Laboratorio de presión en sala limpia para embalaje a nivel de obleas, chips y sistemas

Tecnología de dispensación para el proceso Dam&Fill a nivel de oblea, PCB o nivel de chip.© Fraunhofer ENAS

Cadena de proceso CAD/CAM para el recubrimiento de objetos 3D, aquí demostrada con un ejemplo de sensores de campo magnético en una tapa de engranaje. © Fraunhofer ENAS

Impresión por aerosol jet de materiales de soldadura de nanopartículas (aquí Ag y Sn) en sustratos de forma cilíndrica en un soporte de sustrato. © Fraunhofer ENAS

El Instituto Fraunhofer para Sistemas Electrónicos a Nanoescala ENAS combina en la ubicación de Chemnitz, en un nuevo laboratorio de salas limpias, tecnologías de impresión para el encapsulado de componentes microelectrónicos a nivel de obleas, chips y sistemas. Con diversos procesos aditivos y una nueva planta en grupo para la deposición de materiales conformes en 3D en un entorno de laboratorio con bajo contenido de partículas, el instituto de investigación ofrece una cadena de procesos única en su alcance para el desarrollo y la ejecución de procesos de impresión para la tecnología de montaje y conexión.

Tecnologías de impresión en el proceso de encapsulado

Las tecnologías de impresión permiten, en contraste con las tecnologías de encapsulado tradicionales, el uso de nuevos materiales y una mayor variedad en la selección de sustratos. Dado que hoy en día muchos materiales están disponibles en forma de pasta y, por lo tanto, no son aplicables en los métodos tradicionales de deposición para el encapsulado, cada vez se enfoca más en la integración de procesos aditivos en los procesos de encapsulado de componentes microelectrónicos. Estos procesos permiten el uso de tintas con nanopartículas, productos químicos, materiales sensoriales como pastas de CNT, así como pastas de soldadura, materiales conductores y aislantes, incluso en combinación entre sí. Además, la selección y forma de los sustratos se amplía mediante el uso de procesos de impresión, ya que ahora es posible depositar materiales en superficies 2D, 3D o topográficas en chips y obleas. Otra ventaja radica en la fabricación sin máscaras y, por tanto, en la rápida transición del concepto al prototipo.

Para aprovechar al máximo estas nuevas posibilidades en el encapsulado de microelectrónica, Fraunhofer ENAS ha establecido un laboratorio completo de impresión con una cadena de procesos en atmósfera de sala limpia. El laboratorio es único en este alcance y permite un proceso casi libre de partículas para la construcción de conjuntos miniaturizados y altamente funcionales mediante procesos aditivos.

Ejemplos de investigación y desarrollo

En Fraunhofer ENAS se investiga desde hace diez años la aplicación de tecnologías de impresión para el encapsulado de componentes microelectrónicos. »Las tecnologías aditivas como la serigrafía y los procesos de dispensado ya forman parte desde hace muchos años de la cadena de procesos para el encapsulado de componentes electrónicos, por ejemplo, en la aplicación de capas intermedias de vidrio para procesos de unión o en materiales de encapsulado para proteger conexiones de alambre sensibles. Pero también los desarrollos actuales, como la miniaturización, la integración 3D y la integración de diferentes bloques funcionales en un denominado »Sistema en Paquete«, exigen nuevos materiales y, por tanto, nuevas tecnologías«, explica Frank Roscher, subdirector del departamento de Empaquetado de Sistemas en Fraunhofer ENAS.

Gracias al uso de tecnologías de fabricación aditiva innovadoras, los científicos han logrado impulsar el desarrollo de las tecnologías de encapsulado. Hasta ahora, se han equipado conjuntos pasivos de encapsulado con funciones eléctricas, por ejemplo, una circuitería eléctrica con sensores de campo magnético directamente en una tapa de transmisión inyectada, o se han desarrollado enfoques para procesos de bajo-temperatura basados en nanopartículas para reducir la temperatura de unión mediante efectos nano, o implementar estructuras de pilares con una alta relación de aspecto. La reducción del espacio requerido para estructuras de marcos de unión se logró mediante la optimización del proceso de serigrafía, y materiales especiales para conjuntos ópticos se depositaron con la máxima precisión en sustratos, permitiendo que el método digital de aerosol jet realice recubrimientos individuales en píxeles ópticos.

Aspectos destacados en el laboratorio de impresión en condiciones de sala limpia

En el nuevo laboratorio de sala limpia, completamente equipado y diseñado recientemente en Chemnitz, Fraunhofer ENAS combina una variedad de procesos aditivos. La atmósfera de sala limpia garantiza un transporte de sustratos con bajo contenido de partículas desde el pretratamiento hasta las instalaciones de deposición y las etapas de secado. Además de los procedimientos de impresión por malla y pantallas, se disponen robots X-Y para dispensar pastas de soldadura, materiales conductores y aislantes, materiales de encapsulado o adhesivos.

El desarrollo más reciente de la planta es una instalación en grupo para la deposición de materiales conformes en 3D en sustratos complejos para la construcción de sistemas electrónicos tridimensionales. Los investigadores combinan procesos de chorro y extrusión con un sistema de manipulación de cinco ejes para, entre otros, mejorar obleas planas y estructuradas, placas de circuito, componentes electrónicos individuales o chips, o incluso sustratos complejos en 3D mediante moldeo por inyección, con la finalidad de darles funciones eléctricas, o construir directamente los sustratos desde la impresora 3D integrada. Para la integración de componentes SMD, se ha incorporado una herramienta de colocación y recogida en la línea de proceso para montar componentes pasivos y activos en cuerpos tridimensionales. En proyectos en curso, Fraunhofer ENAS desarrolla ahora el control del proceso y evalúa las combinaciones de materiales para demostrar las posibilidades industriales, por ejemplo, con una cubierta de transmisión funcional. Ya se han demostrado conductores directamente sobre piezas de moldeo por inyección. Esto ha permitido al equipo de investigación implementar circuitos eléctricos complejos con sensores de campo magnético para detectar la posición de marcha y demostrar la viabilidad de funcionalizar conjuntos que anteriormente eran pasivos.

La deposición de alta precisión se realiza mediante un proceso de aerosol jet bien establecido. Con este método, se pueden depositar tintas con nanopartículas con resoluciones de hasta 10 µm de ancho de línea en sustratos planares y topográficos. En proyectos cerrados, el equipo logró, entre otras cosas, reemplazar conexiones de alambre típicas mediante interconexiones impresas entre sensores/electrónica y placas de circuito.

Por primera vez, la fabricación aditiva puede utilizarse en un proceso sin partículas para el desarrollo de aplicaciones miniaturizadas y altamente funcionales, procesos personalizados, pruebas de materiales y producción de muestras.