Čistírna pro tlakové laboratoře pro balení na úrovni waferů, čipů a systémů

Dispenzní technologie pro proces Dam&Fill na úrovni waferu, PCB nebo čipové úrovni.© Fraunhofer ENAS

CAD/CAM procesní řetězec pro povlakování 3D objektů, zde na příkladu magnetické senzory na krytu převodovky demonstrováno. © Fraunhofer ENAS

Aerosol-Jet tisk nanopartiklových spojovacích materiálů (zde Ag a Sn) na válcovité substráty v držáku substrátu. © Fraunhofer ENAS

Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS kombinuje na místě v Chemnitz v novém čistém prostoru laboratoře pro tiskové technologie pro balení mikroelektronických součástek na úrovni waferu, čipu a systému. S různými aditivními metodami a novým clusterovým zařízením pro 3D-konformní vrstvení materiálů v prostředí s nízkým obsahem částic nabízí výzkumný ústav jedinečný procesní řetězec v této míře pro vývoj a realizaci tiskových procesů pro konstrukční a spojovací techniku.

Tiskové technologie v procesu balení

Tiskové technologie umožňují na rozdíl od tradičních technologií balení využití nových materiálů a větší rozmanitosti při výběru substrátů. Protože dnes je mnoho materiálů dostupných ve formě pasty a není možné je běžně aplikovat pomocí konvenčních metod nanášení při balení, stále více se zaměřuje na integraci aditivních metod do procesů balení mikroelektronických součástek. Tyto metody umožňují použití nanopartikulárních inkoustů, chemikálií, senzorických materiálů, jako jsou CNT pasty, ale také pájky, elektricky vodivé a izolační materiály, a to i v kombinaci. Navíc se rozšiřuje výběr a tvar substrátů díky použití tiskových metod, protože nyní je možné nanášet materiály na 2D, 3D nebo topografické povrchy na čipech a waferech. Další výhodou je výroba bez maskování a tím rychlejší přechod od konceptu k prototypu.

Pro plné využití těchto nových možností v mikroelektronickém balení vybudoval Fraunhofer ENAS kompletní tiskovou laboratoř s procesním řetězcem v prostředí s čistým vzduchem. Tato laboratoř je v této míře jedinečná a umožňuje téměř bezčásticový proces pro konstrukci miniaturizovaných a vysoce funkčních sestav pomocí aditivních metod.

Příklady výzkumu a vývoje

Na Fraunhofer ENAS se již deset let zkoumá použití tiskových technologií pro balení mikroelektronických součástek. »Aditivní technologie, jako je sítotisk a dispensační metody, jsou již po mnoho let pevnou součástí procesního řetězce pro balení elektronických součástek, například při nanášení skleněných mezivrstvách pro bondingové procesy nebo při nanášení zapouzdřovacích materiálů na ochranu citlivých drátových spojů. Ale i aktuální vývoje, jako je miniaturizace, 3D integrace a integrace různých funkčních bloků v tzv. »System in Package«, vyžadují nové materiály a tím i nové technologie.«, říká Frank Roscher, zástupce vedoucího oddělení systémového balení na Fraunhofer ENAS.

Pomocí nových aditivních výrobních technologií se vědcům podařilo posunout vývoj balicích technologií vpřed. Tak například byly dosud pasivní sestavy balení vybaveny elektrickými funkcemi, například byla přímo na vstřikovaném krytu převodovky vytvořena elektrická obvodová součást s magnetickými senzory nebo vyvinuty přístupy pro nízkoteplotní lití na bázi nanopartiklů, aby se snížila teplota spojování díky nanoefektům, nebo realizovat pilířové struktury s vysokým poměrem stran. Velikost prostoru pro struktury bond rámců se díky optimalizaci procesu sítotisku zmenšila a speciální materiály pro optické sestavy byly nanášeny s nejvyšní přesností na substráty, přičemž digitální aerosol-jet metoda umožňuje individuální nanášení jednotlivých optických pixelů.

Hlavní body v tiskové laboratoři za podmínek s čistým prostředím

V nově navržené a plně vybavené čisté místnosti laboratoře v Chemnitz kombinuje Fraunhofer ENAS nyní řadu aditivních procesů. Celé prostředí s čistým vzduchem zajišťuje nízkorušivý transport substrátů od předzpracování přes nanášecí zařízení až po sušící stanice. Kromě sítotiskových a šablonových metod jsou k dispozici XY roboty pro nanášení pájek, elektricky vodivých a izolačních materiálů, zapouzdřovacích materiálů nebo lepidel.

Nejnovější vývoj zařízení je clusterové zařízení pro 3D-konformní vrstvení materiálů na složitých substrátech pro konstrukci trojrozměrných elektronických systémů. Výzkumníci kombinují metody Jetting a extruze s pětiosým manipulačním systémem, aby například povrchové a strukturované wafery, desky plošných spojů, jednotlivé elektronické komponenty/čipy nebo složité trojrozměrné substráty z vstřikovaného materiálu s elektrickými funkcemi zdokonalili nebo přímo vytvářeli substráty z integrovaného 3D tiskárny. Pro integraci SMD součástek byl do procesu začleněn pick-and-place nástroj, který umožňuje montáž pasivních a aktivních součástek i na trojrozměrných objektech. V aktuálních projektech vyvíjí Fraunhofer ENAS řídicí proces a hodnotí kombinace materiálů, aby na příkladu funkčního krytu převodovky demonstrovali průmyslové možnosti použití. Již dnes byly předvedeny vodivé dráhy přímo na vstřikovaných dílech. Tím se tým podařilo realizovat složité elektrické obvody s magnetickými senzory pro detekci polohy převodovky a ukázat proveditelnost funkčního rozšíření dosud pasivních sestav.

Vysoce přesné nanášení je realizováno dobře zavedeným aerosol-jet procesem. Pomocí tohoto postupu je možné nanášet inkousty obsahující nanopartikulární materiály s rozlišením až 10 µm linek na ploché i topografické substráty. V uzavřených projektech se týmu podařilo mimo jiné nahradit typické drátové spoje pomocí tištěných interconnectů mezi senzory/elektronikou a plošnými spoji.

Poprvé může aditivní výroba být využita v bezčásticovém průchodu pro vývoj miniaturizovaných a vysoce funkčních aplikací, zakázkových procesů, testování materiálů a výroby vzorků.