Kopioi artikkelin
PDF-versio Kopioi artikkelin
PDF-versio
Matkapuhelimien radio-osan integrointiasteen parantamisessa on vielä paljon mahdollisuuksia. LTCC-monikerroskeraami on erittäin todennäköinen lähitulevaisuuden liitosalusta. Sen vahvuuksia ovat hyvät suurtaajuusominaisuudet, suuri pakkaustiheys, luotettavuus sekä hermeettisyys.
Kulutuselektroniikan pienlaitteet ovat muuttuneet 1990-luvulla hyvin voimakkaasti. Erityisen selvästi kehitys on näkynyt matkapuhelimissa. Ne ovat jatkuvasti pienentyneet samalla kun niiden ominaisuuksia ja suorituskykyä on parannettu.
Yksi suurimmista haasteista tässä on radio-osan integrointiasteen nostaminen erityisesti passiivikomponentteja vähentämällä. Nokia Mobile Phonesin tutkimusjohtaja E. Kuisma kertoi artikkelissa "Radioelektroniikan megatrendit" (Prosessori 2/99) yksitaajuisen GSM-puhelimien radio-osan sisältävän vielä 150 passiivista komponenttia. Hän myös laski, että passiivikomponenttien osuus lukumäärästä on 95, tilantarpeesta 80 ja kustannuksista 70 prosenttia.
Yksi hyvin potentiaalinen teknologia kelojen, kondensaattoreiden ja vastusten integroimiseksi pohjalevyyn on LTCC-monikerroskeraamitekniikka. Tällä tekniikalla passiivikomponentteja voidaan upottaa uudentyyppisen piirilevyn sisälle. Levyn pinnalle voidaan liittää erilliskomponentteja käyttämällä uusia kehittyneitä liitostekniikoita, kuten flip chip -tekniikkaa. LTCC-tekniikalla voidaan toteuttaa siis erilaisia kehittyneitä RF-moduuliratkaisuja.
Uusia liitosalustoja tutkitaan
VTT Elektroniikassa on otettu käyttöön tehokkaaseen tuotekehitys- ja protovalmistukseen soveltuva LTCC-moduulien valmistuslaitteisto, joka on ainoa laatuaan pohjoismaissa. Kaupallisia LTCC-materiaalisysteemejä on testattu erilaisten testipiirien avulla prosessoitavuuden ja suurtaajuusominaisuuksien suhteen. Projektin tuloksena on käynnistynyt tuotekehitystoimeksiantoja, joissa lähtövaatimuksia ovat hyvät suurtaajuusominaisuudet, suuri pakkaustiheys, luotettavuus sekä hermeettisyys. Tulevaisuuden tavoitteena on edelleen kehittää prosessia tuotekehityssyklin lyhentämiseksi sekä laadun varmistamiseksi. Teknologiset haasteet liittyvät etenkin passiivikomponenttien integrointiin pohjalevyn sisään sekä fine-line tekniikoiden kehittämiseen.
LTCC-tekniikassa johtimet painetaan paksukalvotekniikasta tutulla verkkopainatuksella ohuille, sintraamattomille lasi-keraamikalvoille. Kalvoihin lävistämällä tehdyt pienet läpivientireiät metalloidaan erillisessä pastausvaiheessa. Yksittäiset aihiot kohdistetaan tarkasti päällekkäin, laminoidaan ja yhteissintrataan tyypillisesti 850 asteessa. Tuloksena on jäykkä ja stabiili monikerrosliitosalusta, jolla voidaan toteuttaa RF-sovelluksissa stripline-rakenteita ja suojamaatasoja käyttäen hyvin johtavia hopeajohtimia.
Militäärituotteista massatuotteisiin
LTCC-teknologiaa on alunperin kehitetty lähinnä militäärisovelluksiin, joissa suuri luotettavuus on perusvaatimus. Tämän hetken merkittävin sovellusala on autoteollisuus, jossa LTCC on luotettavana osoittanut kilpailukykynsä. Keraamirakenteita käytetään muun muassa moottorin säädössä, lukkiutumattomissa jarruissa ja aktiivijousituksessa. Muita käyttökohteita ovat lääketieteen sovellukset ja anturipakkaukset.
Nopeimmin kasvava ala on kuitenkin langaton tiedonsiirto, johon keraamipiireillä on monia etuja verrattuna orgaanisiin piirilevyihin. Suurtaajuusominaisuudet ovat hyvät ja erityisesti kannettavissa laitteissa pieni koko ja paino ovat haluttuja ominaisuuksia. Tähän LTCC-piirit soveltuvat hyvin, koska kerrosten lukumäärä voi olla jopa kymmeniä. Monikerrostekniikalla ja suojaläpivienneillä voidaan esimerkiksi vähentää haitallista ylikuulumista digitaali- ja RF-osien tai erillisten RF-osien välillä.
LTCC-pohjalevyyn voidaan integroida passiivikomponentteja pakkaustiheyden kasvattamiseksi. RF-tekniikan kannalta haasteena on kuitenkin riittävän hyvien kondensaattoreiden ja kelojen toteuttaminen. Keloilta vaadittava Q-arvo on muutamasta kymmenestä muutamaan sataan. Suurimmat Q-arvot tarvitaan suodattimien ja pienimmät sovituskomponenttien integroinnissa.
Tarkalla fotokuvioitavalla paksukalvojohdotuksella voidaan toteuttaa pohjalevyn pinnalle suuri johdotustiheys ja hyvät RF-ominaisuudet. Suodatin- ja värähtelypiireissä on tärkeää, että resonanssitaajuuden lämpötilakerroin on mahdollisimman pieni häviöiden minimoimiseksi. Tässäkin uusilla LTCC-materiaaleilla on saavutettu stabiilimpia piirejä kuin FR4-laminaateilla. LTCC-teknologia mahdollistaa myös vertikaalisen integroinnin, jolloin 3D-pohjalevy voi sisältää upotuksia esimerkiksi MMIC-piiriä varten. Komponentti voidaan suojata hermeettisesti erillisellä kannella. LTCC-teknologiaa on kehittänyt muun muassa National Semiconductor yhdessä DuPont-materiaalitoimittajan kanssa.
Monikerroskeramiikalla on toteutettu esimerkiksi vastaanotin satelliittipuhelimeen, jossa on 26 pohjalevyyn integroitua passiivikomponenttia sekä 16 erilliskomponenttia. Tekniikalla on toteutettu myös antenneja, VCO-taajuusoskillaattoreita, suodattimia ja tehovahvistimia. Tuotteiden kirjo on edelleen laajenemassa. *
Aiheesta enemmän
Technology Roadmap: Interconnection Substrates http://www.imaps.org.
The Multilayer Ceramic Integrated Circuit (MCIC) Technology: http://www.imaps.org.
Yhteystieto: jouko.vahakangas@vtt.fi
Tutkimus: Uudet integroidut liitosalustat
Yhteistyössä: VTT Elektroniikka, Oulun yliopiston Mikroelektroniikan laboratorio, Aspocomp, LK-Products, Micro Analog Systems ja Nokia Telecommunications.
Teknologiaohjelma: ETX