Hybride technologie

Dikke-film techniek (Hybride techniek)

 

Onder dikke film techniek verstaat men het vervaardigen van elektronische schakelingen waarbij door middel van zeefdruktechniek geleider-, weerstand- en isolatiematerialen in pastavorm op een substraat (drager) worden aangebracht. De materialen worden in een "fire"-oven gesinterd tot 1 geheel, daarom wordt deze techniek ook wel hybridetechniek genoemd (hybride: het samenvoegen van verschillende materialen tot 1 geheel).

zeefdrukken-rakel.JPG
 

Het substraat

 

Het substraat ofwel de drager moet bestand zijn tegen de procestemperatuur bij welke de pasta's worden ingebrand, meestal is dit zo'n 850°C.Daarnaast is het van belang dat het substraat zo vlak mogelijk is zodat door het zeefdrukproces gelijkmatige laagdiktes te creëren zijn.De maximale substraatafmetingen waar BHC voornamelijk mee werkt is: 110 x155mm en diktes variëren van 0,25 tot 2,0 mm. Doorgaans worden voor elektronische schakelingen substraatdikten van 0,635mm of 1mm toegepast en voor verwarmingselementen 1mm . Dit voornamelijk vanwege het voldoen aan de laagspanningsrichtlijn en in verband met de mechanische sterkte.

 

Substraatmaterialen kunnen zijn:

Al2O3                                       Aluminiumoxide

BeO                                         Beriliumoxide

AlN                                          Aluminiumnitride

RVS420/430                            Dit wordt eerst van een aantal isolatielagen ~80mm voorzien

 

Met name aluminiumoxide heeft aangetoond een geschikt materiaal te zijn om te dienen als drager voor elektronische schakelingen.

De belangrijkste pluspunten van dit materiaal zijn:

-           grote isolatieweerstand, doorslagspanning 20KV/mm

-           goede warmtegeleiding voor een isolator (25W/m°K)

-           zeer goede chemische bestendigheid
-           Vocht opname 0%

-           lage di-elektrische verliezen

 

nadelen van Al2O3 zijn:

-           beperkte thermoshockbestendigheid

-           breekbaarheid

-           bewerkbaarheid

 

Wil men Al2O3 bewerken dan dient men al gebruik te maken van diamantgereedschappen of lasers. De geringe thermoshockbestendigheid vormt in principe alleen een nadeel bij het vervaardigen van verwarmingselementen. De thermoshockbestendigheid heeft te maken met thermische spanningen die in het materiaal optreden wanneer er temperatuurverschillen in het materiaal ontstaan. Een grof overzicht van de eigenschappen van een aantal technisch-keramische materialen staan weergegeven in onderstaande tabel.

keramiek-2.jpg


Pasta's

 

Dikke-film pasta's bestaan voornamelijk uit fijnkorrelige anorganische stoffen zoals metalen, metaaloxides en glas vermengd met organische bindmiddelen. De pasta's kunnen we onderverdelen naar functie, te weten:

-           geleiderpasta's

-           weerstandpasta's

-           isolerende pasta's

 

Door middel van zeefdrukken wordt de pasta in een bepaald patroon op het substraat aangebracht, vervolgens wordt het gedrukte substraat door een droogoven gestuurd en tenslotte gaat het in een sinteroven waarbij de pasta volgens een bepaald profiel van 30-45 minuten met een toptemperatuur van 850°C gedurende 10 minuten ingebakken wordt op het substraat. De hechting aan het substraat ontstaat voornamelijk door versmelting van glasdelen (fritten). Deze inerte verbinding zorgt voor een goede warmteoverdracht naar het substraat. Veelal bedraagt de ingebrande dikte van de pasta zo'n 10-14mm. De viscositeit van de pasta is een belangrijke factor.

  

Geleiderpasta's

 

Eisen die gesteld worden aan geleiderpasta's zijn:

-           goede hechting met het substraat

-           goede geleiding van de elektrische stroom

-           geschiktheid voor diverse montage methodes (solderen, bonden)

 

Door verschillende samenstellingen van de geleiderpasta's verkrijgen we ook verschillende eigenschappen. De eigenschappen van de meest gebruikte pasta's staan in onderstaande tabel.

 

R

Hechting

Soldeer-baarheid

Bondbaar-heid

Prijs

Opmerkingen

materiaal

mW/sq.

kg/mm2

j

 

 

 

Ag

1-10

0,7-0,9

j

- -

+

Ag-migratie

Ag/Pd

10-30

0,9-1,1

j

+ -

+ -

Standaard

Ag/Pt

3-20

0,9-1,1

j

+

-

 

Au

1-6

0,9-1,1

n

+ +

-

Bondpads, MIL, HF

Au/Pd

20-100

0,6-0,8

j

 + +

-

MIL

Au/Pt

20-100

0,7-0,9

j

+

- -

goed soldeerbaar

Cu

1-4

0,5-0,7

j

+ -

+ +

 

Soldeerbaarheid:          Uitgegaan van SAC305 en 62%Sn/32%Pb/2%Ag soldeer (179°C)
Bondbaarheid:              - - niet bondbaar, + + zeer goed bondbaar
Prijs:                              - - zeer duur, + + zeer goedkoop

Toevoeging van Pd aan Ag pasta's verhoogt de weerstandswaarde maar verbetert het migratie en "leaching" effect. Toevoeging van Pt heeft een positief effect op "thermal -cycle" gedrag. Goudpasta's worden veelal toegepast daar waar ook gebond moet worden (dus bij gebruik van naakte dies). Migratie komt in principe ook niet voor bij goudpasta's. Migratie is het uitreden van ionen uit het materiaal, omstandigheden waarbij dit optreedt zijn potentiaalverschil, vocht en temperatuur. "Leaching" is het diffunderen (oplossen) van zilver in Sn (bij solderen), hierdoor ontstaat er brosse intermetallische laag waardoor de hechting en de levensduur nadelig wordt beïnvloed.

 

Weerstandspasta's

 

De weerstandspasta's moeten aan de volgende eisen voldoen:

-           goede reproduceerbaarheid

-           goede stabiliteit

-           lage tcr (temperatuurscoëfficiënt), tenzij anders gewenst

 

De weerstandswaarde van de pasta's wordt opgegeven per vierkant bij een gespecificeerde dikte en is doorgaans leverbaar van 100mW/# tot 10MW/#. De weerstandswaarde van de geprinte weerstand wordt bepaald door de verhouding tussen de lengte en de breedte van de weerstand en de vierkantswaarde van de gebruikte pasta, In formulevorm: R= (l/b)x R/# [Ohm]. Weerstandspasta's kunnen eventueel ook met elkaar gemengd worden om een bepaalde vierkantswaarde te verkrijgen echter er moet wel onderzocht worden of deze pasta's met elkaar compatibel zijn.

 

Er zijn ook pasta's verkrijgbaar met een positieve of negatieve tcr, hetgeen wil zeggen dat de weerstandswaarde toe- of afneemt bij een temperatuursverhoging.

De ptc pasta is nagenoeg lineair, d.w.z. een constante weerstandsverandering per  °C. Het voordeel van een dergelijke sensor is dat er een innig contact is met het substraat (geen temperatuurovergangverliezen) en dat deze verdeeld kan worden over het substraat zodat we daadwerkelijk een gemiddelde temperatuur meten en niet op 1 punt zoals bij een themokoppel of een pt100. Hierdoor is het mogelijk om met een vrij eenvoudige aan/uit temperatuuregeling toch een constante temperatuur te verkrijgen (±0,1°C)

 

Isolerende pasta's

 

Isolatiepasta's vinden voornamelijk hun toepassing als:

-           glascovers (bescherming)

-           diëlectricum t.b.v.                  
-           cross-overs

-           multilayers

-           isolatielaag op geleidende substraten zoals RVS

-           vervaardigen van condensatoren

 

Glascovers worden veelal ingebrand bij zo'n 600°C, dit vanwege een verminderd effect van het "refiren" op de weerstanden. Deze glascovers zijn te vergelijken met een soldeermasker bij pcb's.

De glascover beschermt de weerstanden en geleiders tegen beschadigingen en tegen vervuiling.

daarnaast geeft het enigszins bescherming tegen Ag migratie en voorkomt het aantasting van de zilvergeleider door zwavel in de lucht. Zeker wanneer er hogere temperaturen ontstaan waardoor vuil kan inbranden verdient het aanbeveling om een glascover toe te passen.

 

Diëlectricum pasta's worden vrijwel altijd bij 850°C ingebrand. Zij geven een grotere bescherming dan de glascover en daarnaast hebben zij een isolatiewaarde en een doorslagspanning bv 1000V/25mm.

 

Het proces:

 

Lay-out

Allereerst dient er een lay-out samengesteld te worden en worden er films (fotoplots) gemaakt van elke laag die aangebracht wordt. Om een goed lay-out samen te stellen is kennis van het productieproces onontbeerlijk daar het eindresultaat ook in sterke mate afhankelijk is van dit proces. Doorgaans is de volgorde: geleider, weerstand, glas. Getracht wordt om het substraat met meerdere circuits te vullen.

 Design-2003.jpg


Zeven

Van de fotoplots worden zeven aangemaakt. Dit zijn fijnmazige stalen bespanningen gemonteerd op een frame, op deze bespanningen wordt een fotogevoelige laag aangebracht waarop het te printen patroon wordt overgebracht. Geleiders worden doorgaans geprint met 200 of 325 mesh zeef en weerstanden en glas met een 200 mesh. De zeef heeft een grote invloed op de dikte en kwaliteit van de geprinte laag.

 

Substraat

Substraten moeten vlak zijn, en natuurlijk geheel schoon. De substraten kunnen voor het printen al verdeeld zijn in meerde secties door ritsen of persen. Bij BHC worden doorgaans na het printproces de substraten op de juiste afmetingen en secties geritst of gesneden met behulp van een CO2-laser.

 

Zeefdrukproces

Middels een rakel wordt de pasta in een bepaald patroon van de zeef op het substraat gelegd. Door adhesiewerking blijft de pasta plakken aan het substraat. Diverse parameters spelen hier een belangrijke rol, een aantal van deze parameters zijn:

-           Hardheid van de rakel

-           Slijtage van de rakel, meer slijtage Þ grotere printdikte

-           Printsnelheid, binnen bepaalde grenzen hogere snelheid Þ grotere printdikte

-           Printdruk, binnen bepaalde grenzen, hogere druk Þ geringere printdikte

-           Afsprong, afstand zeef tot substraat

 

Invloeden van stof en dergelijke dient natuurlijk zoveel mogelijk voorkomen te worden daar anders het eindresultaat niet altijd meer voorspelbaar is.

 

Drogen

Na het printen dient de pasta 5-10 minuten te "levelen" en vervolgens gedroogd te worden bij ongeveer 150°C gedurende 5-15minuten). Tijdens het drogen worden de vluchtige bestanddelen aan de pasta onttrokken.

 

Sinteren

De nog overige aanwezige vluchtige stoffen worden nu aan de pasta onttrokken (burn out), daarnaast worden de metaaldelen en de metaaloxides samengesinterd (burn in). Men kan elke laag separaat "firen" (prefiring) men kan ook meerdere lagen tegelijk "firen" (cofiring).

 
Copy-of-DSCF0045.JPG
 

Ritsen

Na het printproces wordt het substraat middels een CO2-laser op de juiste afmetingen gebracht door middel van ritsen of snijden. Met ritsen worden er over een rechte lijn een aantal dot's in het materiaal geschoten met een diepte van ca 1/3 deel van de substraatdikte, op deze wijze is een gedefinieerde breuklijn ontstaan.


CO2-laser.JPG

Trimmen

Met een YAG-laser worden de weerstanden op waarde gebracht. Standaard ligt de tolerantie van het zeefdrukproces op ca ±15%, echter veelal zullen de weerstanden nauwer getolereerd moeten zijn. Daarnaast is het ook mogelijk om weerstanden te "matchen" oftewel gelijk te maken aan elkaar binnen een nauwe tolerantie. Doorgaans zal dit nauwkeuriger zijn dan het geval is met bestukte weerstanden.

Eveneens is het mogelijk om een schakeling actief te trimmen. Hierdoor worden ook de afwijkingen van componenten tenietgedaan.

lasertrim-blauw.JPG

 

Overigen

Verwarmingselementen bestaan veelal uit de 3 genoemde printgangen, dus geleider, weerstand, glas. Onder bepaalde omstandigheden kan zelfs overwogen worden het glas weg te laten.

 

Voor hybrideschakelingen zullen we meestal niet uitkomen met drie lagen. Veelal worden er al meerdere weerstandslagen toegepast, in de regel is weerstandpasta in decades verkrijgbaar dus 1W/#, 10W/#, 100W/#, 1000W/ etc. Veelal worden de verschillende weerstandslagen separaat gedroogd en gezamenlijk gesinterd (cofiring).

 

Voor complexere schakelingen komen we ook niet meer uit met 1 geleiderlaag.

Bij pcb's stappen we dan over naar dubbelzijdige printen. Met een hybride maken we dan de stap naar een multi-layer of een cross-over. Bij een cross-over leggen we een tweede geleiderpatroon over het eerste patroon heen. Om ongewenste verbindingen tussen de lagen te voorkomen wordt op de raakpunten een isolerende laag met een diëlectricumpasta geprint (gebruikelijk is het om deze laag 2x te printen dit om pin holes te vermijden).

Bij een multilayer dekken we de eerste geleiderlaag af met een isolerende laag (deze wordt om dezelfde reden ook 2x geprint). Daar waar we een verbinding willen hebben tussen de afzonderlijke lagen laten we een opening in het diëlectricum. Bij een cross-over wordt een diëlectricum toegepast welke meer uitvloeit, bij een multilayer wordt een diëlectricumpasta toegepast welke meer blijft staan.

 

Naast het creëren van meerdere lagen op een zijde is het ook mogelijk om via's naar de achterzijde van het substraat te maken en dus dubbelzijdig te werken. Via's worden gemaakt door eerst de voorzijde te beprinten, vervolgens wordt de pasta middels een vacuüm tool ca 2/3 het gat ingezogen. Hetzelfde wordt herhaald aan de achterzijde.

 

Echter hoe meer lagen op een hybride, hoe ongelijkmatiger de vlakheid zal worden waardoor het printproces moeilijker zal worden. Het is de "knowhow" van de ontwerper om deze mogelijke problemen zoveel mogelijk te elimineren.

 

Voordelen en Nadelen


-    Miniaturisering: Doordat we met hybride techniek onder andere ook weerstanden onder componenten kunnen plaatsen, en we zelf de dimensionering binnen bepaalde parameters kunnen bepalen zal door het toepassen van een hybride in plaats van een pcb veelal een miniaturisering van het circuit optreden. Stelregel is dat een hybride 1/4 tot 1/2 kleiner kan dan in een pcb uitvoering.

 

-    Vermindering interconnecties: Bij een hybride mag men zonder meer aannemen dat substraat, geleider- weerstandmaterialen 1 geheel zijn geworden. Vergelijken we dit met een pcb dan hebben we daar de epoxyprint met daarop de Cu laag, een soldeereiland, een draadverbinding naar de eigenlijke weerstand de weerstand zelf, etc. Allemaal interconnecties die problemen kunnen geven. Door toepassing van een hybride wordt het aantal interconnecties sterk gereduceerd en daarmee de betrouwbaarheid en levensduur van de schakeling verhoogd

 -    Kleinere toleranties:  Doordat we zelf een schakeling kunnen trimmen zowel actief als passief zijn er nauwere toleranties mogelijk dan met componenten.

-    Hogere vermogens: Door de betere warmtegeleiding van het keramiek kan er op dezelfde oppervlakte als bij een pcb meer vermogen gedissipeerd worden.

-    HF techniek: Door de goede diëlectrische eigenschappen is dit substraat materiaal veel beter geschikt voor HF schakelingen dan een pcb

-    Chemisch resistent:  Het substraat neemt geen vocht op en is vrijwel niet aantastbaar voor chemische middelen

-    Breekbaar: Keramiek is breekbaar en hier zal met de constructie terdege rekening mee moeten worden gehouden

-    Bewerkbaarheid: Keramiek is slechts met laser of diamantgereeedschappen te bewerken, dit zijn dure gereedschappen.

 

Slot:

 

Dikke filmtechniek is voor de meeste mensen een onbekend begrip. Echter deze techniek kan tal van voordelen bieden t.o.v. de standaard pcb. Er is hier getracht om de lezer enig inzicht te geven in het produktieproces en de materialen. Dit overzicht is zeker niet volledig en diverse factoren zijn slechts aangestipt maar niet uitgediept. Toch hopen wij dat enig inzicht is ontstaan omtrent deze techniek. Voor verder vragen kunt u natuurlijk altijd bij ons terecht.

 

CSPM Chip Scale Packaging Modules

15 november 2017

BHC is now using a new led technology called CSP. These leds are without housing and there for very small with a lot of possibilities in design. We already have made solutions for Tunable white, Dim2 Warm, lineair ledsstrips COB replacement etc.

IMG_6148.JPG

CREE Solution Supplier selection

26 september 2013

Bergh Hybrid Circuits BV is geselecteerd door CREE als een van de weinige Solution Providers.

"Congratulations to Bergh Hybrid Circuits! You are part of a very select group of lighting suppliers to be chosen to be a Cree Solution Provider..
Only the best Lighting suppliers have been invited to join the CSP program.. "

SP-Cree.jpg



 

 


ISO 9001 - 2008 2013 - 2016

02 juli 2013

Bergh Hybrid Circuits BV is gecertificeerd voor ISO 9001 - 2008.

BHC heeft weer bezoek gehad van Lloyds voor hercertificering van ons ISO syteem.
Kwaliteit blijft een continu streven naar verbetering!



iso9001.JPG