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1 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs Comment fabriquer des circuits 3D pour applications microtechniques ? En LTCC ! Lundi.

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1 1 of 23 Introduction au LTCC 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 Introduction pour ingénieurs

2 2 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 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 lélectronique hautement intégrée feuilles de LTTC crues (micro-réacteur) micro-débitmètre assemblé platine fluidique, gestion délectrovannes avec électronique SMD

3 3 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs Objectifs Objectifs de ma thèse Intégrer dans un circuit : - des capteurs (pression, température, débit) - des actionneurs (électrovannes) - de lélectronique (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 4 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs Sommaire 1.Le principe du LTCC 2.Propriétés 3.Réalisations du LPM 4.Méthodes concurrentes 5.Etat de lart 6.En pratique 7.Conclusion

5 5 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 1.1) Le principe du LTCC 1.Feuilles crues découpées facilement (laser, poinçon) 2.Feuilles imprimées individuellement (circuits multicouches) 3.Empilement des feuilles pour en faire une structure 3D 4.Cuisson -> frittage, circuit monobloc 5.Individualisation et post-cuisson (assemblage par brasure)

6 6 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 1.2) Types de réalisations Circuits : fluidiques électroniques mécaniques Micro électrovanne hybride en LTCC M. Gongora-Rubio et al., 2001 M. Gongora-Rubio et al., 1999

7 7 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 1.3) Acronyme Le LTCC se démarque du HTCC : Low-LTCC 875°C TemperatureHTCC °C Cofiredco-cuisson de pâtes (di)électriques LTCC : métaux précieux (Au, Ag, Pd, Cu) HTCC : métaux réfractaires (W, Mo, MoMn) Ceramicmélange de : - alumine Al 2 O 3 - verres SiO 2 - B 2 O 3 - CaO - MgO - liants organiques - HTTC : essentiellement Al 2 O 3

8 8 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 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 9 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 2) Propriétés physiques 1.Chimiquement stable, inerte à HCl, NaOH… 2.Thermiquement stable (>600°C) 3.Basse conductivité thermique (3 W/mK) 4.Dureté élevée (8 Mohs) 5.Très bon diélectrique (faibles pertes en hautes fréquences, applications antennes GHz) 6. rupture =320 MPa, E=120 GPa, densité=3.1 7.Haute fiabilité et herméticité

10 10 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 3) Réalisations au LPM 1.Débitmètre et micro-réacteur 2.Capteur de viscosité de gaz Wobbe 3.Capteur de force Millinewton 4.Platine pour électrovannes pneumatiques 5.Boîtier de test détanchéité

11 11 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 3.1) Débitmètre et micro-réacteur 1.Débitmètre - 3 couches de LTCC - principe de lanémomètre à fil chaud - canal de 1 à 2 mm de large 2.Micro-réacteur - 2 réactants - 2 débitmètres - 1 calorimètre Microreactors and micro flowsensor (bottom) Hybrid micro-reactor

12 12 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 3.2) Capteur de viscosité de gaz Wobbe Capteur modulaire mesurant lindice 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 13 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 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 14 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 3.4) Platine pour électrovannes Jusquà 22 couches de LTCC 2 niveaux dinterconnexions canaux de mm de large gestion par électronique SMD adaptateurs en laiton

15 15 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 3.5) Boîtier de test détanchéité Base en LTCC, capot en verre Pistes électriques co-cuites Fils de tungstène brasés Sn-Pb Cordon détanchéité post-cuit Brasure Sn-Bi 138°C pour le capot De la planche à dessin au boîtier fini : 2 semaines

16 16 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 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 17 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 4.2) Méthodes concurrentes PCB - T max 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 ~ m, LTCC ~ 0.1mm -> à utiliser en complément Mini-PCB fluidique empilé de linst. Fraunhofer IZM Berlin Pneumotech

18 18 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 5.1) Etat de lart M. Gongora-Rubio et al., 1999 J. Kita, Bayreuth, Germany, 2005Peterson, Sandia National Lab, 2005

19 19 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 5.2) Etat de lart Fraunhofer IZM Berlin

20 20 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 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 quannoncé 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 21 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 6.2) Setup expérimental au LPM préconditionnement étuve 30min - 120°C feuilles LTCC ép μm 6x6 découpe laser + soufflage air empilement laminoir à goupilles lamination presse uniaxiale 5min - 70°C - 200bar retrait feuilles de protection cuisson four à air 8h - 875°C prêt pour sérigraphies et post-cuissons sérigraphie de pâtes sur couches crues

22 22 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs 7) Conclusions Technologie robuste et fiable Mature pour lélectronique; 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 / dm 2 / couche Finesse des structures ~ 50 m

23 23 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs Fin Merci pour votre attention! Plus dinfos sur Toutes les images sans source indiquée proviennent du LPM-EPFL.

24 24 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs Annexe – profil de température du four

25 25 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs Annexe – comparaison de propriétés

26 26 of 23 Introduction au LTCC pour ingénieurs Annexe – specs de deux pâtes courantes


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