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