שילוב חומרי Si דק במיוחד בתוך תווית גמישה

התפתחויות אחרונות בשילוב של חומרי סיליקון דקים במיוחד בתוך סרט גמיש מובילים לפרדיגמה חדשה. ואכן, הודות לדקיקותם וגמישותם של המכשירים, ניתן להעלות על הדעת שניתן להוסיף פונקציות סביב כל אובייקט מבלי לשנות את ההיבט שלו [1-5]. נכון לעכשיו, רק מסלולים אלקטרוניים בין רכיבים גמישים במוצרים האלקטרוניים הגמישים הגדולים בשוק. זאת בשל העובדה שרכיבי הסיליקון כבר ארוזים או עבים מדי. על מנת לקבל מכשירים גמישים לחלוטין, יש לדלל את קוביות הסיליקון לפחות מ-100 מיקרומטר. ניתן לעבד שלושה פורמטים לבניית מערכות אלקטרוניות גמישות: סרט, פאנל או רקיק. שני הפורמטים הראשונים מותאמים היטב למכשירים גדולים, בעלות נמוכה ומאפשרים תפוקה גבוהה. רזולוציית דפוס בפורמטים אלה היא הוגנת בלבד. עבודה עם פרוסות סיליקון עוזרת להשיג רזולוציה גבוהה של אינטגרציה. פרוסות סיליקון מתאימות היטב לאריזת מניפה גמישה, המסייעת בבניית מערכת הטרוגנית וגמישה המשלבת מצע פאנל, כולל התקן מודפס ורשת חיבורים עם תבנית סיליקון אלקטרונית המשולבת בתוך תווית גמישה קטנה.

פיתוח תהליכים חדשים
אתגר אחד הוא להציע תהליך התואם עם מתלים חשופים. טכנולוגיה חדשה בשם ChipInFlex מציעה שילוב של חומרי סיליקון דקים במיוחד בתוך תווית גמישה העשויה על מנשא רקיק בקו המיקרו-אלקטרוניקה של הייצור [6]. הוא נבחר עבור בליטות זהב חיבור חשמלי בגלל שהוא מאפשר הכלאה על ידי דחיסה תרמו בטמפרטורה נמוכה (<150 מעלות צלזיוס) והוא תואם לפולימר (איור 1). אכן, השימוש בבליטת הלחמה, כגון SnAgCu, לא היה מתקבל על הדעת. יתר על כן, ניתן ליצור בליטות חתיכים גם על מתלים חשופים. הבחירה של החומר הגמיש שבו לשלב חומרי סיליקון היא קריטית. במחקר של ChipInFlex, בדקנו את פולימר הסילוקסן הממוסחר SiNR, הזמין בסרט ספין-און או סרט יבש, ויש לו מתח נמוך וטמפרטורת ריפוי נמוכה. ניסוי תהליך הייצור מפורט באיור 2.

המנשא הוא פרוסת סיליקון בקוטר 200 מ"מ, שעברה טיפול כדי לקבל שכבת הדבקה זמנית. סרט SINR בעובי 30 מיקרומטר או 80 מיקרומטר הופקד על ידי ציפוי ספין או למינציה. רשת החשמל הייתה עשויה מתכתי WN50nm/Au200nm. ציפוי בעובי 50 מיקרומטר של דבק כסף הופקד על רפידות באמצעות סריגרפיה. תבניות יושרו והוצמדו על הוופל באמצעות כלי DATACON Flip-Chip. מערכת הציוד מאפשרת להפיץ נקודות של דבק פולימרי ולאחר מכן ליישר ולהרכיב את הרכיבים בשילוב של חום ולחץ. במחקר זה, נעשה שימוש בדבק EpoTek E505 בגלל תכונות הצמיגות השימושיות שלו כפונקציה של הטמפרטורה. בליטות חתיכה יכולות לעבור בקלות דרך הדבק וליצור קשר עם רפידות זהב על המצע. ההדבקה בוצעה בשני שלבים. כל הכדורים הוצמדו עם כלי ה-Flip-Chip ולאחר מכן התחברו יחד באמצעות מקשר EVG thermocompression. דילול קולקטיבי, כולל שחיקה גסה ועדינה, בוצע כדי להפחית את עובי התבנית לכ-40 מיקרומטר. שכבת SINR נוספת בעובי של 80 מיקרומטר הונחה תחת ואקום כדי לעטוף את התבנית והפולימר נפתח באופן מקומי כדי להגיע לקווי מתכת ולאפשר חיבור חיצוני. לבסוף, תוויות גמישות נחתכו לקוביות בלייזר ונלקחו ממנשא הפרוסות.

תוצאות על רכב מבחן חשמלי
רכב מבחן סיליקון תוכנן לחקות מתות חשופות. תוכננו שני גדלים של שבבים, 5x5mm² ו-10x10mm², בהתאמה. רכב הבדיקה כלל קווי AlSi בעובי 0.6 מיקרומטר ושכבות פסיביות של SiO2 (עובי 0.5 מיקרומטר), ו-SiN (עובי 0.6 מיקרומטר), בהתאמה. גבשושיות זהב נוצרו על רפידות באמצעות ציוד חבטות כדורי סטנדרטי. בליטות החתיכים היו בקוטר של כ-70 מיקרומטר וגובה של 30 מיקרון (איור 3).

הפרוסה כללה 24 תוויות בגודל 30x25 מ"מ וכל אחת מהן יכולה לקבל קובייה אחת גדולה ואחת קטנה (איור 4). רכב המבחן תוכנן לבחון את ההתנגדות של מגע בודד בין התבנית למצע הגמיש הודות לתבנית קלווין בעלת ארבע נקודות. בנוסף, ניתן היה למדוד את ההמשכיות של מבני שרשרת דייזי, הממוקמים בפריפריה ובמרכזם של המות (איור 5). תבניות אלה כוללות בין 16 ל-38 מגעים לפי גודל הקוביות והמיקום.

שלוש פרוסות היו מאוכלסות במלואן ואופיינו חשמלית. פרוסות 1 ו-2 כללו שכבת פולימר תחתונה בעובי 80 מיקרומטר. רקיק 3 כלל שכבת פולימר תחתונה בעובי 30 מיקרומטר. לשם השוואה, רקיק רביעי ללא פולימר תחתון אוכלס רק בקוביות קטנות. בדיקות חשמליות בוצעו במהלך תהליך הייצור לאחר השלבים העיקריים, הדבקת שבב הפוך, דילול הצד האחורי ועטיפה סופית (איור 6). יותר מ-90% מהמבנה של קלווין היה פונקציונלי. ערכים ממוצעים גלובליים של דפוסי קלווין מוצגים באיור 7 ופרטים עבור כל מיקום מוצגים בטבלה 1.

ההתנגדות הממוצעת הסופית של מגע בודד נמצאה בין 12 ל-14mOhm עבור פרוסות עם פולימר תחתון בעובי 80 מיקרומטר, 9mOhm עבור הוואפר עם פולימר תחתון בעובי 30 מיקרומטר ו-3mOhm עבור הוואפר ללא פולימר תחתון. הנוכחות של שכבת פולימר תחתונה סייעה לספוג את הכוח על גבשושית במהלך תהליך הדחיסה התרמו, וככל הנראה הפחיתה את ערך ההתנגדות של המגע. לא נצפו הבדלים בין המרכז לפריפריה של המתות. איור 8 מציג את המיפוי של דפוס קלווין מרכזי בארבע נקודות שנמדד על קובייה קטנה בפריפריה לאחר הציפוי הסופי. נבדקה המשכיות של כל הרשתות הדייזי ושיעורי הפונקציונליות מוצגים בטבלה 2 לאחר כל שלב.

ראשית, ניתן לציין שיותר מ-87.5% מרשתות המרגניות היו פונקציונליות לאחר ההדבקה, וזו תוצאה טובה מאוד לפיתוח חדש. יתרה מכך, האחוזים של רשתות דייזי מרכזיות תקפות מצוינים - 100% עבור שלושת הפרוסים. התוצאה המדהימה ביותר ממחקר זה היא שלא התרחשו כשלים לאחר דילול. ניתן להבחין כי התשואות מופחתות מעט לאחר הציפוי, ומעט שרשראות דייזי נכשלו. עם זאת, נדרשים נתונים נוספים כדי להסיק מסקנות.

שתי תוויות גמישות נחתכו לקוביות באמצעות לייזר והוסרו ממנשא הפרוסות. לוח מעגלים מודפס (PCB) תוכנן ויוצר כדי להקל על אפיון חשמלי. מחבר ZIF שימש לחיבור התווית על ה-PCB (איור 9). נמדדו שישה דפוסי בדיקה. שני הדפוסים הראשונים היו רק מסלולים חשמליים על הפולימר ללא מגע עם תבנית הסיליקון. המטרה הייתה להבטיח שקווי מתכת לא ייפגעו על ידי הסרת התווית מהמנשא. נמדדו דפוסי שרשרת חינניות היקפית ומרכזית של קוביות גדולות וקטנות. תוצאות החשמל מסוכמות בטבלה 3 והושוו לערכים מחושבים.

יש לציין שכל רשתות המרגניות המרכזיות במחקר היו פונקציונליות. יתר על כן, המדידות מתאימות מאוד לערכים מחושבים. בדיקות נוספות נמשכות על תוויות חדשות כדי לאשר את התוצאות הללו.

<br> סיכום
עם ChipInFlex, הוצגה פרדיגמה חדשה לשילוב תבניות סיליקון דקות במיוחד בתוך תווית גמישה העשויה על מנשא הפרוסות. ChipInFlex הוא תהליך גנרי ברמת פרוס לייצור תוויות גמישות ומשלב רכיבי סיליקון. תהליך זה הוא הראשון להציע קוביות סיליקון מסוג Flipchip המחוברות זו לזו בתוך סרט גמיש. החיבור החשמלי מושג באמצעות גבשושיות זהב העשויות על קוביות חשופות. ChipInFlex הוא גם פתרון האריזה הראשון שיכול לבצע דילול קולקטיבי על הפרוסה. התהליך אושר בהצלחה על רכב מבחן חשמלי. נעשה צעד ראשון לקראת מערכת אלקטרונית שלמה בתווית גמישה. צוות האריזה של CEA-Leti מפתח בימים אלה מדגמן, עם יישומים החל מחיישנים ועד חומרי זיהוי בתדר רדיו (RFID).

תודות
עבודה זו נתמכה על ידי סוכנות המחקר הלאומית הצרפתית (ANR) באמצעות
מימון קרנו ובוצע בעזרת Plateforme Technologique Amont בגרנובל, עם תמיכה כספית מרשת CNRS Renatech. המחבר רוצה להודות לאחמד איטאווי, לאטיה קסטנה וקארין לדנר על תרומתם לעבודה זו.

שילוב קוביות Si דקיקות במיוחד בתוך תווית גמישה (1.43MB)

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://www.microsi.com/blog/integrating-ultra-thin-si-dies-within-a-flexible-label/?utm_source=rss&utm_medium=rss&utm_campaign=integrating-ultra-thin-si-dies-within-a-flexible-label