Reinraumdruklabor voor verpakkingen op wafer-, chip- en systeembasis

Dispenstechnologie voor Dam&Fill-proces op waferniveau, PCB's of chiplevel.© Fraunhofer ENAS

CAD/CAM-prozessketen voor de coating van 3D-objecten, hier geïllustreerd met een magnetische sensor op een transmissiedeksel. © Fraunhofer ENAS

Aerosol-Jet-Printing van nanoparticle-loodmaterialen (hier Ag en Sn) op cilindrische substraten in een substrathouder. © Fraunhofer ENAS

Het Fraunhofer-Institut voor Elektronische Nanosystemen ENAS combineert op de locatie Chemnitz in een nieuw cleanroomlaboratorium druktechnologieën voor de verpakking van micro-elektronische componenten op wafer-, chip- en systeembasis. Met verschillende additieve processen en een nieuwe clusterinstallatie voor 3D-conforme materiaalafzetting in een stofarme laboratoriumomgeving biedt het onderzoeksinstituut een in deze omvang unieke procesketen voor de ontwikkeling en uitvoering van drukprocessen voor opbouw- en verbindingstechniek.

Druktechnologieën in het verpakkingsproces

Druktechnologieën maken in tegenstelling tot traditionele verpakkingsmethoden het gebruik van nieuwe materialen en een grotere diversiteit in de selectie van substraten mogelijk. Omdat tegenwoordig veel materialen in pasta-vorm beschikbaar zijn en daarmee niet in conventionele afzettingsprocessen voor de verpakking kunnen worden toegepast, wordt steeds meer gefocust op de integratie van additieve processen in de verpakkingsprocessen van micro-elektronische onderdelen. Deze processen maken het gebruik van nanopartikeltinten, chemicaliën, sensorische materialen zoals CNT-pasta’s, maar ook soldeerpasta’s, elektrisch geleidend en isolerend materiaal mogelijk, ook in combinatie met elkaar. Bovendien breidt de keuze en vorm van de substraten zich uit door het gebruik van druktechnieken, aangezien nu de afzetting van materialen op 2D-, 3D- of topografische oppervlakken op chips en wafers mogelijk is. Een ander voordeel ligt in de maskervrije fabricage en daarmee de snelle omzetting van concept naar prototype.

Om deze nieuwe mogelijkheden volledig te benutten voor de micro-elektronische verpakking, heeft Fraunhofer ENAS een volledig druklaboratorium met een procesketen onder cleanroomomstandigheden opgezet. Het laboratorium is in deze omvang uniek en maakt een vrijwel stofvrije proces mogelijk voor het opbouwen van miniaturiseerde en hoogfunctionele modules met behulp van additieve processen.

Voorbeelden van onderzoek en ontwikkeling

Bij Fraunhofer ENAS wordt al tien jaar onderzoek gedaan naar de toepassing van druktechnologieën voor de verpakking van micro-elektronische componenten. »Additieve technologieën zoals zeefdruk en dispensen zijn al vele jaren vaste onderdelen van de procesketen voor de verpakking van elektronische componenten, bijvoorbeeld bij het aanbrengen van glasinterlayers voor bondingprocessen of vulmateriaal ter bescherming van gevoelige draadverbindingen. Maar ook actuele ontwikkelingen, zoals miniaturisering, 3D-integratie en de integratie van verschillende functionele bouwstenen in een zogenaamde »System in Package«, vereisen nieuwe materialen en daarmee nieuwe technologieën«, aldus Frank Roscher, plaatsvervangend hoofd van de afdeling System Packaging bij Fraunhofer ENAS.

Door het gebruik van innovatieve additieve fabricagetechnologieën zijn de wetenschappers erin geslaagd de verdere ontwikkeling van verpakkingsstechnologieën te stimuleren. Zo werden tot nu toe passieve modules van de verpakking voorzien van elektrische functies, bijvoorbeeld een elektrische schakeling met magnetische veldsensoren direct op een spuitgietdekseltje voor transmissie of werden benaderingen ontwikkeld voor laag-temperatuurgietprocessen op basis van nanopartikels om de lijmtijd door nano-effecten te verlagen, of werden pilarenstructuren met een hoge aspectverhouding gerealiseerd. De ruimtebehoefte voor bondframe-structuren kon worden verminderd door procesoptimalisatie van de zeefdruktechnologie en speciale materialen voor optische modules werden met de hoogste precisie op substraten afgezet, waarbij de digitale Aerosol-Jet-technologie de individuele coating van optische pixels mogelijk maakt.

Hoogtepunten in het druklaboratorium onder cleanroomomstandigheden

In het nieuw ontworpen en volledig uitgeruste cleanroomlaboratorium op de locatie in Chemnitz combineert Fraunhofer ENAS nu een scala aan additieve processen. Daarbij zorgt de volledige cleanroomomgeving voor een stofarme transport van de substraten van de voorbehandeling via de afzettingsinstallaties tot de droogstraten. Naast zeef- en rasterdruktechnieken staan X-Y-roboters ter beschikking voor het dispensen van soldeerpasta’s, elektrisch geleidend en isolerend materiaal, vulmateriaal of lijmen.

De nieuwste installatieontwikkeling is een clusterinstallatie voor 3D-conforme materiaalafzetting op complexe substraten voor het opbouwen van driedimensionale elektronische systemen. De onderzoekers combineren hiervoor jetting- en extrusietechnologieën met een vijf-assig handling-systeem om onder andere platte en gestructureerde wafers, printplaten, individuele elektronische componenten/-chips of ook complexe driedimensionale substraten uit spuitgiettechnologie te veredelen of de substraten direct op te bouwen uit de geïntegreerde 3D-printer. Voor de integratie van SMD-componenten is een pick-and-place-tool in de proceslijn geïntegreerd om ook op driedimensionale objecten passieve en actieve componenten te monteren. In lopende projecten ontwikkelt Fraunhofer ENAS nu de procesbesturing en evalueert de materiaalcombinaties om aan de hand van een functionele transmissiekap een demonstratie te geven van industriële toepassingsmogelijkheden. Daarbij zijn al leidingen direct op spuitgietonderdelen gedemonstreerd. Hiermee kon het onderzoeksteam complexe elektrische schakelingen met magnetische veldsensoren voor de detectie van de versnellingsrichting realiseren en de haalbaarheid voor de functionalisering van tot nu toe passieve modules aantonen.

Hoge precisie-afzetting wordt gerealiseerd door een goed gevestigde Aerosol-Jet-proces. Met deze methode kunnen nanopartikelhoudende tinta's met resoluties tot 10 µm lijndikte worden afgezet op platte en topografische substraten. In afgesloten projecten is het team erin geslaagd onder andere typische draadverbindingen te vervangen door geprinte interconnects tussen sensor/elektronica en printplaat.

Voor het eerst kan de additieve fabricage worden gebruikt in een stofvrije doorloop voor de ontwikkeling van miniaturiseerde en hoogfunctionele toepassingen, maatwerkprocessen, materiaaltesten en prototyping.