e elétricas–Veículos

• Conferem as propriedades de impressão, produzem taxas adequadas de secamento

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LASER TRIMMING

• Laser Trimming é um processo importante para a tecnologia de filme espesso já que este permite que componentes como resistores e capacitores sejam processados para obter valores adequados e portanto aumentar o Yield do processo.

• Existe uma dispersão inerente ao processo devido à grande quantidade de parâmetros envolvidos, portanto no projeto dos componentes estes aspectos devem ser levados em conta

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EQUIPAMENTO PARA LASER TRIMMING

•O equipamento de Laser Trimming consta de :–Circuito de Laser Ressonante–Circuito Ótico de chaveamento–Sistema Opto-mecânico de deflexão de feixe–Sistema de medição e controle eletrônico

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CARACTERÍSTICAS DE AJUSTE PARA CORTE TIPO P

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LASER TRIMMING TIPOS DE CORTE

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Tipos de Ajuste em Laser Trimming

• Os principais tipos de ajuste em Laser Trimmingsão:

• Ajuste Paramétrico:–Neste caso deseja-se

ajustar somente o valor específico do componente (Resistência Capacitância, etc)

• Ajuste Funcional–Neste caso deseja-se

ajustar um valor característico do circuito como um todo ( Ganho, offset, Frequência de corte, Frequência central, etc).

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SIMULAÇÃO DO CORTE DE LASER

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MARCAS PARA CORTE DE SUBSTRATOS COM LASER

• Laser de CO2 é utilizado para definir nas cerâmicas:

–Linhas de corte “Scribe Lines”

–Chanfros–Furos de Localização–Fiduciais– Fendas de acesso

• Normalmente são utilizados substratos em tamanhos maiores e realizadas linhas de corte para depois realizar a singulação do dispositivo.

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ENCAPSULAMENTOS HÍBRIDOS•São encapsulamentos usados por circuitos híbridos de filmes finos e espessos e módulos MCM multi-chip montados emsustratos cerâmicos ou metálicos e suas aplicações são:

–Circuitos de potência, A/D, D/A, digitais,optoeletrônicos, microondas, microsistemas.

•As formas de encapsulamento são muito variadas, algumas de elas são:

–“Flat-Pack”, “Plug-In”,LCC “Leadless ChipCarrier”, de Cavidade para potência.

•As funções destes encapsulamentos são similares às dos encapsulamentos convencionais:

–Fornecer suporte mecânico, Realizar interconexão elétrica, Realizar escoamento térmico, Fornecer proteção ambiental

•Os encapsulamentos híbridos são projetos também para funções especificas como:

–Fazer interconexões com fibras óticas, Fornecer contatos coaxiais, Permitir dissipação de alta potência, Realizar dispositivos herméticos