Laboratoire de pression en salle blanche pour l'emballage au niveau des wafers, des puces et des systèmes

Technologie de dispersion pour le processus Dam&Fill au niveau des wafers, PCB ou niveau puce.© Fraunhofer ENAS

Chaîne de processus CAD/CAM pour le revêtement d'objets 3D, ici illustrée par un exemple de capteur de champ magnétique sur un couvercle de boîte de vitesses. © Fraunhofer ENAS

Impression par jet d'aérosol de matériaux de soudure nanoparticulaires (ici Ag et Sn) sur des substrats de forme cylindrique dans un porte-substrat. © Fraunhofer ENAS

Le Fraunhofer-Institut pour les systèmes électroniques nanométriques ENAS combine sur le site de Chemnitz, dans un nouveau laboratoire de salle blanche, des technologies d'impression pour l'emballage de composants microélectroniques à l'échelle des wafers, des puces et des systèmes. Avec différentes méthodes additives et une nouvelle installation en cluster pour le dépôt de matériaux conformes en 3D dans un environnement de laboratoire à faible émission de particules, l'institut de recherche offre une chaîne de processus unique en son genre pour le développement et la mise en œuvre de processus d'impression pour la technologie d'assemblage et de connexion.

Technologies d'impression dans le processus d'emballage

Les technologies d'impression permettent, contrairement aux technologies d'emballage traditionnelles, d'utiliser de nouveaux matériaux et une plus grande diversité dans le choix des substrats. Étant donné qu'aujourd'hui de nombreux matériaux sont disponibles sous forme de pâte et ne peuvent donc pas être appliqués par des procédés classiques de dépôt pour l'emballage, l'accent est de plus en plus mis sur l'intégration de procédés additifs dans les processus d'emballage de composants microélectroniques. Ces procédés permettent l'utilisation d'encres à nanoparticules, de produits chimiques, de matériaux sensoriels comme les pâtes CNT, mais aussi de pâtes à souder, de matériaux conducteurs et isolants, même en combinaison. De plus, le choix et la forme des substrats s'élargissent grâce à l'utilisation de procédés d'impression, car il devient possible de déposer des matériaux sur des surfaces 2D, 3D ou topographiques sur des puces et des wafers. Un autre avantage réside dans la fabrication sans masque, permettant une transition rapide du concept au prototype.

Pour exploiter pleinement ces nouvelles possibilités dans l'emballage microélectronique, Fraunhofer ENAS a mis en place un laboratoire d'impression complet avec une chaîne de processus sous atmosphère de salle blanche. Ce laboratoire est unique en son genre et permet un processus quasi sans particules pour la construction de modules miniaturisés et hautement fonctionnels par des procédés additifs.

Exemples de recherche et développement

Depuis dix ans, le Fraunhofer ENAS étudie l'application des technologies d'impression pour l'emballage de composants microélectroniques. « Les technologies additives telles que la sérigraphie et la dispense sont déjà intégrées depuis de nombreuses années dans la chaîne de processus d'emballage de composants électroniques, par exemple pour l'application de couches intermédiaires en verre pour les processus de liaison ou de matériaux de encapsulage pour la protection des fils sensibles. Mais aussi les développements actuels, tels que la miniaturisation, l'intégration 3D et l'intégration de différents blocs fonctionnels dans un « système en package », nécessitent de nouveaux matériaux et donc de nouvelles technologies », explique Frank Roscher, directeur adjoint du département Packaging système chez Fraunhofer ENAS.

Grâce à l'utilisation de technologies de fabrication additive innovantes, les chercheurs ont pu faire progresser le développement des technologies d'emballage. Par exemple, des modules passifs d'emballage avec des fonctions électriques ont été équipés, comme un circuit électrique avec des capteurs de champ magnétique directement sur un couvercle de transmission moulé par injection, ou des approches pour des procédés de dépôt à basse température à base de nanoparticules ont été développées pour réduire la température de fusion grâce aux nano-effets, ou encore des structures à piliers à haut rapport d'aspect ont été réalisées. La place nécessaire pour les structures de cadre de liaison a été réduite grâce à l'optimisation du processus de sérigraphie, et des matériaux spéciaux pour des modules optiques ont été déposés avec la plus grande précision sur des substrats, le procédé numérique Aerosol Jet permettant de recouvrir individuellement des pixels optiques.

Points forts du laboratoire d'impression en conditions de salle blanche

Dans le nouveau laboratoire de salle blanche entièrement équipé, Fraunhofer ENAS combine désormais une multitude de processus additifs. L'atmosphère de salle blanche garantit un transport de substrats à faible émission de particules, de la pré-traitement aux équipements de dépôt en passant par les unités de séchage. Outre la sérigraphie et l'impression par pochoir, des robots X-Y sont disponibles pour la dispense de pâtes à souder, de matériaux conducteurs et isolants, de matériaux de encapsulage ou d'adhésifs.

La dernière évolution de l'installation est une unité en cluster pour le dépôt de matériaux conformes en 3D sur des substrats complexes, afin de construire des systèmes électroniques tridimensionnels. Les chercheurs combinent pour cela des procédés de jetting et d'extrusion avec un système de manipulation à cinq axes, afin de vernir, par exemple, des wafers planaires et structurés, des circuits imprimés, des composants électroniques ou des substrats complexes en 3D issus de l'injection, avec des fonctions électriques ou de construire directement les substrats à partir de l'imprimante 3D intégrée. Pour l'intégration de composants SMD, un outil de pick-and-place a été intégré dans la chaîne de processus pour monter des composants passifs et actifs sur des corps tridimensionnels. Dans le cadre de projets en cours, Fraunhofer ENAS développe la gestion du processus et évalue les combinaisons de matériaux pour démontrer, à l'exemple d'un couvercle de transmission fonctionnel, les possibilités d'application industrielle. Des lignes conductrices ont déjà été démontrées directement sur des pièces moulées par injection. L'équipe de chercheurs a ainsi pu réaliser des circuits électriques complexes avec capteurs de champ magnétique pour détecter la position de marche et démontrer la faisabilité de la fonctionnalisation de modules passifs jusqu'ici.

Une déposition de haute précision est réalisée par un procédé Aerosol Jet bien établi. Avec cette technique, il est possible de déposer des encres contenant des nanoparticules avec des résolutions allant jusqu'à 10 µm de largeur de ligne sur des substrats plans et topographiques. Dans le cadre de projets clôturés, l'équipe a notamment réussi à remplacer des fils de liaison typiques par des interconnexions imprimées entre le capteur/l'électronique et la carte de circuit imprimé.

Pour la première fois, la fabrication additive peut être utilisée en un seul passage sans particules pour le développement d'applications miniaturisées et hautement fonctionnelles, de processus sur mesure, pour des tests de matériaux et la fabrication de prototypes.