Ultradunne Si Dies integreren in een flexibel label

Ultradunne Si Dies integreren in een flexibel label

Tijdstempel: 2 oktober 2019 1:19 uur
Bronknooppunt: 1786856

Recente ontwikkelingen in de integratie van ultradunne silicium matrijzen in een flexibele film leiden tot een nieuw paradigma. Dankzij de dunheid en flexibiliteit van apparaten is het inderdaad denkbaar dat functies rond elk object kunnen worden toegevoegd zonder het aspect ervan te veranderen [1-5]. Momenteel zijn alleen elektronische sporen tussen componenten flexibel in de belangrijkste flexibele elektronische producten op de markt. Dit komt doordat de siliconen componenten al verpakt zijn of te dik zijn. Om volledig flexibele apparaten te krijgen, moeten siliconenmatrijzen worden verdund tot minder dan 100 µm. Drie formaten kunnen worden verwerkt om flexibele elektronische systemen te bouwen: lint, paneel of wafer. De eerste twee formaten zijn goed aangepast voor grote apparaten, zijn goedkoop en maken een hoge doorvoer mogelijk. Patroonresolutie in deze formaten is echter alleen maar eerlijk. Werken met siliciumwafels helpt bij het bereiken van een hoge resolutie van integratie. Siliciumwafels zijn zeer geschikt voor flexibele uitwaaierende verpakkingen, die helpen bij het bouwen van een heterogeen, flexibel systeem dat een paneelsubstraat combineert, inclusief een gedrukt apparaat en een verbindingsnetwerk met een elektronische siliciumchip geïntegreerd in een klein flexibel label.

Nieuwe procesontwikkeling
Een uitdaging is om een ​​proces aan te bieden dat compatibel is met kale matrijzen. Een nieuwe technologie genaamd ChipInFlex stelt de integratie voor van ultradunne siliconen matrijzen in een flexibel label gemaakt op een waferdrager in de micro-elektronische productielijn [6]. Het werd gekozen voor de gouden noppen van de elektrische interconnectie omdat het de hybridisatie door thermocompressie bij lage temperatuur (<150°C) mogelijk maakt en het compatibel is met het polymeer (Figuur 1). Het gebruik van soldeerbult, zoals SnAgCu, was inderdaad niet denkbaar. Bovendien kunnen noppen ook op kale matrijzen worden gemaakt. De keuze van het flexibele materiaal waarin siliconenmatrijzen worden geïntegreerd, is van cruciaal belang. In de ChipInFlex-studie hebben we het gecommercialiseerde lichtgevoelige siloxaanpolymeer SiNR getest, dat verkrijgbaar is in spin-on of droge film, en een lage spanning en een lage uithardingstemperatuur heeft. Het experiment met het fabricageproces wordt gedetailleerd weergegeven in figuur 2.

De drager is een 200 mm dikke siliconenwafel die is behandeld om een ​​tijdelijke hechtlaag te krijgen. Een SINR-film met een dikte van 30 µm of 80 µm werd afgezet door spincoating of laminering. Het elektrische netwerk is gemaakt van WN50nm/Au200nm metallic. Een 50 µm dikke coating van zilverlijm werd door zeefdruk op kussentjes aangebracht. Dies werden uitgelijnd en op de wafer bevestigd met behulp van een DATACON flip-chip-tool. Het apparatuursysteem maakt het doseren van stippen polymeerlijm mogelijk en lijnt en monteert vervolgens de componenten onder een combinatie van warmte en druk. In deze studie werd de EpoTek E505-lijm gebruikt vanwege zijn bruikbare viscositeitseigenschappen als functie van temperatuur. Noppen kunnen gemakkelijk door de lijm gaan en in contact komen met gouden pads op de ondergrond. De binding werd in twee stappen uitgevoerd. Alle matrijzen werden bevestigd met het flip-chip-gereedschap en vervolgens collectief gehecht met behulp van een EVG-thermocompressie-bonder. Collectieve verdunning, inclusief grof en fijn slijpen, werd uitgevoerd om de matrijsdikte te verminderen tot ~40 µm. Een extra 80 µm dikke SINR-laag werd onder vacuüm gelamineerd om matrijzen in te kapselen en het polymeer werd plaatselijk geopend om metalen lijnen te bereiken en externe verbinding mogelijk te maken. Ten slotte werden flexibele labels met laser in blokjes gesneden en van de wafeldrager gehaald.

Resultaten op elektrisch testvoertuig
Een siliconen testvoertuig is ontworpen om kale matrijzen na te bootsen. Er zijn twee formaten chips ontworpen, respectievelijk 5x5mm² en 10x10mm². Het testvehikel omvatte 0.6 µm dikke AlSi-lijnen en passiveringslagen van respectievelijk Si2 (0.5 µm dik) en SiN (0.6 µm dik). Gouden noppen werden gevormd op pads met behulp van standaard ball-bumping-apparatuur. De noppen hadden een diameter van ongeveer 70 µm en een hoogte van 30 µm (Figuur 3).

De wafel bevatte 24 labels van 30x25 mm² en elk kon een grote en een kleine matrijs bevatten (Figuur 4). Het testvoertuig is ontworpen om de weerstand van een enkel contact tussen de matrijs en het flexibele substraat te testen dankzij een vierpunts Kelvin-patroon. Bovendien kon de continuïteit van daisy-chain-structuren, die zich aan de periferie en in het midden van de matrijzen bevinden, worden gemeten (Figuur 5). Deze patronen omvatten 16 tot 38 contacten, afhankelijk van de grootte van de matrijzen en positie.

Drie wafels werden volledig gevuld en elektrisch gekarakteriseerd. Wafels 1 en 2 bevatten een onderste polymeerlaag van 80 µm dik. Wafer 3 omvatte een onderste polymeerlaag met een dikte van 30 µm. Ter vergelijking: een vierde wafel zonder bodempolymeer werd alleen gevuld met kleine matrijzen. Elektrische tests werden uitgevoerd tijdens het productieproces na de belangrijkste stappen, flip-chip bonding, dunner worden van de achterkant en definitieve inkapseling (Figuur 6). Meer dan 90% van de Kelvin-structuur was functioneel. Wereldwijde gemiddelde waarden van Kelvin-patronen worden weergegeven in figuur 7 en details voor elke locatie worden weergegeven in tabel 1.

De uiteindelijke gemiddelde weerstand van een enkel contact bleek 12 tot 14 mOhm te zijn voor wafels met een 80 µm dik bodempolymeer, 9 mOhm voor de wafel met een 30 µm dik bodempolymeer en 3 mOhm voor de wafel zonder bodempolymeer. De aanwezigheid van een onderste polymeerlaag hielp de kracht op de noppenbult tijdens het thermocompressieproces te absorberen en verminderde waarschijnlijk de weerstandswaarde van het contact. Er werden geen verschillen waargenomen tussen het centrum en de periferie van de matrijzen. Figuur 8 toont de afbeelding van een centraal vierpunts Kelvin-patroon gemeten op een kleine matrijs aan de periferie na de laatste coating. De continuïteit van alle daisy chains is getest en de functionaliteitspercentages worden na elke stap weergegeven in tabel 2.

Ten eerste kan worden opgemerkt dat meer dan 87.5% van de daisy chains functioneel was na het verlijmen, wat een zeer goed resultaat is voor een nieuwe ontwikkeling. Bovendien zijn de percentages geldige centrale madeliefjeskettingen uitstekend - 100% voor de drie wafels. Het meest opvallende resultaat van dit onderzoek is dat er geen storingen zijn opgetreden na het uitdunnen. Het kan worden waargenomen dat de opbrengsten na het coaten iets lager zijn en dat er weinig madeliefjesketens zijn mislukt. Er zijn echter meer gegevens nodig om conclusies te kunnen trekken.

Twee flexibele labels werden met een laser in blokjes gesneden en van de wafeldrager verwijderd. Een printplaat (PCB) is ontworpen en vervaardigd om elektrische karakterisering te vergemakkelijken. Er werd een ZIF-connector gebruikt om het label op de PCB met elkaar te verbinden (Figuur 9). Er werden zes testpatronen gemeten. De eerste twee patronen waren slechts elektrische sporen op het polymeer zonder contact met de siliciummatrijs. Het doel was om ervoor te zorgen dat metalen lijnen niet werden beschadigd door het label van de drager te verwijderen. Perifere en centrale madeliefjeskettingpatronen van grote en kleine matrijzen werden gemeten. Elektrische resultaten zijn samengevat in Tabel 3 en vergeleken met berekende waarden.

Er moet op worden gewezen dat alle centrale madeliefjesketens in het onderzoek functioneel waren. Bovendien komen metingen nauw overeen met berekende waarden. Er lopen meer tests op nieuwe labels om deze resultaten te bevestigen.

Samengevat
Met ChipInFlex werd een nieuw paradigma geïntroduceerd voor het integreren van ultradunne kale siliconen matrijzen in een flexibel label dat op de waferdrager is gemaakt. ChipInFlex is een generiek waferlevel-proces voor het vervaardigen van flexibele labels en integreert siliconencomponenten. Dit proces is het eerste dat flipchip-siliciummatrijzen biedt die onderling zijn verbonden in een flexibele film. De elektrische verbinding wordt bereikt met gouden noppen die op kale matrijzen zijn gemaakt. ChipInFlex is ook de eerste verpakkingsoplossing die collectieve verdunning op de wafer kan uitvoeren. Het proces is met succes gevalideerd op een elektrisch testvoertuig. Een eerste stap naar een compleet elektronisch systeem in een flexibel label is gezet. Het verpakkingsteam van CEA-Leti ontwikkelt momenteel een demonstrator, met toepassingen variërend van sensoren tot radiofrequentie-identificatie (RFID) dies.

Danksagung
Dit werk werd ondersteund door het Franse nationale onderzoeksbureau (ANR) via:
Carnot-financiering en is uitgevoerd met de hulp van Plateforme Technologique Amont in Grenoble, met financiële steun van het CNRS Renatech-netwerk. De auteur wil Ahmad Itawi, Laetitia Castagné en Carine Ladner bedanken voor hun bijdragen aan dit werk.

Integratie van ultradunne Si dies in een flexibel label (1.43 MB)

Tijdstempel:

Meer van Blog - Shin-Etsu MicroSi