Introduction pour ingénieurs

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1 Introduction pour ingénieurs
Comment fabriquer des circuits 3D pour applications microtechniques ? En LTCC ! Lundi 4 septembre 2006 Groupe Technologies des Couches Épaisses, Prof. P. Ryser Laboratoire de Production Microtechnique

2 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 platine fluidique, gestion d’électrovannes avec électronique SMD feuilles de LTTC crues (micro-réacteur) micro-débitmètre assemblé

3 Objectifs Objectifs de ma thèse Intégrer dans un circuit : - des capteurs (pression, température, débit) - des actionneurs (électrovannes) - de l’électronique (SMD) par un processus industrialisable. Objectifs de cet exposé Vous faire découvrir la technologie LTCC et ses multiples possibilités. Micro-réacteur hybride en LTCC et alumine Capteur de viscosité de gaz à modules

4 Sommaire Le principe du LTCC Propriétés Réalisations du LPM
Méthodes concurrentes Etat de l’art En pratique Conclusion

5 1.1) Le principe du LTCC Feuilles crues découpées facilement (laser, poinçon) Feuilles imprimées individuellement (circuits multicouches) Empilement des feuilles pour en faire une structure 3D Cuisson -> frittage, circuit monobloc Individualisation et post-cuisson (assemblage par brasure)

6 1.2) Types de réalisations
Micro électrovanne hybride en LTCC M. Gongora-Rubio et al., 2001 Circuits : fluidiques électroniques mécaniques M. Gongora-Rubio et al., 1999

7 1.3) Acronyme Le LTCC se démarque du HTCC : Low- LTCC 875°C
Temperature HTCC °C Cofired co-cuisson de pâtes (di)électriques LTCC : métaux précieux (Au, Ag, Pd, Cu) HTCC : métaux réfractaires (W, Mo, MoMn) Ceramic mélange de : - alumine Al2O verres SiO2 - B2O3 - CaO - MgO liants organiques HTTC : essentiellement Al2O3

8 1.4) Mise en œuvre Matière première sous forme de :
feuilles ou rouleaux épaisseur μm 5-6 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

9 2) Propriétés physiques
Chimiquement stable, inerte à HCl, NaOH… Thermiquement stable (>600°C) Basse conductivité thermique (3 W/mK) Dureté élevée (8 Mohs) Très bon diélectrique (faibles pertes en hautes fréquences, applications antennes GHz) srupture=320 MPa, E=120 GPa, densité=3.1 Haute fiabilité et herméticité

10 3) Réalisations au LPM Débitmètre et micro-réacteur
Capteur de viscosité de gaz Wobbe Capteur de force Millinewton Platine pour électrovannes pneumatiques Boîtier de test d’étanchéité

11 3.1) Débitmètre et micro-réacteur
Débitmètre - 3 couches de LTCC - principe de l’anémomètre à fil chaud - canal de 1 à 2 mm de large Micro-réacteur - 2 réactants - 2 débitmètres - 1 calorimètre Microreactors and micro flowsensor (bottom) Hybrid micro-reactor

12 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 3.3) Capteur de force Millinewton
Version alumine ( mN) poutre rectangulaire brasée sur embase sérigraphie biface (4 R en pont de Wheatstone) Version LTCC ( mN) poutre en T de forme optimisée Module de Young 2.6x plus faible Meilleure sensibilité Version demi-pont (monoface) Fabrication plus simple

14 3.4) Platine pour électrovannes
Jusqu’à 22 couches de LTCC 2 niveaux d’interconnexions canaux de mm de large gestion par électronique SMD adaptateurs en laiton

15 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 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 °C (HTCC)

17 4.2) Méthodes concurrentes
Mini-PCB fluidique empilé de l’inst. Fraunhofer IZM Berlin 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 ~ mm, LTCC ~ 0.1mm -> à utiliser en complément Pneumotech

18 5.1) Etat de l’art M. Gongora-Rubio et al., 1999
Peterson, Sandia National Lab, 2005 J. Kita, Bayreuth, Germany, 2005

19 5.2) Etat de l’art Fraunhofer IZM Berlin

20 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 6.2) Setup expérimental au LPM
feuilles LTCC ép μm 6”x6” préconditionnement étuve 30min - 120°C découpe laser + soufflage air empilement laminoir à goupilles sérigraphie de pâtes sur couches crues lamination presse uniaxiale 5min - 70°C - 200bar retrait feuilles de protection cuisson four à air 8h - 875°C prêt pour sérigraphies et post-cuissons

22 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 mm

23 Merci pour votre attention!
Fin Merci pour votre attention! Plus d’infos sur Toutes les images sans source indiquée proviennent du LPM-EPFL.

24 Annexe – profil de température du four

25 Annexe – comparaison de propriétés

26 Annexe – specs de deux pâtes courantes