Detail předmětu

Mikroelektronika a technologie součástek

FEKT-BMTSAk. rok: 2017/2018

Předmět pojednává o moderní elektronické součástkové základně (hardware), s důrazem na získání znalostí a porozumění pasivním i aktivním prvků, včetně jejich integrace zahrnující nejnovější technologie montáže a propojování. Je sestaven tak, aby seznámil studenty se základními principy funkce, od návrhu a výroby až po základní pravidla využití elektronických komponent používaných pro konstrukci moderních elektronických systémů. Jsou zde popsány nejen vrstvové technologie a technologie povrchové montáže, ale také nové způsoby pouzdření a propojování elektronických součástek včetně polovodičových čipů. Dále jsou vysvětleny moderní typy pouzder, jako jsou multičipové moduly, Chip Scale Package, Flip Chip, Wafer Level Packaging a další perspektivní řešení včetně 3D. Pro získání komplexních znalostí a uplatnění v praxi jsou na závěr zařazeny vybrané kapitoly z řízení jakosti a ekologie zaměřené na oblast mikroelektronických technologií. Předmět tak dává ucelený přehled o základech elektronického hardware, od návrhu až po využití. To umožňuje studentům po získání znalostí a porozumění látky jak bezprostřední zapojení do praxe, tak navázat na rozvíjení intelektuálních schopností v magisterském studiu.

Výsledky učení předmětu


Základní znalosti a orientace v oblasti technologie návrhu a výroby moderních elektronických obvodů, zařízení a systémů (hardware), které umožní studentovi definovat, popsat a také vysvětlit a případně vypočítat základní parametry z výše uvedené problematiky.

Student po absolvování předmětu:
1. Vybaví si základní problematiku elektronického hardware, jeho význam, složení a základní princip použití
2. Porozumí a objasní si základní podstatu jednotlivých elektronických součástek a popíše jejich principy realizace a použití
3. Vysvětlí teoretickou funkci základních komponent hardware a identifikuje jeho nejčastěji používané typy, pojmenuje jejich parametry v souvislosti s použitím v různých aplikacích
4. Je schopen navrhnout hybridní integrované obvody, demonstrovat a objasnit základní principy jejich realizace a provedení
5. Zaujímá nebo podporuje stanovisko k vlastní možnosti uplatnění ve výrobních, servisních a návrhových institucích v oblasti mikroelektroniky a elektrotechniky, a rovněž rozvíjí základní prerekvizity pro magisterské studium

Prerekvizity

Student si dokáže vybavit, reprodukovat a popsat základní fyzikální principy z oblasti elektřiny a magnetismu, a je také schopen vlastními slovy vyjádřit a objasnit základní pojmy z oblasti elektrotechnologie.

Doporučená nebo povinná literatura

Szendiuch,I.: Mikroelektronika a technologien součástek, Skriptum VUR vBrně, ÚMEL, ISBN 978-80-214-3960-3 (CS)
Szendiuch,I.: Mikroelektronické montážní technologie, VUTIUM, 1997 (CS)
Szendiuch, I. Technologie elektronických obvodů a systémů. 1 vyd. Brno: Nakladatelství VUTIUM, Brno, 2007. ISBN 80-214-3292-6 (CS)
Tummala, R.: Fundamentals of Microsystems Pacakaging, McGraw-Hill, New York, 2001, ISBN 0-07-137169- (EN)

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT. Zahrnují přednášky, laboratoře a cvičení, včetně krátkého odborného překladu. Předmět využívá e-learning (Moodle). Student odevzdává jeden samostatný projekt.

Způsob a kritéria hodnocení

Podmínky pro úspěšné ukončení předmětu stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Jazyk výuky

čeština

Osnovy výuky

1. Úvod do konstrukce a pouzdření elektronických mikrosystémů – moderní hardware. Vývoj mikroelektronických technologií a význam pouzdření. Stupňující se role tepelného managementu v mikroelektronice. Související legislativa, vliv elektrotechniky na zdraví a životní prostředí. Pravidla pro návrh hybridního integrovaného obvodu.
2. Vrstvové integrované obvody - tlusté vrstvy. Fyzikální podstata a funkce tlustých vrstev, cermetové a polymerní struktury. Význam v realizaci pasivních sítí - parametry a vlastnosti (vrstvový odpor a trimování rezistorů). Princip sítotisku jako nevakuového způsobu vytváření tlustovrstvových struktur, základní parametry a vlastnosti, význam reologie.
3. Vrstvové integrované obvody - tenké vrstvy. Princip a význam tenkovrstvových struktur pro mikroelektroniku. Fyzikální depoziční metody pro vytváření tenkých vrstev, vakuové napařování a naprašování. Vznik struktury a mechanizmus vodivosti. Význam realizace pasivních sítí - parametry a vlastnosti. Vrstvový odpor a jeho měření.
4. Polovodičové čipy jako základ aktivních součástek. Základní princip a konstrukce polovodičových čipů, jejich osazování a připojování. Pouzdření čipů. Metody kontaktování ultrazvukem a termokompresí. Speciální provedení polovodičových součástek - Flip Chip, Beam Lead, Tape Automated Bonded, Wafer Level Packaging.
5. Perspektivní pasivní součástky pro elektroniku. Rezistor, kondenzátor, induktor - fyzikální představitelé, základní parametry a jejich chování v obvodech. Konstrukce a provedení - diskrétní, integrované, sdružené, násobné atd. Charakteristiky, volba a specifika použití. Vývojové trendy a integrace.
6. Pouzdra a substráty. Význam substrátu pro pouzdření (organické, anorganické, křemíkové) - různé úrovně pouzdření. Pevné a flexibilní substráty. Základní parametry pouzder, vlastnosti - koeficient tepelné roztažnosti. Typy pouzder a provedení jejich vývodů – DIL, SOIC, SOT, PGA, BGA, QFN , atd. Vývoj pouzdření – SOC, SOP a 3D pouzdra.
7. Propojování v elektronice – elektrické spoje. Pájení, pájky a pájecí procesy. Měkké a tvrdé pájení a význam tavidel. Pájení vlnou, přetavením a ruční – zásady a základní parametry. Lepidla pro elektroniku – nevodivá, elektricky vodivá a tepelně vodivá. Jakost pájených spojů a jejich testování v elektronických obvodech.
8. Montážní technologie - povrchová montáž. Základní princip a charakteristiky. Součástková základna, pouzdra s páskovými, kulovými a plošnými vývody. Vývoj pasivních součástek pro povrchovou montáž. Technologický postup v povrchové montáži – nanášení pájecí pasty, osazování, přetavení, čištění a testování.
9. Řízení jakosti v elektrotechnických výrobách a legislativa. Výskyt chyb, jejich záznam a vyhodnocování, matematický přístup k ppm. Statistické řízení jakosti a nástroje jakosti. Poruchy v elektronických výrobách, výskyt a třídění poruch. Kontrola a kontrolní systémy, optické a elektronické.
10. Ekodesign a lidské zdraví. Ekologický návrh elektrotechnických výrobků. Sledování životního prostředí, ekologický návrh a zacházení s elektrotechnickými odpady. Podmínky udělování shody a označení CE. Legislativa EU, normy RoHS, WEEE a EuP. Zdraví a elektrotechnický odpad.

Cíl

Seznámit studenty se základy technologie mikroelektronických součástek, obvodů a systémů v míře nezbytné jak pro zapojení do praxe, tak pro pokračování studia v magisterském studijním programu

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Teoretické cvičení probíhá v počítačové laboratoři, laboratorní cvičení v laboratoři mikroelektronických technologií a pouzdření, vždy ve skupinách max. 5 studentů dle časového plánu stanoveného na začátku semestru. Náhrada je možná pouze po osobní dohodě s vyučujícím ve výjimečných případech (na základě předložení lékařského potvrzení)

Teoretické cvičení – návrh hybridního integrovaného obvodu a software ANSYS:
1. Návrh topologie tlustovrstvového HIO na základě vlastního vybraného schéma elektronického obvodu.
2. Demonstrativní aplikace software ANSYS pro teplotní simulaci a analýzu elektronických pouzder.

Laboratorní cvičení – realizace hybridního integrovaného obvodu:
1. Školení bezpečnosti práce v laboratoři, návod na psaní protokolů včetně ukázky vzorového protokolu. Seznámení s laboratoří.
2. Návrh HIO na PC v programu EAGLE, každý student má svůj obvod, včetně knihoven, součástek a routování.
3. Příprava realizace tlustovrstvové pasivní sítě na keramickém substrátu, sítotiskové pasty, výroba sít, sítotisk, výpal.
4. Realizace pasivní sítě - pece v laboratoři a jejich principy, tisk pasty, osazení, pájení, měření teplotního profilu, ruční pájení a pájení vývodů, oživení obvodů, optická kontrola pájených spojů.
5. Testování a kontrola realizovaných integrovaných obvodů. Měření vrstvového odporu, měření TKR a izolačního odporu, dostavování TLV rezistorů, ukázky pouzdření zaléváním a fluidizací.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-B bakalářský

    obor B-EST , 3. ročník, zimní semestr, 6 kreditů, volitelný mimooborový
    obor B-MET , 3. ročník, zimní semestr, 6 kreditů, povinný

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1. ročník, zimní semestr, 6 kreditů, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor