Laboratorium do testów ciśnienia w czystym pomieszczeniu dla pakowania na poziomie wafli, układów scalonych i systemów

Technologie rozpraszania dla procesu Dam&Fill na poziomie wafli, PCB lub poziomie układów scalonych.© Fraunhofer ENAS

CAD/CAM-łańcuch procesów do powlekania obiektów 3D, tutaj na przykładzie czujnika pola magnetycznego na pokrywie przekładni, pokazany. © Fraunhofer ENAS

Aerosol-Jet-Druck von Nanopartikel-Lotmaterialien (hier Ag und Sn) auf zylinderförmige Substrate in einer Substrathalterung. © Fraunhofer ENAS

Instytut Fraunhofer dla Elektronicznych Nanosystemów ENAS łączy w lokalizacji Chemnitz w nowym laboratorium czystego pomieszczenia technologie druku do pakowania mikroelektronicznych komponentów na poziomie wafli, układów i systemów. Z różnymi metodami addytywnymi oraz nowym klastrem urządzeń do 3D-konformacyjnego osadzania materiałów w środowisku laboratorium o niskiej zawartości cząstek, instytut badawczy oferuje unikalny w tym zakresie łańcuch procesów do rozwoju i realizacji procesów drukowania dla technologii montażu i połączeń.

Technologie druku w procesie pakowania

Technologie druku umożliwiają w przeciwieństwie do tradycyjnych technologii pakowania korzystanie z nowych materiałów i większą różnorodność w doborze substratów. Ponieważ dziś wiele materiałów jest dostępnych w formie pasty i tym samym nie można ich stosować w tradycyjnych metodach osadzania do pakowania, coraz większy nacisk kładzie się na integrację metod addytywnych w procesach pakowania elementów mikroelektronicznych. Metody te umożliwiają użycie nanocząsteczkowych tuszy, chemikaliów, materiałów sensorycznych, takich jak pasty CNT, a także past lutowniczych, materiałów przewodzących i izolujących, także w połączeniu ze sobą. Dodatkowo wybór i kształt substratów poszerza się dzięki zastosowaniu metod druku, ponieważ możliwe jest osadzanie materiałów na powierzchniach 2D, 3D lub topograficznych na układach scalonych i waflach. Kolejną zaletą jest produkcja bez maskowania, co pozwala na szybkie przejście od koncepcji do prototypu.

Aby w pełni wykorzystać te nowe możliwości w zakresie mikroelektronicznego pakowania, Fraunhofer ENAS zbudował całe laboratorium druku z łańcuchem procesów w atmosferze czystego pomieszczenia. Laboratorium to jest unikalne w tym zakresie i umożliwia niemal bezpyłowy proces budowy miniaturowych i wysokofunkcjonalnych układów za pomocą metod addytywnych.

Przykłady badań i rozwoju

W Fraunhofer ENAS od dziesięciu lat badane jest zastosowanie technologii druku do pakowania mikroelektronicznych komponentów. »Technologie addytywne, takie jak sitodruk i metody dispensingu, są od wielu lat integralną częścią łańcucha procesów pakowania elementów elektronicznych, na przykład przy nanoszeniu warstw pośrednich szkła do procesów bondowania czy materiałów do zabezpieczania wrażliwych połączeń drutowych. Jednak również aktualne trendy, takie jak miniaturyzacja, integracja 3D oraz łączenie różnych funkcjonalnych elementów w tzw. »System in Package«, wymagają nowatorskich materiałów i tym samym nowych technologii«, wyjaśnia Frank Roscher, zastępca kierownika działu System Packaging w Fraunhofer ENAS.

Dzięki zastosowaniu nowoczesnych technologii druku addytywnego naukowcy zdołali przyspieszyć rozwój technologii pakowania. Dotychczas pasywne układy pakowania z funkcjami elektrycznymi zostały wyposażone na przykład w układ elektryczny z czujnikami pola magnetycznego bezpośrednio na odlewanej pokrywie przekładni, lub opracowano podejścia do niskotemperaturowych metod lutowania opartych na nanocząstkach, aby obniżyć temperaturę lutowania dzięki efektom nano, lub zrealizowano struktury słupkowe o wysokim stosunku wysokości do szerokości. Rozmiar miejsca potrzebnego na struktury ramki bondowej został zmniejszony dzięki optymalizacji procesu sitodruku, a specjalne materiały do optycznych układów zostały osadzone z najwyższą precyzją na substratach, przy czym cyfrowa metoda Aerosol-Jet umożliwia indywidualne pokrycie pojedynczych pikseli optycznych.

Najważniejsze elementy laboratorium druku w warunkach czystego pomieszczenia

W nowo zaprojektowanym i w pełni wyposażonym laboratorium czystego pomieszczenia w lokalizacji w Chemnitz Fraunhofer ENAS łączy obecnie wiele metod addytywnych. Całkowita atmosfera czystego pomieszczenia zapewnia transport substratów o niskiej zawartości cząstek od wstępnej obróbki, przez urządzenia osadzające, aż po suszarnie. Oprócz metod sitodruku i szablonowego druku dostępne są roboty XY do dispensowania past lutowniczych, materiałów przewodzących i izolujących, materiałów do wypełnień czy klejów.

Najnowszym rozwiązaniem jest klaster urządzeń do 3D-konformacyjnego osadzania materiałów na złożonych substratach w celu budowy trójwymiarowych systemów elektronicznych. Naukowcy łączą metody jetting i ekstruzji z pięcioosiowym systemem manipulacji, aby między innymi pokrywać planarne i strukturalne wafle, płytki drukowane, pojedyncze elementy elektroniczne/układy scalone lub złożone trójwymiarowe substraty z odlewania, nadając im funkcje elektryczne lub budując je bezpośrednio z drukarki 3D. W celu integracji elementów SMD do procesu włączono narzędzie pick-and-place, które umożliwia montaż pasywnych i aktywnych elementów na trójwymiarowych ciałach. W trwających projektach Fraunhofer ENAS opracowuje sterowanie procesem i ocenia kombinacje materiałów, aby na przykładzie funkcjonalnej pokrywy przekładni zademonstrować możliwości przemysłowego zastosowania. Już dziś na odlewanym elemencie można pokazać ścieżki przewodzące, co pozwoliło zespołowi badawczemu zrealizować złożone układy elektryczne z czujnikami pola magnetycznego do wykrywania pozycji biegu i pokazać możliwość funkcjonalizacji dotychczas pasywnych układów.

Precyzyjne osadzanie realizowane jest przez dobrze znany proces Aerosol-Jet. Metoda ta pozwala na osadzanie tuszy zawierających nanocząstki z rozdzielczością do 10 µm linii na powierzchniach płaskich i topograficznych. W ramach zamkniętych projektów zespół zdołał między innymi zastąpić typowe połączenia drutowe drukowanymi interkonektami między czujnikami/ elektroniką a płytami drukowanymi.

Po raz pierwszy technologia addytywna może być wykorzystywana w procesie wolnym od cząstek, do rozwoju miniaturowych i wysoko funkcjonalnych zastosowań, procesów dostosowanych do klienta, testowania materiałów i produkcji prototypów.