Encapsulados especiales para dispositivos Micro-electrónicos y Micro-Sistemas
Mariano F. Roberti Omar Milano Laura Malatto Liliana Fraigi
INTI – Electrónica e Informática
Encapsulados en la vida cotidiana
Source: google search
Encapsulados electrónicos en la vida cotidiana
Source: google search
Source: Applied Biosystems
Source: Applied Biosystems
Objetivo
Aumentar las capacidades en prototipeado de encapsulados especiales para dispositivos Micro-electrónicos y Micro-Sistemas
Innovar y potenciar el desarrollo de dispositivos de la Industria Nacional, integrando sensores, actuadores, microelectrónica
Proveer el eslabón de pre-producción de dispositivos de alto valor agregado
Lograr Soberania Tecnológica
Microelectrónica Microsistemas (MEMS – Micro Electro Mechanical System)
Electrones en semiconductor +
Fotones en semiconductor
+
Química y biotecnología
+
Óptica
+
Mecanismos quánticos
+
Robótica/Mecatrónica
+
Instrumentación
+
= Microelectrónica = Optoelectrónica = Microfluídica = Micro-óptica = Nanotecnología = micromáquinas = Micromecanismos
r baf or ic M
Encapsulado en Microelectrónica y Microsistemas
Variable física, química, biológica, etc
Acceso al medioambiente
MEMS
Interfaz eléctrica
Protegido del medioambiente
Encapsulado
Microelectrónica
• Proteger al chip de todas las influencias externas • Proveer una conección eléctrica • Proveer una disipación de calor • Tipos de encapsulados simples para diferentes tipos de chips • El comportamiento funcional del chip es independiente, no importa • Se han desarrollado encapsulados estándards
Microsistemas
• El detalle funcional del chip es crítico para el diseño del encapsulado • MEMS y encapsulado tienen que ser diseñados al mismo tiempo • Difícil desarrollar un encapsulado estándard
Tecnologías disponibles en INTI
La tecnología de película gruesa (TPG) permite fabricar, por medio de un proceso de serigrafía (screen printing) circuitos electrónicos híbridos sobre un sustrato aislante, que generalmente es cerámica.
Tecnologías disponibles en INTI (cont.)
La tecnología de LTCC (Low Temperature Co fired Ceramics) permite producir circuitos multicapa mediante capas simples (cerámicas), sobre los cuales se aplican (por serigrafía) pastas conductoras, dieléctricas y/o resistivas. Las cerámica en estado “verde” son flexibles y fácilmente mecanizables.
MEMS uso espacial CNEA - INTI
Source: National (Bluetooth Interface)
Tecnologías disponibles en INTI (cont.)
La tecnología de wire bonding (microsoldadura ultrasónica por alambre) permite interconectar eléctricamente dispositivos, con alambres que van desde los 25 a los 200 micrómetros.
Aplicaciones
Consumo TV/Audio/PC Electrodomésticos
Juguetes
Periféricos PC Telecomunicaciones
Industrial Inst. electrónicos Inst. médicos
Componentes en satélites Controladores Displays Sensores
Militar Equipos portátiles Equipos de comunicaciones Sistemas de radar
Sistema sonar Detectores de IR Misiles
Resultados
Encapsulado Celda de Combustible Líquido
Diseñada para funcionar con Metanol en concentraciones 1 a 5 Molar. Se diseño, fabricó y caracterizó una estructura modular de placas para colectar los electrones y distribuir los fluídos. Objetivo
- Tensión de salida: 4,2 Vcc máximo, 3,6 Vcc mínimo. - Potencia de salida: 1000 mW - Densidad de potencia: 20 mW/cm2 - Densidad de energía mínima: 250 Wh/dm3
Proyecto PICT Star up CNEA / UBA / INTI
Prototipo de cargador de batería Toshiba basado en celda de metanol
Microcanales
Placa difusora (GDL: gas diffusion layer)
Celda de Combustible de Membrana de Intercambio Protónico (PEM)
venteo
vveentneoteo
mMemebmranbarana (MEA) catalizador catalizador
Metanol
EconmtrabduastdibeEclonemtrabduastdibele
EEntrnadtaraO da2 de O2
PPlalacacsadsifusdoirfaus soras
Layout
Entrada de flujo Colector C7/ Interdigital C8 Flujo contacto con GDL X C9 + contacto eléctrico Salida del flujo Interdigital C7/Colector C6
Recorrido del metanol
Celda de Combustible Líquido
Apuntamos a prototipo totalmente integrado
micro-flow sensor assembled
Ref.: Ceramic Micro Fuel Cells, Dr. Michael Stelter, Dr. Uwe Partsch Fraunhofer IKTS 2005 Annual Report
fluidic circuit, management of valves with SMD electronics
Ref.: EPFL – LPM (Laboratoire de Production Microtechnique)
Acoplador Direccional
Acoplador direccional 1GHz para uso espacial. Transferencia a INVAP SE. Se diseñó un acoplador direccional con características especiales, según los requerimientos de INVAP SE para uso espacial en sistemas de radio frecuencia (RF). Se simuló, fabricó y caracterizó en INTI-Electrónica e Informática. Tanto diseño como fabricación están basados en la tecnología LTCC y película gruesa.
Broadside stripline coupler
ground
w
s
b
ground
Layout 1 Layout 2 Layout 3
Substrate dimensions
Parameter Central frequency Bandwidth Reflection Coef. (S11) Isolation Insertion Loss Phase offset
Value 1030 MHz >20 MHz
<-25 dB >23 dB <0.4 dB
<2º
Componentes SMD de RF para radar satelital/terrestre
14 mm
8.8 mm
Test board and DUT
Directional coupler in LTCC
Coupling factor
Isolation
Phase
Celda de Carga Miniatura
Se desarrolló una celda de carga miniatura para ser utilizada como sensor de fuerza cuyas dimensiones pueden ser de 5 a 15 mm de lado y 1 mm de espesor. La misma soporta pequeñas cargas (menores a 10 kg).
11mm
11 mm
IPT / USP (Brasil) - INTI
Celda de carga 3D Layout
L1-L3 Electrodos
L6 L5 L4 L3 L2 L1
LTCC Material de sacrificio
Force
z
Esfera
metalica
x
y
Contactos SG Resistor
L5-L6 Electrodes Cavidad
Layers 1-4 y material de sacrificio
Vista superior
A
Corte A-A
% A R/R AL (u m )
L1-L3 Electrodos
Material de sacrificio Lamina de carbon
A
2 ,50
2 ,00
1 ,50
1 ,00
0 ,50
0 ,00 0, 0
12
10
8
6
S ens or 1 4
S ens or 2 2 A L (um ) *
0
5,0
10, 0
1 5, 0
F (N)
Encapsulado de chips
Circuitos integrados desarrollados durante los cursos de capacitación en EAMTA: Escuela Argentina de Micro y Nano electrónica, Tecnologías y Aplicaciones. Encapsulados por LTCC y wire bonding.
Capacitación: EAMTA, UTN-FRBA
Encapsulado de MEMS
Desarrollo de encapsulados especiales de Radio Frecuencia - RF (8GHz) de sistemas Micro Electro- Mecánicos (MEMS) para uso espacial. El desarrollo constó de las siguientes etapas: Diseño, fabricación, caracterización y transferencia. Dicho encapsulado tipo DFN (Dual Flat No leads) de montaje superficial - SMD fue diseñado para alojar un RFMSSPST (MEMS de RF Single Pole Single Throw).
CNEA / CONAE
GND
B
Vista de arriba
RF out
GND
V
Puente Flexible
RF in
Dieléctrico
B V
Corte B-B Cup
Aire
Cdown > Cup
SiO2 Si
SiO2 Si
Esquema del RFMS-SPST en sus dos estados. Arriba: Estado OFF (Cup), sin tensión de actuación. Abajo: estado ON (Cdown), con tensión de actuación.
Izq: Estado OFF (Cup), sin tensión de actuación. Der: estado ON (Cdown), con tensión de actuación.
Encapsulado de RF-MEMS
Bla
Encapsulado de RF-MEMS
Conclusiones
Se dispone de un laboratorio de alta tecnología para la fabricación de encapsulados especiales para dispositivos Micro-electrónicos y MicroSistemas.
Se cuenta con la capacidad de encarar proyectos de alta complejidad en el área, brindando asesoramiento, capacitación, diseño, fabricación y caracterización.
Se realizaron aplicaciones en el ámbito espacial, energético entre otros.
Grupo de trabajo en INTI – Electrónica e Informática
Microtecnologías y Microsistemas Telecomunicaciones Radiofrecuencia y Microondas Compatibilidad electromagnética Instrumentación y Control
Anexo I
Propiedades de distintos sustratos comparado con LTCC
Resistencia aislación @ 100Vdc: > 1012 ohms Tensión de ruptura: 1000V/um
* Químicamente inerte
Anexo II
Ver+/-
