Разработка базовой технологии монтажа кристаллов акустоэлектронных меток в керамике LTCC. Цели ОКР. Разработка базовой технологии монтажа кристаллов акустоэлектронных меток в керамике LTCC. Разработка кристаллов акустоэлектронных меток различной разрядности на ПАВ в керамике LTCC. Задачи : Разработка базовой технологии монтажа кристаллов акустоэлектронных меток в керамике LTCC ; Разработка кристаллов акустоэлектронных меток различной разрядности на ПАВ в керамике LTCC. Разработка технического проекта; Разработка конструкторской (КД) и технологической (ТД) документации на акустоэлектронные метки. - Изготовление опытных образцов акустоэлектронных меток; - Проведение предварительных и приёмочных испытаний опытных образцов акустоэлектронных меток. - Разработка конструкторской (КД) и технологической (ТД) документации с литерой «О 1 » на акустоэлектронные метки.

Основные технические параметры разрабатываемой базовой технологии монтажа кристаллов акустоэлектронных меток в керамике LTCC Наименование параметра Значение параметра Способ монтажа кристаллов клеевые композиции, легкоплавкие припои Точность монтажа кристаллов, мкм - для размера кристалла более 1 х 1 мм - для размера кристалла менее 1 х 1 мм ± 100 ± 50 Размер монтируемых кристаллов, мм от 0,2×0,2 до 10×20 Метод герметизации корпуса- шовно-роликовая сварка в контролируемой атмосфере с «точкой росы» - 65 ºС; - лазерная сварка в защитной атмосфере аргона. Показатель герметичности корпуса по скорости утечки гелия для изделий со свободным внутренним объёмом: - не более 1 см 3, Па м 3/с - более 1 см 3, Па м 3/с не более не более

Основные технические параметры разрабатываемых акустоэлектронных меток Наименование параметра Значение параметра 1. Номинальная частота, МГц Разрядность метки Полоса рабочих частот, МГц Вносимое затухание, дБ. не более Сопротивление нагрузки, Ом Динамический диапазон, дБ Конструктивное исполнение Метка-модуль в специализированном корпусе SMD из многослойной керамики LTCC интегрированными с элементами приёмо- передающего тракта и специальной экранирующей структурой обеспечивающей множественный доступ, максимальную зону покрытия, помехозащищенность модулей, смонтированных с использованием Flip-chip технологии монтажа

Принцип действия акустоэлектронной метки на ПАВ в системе радиочастотной идентификации

Верхняя гребенка Нижняя гребенка Плавающий электрод 2λ2λ Табл.1. Выбор оптимальных конструктивных элементов акустоэлектронных меток Рассмотрены особенности проектирования приемопередающего ВШП Тип ВШПКонструкция Достоинства Недостатки ВП, дБ Направ- ленность, дБ R, Ом 1.Однона- правлен- ный ВШП (2λ). Число однонапра -вленных секций m=14 Простота расчета Межэлек- тродные зазоры менее λ/4. Повышен- ные требо- вания к тех- нологичес- кому оборудо- ванию При апертуре 80λ 2.Однона- правлен- ный ВШП (3λ) m=1 Зазоры равны λ/4 Уменьшенные требования к технологичес- кому оборудо- ванию. Возможность построения узкополосных ВШП При апертуре 70λ 3.Однона- правлен- ный ВШП (nλ) m=5-10 Возможность построения узкополосных ВШП с полосой 1% и менее. Зазор= λ/4 Повышен- ные требо- вания к тех- нологичес- кому оборудо- ванию При апертуре 60λ nλnλ nλnλ

Выбор оптимального метода анализа встречно-штыревых преобразователей и акустоэлектронных меток различной разрядности на их основе, включающий: Метод оптимизационного синтеза трансверсальных структур на ПАВ Вопросы согласования акустоэлектронных меток с внешними цепями Эквивалентные схемы преобразователя ПАВ Выбор оптимальной согласующей схемы Зависимость ширины полосы пропускания и вносимых потерь устройства от условий электрического согласования Коэффициент стоячей волны Влияние паразитных элементов на характеристики преобразователя Сопротивление электродов Паразитная емкость между преобразователем и корпусом Влияние внешних цепей на характеристики преобразователя ПАВ Анализ встречно-штыревых преобразователей с ненулевым уровнем отражений методом связанных мод

Табл.2. Выбор оптимальных конструктивных элементов акустоэлектронных меток Рассмотрены особенности проектирования отражающих структур (ОС) Тип ОСКонструкция ДостоинстваНедостатки ВП, дБ Отражающие ВШП Простота расчета. Возможность кодирования через кодирующий фотошаблон Возможность замыкания электродов ВШП- уменьшается коэффициент отражения и растут вносимые потери Отражающие электроды Простота расчета. Возможность кодирования через кодирующий фотошаблон. Невозможность замыкания электродов. Более равномерный импульсный отклик Уменьшенный коэффициент отражения - Большое вносимое затухание Отражающие канавки. Более сложное изготовление метки (кроме напыления металла требуется травление подложки для изготовления канавок) Большая вероятность дефектов изготовления Невозможность кодирования через кодирующий фотошаблон aiai

Выбор оптимального метода анализа отражающих структур и акустоэлектронных меток различной разрядности на их основе, включающий: Метод оптимизационного синтеза отражающих структур на ПАВ Вопросы согласования акустоэлектронных меток с внешними цепями Эквивалентные схемы отражающих структур Выбор оптимальной согласующей схемы Зависимость ширины полосы пропускания и вносимых потерь устройства от условий электрического согласования Коэффициент стоячей волны Влияние паразитных элементов на характеристики отражающих структур Сопротивление элементов отражающих структур Паразитная емкость между элементами отражающих структур и корпусом Влияние внешних цепей на характеристики отражающих структур Анализ отражающих структур методом связанных мод

Зависимость основных параметров пьезоэлектрика от геометрии электродной структуры dVV km hm Зависимость коэффициента электромеханической связи в УХl/64°-LiNbO3 от коэффициента металлизации km и толщины алюминиевой пленки hm

Выбор оптимальных конструктивных элементов акустоэлектронных меток Рассмотрены особенности проектирования согласующей индуктивности Тип индуктивности Конструкция ДостоинстваНедостатки Динамическ ий диапазон ВПL, нГ 1. Индуктивность, как моточное изделие Простота изготовления Защищает ВШП от статического электричества. Согласует ВШП с антенной Не стыкуется с планарной структурой метки Увеличи- вается на 5-6 дБ Умень- шаются на 2-3 дБ Индуктивность в планарном исполнении. Защищает ВШП от статического элект- ричества.. Стыкуется с планарной структурой метки. Согласует ВШП с антенной Для изготов- ления требуется фотоли- тография Увеличи- вается динамиче- ский диапазон на 5-6 дБ Умень- шаются на 2-3 дБ Индуктивность в корпусе LTCC. Защищает ВШП от статического элект- ричества. Стыкуется с планарной структурой метки. Изготавливается в едином технологическом цикле. Согласует ВШП с антенной. Увеличи- вается динамиче- ский диапазон на 5-6 дБ Умень- шаются на 2-3 дБ 12

Выбор оптимального метода анализа отражающих структур и акустоэлектронных меток различной разрядности на их основе, включающий: Метод оптимизационного синтеза отражающих структур на ПАВ Вопросы согласования акустоэлектронных меток с внешними цепями Эквивалентные схемы отражающих структур Выбор оптимальной согласующей схемы Зависимость ширины полосы пропускания и вносимых потерь устройства от условий электрического согласования Коэффициент стоячей волны Влияние паразитных элементов на характеристики отражающих структур Сопротивление элементов отражающих структур Паразитная емкость между элементами отражающих структур и корпусом Влияние внешних цепей на характеристики отражающих структур Анализ отражающих структур методом связанных мод

Технологический процесс создания корпуса LTCC акустоэлектронной метки Файлы графический многослойной платы

Корпус LTCC акустоэлектронной метки с согласующей индуктивностью Забитые отверстия Печать проводящего внешнего слоя Печать проводящего слоя Пробитие пазов слой 4 Пробитие пазов слой 5Пробитие пазов слой 6Пробитие отверстия Разделение пакета Сборка пакета Многослойная плата основания корпуса обжиг …... обжиг

Плата многослойная

Технологический процесс создания корпуса LTCC акустоэлектронной метки файлы графические многослойной платы Керамика Du Pont Green Tape 951PX Разделение пакета на модули Совместный обжиг Пробивка и металлизация отверстий Печать проводящего внешнего слоя Изготовление внутренних проводящих слоев Сборка и опрессовка пакета Пробитие пазов слой 4 Пробитие пазов слой 5 Пробитие пазов слой 6 Вырезка заготовок Изостатический пресс ILS-6 с устройством вакууммирования пакета при давлении 200 бар в течение 10 мин. Инфракрасная конвейерная печь AG – 1210

Технологический процесс монтажа кристалла метки Установка кристалла метки в корпус LTCC кремнийорганический клей-герметик «Эластосил » ТУ Монтаж кристалла метки в корпус LTCC (точность ± 50 мкм) полуавтоматическая установка EC/GV (Россия) Монтаж электрических соединений Герметиза- ция 1) 2)

Технология герметизации корпусов с кристаллами 1)Шовно-роликовая сварка в контролируемой атмосфере на лазерной машине МЛ4-2 (Россия). В качестве контролируемой атмосферы использован инертный газ аргон высшего сорта ГОСТ )Герметизация лазерной сварки в защитной атмосфере на установке шовной роликовой сварки SM8500 с защитной камерой MX-2000 (США). В качестве контролируемой атмосферы использован очищенный воздух с «точкой росы» минус 65 o C. Лазерная машина МЛ4-2Установка шовной роликовой сварки SM8500

Монтаж кристаллов акустоэлектронных меток в керамике LTCC

. Топология разработанной интегральной схемы 16-битной акустоэлектронной метки Последовательность отраженных импульсов от 16-битной акустоэлектронной метки 81 код Разработка базовой топологии акустоэлектронных меток в керамике LTCC.

. Топология разработанной интегральной схемы 32-битной акустоэлектронной метки Последовательность отраженных импульсов от 32-битной акустоэлектронной метки код 99 Разработка базовой топологии акустоэлектронных меток в керамике LTCC.

. Топология разработанной интегральной схемы 64-битной акустоэлектронной метки Последовательность отраженных импульсов от 64-битной акустоэлектронной метки код 99 Разработка базовой топологии акустоэлектронных меток в керамике LTCC.

. Топология разработанной интегральной схемы 128-битной акустоэлектронной метки Последовательность отраженных импульсов от 128-битной акустоэлектронной метки код 21 Разработка базовой топологии акустоэлектронных меток в керамике LTCC.

Схема измерения меток P2 - Персональный компьютер P1 - ИКПП «Обзор-103 E1 - Устройство измерительное ЯНКИ Методика измерений Измерительный столик, и метка в корпусе. Схема измерения комплексного коэффициента отражения S11 четырехполюсника в тракте 50 Ом. Частотная зависимость параллельного параметра S 11 Усредненная частотная зависимость параметра S 11

Методика измерений Импульсный отклик 16 бит акустоэлектронной метки в заданном временном интервале для определения динамического диапазона Импульсный отклик и конфигурация метки определения кода Измерение частотной зависимости параметра S 11 Получение импульсного отклика путем Фурье - преобразования Определение кода метки Последовательность измерения метки

Сравнительные технические показатели разрабатываемых изделий для системы радиочастотной идентификации и лучших изделий аналогичного типа Наименование параметра Значение параметра Акустоэлектронная метка в керамике LTCC Зарубежный аналог метка «Slot-TID» фирмы CTR 1. Номинальная частота, МГц ,5 2. Разрядность метки 16, 32, 64, 128 до 20 бит 3. Полоса рабочих частот, МГц 30 не более 3 МГц 4. Вносимое затухание, дБ. не более Сопротивление нагрузки, Ом Динамический диапазон, д БДо 40До Конструктивное исполнение Метка-модуль в специализированном корпусе SMD из многослойной керамики LTCC интегрированными с элементами приёмо- передающего тракта и специальной экранирующей структурой, смонтированных с использованием Flip-chip технологии монтажа DIP без интегрированных элементов приёмо- передающего тракта

Стоимость и продолжительность подготовки и освоения серийного производства акустоэлектронных меток различной разрядности с учетом контрактного производства пьезоэлементов для: Систем радиочастотной идентификации ~ 3,0 млн. руб. (модернизация СТО и ИС), 6 мес. после окончания ОКР Систем управления доступом ~ 4,5 млн. руб. (модернизация СТО и ИС), 6 мес. после окончания ОКР Навигации ~ 5,5 млн. руб. (модернизация СТО и ИС), 6 мес. после окончания ОКР.

Технико-экономических показатели акустоэлектронных меток для систем радиочастотной идентификации, управления доступом и навигации Наименование показателей Величина показателей При изготовлении опытных образцов На первый год серийного освоения КМ-16, КМ-32 КМ-64КМ-128 КМ-16, КМ-32 КМ-64КМ-128 Технологический выход годных изделий, % Себестоимость, руб. 2580,002900,003350,00 500, ,0 600, ,00 600, ,00 Прибыль, руб. 420,00600,00650,00 200, ,00 150, ,00 Итого цена, руб. 3000,003500,004000,00 700, ,00 750, ,00 750, ,00 Оптовая цена, руб. (НДС не облагается) 3000,003500,004000,00 700, ,00 750, ,00 750, ,00

Потенциал коммерческой реализуемости разработанной технологии (технологический аудит) по следующим основным критериям: патентный поиск аналогичных технологий, определение рыночных преимуществ технологии, оценка рыночных перспектив. Системы радиочастотной идентификации на железнодорожном транспорте: радиочастотные метки для идентификации грузовых вагонов в реальном режиме времени; Системы радиочастотной идентификации в Минатом: радиочастотные метки для идентификации составных элементов при строительстве атомных электростанций; Системы управления доступом к критически важным объектам для разграничения прав доступа в категорированные помещения; Системы навигации GPS/ГЛОНАСС, в том числе перспективные образцы навигационной аппаратуры потребителей (НАП); - и др.

Требования ТЗ к базовой технологии выполнены в полном объеме: Наименование параметра Значения, предусмотренные ТЗ Достигнутые значения 1Способ монтажа кристалловклеевые композиции, легкоплавкие припои клеевые композиции, легкоплавкие припои: токопроводящий клей, LTCC, медь, золото, серебро,палладий 2Точность монтажа кристаллов, мкм - для размера кристалла более 1 х 1 мм - для размера кристалла менее 1 х 1 мм ± 100 ± 50 3Размер монтируемых кристаллов, мм от 0,2×0,2 до 10×201,42 х 6,3 х 0,5 мм 3 1,42 х 8,5 х 0,5 мм 3 1,42 х 13,5 х 0,5 мм 3 1,42 х 20 х 0,5 мм 3 4Метод герметизации корпуса-шовно-роликовая сварка в контролируемой атмосфере с «точкой росы» - 65 ºС; - лазерная сварка в защитной атмосфере аргона. -шовно-роликовая сварка в контролируемой атмосфере с «точкой росы» - 65 ºС; лазерная сварка в защитной атмосфере аргона 5Показатель герметичности корпуса по скорости утечки гелия для изделий со свободным внутренним объёмом: - не более 1 см 3, Па м 3 /с - более 1 см 3, Па м 3 /с не более 5 х не более 5 х не более 5 х 10 -9

Параметры и характеристики опытных образцов акустоэлектронных меток в керамике LTCC соответствуют ТЗ: Наименование параметра Значения, предусмотренные ТЗДостигнутые значения 1Номинальная частота, МГц 875 2Разрядность метки Полоса рабочих частот, МГц 30 4Вносимое затухание, дБ. не более Сопротивление нагрузки, Ом 50 6Динамический диапазон, дБ Конструктивное исполнение Метка-модуль в специализированном корпусе SMD из многослойной керамики LTCC интегрированными с элементами приёмо-передающего тракта и специальной экранирующей структурой обеспечивающей множественный доступ, максимальную зону покрытия, помехозащищенность модулей, смонтированных с использованием Flip-chip технологии монтажа Метка-модуль в специализированном корпусе SMD из многослойной керамики LTCC интегрированными с элементами приёмо-передающего тракта и специальной экранирующей структурой обеспечивающей множественный доступ, максимальную зону покрытия, помехозащищенность модулей, смонтированных с использованием Flip-chip технологии монтажа Требования к надёжности 1.- В соответствии с ГОСТ Требования по живучести и стойкости к внешним воздействиям 1-В соответствии с требованиями, предъявляемыми к изделиям в климатическом исполнении УХЛ, категория 3.1 по ГОСТ В соответствии с требованиями, предъявляемыми к изделиям в климатическом исполнении УХЛ, категория 3.1 по ГОСТ

ВЫВОДЫ : 1. ОКР «Метка-Модуль» выполнена в полном соответствии с требованиями ТЗ в сроки, указанные в Ведомости исполнения. 2. Задачи, поставленные в ОКР, выполнены. Цель ОКР достигнута.

Разработанный технологический процесс изготовления корпусов LTCC акустоэлектронных меток состоит из следующих операций. 1) Вырезка заготовок: Так как керамика поставляется в основном в рулонах, то предварительно раскатывается на : Керамики DuPont Green Tape должны быть предварительно подготовлена перед обработкой. Это достигалось сушкой в сушильном шкафу в течение получаса при температуре 120 С. Сушка керамики осуществлялась на несущей майларовой пленке (на которой поставляется керамика и на которой производится ее подсушка в процессе изготовления). Эта пленка должна быть удалена перед прессованием (ламинированием). Эту пленка до удаления используется в качестве трафарета при заполнении (металлизации) отверстий. Если керамика поставляется в листах стандартного размера, то необходимости в операциях вырезки и предварительной подготовки нет. После сушки производится окончательная вырубка заготовки в размер 2) Предварительная подготовка: Керамики DuPont Green Tape должны быть предварительно подготовлена перед обработкой. Это достигалось сушкой в сушильном шкафу в течение получаса при температуре 120 С. Сушка керамики осуществлялась на несущей майларовой пленке (на которой поставляется керамика и на которой производится ее подсушка в процессе изготовления). Эта пленка должна быть удалена перед прессованием (ламинированием). Эту пленка до удаления используется в качестве трафарета при заполнении (металлизации) отверстий. Если керамика поставляется в листах стандартного размера, то необходимости в операциях вырезки и предварительной подготовки нет. После сушки производится окончательная вырубка заготовки в размер 3) Штамповка: Штамповка применяется, чтобы создать базовые отверстия для сборки пакета и отверстия для ориентации заготовок. 4) Формирование отверстий: Пробиваются отверстия на программируемом перфораторе, в подложке формируются необходимые полости, окна и пазы соответствующего размера или диаметра. 5) Заполнение отверстий: Заполнение отверстий проводится на обычной установке трафаретной печати. Для этого заготовка кладется на вакуумный стол установки трафаретной печати. Вакуумный насос удерживает заготовку на столе и оказывает помощь при заполнении отверстий. Диаметр переходного отверстия в этом способе должен быть больше толщины керамики. Наименьший диаметр заполняемого отверстия зависит также от вязкости пасты. При заполнении используются трафареты, которые изготовливаются из 150 – 200 мкм. стальной или бронзовой фольги с использованием программируемого перфоратора. В качестве альтернативы может быть использована майларовая пленка, на которой обычно поставляется керамика.Пасты для заполнения отверстий изготовлены для полного заполнения всего отверстия с учетом усадки керамики при обжиге.

6) Печать: Совместно вжигаемые проводниковые и др. элементы наносятся на стандартной установке трафаретной печати с использованием вакуумного стола для фиксации заготовки. Трафареты изготавливаются на сетках 250 – 325 мкм с толщиной слоя эмульсии 10 – 15 мкм. Пасты для совместно вжигаемых слоев разработаны с учетом усадки керамики в процессе обжига. После печати пасты должны быть высушены в вентилируемом сушильном шкафу или конвейерной сушке при температуре 80 – 120 С в течение 5 – 30 мин. Некоторые пасты должны растечься при комнатной температуре в течение 5 – 10 мин. перед сушкой. В стандартной технологии трафаретной печати достигаются разрешение 100±20 мкм (ширина линий и промежутков). После обработки каждого отдельного слоя следует оптическая инспекция. Таким образом, можно выявить дефектные слои на ранних этапах и отсортировать технологический брак. Для выполнения операций 3)-6) в автоматическом режиме были сформированы данные о топологии каждого слоя корпуса, которые представлены в файлах графического редактора формирования слоев LTCC-корпуса акустоэлектронной метки km16.a, km32.a, km64.a, km128. a (см. Приложение 2). 7) Сборка пакета: Сборка пакета производится в прессформе послойно с использованием вакуумного захвата (Vacuum hand) для позиционирования заготовок на базовых штифтах. 8) Прессование: Прессование производится на изостатическом прессе ILS-6 с устройством вакууммирования пакета при давлении 200 бар в течение 10 мин. (типичное значение). При прессовании глубокие полости и окна заполнялись вставки. 9) Обжиг: Обжиг пакета производится на плоской и гладкой керамической поверхности в конвейерной печи в воздушной атмосфере при максимальной температуре 850 – 875 С. Режим вжигания двухуровневый с промежуточной выдержкой при температуре 450 С для удаления органики. 10) Процессы после обжига: После обжига пакета на наружных слоях формируются и вжигаются проводниковые элементы. Затем производится резка заготовок на платы и их полный электрический контроль.