Folia ceramiczna o niskiej stałej dielektrycznej


ZESPÓŁ AUTORSKI:

SIEĆ BADAWCZA ŁUKASIEWICZ – INSTYTUT TECHNOLOGII ELEKTRONOWEJ (obecnie SIEĆ BADAWCZA ŁUKASIEWICZ – INSTYTUT MIKROELEKTRONIKI I FOTONIKI

  • Beata Synkiewicz-Musialska - kierownik zespołu,
  • Dorota Szwagierczak,
  • Jan Kulawik,
  • Libu Manjakkal

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Przedmiotem wynalazku jest nowy materiał w postaci elastycznej folii, która po obróbce termicznej stanowi ceramiczne podłoże dla układów elektronicznych pracujących w ultra wysokich częstotliwościach. Właśnie takie częstotliwości odpowiadają nowoczesnym systemom telekomunikacji 5G i 6G. Dzięki specyficznym właściwościom elektrycznym i zastosowanej wielowarstwowej technologii wytwarzania, podłoże tego typu pozwala osiągnąć postęp w zakresie szybkości przesyłania sygnału, miniaturyzacji układów i ich niezawodności. Dostępność komercyjnych folii dedykowanych do podobnych zastosowań jest bardzo ograniczona, co stwarza zapotrzebowanie na tego typu materiały.

ISTOTA WYNALAZKU

Przedmiotem wynalazku jest elastyczna folia przeznaczona do wytwarzania w niskich temperaturach podłoży ceramicznych dla układów mikrofalowych. Podłoża te po procesie obróbki termicznej stanowią kompozyt odznaczający się niską wartością tzw. stałej dielektrycznej - stałej materiałowej, która decyduje o pojemności kondensatora zawierającego ten materiał pomiędzy okładkami . Kompozyt ma w składzie materiały ceramiczne - kordieryt i mulit oraz szkło boro-krzemowe. Podłoża wytwarza się przy użyciu technologii LTCC (ceramika współwypalana w niskich temperaturach). Jest to zaawansowana, a zarazem niedroga metoda wytwarzania wielowarstwowych podłoży i obudów dla elektronicznych układów w telekomunikacji i motoryzacji, a także wielowarstwowych biernych elementów elektronicznych, przede wszystkim kondensatorów. W technologii tej folie ceramiczne otrzymuje się w wyniku odlewania na płaską powierzchnię gęstej masy zawierającej proszek ceramiczny o właściwościach elektrycznych lub magnetycznych odpowiednich dla danego zastosowania oraz dodatki organiczne zapewniające folii odpowiednie właściwości mechaniczne. Folia po procesie suszenia jest elastyczna, może być zwinięta w rolkę i przechowywana przez kilka tygodni, cięta na arkusze (można również łatwo wycinać w niej otwory). Stwarza to możliwość wytwarzania wielowarstwowych podłoży o zróżnicowanych wymiarach i kształtach, z otworami, wnękami i kanałami. Arkusze surowej, niewypalonej folii układa się w stos, laminuje i wypala wspólnie z naniesionymi metodą sitodruku warstwami metalicznymi stanowiącymi połączenia elektryczne w układzie. Kombinacja różnych elementów elektronicznych w jednym wielowarstwowym ceramicznym module LTCC obniża koszty produkcji, zapewnia miniaturyzację, wielofunkcyjność i wysoką niezawodność w trudnych warunkach eksploatacji. Niska temperatura wypalania stosowana w technologii LTCC w zakresie 650-1000°C zmniejsza koszty wytwarzania i sprzyja ochronie środowiska.
Intensywny rozwój komunikacji bezprzewodowej jest związany z ciągłym wzrostem częstotliwości przesyłanych sygnałów w celu szybszej transmisji wielkiej ilości danych. Nowoczesne systemy komunikacji 5G i 6G stosują sygnały ultra wysokiej częstotliwości, rzędu gigaherców i teraherców, odpowiadające mikrofalom i falom milimetrowym. Obszerny zakres zastosowań tych systemów obejmuje: telefonię komórkową, radary, sieci komputerowe, systemy radiolokacji i nawigacji. Podłoża używane w w.w. technologiach powinny charakteryzować się ściśle określonymi właściwościami elektrycznymi, a równocześnie być wytwarzane w sposób pozwalający na miniaturyzację i wysoki stopnień integracji oraz zmniejszenie kosztów produkcji i zanieczyszczenia środowiska. Podstawowe znaczenie dla transmisji sygnałów z dużą częstotliwością, ma użycie materiałów o niskiej stałej dielektrycznej i niskim współczynniku strat. Niska stała dielektryczna podłoża umożliwia zwiększenie szybkości transmisji sygnału oraz miniaturyzację dzięki zbliżeniu tzw. linii sygnałowych. Niski współczynnik strat, charakteryzujący straty energii rozpraszane w postaci ciepła, przyczynia się do ograniczenia zużycia energii i zwiększenia stabilności pracy całego urządzenia. Olbrzymi postęp w miniaturyzacji możliwy dzięki rozwojowi półprzewodnikowych układów scalonych jest często hamowany przez brak odpowiednich materiałów ceramicznych na podłoża układów mikrofalowych. Folia ceramiczna przedstawiona w wynalazku spełnia wymagania dotyczące zarówno właściwości dielektrycznych podłoży dla układów mikrofalowych, jak i niskich kosztów wytwarzania, a przede wszystkim miniaturyzacji.

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Ze względu na dynamiczny rozwój komunikacji bezprzewodowej i ograniczoną ofertę komercyjnych folii ceramicznych przeznaczonych dla mikrofalowych układów wytwarzanych technologią LTCC, potencjał komercjalizacyjny wynalazku jest znaczący. Warunkiem przygotowania oferty komercjalizacyjnej jest przeprowadzenie optymalizacji parametrów wytwarzania i obróbki termicznej folii na skalę szerszą niż laboratoryjna oraz wykonanie testów charakteryzujących w szerokim zakresie właściwości elektryczne, termiczne i mechaniczne dla prototypowej serii folii i podłoży LTCC wykonanych na bazie opisu wynalazku.