Személyre szabott nyomástechnikai laboratórium a csomagoláshoz, szilícium- és rendszer szinten

Dispenstechnológia a Dam&Fill folyamatokhoz Wafer szinten, PCB-k vagy chipek szinten.© Fraunhofer ENAS

CAD/CAM-folyamatlánc a 3D-objektumok bevonására, itt egy mágneses mező érzékelő példáján keresztül bemutatva a hajtóműfedélen. © Fraunhofer ENAS

Aeroszol-jet nyomtatás nanopartikuláris forrasztóanyagokkal (itt Ag és Sn) henger alakú alátéteken, alátét tartóban. © Fraunhofer ENAS

A Fraunhofer Intézet az Elektronikus Nanoszámítógépekért ENAS egy új tisztatéri laborban kombinálja a nyomtatási technológiákat a mikroelektronikai komponensek csomagolására, wafer-, chip- és rendszer szinten. Különböző aditív eljárásokkal és egy új klaszterberendezéssel, amely 3D-konform anyagbevonást tesz lehetővé részecskementes laboratóriumi környezetben, az intézet egy olyan egyedülálló folyamatláncot kínál a nyomtatási folyamatok fejlesztéséhez és végrehajtásához az összeszerelési és kapcsolási technológiák területén.

Nyomtatási technológiák az összeszerelési folyamatban

A nyomtatási technológiák lehetővé teszik a hagyományos összeszerelési technológiákkal szemben az új anyagok alkalmazását és a substrátumok szélesebb választékát. Mivel ma sok anyag pasztás formában érhető el, és ezáltal nem alkalmazhatók hagyományos bevonási eljárások az összeszerelés során, egyre inkább a hangsúly az aditív eljárások integrálására helyeződik mikroelektronikai alkatrészek összeszerelési folyamataiba. Ezek az eljárások lehetővé teszik nanorészecske-ceruzák, vegyi anyagok, érzékelő anyagok, például CNT paszták, de akár forraszpaszták, elektromosan vezető és szigetelő anyagok alkalmazását is, akár kombinálva is. Emellett a nyomtatási eljárások alkalmazásával a substrátumok választéka és formája is bővül, mivel most már lehetőség van anyagok bevonására 2D-, 3D- vagy topográfiai felületeken chipeken és wafereken. Egy másik előny a maszkolás nélküli gyártás, ami gyors átállást tesz lehetővé a koncepciótól a prototípusig.

Az új lehetőségek teljes körű kihasználása érdekében a Fraunhofer ENAS egy teljes nyomtatási laboratóriumot hozott létre egy folyamatlánccal, amely tisztatéri atmoszférában működik. Ez a laboratórium ebben a formában egyedülálló, és szinte részecskementes folyamatot biztosít a miniaturizált és magas funkcionálisítású szerelvények aditív eljárásokkal történő felépítéséhez.

Kutatási és fejlesztési példák

A Fraunhofer ENAS tíz éve kutatja a nyomtatási technológiák alkalmazását mikroelektronikai komponensek csomagolására. »A szitázási és adagolási technológiák már régóta szerves részét képezik az elektronikai összeszerelési folyamatláncnak, például üveg közbenső rétegek felvitelére kötési folyamatokhoz vagy tömítőanyagok alkalmazására érzékeny drótbondok védelmére. De a legújabb fejlesztések, mint a miniaturizálás, a 3D-Integráció és a különböző funkcionális egységek integrálása egy ún. »System in Package«-ben, új anyagokat és ezáltal új technológiákat tesznek szükségessé«, mondja Frank Roscher, a Fraunhofer ENAS rendszercsomagolási osztályának helyettes vezetője.

Az új aditív gyártástechnológiák alkalmazásával a kutatók sikeresen fejlesztették tovább a csomagolási technológiákat. Így például passzív összeszereléseket láttak el elektromos funkciókkal, például egy elektromos áramkört mágneses mezőérzékelőkkel közvetlenül a fröccsöntött fogaskerékfedélre, vagy fejlesztettek nanorészecskék alapú alacsony hőmérsékletű ragasztási eljárásokat a kötési hőmérséklet nanoeffektusokkal történő csökkentése érdekében, illetve pillérstruktúrákat magas arányú aspektusú kialakításban. A Bondkeret-struktúrák helyigénye a szitázási technológia optimalizálásával csökkenthető volt, és különleges anyagokat optikai összeszerelési egységekhez a legnagyobb precizitással lehetett bevonni substrátumokra, miközben a digitális aeroszol-jet eljárás lehetővé teszi az egyedi optikai pixelek bevonását.

Csúcsok a nyomtató laboratóriumban tisztatéri körülmények között

Az újonnan tervezett és teljesen felszerelt tisztatéri laboratóriumban a Chemnitz-i helyszínen a Fraunhofer ENAS számos aditív folyamatot kombinál. Ez a teljes tisztatéri atmoszféra biztosítja a részecskementes szállítást az alkatrészek előkezelésétől a bevonási berendezésekig és a szárító szakaszokig. A szitázási és sablonszórási eljárások mellett X-Y robotok állnak rendelkezésre forraszpaszták, elektromosan vezető és szigetelő anyagok, tömítőanyagok vagy ragasztók adagolására.

A legújabb berendezésfejlesztés egy klaszterberendezés, amely 3D-konform anyagbevonást tesz lehetővé összetett alkatrészeken, háromdimenziós elektronikus rendszerek felépítéséhez. A kutatók jetting- és extrudálási eljárásokat kombinálnak egy öt-tengelyes kezelőrendszerrel, hogy például lapos és strukturált wafer-eket, vezetőlapokat, egyedi elektronikai komponenseket/-chip-eket vagy összetett háromdimenziós alkatrészeket, például fröccsöntött részeket elektromos funkciókkal díszítsenek, vagy az alkatrészeket közvetlenül az integrált 3D nyomtatóból építsék fel. Az SMD-alkatrészek integrálására egy pick-and-place eszközt is beépítettek a folyamatláncba, hogy passzív és aktív komponenseket is fel tudjanak szerelni háromdimenziós felületeken. Folyamatban lévő projektekben a Fraunhofer ENAS a folyamatirányítást fejleszti és értékeli az anyagkombinációkat, hogy például egy funkcionális fogaskerékfedél példáján keresztül demonstrálják az ipari alkalmazási lehetőségeket. Már ma is bemutatták vezetékek közvetlen felvitelét fröccsöntött alkatrészekre. Ezzel a kutatócsoport komplex elektromos áramköröket valósított meg mágneses mezőérzékelőkkel a sebességváltó állásának detektálására, és bemutatta a passzív összeszerelési egységek funkcionálisításának lehetőségét.

A nagy pontosságú bevonás egy jól bevált aeroszol-jet eljárással valósul meg. Ezzel a módszerrel nanorészecske-tartalmú tinták akár 10 µm-es vonalvastagságú vonalakban is felvihetők lapos és topográfiai felületekre. Zártkörű projektekben a csapat többek között sikerült helyettesíteni a hagyományos drótbondokat nyomtatott összeköttetésekkel a szenzorok/elektronika és a nyomtatott áramkör között.

Első alkalommal alkalmazható az aditív gyártás részecskementes ciklusban a miniaturizált és magas funkcionális alkalmazások, egyedi folyamatok, anyagtesztek és mintagyártás fejlesztésére.