Inovace v tlustovrstvé technologii: výzva pro nekonvenční aplikace

Technologii tlustých vrstev (TLV) není třeba podrobně představovat, neboť se dnes používá v celé řadě nejrůznějších sektorů elektroniky, jako jsou například mikrovlnné, výkonové a především také nekonvenční aplikace, kde se to týká především celé široké oblasti senzoriky.

Proto si zde jen připomeneme, že u tlustovrstvé technologie se jedná převážně o aditivní způsob vytváření pasivních sítí na anorganických i organických substrátech nevakuovými depozičními technologickými postupy, z nichž nejrozšířenější je sítotisk. Mezi významné vlastnosti tlustých vrstev patří vysoká teplotní odolnost, která je předurčuje kromě jiného pro širokou oblast výkonových aplikací, samozřejmě při zachování požadované spolehlivosti a životnosti. A právě tato oblast je díky rostoucí hustotě komponent stále aktuálnější, což velmi úzce souvisí se zajištěním odvodu tepla a následně také s pouzdřením. Zde hrají typ substrátu a pasivní propojovací síť podstatnou roli, k čemuž lze využívat různé materiály. Proto pouzdření dnes nabývá stále výrazněji heterogenní charakter. Tlustovrstvá technologie se stává jeho nedílnou součástí, neboť nabízí celou řadu možností v oblastech vyžadujících odvod tepla. A to jak díky novým typům materiálů, tak díky inovaci technologických postupů, založených často na originálním konstrukčním řešení. Dále jsou uvedeny některé aplikační směry, které přímo nabízí inovativní řešení s využitím tlustých vrstev.

Jednou z aktuálních oblastí, v níž je nutné řešit odvod tepla, je osvětlovací technika. Použití světelných zdrojů, včetně automobilové techniky, se přesouvá do oblasti LED, u nichž velikost emitovaného světelného toku závisí na velikosti proudu. Na základě proudového zatížení lze nahlížet na LED z pohledu tří kategorií, miniaturní (proudové zatížení do 20 mA), středně výkonné (proudové zatížení do 100 mA) a vysoce výkonné (proudové zatížení řádově několik ampér i více). Právě u této poslední kategorie dochází ke vzniku velkého množství tepla a s tím související nutnosti chlazení. Vezmeme-li v úvahu ještě skutečnost, že v řadě aplikací se využívají LED diody ve formě čipů, pak problém chlazení je nutné řešit v souvislosti s konstrukcí celého osvětlovacího systému tak, aby byl odvod tepla co nejefektivnější a nedocházelo tak ke snižování svítivosti a životnosti. Maximální povolené teploty udávané výrobcem pro LED jsou v rozsahu 90 až 120 °C, což řešení odvodu tepla bezesporu vyžaduje.

Účinnost LED diod je okolo 15 % a zbylých 85 % přiváděného příkonu se mění na teplo. Se vzrůstající teplotou čipu potom klesá nejen účinnost, ale i životnost. Čip LED diody je proto nutné chladit tak, aby jeho teplota byla pod hranicí maximální povolené teploty. Všeobecně platí, že pro účinný a bezpečný provoz by pracovní teplota neměla překračovat hodnotu 80 °C. Pro řešení chlazení z pohledu využití tlustovrstvé technologie se nabízí dvě možnosti technologického řešení, a to buď tlustá vrstva nanesená na kovovém substrátu s izolační vrstvou, nebo tlustá vrstva aplikovaná přímo na hliníkovém substrátu. To platí obecně pro řadu výkonových aplikací.

Technologie tlusté vrstvy nanesené na kovovém substrátu s izolační dielektrickou vrstvou IMS (Insulated Metal Substrate) je tvořena kovovým (např. Al) substrátem o tloušťce 0,5–3 mm, na kterém je nanesena izolační vrstva z vysokoteplotní směsi epoxidové pryskyřice a anorganického plniva. Tloušťka izolační vrstvy je 100 až 125 μm, tepelná vodivost podle typu od 2 do 8 W.m-1.K-1 a elektrická pevnost >2 kV. Vodivá síť je vytvořena Cu vodiči o tloušťce 35, 70 nebo 105 μm.

 Obr. 1 Schematické znázornění tlustovrstvé struktury IMS

Předností tlustovrstvé technologie je vysoká variabilita, včetně poměrně širokých možností dodatečných změn a úprav dle nově vzniklých požadavků. Návrhová pravidla pro IMS technologii nejsou nikterak složitá a jsou uvedena například v [1], kde je také patrná nenáročnost této technologie při návrhu.

Druhou možností realizace výkonových obvodů je technologie tlusté vrstvy THIFAL (Thick Film on Alumina), u níž je tlustá vrstva aplikovaná na Al chladiči, který tvoří přímo nosný substrát (obr. 2). Stěžejním materiálem je izolační vrstva nitridu hlinitého nanesená aerosolovou depoziční technikou přímo na hliníkový chladič. I v tomto případě jsou zachovány hlavní přednosti tlustovrstvé technologie, kterými jsou nízká cena, dobré mechanické vlastnosti a opracovatelnost a samozřejmě také vysoká tepelná vodivost. Hlavním znakem je aplikace tlustých vrstev přímo na hliníkový chladič, bez nutnosti použít jako nosný substrát organickou DPS nebo anorganický korund. To vytváří předpoklady pro snížení tepelného odporu, což zajišťuje lepší odvod tepla a také jednodušší konstrukční řešení (včetně snížení nákladů). Firma Aurel udává pro 10 cm dlouhý vodič šířky 1 mm, při zachování maximálního rozměru chladiče (300 × 180 × 40 mm), hodnotu tepelného odporu 0,44 °C.W-1, což je oproti čistému hliníku jen nepatrné zvýšení (0,310 °C.W-1). Oba popsané způsoby vytváření tlustovrstvých obvodů mohou být využity v široké oblasti osvětlovací techniky. Je to oblast vnitřního i venkovního osvětlení včetně pouličních, a v neposlední řadě také oblast světlometů v automobilovém průmyslu.

Obr. 2 Schematické znázornění tlustovrstvé struktury THIFAL

Obecně však lze hledat využití pro nejrůznější výkonové aplikace (obr. 3). A to díky vývoji nových tlustovrstvých past, které jsou kompatibilní z hlediska chemické stálosti a tepelné roztažnosti s AlN izolační vrstvou. Přitom vodivá složka, která je tvořena vhodnou konfigurací tradičních materiálů Ag, Pd, Pt, Au a Cu, se nikterak neliší od standardních tlustovrstvých materiálů. K dispozici jsou i odporové pasty a krycí izolační pasta, a to vše v souladu s požadavky aktuálních norem RoHS a WEEE.

Obr. 3 Pohled na výkonový tlustovrstvý modul realizovaný technologií IMS