Universitat de Barcelona
Cirera Hernández, Albert
2013-12-09
B 13478-2014
238 p.
Universitat de Barcelona. Departament d'Electrònica
La tecnologia thick film pot definir-se com el procés on es du a terme la creació de dipòsits de circuits impresos en un substrat de ceràmica rígida mitjançant la tècnica de la serigrafia. Les pastes que s’utilitzen per aquest propòsit es formulen amb l’addició de vidres i diferents òxids que promouen l’adhesió dels dipòsits generats al substrat a temperatures entre 600 i 950ºC. Per altra banda, la tecnologia ceràmica multicapa, permet una disposició densa de circuits impresos incorporant components interns en un únic dispositiu amb estructura multicapa monolítica. Els substrats ceràmics pels sistemes multicapa presenten una baixa constant dielèctrica similar als substrats tradicionals emprats en la tecnologia thick film i les pastes per dur a terme les metal•litzacions s’ha de dissenyar per tal de co-sinteritzar amb el substrat ceràmic. La primera mostra d’aquesta tecnologia la trobem en els sistemes HTCC (High Temperature Co-fired Ceramics) que es basen tradicionalment en l’ús de materials basats en alúmina. L’elevada temperatura de cocció que requereixen aquests substrats (aprox. 1600ºC) limita el nombre de materials conductors amb els quals poden co-sinteritzar. Aquests conductors solen ser tals com el W, Mo, Mn i Pt. L’evolució d’aquesta tecnologia la trobem en l’ús de compostos vitro ceràmics que cristal•litzen i reaccionen total o parcialment amb diferents òxids addicionats a la mescla de vidres. L’ús de vidres de baix punt de fusió que envolten els additius ceràmics és una altra aproximació a aquesta evolució de la tecnologia. Es tracta del que s’ha anomenat LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) i que permet unes temperatures de sinterització per sota dels 950ºC fent viable l’ús de materials d’elevada conductivitat (Ag, Au, Cu...) que co-sinteritzen amb el substrat. Tant la tecnologia thick film com la tecnologia ceràmica multicapa són el nexe que uneix tots els estudis que s’han realitzat en aquest treball. Els camps sobre els quals ha girat l’aplicació d’aquesta tecnologia són per una banda, els sensors d’oxigen dels gasos d’escapament del vehicle (exhaust gas oxygen sensors), concretament els basats en un òxid semiconductor, el diòxid de titani, per ser usat com a sonda lambda i per altra banda, els sensors ceràmics capacitius i la viabilitat de fabricar-los amb materials LTCC. La primera part del treball és una introducció a les tecnologies emprades, les característiques de les quals en ajudaran a entendre certs detalls en l’evolució d’aquest estudi que es relacionen íntimament amb el tipus de tecnologia utilitzada. Pel que fa el sensor lambda basat en diòxid de titani, la primera part de l’estudi ha consistit en la preparació d’un material catalític amb una elevada àrea superficial dispersat en el suport porós de TiO2. El procediment ha consistit en realitzar mètodes d’impregnació i l’objectiu ha estat establir els principals paràmetres que afecten al procés d’addició del catalític i determinar la mínima quantitat de material necessària per tal d’obtenir un dispositiu sensor basat en Pt-TiO2 adequat per ser usat com sensor lambda. En aquesta primera part, el dipòsit del material sensor es realitzà amb tècniques thick film sobre un substrat d’alúmina HTCC ja sinteritzat. El següent pas pel que fa el sensor de TiO2 va ser l’estudi de la millora en el seu procés de fabricació centrant els esforços en aconseguir una millor adhesió entre el material sensor i el substrat d’alúmina. L’objectiu fou eliminar el major nombre de processos thick film després del sinteritzat del substrat (post-firing) amb diferents propostes per dipositar el material sensor sobre la ceràmica en verd i co-sinteritzar els dos elements. Els treballs van consistir en el disseny de pastes adequades per poder dipositar el material sensor, l’estudi del paper dels compostos de titanat d’alumini que es formen a la temperatura de sinterització de l’alúmina, la caracterització funcional dels dispositius proposats i finalment, com aquests mètodes proposats afecten a l’addició del material catalític. Els resultats obtinguts han permès establir una quantitat de platí del 1.8% en pes, respecte la quantitat de TiO2 en el dispositiu. Amb mètodes d’impregnació s’ha obtingut una pols de partida amb la qual s’ha preparat una pasta que aplicada amb tècniques thick film ha permès la obtenció de dispositius aptes per treballar com a sensor lambda. En quant a la co-sinterització del material sensor els millors resultats s’han obtingut controlant el grau de formació de titanat d’alumini i controlant la seva estabilitat tèrmica amb l’ús de l’MgO com additiu en la formulació de la pasta del material sensor. La porositat del material sensor juga un paper crucial en aquest mètode degut al fet que l’addició del material catalític s’ha dut a terme mitjançant processos post-firing per tal d’evitar les elevades temperatures de sinteritzat. Pel que fa els sensors de pressió ceràmics capacitius, el treball es focalitzà en l’estudi de la viabilitat dels materials LTCC per tal de fabricar aquest tipus de dispositius. Es van dur a terme comparacions entre les característiques funcionals de dispositius fabricats en tecnologia thick film sobre alúmina i dispositius amb membranes flectores de diferents materials LTCC i es caracteritzà la seva sensibilitat així com la seva estabilitat en la resposta. Finalment es proposà un dispositiu miniaturitzat plenament integrat en tecnologia LTCC en el qual es caracteritzà la seva resposta. Els resultats obtinguts avalen la possibilitat d’utilitzar els materials LTCC per fabricar sensors de pressió ceràmics capacitius. S’han establert els criteris de planitud i distància entre elèctrodes en funció de la mida de l’elèctrode de mesura del dispositiu. La caracterització funcional ha mostrat la dependència del disseny amb el tipus de fluid de pressió, la sensibilitat requerida i el rang de pressió de treball. La capacitat paràsita generada per la interacció entre el fluid incident i el dispositiu i les condicions de segellat són els aspectes principals que afecten a l’estabilitat de la resposta.
The thick film technology can be defined as the process that involves the deposition of metal circuitry on an already fired ceramic substrate using screen-printing technology. Pastes for this purpose are formulated with glass frit and oxides to promote the adhesion to the substrate firing the parts at low temperatures (600-950ºC). By the other hand, the multilayer technology allows a dense circuitry layout incorporating buried components in a single, monolithic, hermetic package. Ceramic substrates for the multilayer systems use low dielectric constant materials similar to traditional ceramic substrates for thick film technology and pastes for metallization that must be designed in order to co-fire with ceramic substrate. First approach of this technology was the high temperature co-fired ceramics (HTCC) traditionally based on alumina material. The relatively high temperature of alumina-based ceramics (approx. 1600ºC) limits the number of conductor materials able to co-fire with ceramic substrate. Such conductor materials are typically based on W, Mo, Mn and Pt. Next approach of this technology, involves the use of glass-ceramic based materials that undergo devitrification to a crystalline phase during firing or containing glass frit with low temperature melting point and different crystalline fillers. Development of Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) allow to decrease the firing temperature down to 950ºC and conductor pastes based on high conductivity materials (Ag, Au, Cu…) can be used to co-fire with these substrates. Thick film and multilayer ceramic technology are both the link of the work carried out. The fields in which both technologies have been deployed are by one side, the heated exhaust gas oxygen sensor (HEGO), specifically semiconductor gas sensor based on TiO2 suitable to use as lambda probe and by the other side, the ceramic capacitive pressure sensors and its availability to be manufactured using LTCC materials. First part of the work is an introduction to the technologies and main features that will help us later to understand details on the work development, that are strongly influenced by the kind of technology we are working with. Regarding lambda sensor based on TiO2, first part of the study have consisted of a process for preparing a catalyst which has a high surface area, finely divided and catalytically active on a porous carrier structure based on titania. Process was based on impregnation methods and the aim of this work was to establish main parameters that affect deposition control and to determine minimum amount of catalyst which is needed in order to get suitable Pt-TiO2 based sensor to be used as lambda probe. In this approach sensor deposit is generated using thick film technologies over an alumina HTCC substrate. Next step regarding titania sensor was to study the improvement of manufacturing process in order to improve the adhesion between sensor material and alumina based substrate. This approach was focused in to avoid thick film post-firing processes proposing and single sensor material deposition in green state and co-firing both substrate and sensor material. The aim of this work was to design sensor pastes in order to get suitable sensor deposit, to study the role of aluminum titanate compounds generated at firing temperatures, to study the functional features of proposed devices and finally how this method affects the catalytic material addition. Results lead us to establish a minimum amount of 1.8wt% of Pt/TiO2-nominally using impregnation methods to obtain impregnated titania powder which can be applied to the substrate using thick film technology (prior paste preparation). Response of the devices is suitable to be used as lambda sensors. The sensor material co-firing approach gave us better results by controlling the amount of aluminum titanate formation and controlling its thermal stability by using MgO as additive in sensor material paste formulation. Porosity of the sensor material plays a key role in this approach due to the fact that catalyst addition must be done in post-firing process in order to avoid high sintering temperatures. Regarding ceramic capacitive pressure sensors, the work was focused in the study of suitability of LTCC as materials for manufacturing such devices. Comparison between functional features of thick film over alumina devices and LTCC membrane devices were carried out and sensibility and response stability was characterized as well. Finally, a miniaturized, fully integrated LTCC device was proposed and the sensor response was characterized. Results showed us the feasibility of LTCC materials to be used in capacitive pressure sensors. Flatness criteria was established regarding measuring electrode size and the functional characterization gave us as result the sensor design dependence on the kind of working fluid, accuracy and pressure range. Parasitic capacitance generated by device interaction with working fluid and sealing conditions was established as main features that can affect the stability in the response.
Electrònica; Electrónica; Electronics; Circuits impresos; Circuitos impresos; Printed circuits; Ceràmiques electròniques; Cerámica electrónica; Electronic ceramics; "Thick film"
53 - Physics
Ciències Experimentals i Matemàtiques
ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.
