Laboratorio di stampa in ambiente controllato per il packaging a livello di wafer, chip e sistema

Tecnologia di dispensazione per il processo Dam&Fill a livello di wafer, PCB o chip.© Fraunhofer ENAS

Catena di processo CAD/CAM per la rivestimento di oggetti 3D, qui dimostrata con un esempio di sensori di campo magnetico su una copertura di ingranaggi. © Fraunhofer ENAS

Stampa a getto di aerosol di materiali di saldatura nanoparticolari (qui Ag e Sn) su substrati cilindrici in una staffa per substrati. © Fraunhofer ENAS

Il Fraunhofer Institute for Electronic Nanosystems ENAS combina presso la sede di Chemnitz in un nuovo laboratorio di camere bianche tecnologie di stampa per l'imballaggio di componenti microelettronici a livello di wafer, chip e sistema. Con diversi processi additivi e un nuovo impianto a cluster per la deposizione di materiali conformi in 3D in un ambiente di laboratorio a bassa contaminazione, l'istituto di ricerca offre una catena di processo unica in questa portata per lo sviluppo e l'esecuzione di processi di stampa per la tecnologia di assemblaggio e connessione.

Tecnologie di stampa nel processo di imballaggio

Le tecnologie di stampa consentono, a differenza delle tecnologie di imballaggio tradizionali, l'uso di nuovi materiali e una maggiore varietà nella scelta dei substrati. Poiché oggi molti materiali sono disponibili in forma di pasta e quindi non applicabili ai metodi di deposizione tradizionali per l'imballaggio, si sta sempre più concentrando sull'integrazione di processi additivi nei processi di imballaggio di componenti microelettronici. Questi processi permettono l'uso di inchiostri nanoparticolari, sostanze chimiche, materiali sensoriali come paste di CNT, ma anche paste saldanti, materiali conduttivi ed isolanti, anche in combinazione tra loro. Inoltre, la scelta e la forma dei substrati si ampliano grazie all'uso di tecniche di stampa, poiché ora è possibile depositare materiali su superfici 2D, 3D o topografiche su chip e wafer. Un ulteriore vantaggio risiede nella produzione senza maschera e quindi nella rapida trasformazione dal concetto al prototipo.

Per sfruttare appieno queste nuove possibilità nel packaging microelettronico, il Fraunhofer ENAS ha allestito un intero laboratorio di stampa con una catena di processo in un'atmosfera di camera bianca. Il laboratorio è unico in questa portata e consente un processo quasi privo di particelle per la costruzione di sottogruppi miniaturizzati e altamente funzionali tramite processi additivi.

Esempi di ricerca e sviluppo

Da dieci anni, il Fraunhofer ENAS studia l'applicazione delle tecnologie di stampa per l'imballaggio di componenti microelettronici. «Le tecnologie additive come la serigrafia e i processi di dispensazione sono già da molti anni parte integrante della catena di processo per l'imballaggio di componenti elettronici, ad esempio per l'applicazione di strati intermedi di vetro per processi di bonding o di materiali di incapsulamento per la protezione di collegamenti di fili sensibili. Ma anche gli sviluppi attuali, come la miniaturizzazione, l'integrazione 3D e l'integrazione di vari componenti funzionali in un cosiddetto "System in Package", richiedono materiali innovativi e quindi nuove tecnologie», afferma Frank Roscher, vice capo del dipartimento di System Packaging presso il Fraunhofer ENAS.

Grazie all'uso di tecnologie di produzione additive innovative, i ricercatori sono riusciti a far progredire ulteriormente le tecnologie di imballaggio. Finora, sono stati dotati di funzioni elettriche i sottogruppi passivi dell'imballaggio, ad esempio un circuito elettrico con sensori di campo magnetico direttamente su un cappuccio di trasmissione stampato a iniezione, o sono state sviluppate tecniche di bassa temperatura basate su nanoparticelle per abbassare la temperatura di saldatura grazie agli effetti nano, oppure strutture a pilastro con un alto rapporto di aspetto. La riduzione dello spazio necessario per le strutture di cornice di bonding è stata ottenuta ottimizzando il processo di serigrafia, e materiali speciali per gruppi ottici sono stati depositati con la massima precisione su substrati, con il metodo digitale Aerosol-Jet che permette di rivestire singoli pixel ottici.

Punti salienti del laboratorio di stampa in condizioni di camera bianca

Nel nuovo laboratorio di camere bianche completamente attrezzato presso la sede di Chemnitz, il Fraunhofer ENAS combina ora una vasta gamma di processi additivi. L'intera atmosfera di camera bianca garantisce un trasporto di substrati a basso contenuto di particelle, dalla pre-trattamento alle apparecchiature di deposizione fino alle stazioni di essiccazione. Oltre ai processi di stampa a rete e a tampone, sono disponibili robot X-Y per la dispensazione di paste saldanti, materiali conduttivi ed isolanti, materiali di incapsulamento o adesivi.

L'ultima innovazione è un impianto a cluster per la deposizione di materiali conformi in 3D su substrati complessi per la costruzione di sistemi elettronici tridimensionali. I ricercatori combinano processi di jetting e estrusione con un sistema di movimentazione a cinque assi per rivestire, tra le altre cose, wafer planari e strutturati, schede di circuito, singoli componenti/ chip elettronici o anche substrati complessi tridimensionali stampati a iniezione con funzioni elettriche, o per costruire direttamente i substrati dal stampante 3D integrata. Per l'integrazione di componenti SMD, è stato integrato uno strumento di pick-and-place nel processo per montare componenti passivi e attivi anche su corpi tridimensionali. Nei progetti in corso, il Fraunhofer ENAS sviluppa ora il controllo del processo e valuta le combinazioni di materiali per dimostrare le possibilità di utilizzo industriale, ad esempio, di un cappuccio di trasmissione funzionale. Sono già stati dimostrati percorsi di conduzione direttamente su componenti stampati a iniezione. In questo modo, il team di ricerca ha realizzato circuiti elettrici complessi con sensori di campo magnetico per la rilevazione della posizione delle marce e ha dimostrato la fattibilità di funzionalizzare gruppi passivi finora.

Una deposizione di alta precisione viene realizzata tramite un processo Aerosol-Jet ben consolidato. Con questa tecnica, è possibile depositare inchiostri contenenti nanoparticelle con risoluzioni fino a 10 µm di larghezza di linea su substrati planari e topografici. In progetti conclusi, il team è riuscito, tra l'altro, a sostituire i tradizionali collegamenti di filo con interconnessioni stampate tra sensori/ elettronica e schede di circuito.

Per la prima volta, la produzione additiva può essere utilizzata in un ciclo privo di particelle per lo sviluppo di applicazioni miniaturizzate e altamente funzionali, processi su misura, test di materiali e produzione di prototipi.