Aktivity v oblasti mikroelektronických technologií na českých a slovenských technických univerzitách

Součástí 4. ročníku IMAPS flash konference pořádané ve dnech 25. a 26. 11. 2018 na Vysokém učení technickém v Brně byl workshop na téma „Výzkumné a vývojové aktivity v oblasti mikroelektronických technologií na českých a slovenských technických univerzitách“. V souladu s posláním společnosti IMAPS bylo cílem přiblížit technické veřejnosti výzkumné a vývojové kapacity v oblasti mikroelektronických technologií, včetně moderních metod pouzdření. Představily se čtyři nejvyspělejší ústavy respektive katedry z České a Slovenské republiky, jejichž možnosti a některé již dosažené a realizované projekty mohou posloužit jako námět pro navázání další spolupráce s průmyslem.

Katedra elektrotechnologie z Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze

Tato katedra se zabývá pájením a problematikou povrchové montáže. Katedra úzce spolupracuje s Laboratoří pro vývoj a realizaci (LVR), která se mimo jiné zabývá osazováním desek plošných spojů a rentgenovou diagnostikou včetně CT. Níže je přehled některých možností, které katedra má a nabízí:

• metoda smáčecích vah (meniskograf): měření pájitelnosti a povrchového napětí,
• pájení pomocí ultrazvuku: pájení na běžných a „exotických“ substrátech, jako je skleněná keramika, křemík atd.,
• pájecí pece: pájení v parách, pájení IR zářením, pájení horkým vzduchem,
• měření teplotního profilu (profilometr KIC Explorer),
• opravárenská stanice s přesným systémem osazení součástky,
• depozice materiálů (šablonový tisk, sítotisk, napařování, naprašování, laserová ablace),
• příprava výbrusů − příprava vzorků pro následnou diagnostiku na mikroskopu,
• mikroskopie: optická mikroskopie, skenovací elektronový mikroskop − SEM (Phenom ProX s energeticky disperzní rentgenovou analýzou (EDX) pro analýzu materiálů), AFM – mikroskopie atomárních sil (Veeco di Innova),
• penetrační zkoušky – sledování vniku penetrantu do mikrotrhlin, vnitřku pouzder apod.,
• zrychlené zkoušky životnosti: zvýšená teplota, vlhkost, zkouška šokem (tepelný šok), mechanické napětí (statické/ dynamické), vibrační zkoušky, kombinace,
• termomechanická analýza (TMA Q400, TA přístroje) − měření dilatací, koeficientu tepelné roztažnosti, pozorování residuálního napětí, měření teploty tání/tuhnutí pájecích slitin a teploty skelného přechodu apod.,
• simultánní TGA / DTA (Seteram) − termogravimetrie / diferenciální termální analýza: teploty fázového přechodu, teploty tání tuhnutí pájecích slitin, sledování latentního tepla, sledování množství absorbované vlhkosti apod.,
• rentgenová diagnostika s počítačovou tomografií (Phoenix, Nanomex) − nedestruktivní diagnostika problematických vzorků spolu s dutinami, prasklinami apod.,
• měření běžných elektrických parametrů včetně speciálních měření: šum, nelinearita apod.

Obr. 1 Řez součástkou v místě migrace společně se snímkem z elektronového mikroskopu

Jako příklad výzkumu lze uvést diagnostiku migrace stříbra uvnitř pouzdra součástky. Na obr. 1 je fotografie řezu součástkou v místě migrace společně se snímkem z elektronového mikroskopu. Ukázka následné materiálové analýzy je uvedena na obr. 2, kde je v mezeře mezi zapouzdřenou součástkou (kondenzátorem) a pouzdřicím plastem potvrzena přítomnost stříbra. Problém migrace nastává díky špatné hermetičnosti pouzdra, což v tomto případě bylo potvrzeno penetrační zkouškou na součástkách přímo od výrobce. Snímky rozlomeného pouzdra (po aplikaci penetrantu) z optického mikroskopu za přítomnosti UV záření (z důvodu zvýraznění penetrantu) jsou uvedené na obr. 2 (uprostřed a vlevo). Na obrazcích jsou jasně patrná rezidua penetrantu, jež vnikla dovnitř pouzdra.

Obr. 2 Materiálová analýza (EDX) oblasti mezi součástkou a pouzdřicím plastem s potvrzenou migrací stříbra (vlevo).
Snímky z optického mikroskopu po penetrační zkoušce s potvrzením vniku penetrantu do pouzdra součástky
(uprostřed a vpravo)

Kontakt: doc. Ing. Karel Dušek, Ph.D. (dusekk1@fel.cvut.cz)

Katedra technologie a měření z FEL Západočeské univerzity v Plzni

Výzkumné a vývojové činnosti na katedře technologií a měření jsou zaměřeny na oblasti materiálového výzkumu a diagnostiky ve čtyřech hlavních oblastech: chytré (smart) textilie, flexibilní a tištěná elektronika, senzory a IoT technologie a chytrá města. Mezi realizované výstupy můžeme zařadit například chytrý zásahový oblek pro hasiče, chytré prostěradlo pro monitorování pacientů nebo funkční triko pro monitorování tepové frekvence či EKG. Výzkum v oblasti flexibilní a tištěné elektroniky je zaměřen na pasivní a aktivní elektronické součástky, antény, senzory a hybridní systémy, které kombinují tištěné a standardní elektronické součástky. Výsledky výzkumu a vývoje jsou využívány v mikroelektronice, ale také v oblasti výkonové elektroniky. Výzkum v oblasti senzorů je zaměřen především na senzory par a plynů. Tyto senzory jsou založeny na organických senzitivních vrstvách nebo modifikovaných uhlíkových nanotrubkách. Výzkumná činnost zahrnuje rovněž speciální senzory a systémy pro sledování vytvrzovacích procesů v kompozitních materiálech, senzory pro detekci a analýzu částečných výbojů a senzory pro detekci těžkých kovů ve vodě. Činnosti v oblasti IoT technologií a chytrých měst zahrnují implementaci vhodných komunikačních technologií a senzorů s nízkou spotřebou energie, zpracování, vyhodnocení a vizualizaci získaných dat.

Oblast diagnostiky se zaměřuje na výzkum ve čtyřech hlavních oblastech, kterými jsou technologie elektroniky, elektrotechnologická diagnostika a měření, procesní řízení a akustika. Jednou z oblastí diagnostiky je testování materiálů, které se používají při konstrukci elektronických zařízení. Do této oblasti lze zahrnout měření elektrických a mechanických parametrů a strukturální analýzy. Na základě strukturálních analýz DSC, TMA, TGA a FT-IR lze diagnostikovat chování pevných a kapalných látek. Je možné měřit teploty přechodů (tání, skelný přechod, krystalizace), entalpii tání, entalpii síťování a vytvrzování, koeficient teplotní roztažnosti nebo mechanické vlastnosti (moduly v tahu a smyku). Pro účel zobrazení povrchů objektů ve vysokém rozlišení pracoviště disponuje laboratoří mikroskopie, která je vybavena metalografickým a fluorescenčním mikroskopem, laserovým konfokálním mikroskopem Olympus LEXT OLS5000, mikroskopem AFM Bruker Nanos a skenovacím elektronovým mikroskopem (SEM) Phenom. Laboratoř rovněž zajišťuje kompletní přípravu metalografických výbrusů. Pracoviště je rovněž vybaveno mikroohniskovým rentgenovým inspekčním systémem pro 3D výpočtovou tomografii (CT) včetně standardní 2D inspekce. Na obr. 3, 4 a 5 jsou uvedeny příklady některých zobrazení.

Obr. 3 Příklad 3D snímku

Obr. 4 Příklad rentgenové analýzy

Obr. 5 Příklad počítačové tomografie

Kontakt: doc. Ing. Tomáš Blecha, Ph.D. (tblesi@ket.zcu.cz) a doc. Ing. František Steiner, Ph.D.

Ústav Mikroelektroniky z FEKT Vysokého učení technického v Brně

Ústav mikroelektroniky je orientován na základní i aplikovaný výzkum v oblasti integrovaných obvodů, senzorů a mikroelektronických technologií. Hlavní oblasti výzkumu lze shrnout do následujících bodů:

• výzkum spolehlivosti bezolovnatých pájek,
• pokrokové metody propojování a pouzdření polovodičových čipů,
• simulace elektronických sestav a pouzder v programu ANSYS,
• nekonvenční aplikace tlustých vrstev (snímací převodníky, atenuátory, stínění, antény atd.),
• nové metody nevakuových depozic tixotropních materiálů pro realizaci 3D obvodů,
• pokročilé technologie pro součástky, povrchy a senzory,
• vytváření nanostruktur (nanotečky, nanotrubky, nanosloupky) za využití vyvinutých nanotechnik,
• simulace a vyhodnocování spolehlivosti propojovacích systémů 3D,
• metody návrhu obvodů v napěťovém, proudovém a smíšeném módu,
• návrh obvodů se spínanými kapacitory a spínanými proudy,
• základní výzkum memristivních, memkapacitních a meminduktivních systémů,
• návrhy struktur MEMS a simulace pomocí COMSOL a ANSYS,
• metody vyhodnocování signálů ze senzorů, včetně jejich integrace na ASIC.

Obr. 6 Příklad vyvinutého interposeru pro připojení polovodičových čipů

V oblasti mikroelektronických technologií a pouzdření jsou řešeny praktické aplikace, jako je problematika depozice viskózních materiálů ve velmi vysokém rozlišení, kde byl získán evropský patent EP2746235. Významným tematickým okruhem je příprava a sintrace keramických materiálů s cílem realizace vlastního keramického pouzdra pro pouzdření SIP a SOP. V oblasti pájení je řešena problematika zaměřená na montáž a opravy BGA pouzder, včetně vlivu koncentrace zbytkového kyslíku v atmosféře v době přetavení slitiny. Výzkum je veden také v oblasti optimalizace nových metod pro znovuvytvoření kulových pájkových vývodů u elektronických pouzder BGA, tzv. reballing. Současně s tímto je řešen také nový způsob vytváření prokovů na dvouvrstvých deskách plošných spojů s využitím ultrazvukové energie a vakua. Velmi zajímavou a netradiční oblastí je sestrojení jednoduchého elektronického nosu, který je využíván pro oblast jedlého hmyzu a identifikace a autentifikace potravin.

Obr. 7 Technologické zázemí ústavu pro oblast mikroa nanotechnologií

Významná je činnost skupiny Lab- SensNano (Laboratoř mikrosenzorů a nanotechnologií), která je rovněž součástí Středoevropského technologického institutu CEITEC. Skupina se zabývá výzkumem a vývojem fyzikálních a chemických senzorů a biosenzorů pro medicínské, environmentální a speciální aplikace, přičemž využívá mikro- a nanotechnologií. Na základě patentovaných způsobů byla například navržena IR kamera s novými vlastnostmi při snímání v širším spektru než běžné termovizní kamery. Pokračuje vývoj technologie „Lab on a chip“ pro ultrarychlé analýzy při rozměrech mobilního zařízení a technologii vytváření 3D sensitivních senzorů plynů z nanostruktur.

Na ústavu je řešen také návrh zákaznických integrovaných obvodů zaměřený na vývoj nových inteligentních submikronových struktur a systémů pro moderní mikrosenzory a nízkopříkonové nízkonapěťové aplikace. Byl navržen a patentován integrovaný obvod základního vyhodnocovacího obvodu stavebního bloku řádkového vyhodnocovacího systému pro měření změny teploty odporu bolometrického senzoru pracujícího jako nepřetékající integrátor založený na principu ΔΣ modulace.

Ve spolupráci s externími firmami je výzkum zaměřen na dílčí úkoly pro nové generace meteodružic, které by měly poskytnout kvalitnější data o vývoji počasí. Tyto projekty jsou řešeny v rámci Evropské vesmírné agentury ESA. Jde především o návrh menších zařízení, která však mohou významně ovlivnit některé důležité funkce vesmírných družic, jako je projekt METOP SG 3MI, kde je vyvíjena kompletní elektronika od výkonové části až po zpracování signálů a automatizaci motorové části.

Kontakt: doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D (haze@feec.vutbr.cz)

Katedra technologií v elektronice z FEI Technické univerzity v Košicích

Technologické laboratóriá na Katedre technológií v elektronike (KTE) už vyše 20 rokov slúžia na výskum a vzdelávanie. KTE reprezentuje jednu z oblastí výskumu Fakulty elektrotechniky a informatiky na Technickej univerzite v Košiciach, ktorá je aktívna najmä v oblasti puzdrenia v elektronike. Na katedre je riešených celkovo 5 oblastí výskumu:

• Substrátové technológie na báze hrubovrstvovej technológie majú výborné predpoklady pre splnenie týchto požiadaviek. Hrubovrstvové a LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) technológie využívané na KTE ponúkajú široké spektrum využitia v oblasti puzdrenia obvodov. Hrubovrstvové technológie umožňujú jednoduchú výrobu viacvrstvových obvodov, ktoré je v procese výroby možné tvarovať pre dosiahnutie požadovaného tvaru. Elektronické súčiastky sú osadzované pomocou klasických osadzovacích postupov. Typickými aplikáciami modulov na báze hrubých vrstiev sú elektronické zariadenia pre vysoké frekvencie alebo extréme prevádzkové podmienky. LTCC technológia je veľmi perspektívna a neustále sa vyvíjajúca substrátová technológia, ktorá sa na KTE využíva pri tvorbe senzorov, v poslednom období tiež obvodov pre bezdrôtovú technológiu, vo výkonovej elektronike, ako aj iných odvetviach. Tieto materiály sú navrhnuté tak, aby vydržali najťažšie prevádzkové podmienky (vysoká teplota, vlhkosť, vibrácie…) a umožňujú malé viacvrstvové štruktúry (vysoká hustota prepojení) a väčšiu spoľahlivosť elektronických obvodov (stabilné mechanické, elektrické a tepelné vlastnosti). Obzvlášť zaujímavá je možnosť výroby modulov pre oblasť veľmi vysokých frekvencií (100 GHz). Niektoré príklady aplikácie LTCC technológie pre tvorbu elektronických obvodov sú na obr. 8, 9 a 10.
• KTE sa zameriava na tvorbu prototypov a výrobu DPS s vnorenými rezistormi. LPKF ProtoMat S63 je ideálny pre výrobu prototypov DPS pre rôzne aplikácie od digitálnych až po RF aplikácie. Presnosť a výkon tohto frézovacieho zariadenia sú základom pre výrobu prototypov DPS v priebehu jedného dňa. Pre návrh DPS sa na KTE používa návrhové prostredie Altium Designer.
• Ohmega Ply rezistory ponúkajú novú konštrukciu obvodu, určenú pre náročné aplikácie s vysokou hustotou integrácie. Ohmega Ply predstavuje vysoko objemovú, cenovo výhodnú alternatívu k diskrétnym SMD súčiastkam vďaka možnosti vnorenia rezistorov.
• KTE sa tiež zameriava na vývoj v oblasti flexibilnej elektroniky s dôrazom na InkJet printing technológiu. InkJet printing technológia sa využíva pri tvorbe prototypov pre senzory, pre vysokofrekvenčné aplikácie atď.
• Technológie osadzovania a puzdrenia v elektronike neustále otvára nové možnosti a špeciálne riešenia pre kontaktovanie, spájkovanie alebo vytváranie vodivých lepených spojov na pevných alebo flexibilných substrátoch. Aj tejto oblasti výskumu sa KTE venuje už niekoľko rokov. V oblasti spájkovania sa KTE venuje problematike reflow spájkovania s hlavným dôrazom najmä na oblasť pretavovania v parách nasýtenej kvapaliny VPS.

Obr. 8 Viacvrstvová štruktúra pre výkonovú elektroniku s vnorenými chladiacimi kanálikmi

Obr. 9 Piezorezistívny lakový senzor pre medicínske aplikácie

Obr. 10 I-Q demodulátor s vnoreným pasívnym filtrom pre mikrovlnové aplikácie

Dve poloautomatické kontaktovacie zariadenia od Kulicke & Soffa umožňujú vytvárať a riešiť problémy rôznych typov kontaktovaných spojov (wedge, ball alebo ribbon kontaktovanie).

Pomocou pull/shear testeru DAGE 4000 KTE vykonáva pevnostné testy kvality pre hybridné/MCM štruktúry, mikrovlnové zariadenia, senzory a iné.

3D integrácia slúži na vývoj multifunkčných mikrosystémov pre telekomunikácie a podobné systémy a vedie k rastúcemu záujmu o realizovateľnosť technologických postupov, obzvlášť ak je potrebné integrovať rôzne funkcionality (elektrická alebo elektromagnetická, mechanická, chemická a fyzická) do jedného systému. Cieľom tohto výskumu je vyvinúť základné technológie, podrobný opis metód a meracie protokoly pre mikro a nano systémy pracujúce v oblasti mikrovĺn a veľmi vysokých frekvencií (100 GHz). KTE sa taktiež zameriava aj na merania v oblasti týchto frekvencií.

Senzory tvoria ďalšiu časť výskumu. Vyvinuté mikropásikové dolnopriepustné (LP) a pásmopriepustné (BP) filtre dosahujú lepšiu prenosovú charakteristiku v porovnaní s komerčne dostupnými LTCC SMD LP a BP filtrami. Inými príkladmi senzorov sú: senzor priblíženia, rôzne indukčné a kapacitné senzory, plug-in modul pre získavanie údajov zo systému MEMS IMU modulov pre snímanie chôdze a iné.

Charakteristika materiálov a diagnostika zahŕňa analýzu mikroštruktúr materiálov používaných v elektronike, ako aj v iných oblastiach, je súčasťou tejto oblasti výskumu. Táto analýza sa na KTE vykonáva pomocou svetelného mikroskopu a sprostredkovane tiež pomocou rastrovacieho mikroskopu, rtg a neutrónovej difrakcie. Využíva sa spracovanie obrazu alebo signálu realizované pomocou waveletovej transformácie pre vyhodnocovanie kvality nanesených vodivých vrstiev na rôzne substráty a taktiež na vyhodnocovanie rtg obrazov elektronických zariadení.

KTE vykonáva teplotné simulácie elektronických zariadení pomocou softvérových nástrojov od spoločností Mentor a Siemens Business (predtým Mentor Graphics).

Kontakt: prof. Ing. Alena Pietriková, CSc. (alena.pietrikova@tuke.sk)

szend@.umel.feec.vutbr.cz
www.imaps.cz