柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)的印刷互連技術(shù)

以下文章來(lái)源于電子工程3D打印，作者Superlee Xiii

柔性基板上異質(zhì)集成在近些年被開(kāi)發(fā)應(yīng)用于高性能和柔性需求的應(yīng)用場(chǎng)景。可靠的2D和3D布局對(duì)于系統(tǒng)的有效性至關(guān)重要。在采用傳統(tǒng)的互連技術(shù)又面臨機(jī)械以及熱性能的不兼容。例如超薄芯片太脆而難以承受引線鍵合過(guò)程中靜態(tài)或者震蕩力。在柔性基板上打印線路實(shí)現(xiàn)集成電路互連具有可能。文章主要聚焦于高精度2D和3D互連進(jìn)展以及不同技術(shù)路線的對(duì)于高密度互連的可能性。同時(shí)討論了傳統(tǒng)介質(zhì)層互連成型方法以及對(duì)于柔性混合電子的局限性，印刷/打印電子對(duì)于未來(lái)互連的機(jī)會(huì)。

一、傳統(tǒng)互連技術(shù)

1）引線鍵合

引線鍵合是在芯片封裝技術(shù)領(lǐng)域最受歡迎的技術(shù)，主要由于其制造靈活性、低成本以及成熟性等。90%的第一級(jí)芯片的互連都是通過(guò)引線互連實(shí)現(xiàn)的。第一步是需要將芯片背面通過(guò)有機(jī)樹(shù)脂粘合劑、低熔點(diǎn)玻璃、共晶合金或者回流焊的金屬材料固定在基板上。接著通過(guò)毛細(xì)管或者楔形鍵合工具（尖端尺寸在12.5~500μm）將引線鍵合至芯片的焊盤(pán)上。主要有三種引線鍵合的方式：a）熱壓鍵合 b）超聲鍵合 c）熱超聲鍵合。

熱壓鍵合和熱超聲鍵合通常是在芯片焊盤(pán)上球狀/楔形鍵合點(diǎn)（常用金絲），連接至封裝的另一端。熱壓鍵合工藝的影響因素主要包含溫度、引線力/壓力、時(shí)間。這種方法需要在引線和焊盤(pán)的界面形成高溫（通常300~400℃），加熱是通過(guò)毛細(xì)管工具或者這個(gè)階段的0.5~1.5N鍵合力,主要取決于引線材料。超聲鍵合產(chǎn)生的是一種楔形鍵合結(jié)構(gòu)。相比熱壓鍵合，熱超聲鍵合提供了更窄的鍵合寬度以及更低的引線弧高度從而形成更優(yōu)異的引線管腳。其是在常溫下通過(guò)超聲能量和機(jī)械壓力作用下工作。在這個(gè)過(guò)程中機(jī)械鍵合力大致在0.35~0.6N范圍。超聲能量來(lái)自換能器，頻率在20~300KHz。其過(guò)程產(chǎn)生的溫度在200℃甚至更低，因此降低了鍵合結(jié)構(gòu)中金屬間化合物生長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。鍵合力也相比熱壓和超聲鍵合低0.2~0.4N。為了避免鍵合過(guò)程中芯片的損傷，一般鍵合焊盤(pán)都在芯片外周或者芯片的非有效區(qū)。引線鍵合也通常被應(yīng)用于超薄芯片。盡管其比較成熟，但是其鍵合引線弧高通常比較大，最小為52μm，通常是130~200μm，且需要封裝系統(tǒng)具有較大焊盤(pán)引腳，限制了其在高密度柔性混合集成以及封裝中的應(yīng)用。此外在一些應(yīng)用場(chǎng)景中，鈦鎢或者鈦氮化合物被應(yīng)用于鍵合焊盤(pán)用于增強(qiáng)與柔性基板的結(jié)合力。而這些金屬無(wú)疑增加了硬度從而導(dǎo)致鍵合難以實(shí)現(xiàn)，需要更嚴(yán)苛的鍵合參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的互連，例如會(huì)采用更高的鍵合溫度（＞180℃）更高的芯片貼裝（金硅共晶物）。鍵合過(guò)程中不可避免的機(jī)械力將會(huì)引起超薄芯片的開(kāi)裂。剛性的鍵合工具也會(huì)導(dǎo)致柔性基板變形，從而難以實(shí)現(xiàn)較好的鍵合強(qiáng)度。

圖2 a）熱壓或者熱超聲（球鍵合） b）超聲鍵合（版權(quán)：Springer）

2）芯片倒裝

芯片倒裝不像引線鍵合需要在芯片外圍布置焊盤(pán)，其整個(gè)芯片表面都可以發(fā)排布倒裝焊盤(pán)，允許更小的成型因素，更高的信噪比以及更高輸入輸出密度（單位面積10倍于引線密度）。因此倒裝技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)異的性能，減少感抗、提高器件速度、信號(hào)噪音控制。倒裝芯片最細(xì)引腳間距目前為90μm，相比引線鍵合高三倍。且倒裝互連需要花費(fèi)的時(shí)間是引線鍵合的20~50倍，成本也更高。

芯片倒裝一般是通過(guò)回流焊、熱壓焊、熱超聲來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常采用低填膠來(lái)幫助焊點(diǎn)熱應(yīng)力的重新分布。有報(bào)道稱(chēng)底填膠能夠提高焊點(diǎn)的疲勞壽命10~100倍。倒裝也可以采用各項(xiàng)異性導(dǎo)電粘結(jié)劑，如導(dǎo)電薄膜以及導(dǎo)電膠，溫度可以低至100~150℃。研究表明應(yīng)用各項(xiàng)異性導(dǎo)電膠來(lái)實(shí)現(xiàn)超薄芯片倒裝其展現(xiàn)的導(dǎo)電性較低，主要?dú)w因于導(dǎo)電顆粒形態(tài)。而且在彎折循環(huán)中耐久性較低。盡管膠黏劑芯片倒裝技術(shù)一步式提供了物理和電氣連接，但是也存在一些挑戰(zhàn)，如大面積器件測(cè)試、超薄芯片倒裝過(guò)程焊點(diǎn)錯(cuò)配、很難精確控制粘接劑分布。粘接劑的過(guò)渡涂布經(jīng)常發(fā)生，導(dǎo)致粘結(jié)劑鋪展，甚至?xí)采w芯片或者比超薄芯片的外圍還大?？刂颇z黏劑的噴涂目前僅僅在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模完成。這可能會(huì)提高后處理的挑戰(zhàn)，包括在印刷柔性傳感器的柔性混合電子系統(tǒng)中集成超薄芯片。

圖 a）倒裝疊層至LCP薄膜里 b）熱壓倒裝疊層不采用底填 c）導(dǎo)電膠倒裝連接示意 d）倒裝鍵合超薄芯片至柔性基板上；

3）硅通孔互連（TSV-ThroughSilicon Via）

垂直電氣互連是通過(guò)在硅片上刻蝕通孔后通過(guò)硅通孔實(shí)現(xiàn)互連，通常用于超薄芯片3D集成。硅通孔互連可以被應(yīng)用于晶片與晶片連接，晶圓與晶圓以及晶圓和晶片連接。TSV包括更短的連接距離、更低的延遲、電容及電感，增強(qiáng)能量效率以及更高的速度。TSV可以通過(guò)不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體見(jiàn)下圖。這些制造過(guò)程包括采用反應(yīng)離子刻蝕形成或者激光刻蝕形成孔，接著通過(guò)介質(zhì)沉積、阻隔層以及銅種子層沉積?；ミB孔通過(guò)鍍銅或者摻雜的多晶硅填充實(shí)現(xiàn)。再通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光的方式去除鍍銅殘留或者多余的多晶硅。在TSV工藝過(guò)程通常需要銅，但是銅和硅芯片之間膨脹系數(shù)的存在錯(cuò)配，會(huì)引起晶片翹曲，尤其對(duì)于較薄的硅片。熱耗散問(wèn)題也是具有很大挑戰(zhàn)，阻礙其向大批量的應(yīng)用。目前這項(xiàng)技術(shù)僅僅在硬質(zhì)基板上或者較薄的硅基板可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。對(duì)于柔性混合電子系統(tǒng)應(yīng)用TSV技術(shù)需要考慮柔性基板的熱穩(wěn)定性以及導(dǎo)電性化。

圖 TSV 工藝流程

小結(jié)：以上闡述了現(xiàn)有垂直互連技術(shù)對(duì)于柔性混合電子系統(tǒng)應(yīng)用的局限性。例如采用引線鍵合，具有最大的最小引線弧高、增加管腳尺寸、柔性基板的粘接難度以及柔性基板的在機(jī)械壓力下的變形，這些都阻礙了高密度柔性混合電子集成和封裝。盡管倒裝提供了高密度的輸入輸出管腳，其在器件測(cè)試、焊點(diǎn)錯(cuò)配等方面存在挑戰(zhàn)。導(dǎo)電膠的精確涂布也在柔性混合電子集成中面臨挑戰(zhàn)。TSV技術(shù)也尚未開(kāi)發(fā)應(yīng)用于超薄芯片集成于柔性基板，以及仍需要關(guān)注堆疊薄芯片過(guò)程中的熱耗散問(wèn)題。下表總結(jié)了傳統(tǒng)鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)柔性混合電子互連局限性。

二、印刷/打印技術(shù)

印刷/打印技術(shù)可以被分為兩大類(lèi)：接觸式和非接觸式。接觸式印刷如平版印刷、凹印以及柔版印刷，涉及印刷工具與基板的大面積接觸。之前提及的超薄芯片比較脆且厚度只有幾微米。因此需要在鍵合過(guò)程中，施加在超薄芯片的力要最小化。僅僅只有沉積可控的非接觸式打印技術(shù)被考慮。此外半導(dǎo)體器件正在面向小型化以及功能化發(fā)展，對(duì)于構(gòu)建超精細(xì)引腳間距（＜50μm）與更低的互連高度的需求日益趨增。而根據(jù)精度需求以及超薄芯片脆性特征，僅有基于網(wǎng)板、噴墨、激光以及擠出式技術(shù)滿(mǎn)足制造要求，下表展示這些非接觸接觸的對(duì)比。

1）絲網(wǎng)印刷

絲網(wǎng)印刷工藝是印刷電子器件最常用的方法之一，主要取決于其成熟性、高效、簡(jiǎn)單以及適合批量生產(chǎn)。復(fù)雜的電路圖形可以輕松實(shí)現(xiàn)，由于印刷厚度較大其具有較好的導(dǎo)電性。常用的印刷油墨/漿料包括金、銀以及碳基材料。常用的絲網(wǎng)印刷主要分為平板印刷和輥印。輥印通常適用于全自動(dòng)化工藝過(guò)程，具有高速、卷對(duì)卷，相比平板印刷能夠提高邊緣精度和分辨率。有報(bào)道絲網(wǎng)印刷可以應(yīng)用于超薄芯片的組裝工藝。但其在應(yīng)用方面具有一些局限性：1）隨設(shè)計(jì)圖樣更改需更換網(wǎng)板；2）存在材料浪費(fèi)；3）分辨率在50~100μm。但無(wú)論如何其仍是批量生產(chǎn)的理想選擇。

圖 不同絲網(wǎng)印刷原理

2）噴射式打印方式

a） 壓電噴墨打印

壓電噴墨可以按照指令進(jìn)行導(dǎo)電墨水的按需輸出，采用噴墨打印最高可以實(shí)現(xiàn)20~50μm的精度。其工作模式可以為連續(xù)式噴墨和按需式噴墨。連續(xù)噴墨技術(shù)適合于高速工作，其產(chǎn)生的連續(xù)墨滴，非理想墨滴會(huì)通過(guò)電場(chǎng)進(jìn)行收集，因此可能會(huì)產(chǎn)生一定的墨水浪費(fèi)。相反按需噴墨可以按照預(yù)定位置進(jìn)行沉積墨水，無(wú)需掩膜。噴墨常用的墨水需要低于20cP以保證穩(wěn)定噴射。

噴墨技術(shù)可以通過(guò)在基底和裸芯之間構(gòu)建的斜坡結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)互連，而僅打印一層是很難實(shí)現(xiàn)線路的導(dǎo)通性。盡管可以通過(guò)采用金或者銀墨水而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通性（電阻最低在10~130Ω，打印5層，50μm互連引線長(zhǎng)度）。多層打印可能會(huì)導(dǎo)致墨水的流動(dòng)（輔助加熱會(huì)改善）從而導(dǎo)致短路的風(fēng)險(xiǎn)。另外散墨可能會(huì)在這類(lèi)技術(shù)中發(fā)生，其會(huì)影響到精度以及打印圖形的形態(tài)、電性能及機(jī)械性能的穩(wěn)定性。

圖不同噴墨打印技術(shù)

b） 電流體噴射打印

不同于壓電噴墨的壓電或者熱效應(yīng)，電流體是基于電場(chǎng)作用而實(shí)現(xiàn)墨水的噴射。墨水首先在噴頭端部呈半月形。通過(guò)在噴嘴與基板之間施加電場(chǎng)。由于高壓電場(chǎng)的存在，墨水顆粒表面聚集，從而形成泰勒錐。當(dāng)靜電應(yīng)力超過(guò)墨滴在尖端的應(yīng)力，墨滴即會(huì)從噴嘴中噴射而出。不像壓電噴墨，EHD打印可以實(shí)現(xiàn)墨滴小于噴嘴直徑。SIJ的電流體噴射打印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高精度打印，其噴嘴開(kāi)口尺寸為1~3μm，距離基板20~40μm。由于電流體噴射的機(jī)理，振動(dòng)電場(chǎng)的施加可以實(shí)現(xiàn)微滴的噴射。但其與傳統(tǒng)的電流體噴射不同，SIJ并不會(huì)形成泰勒錐，這也是其優(yōu)勢(shì)，使其噴射的墨滴非常小。SIJ噴射的墨滴在0.1fL，相比噴墨墨滴要小1000倍，噴墨的墨滴在2pL（直徑16μm），使其電流體可以實(shí)現(xiàn)1μm的打印精度。頻率控制是其核心的參數(shù)之一，尤其在成型高長(zhǎng)比的微柱時(shí)。另外一個(gè)重要的參數(shù)就是施加的電壓。（感興趣的可以具體看看日本SIJ公司的相關(guān)技術(shù)）

圖 a–c)電流體打印 d–f) 氣溶膠打印

c） 氣溶膠打印

氣溶膠是另一類(lèi)數(shù)理化噴墨技術(shù)，其打印精度可以達(dá)到10μm。氣溶膠可以分為兩類(lèi)，一種是超聲霧化，一種是氣霧化。超聲支持的墨水粘度是1~10cp，氣霧化可以支持高達(dá)1000cp的粘度。氣溶膠的打印參數(shù)主要包括墨水霧化體沉積率、油墨比例系數(shù)以及打印速度。但是有報(bào)道隨著打印層數(shù)增加，打印的互連結(jié)構(gòu)會(huì)從Si/SiO2基板上脫落（需要進(jìn)行界面改性）。在混合柔性電子方面打印可靠的柔性互連結(jié)構(gòu)仍具有一定挑戰(zhàn)性。（感興趣可以了解美國(guó)OPTOMEC公司。）

3）激光直寫(xiě)技術(shù)

激光直寫(xiě)技術(shù)通常也被稱(chēng)為激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)印技術(shù)，也是可以通過(guò)電腦控制實(shí)現(xiàn)較高的精度。其可以實(shí)現(xiàn)10μm精度的2D以及3D結(jié)構(gòu)。其可以沉積金屬、半導(dǎo)體、樹(shù)脂以及陶瓷等材料，打印體不會(huì)與目標(biāo)基板發(fā)生物理接觸。其兼容的粘度100~400000cP，固含量高達(dá)80%。（感興趣可以了解下英國(guó)的IoTech公司。）需要供載體附著有犧牲層非常接近接受基板，脈沖激光達(dá)到一定能量閾值從負(fù)載體上脫落從而沉積至基板。應(yīng)用激光直寫(xiě)技術(shù)沉積金屬材料，其過(guò)程涉及金屬熔化，會(huì)容易形成氧化層以及與基板很差的結(jié)合力。另外低粘度墨水不推薦作為犧牲載體使用，容易產(chǎn)生碎點(diǎn)導(dǎo)致精度變差。陶瓷和樹(shù)脂不太適合，由于沉積過(guò)程會(huì)造成一些不可逆的現(xiàn)象。

圖激光直寫(xiě)技術(shù)

4）擠出式技術(shù)

擠出式打印能夠通過(guò)氣動(dòng)或者機(jī)械力提供連續(xù)的墨水或者漿料沉積，常見(jiàn)的擠出式如FDM和微筆直寫(xiě)技術(shù)。FDM一般用于沉積熱熔性樹(shù)脂或者改性的功能性樹(shù)脂。微筆直寫(xiě)技術(shù)一般沉積墨水或者漿料，通常用在小批量制造，如打印傳感電子或者生物打印等。直寫(xiě)打印能夠兼容粘度很高的墨水以及其屈服應(yīng)力不會(huì)堵頭，高粘度的漿料打印具有以下優(yōu)勢(shì)：適合于非接觸打印的漿料應(yīng)具有非牛頓流變性能，其有效粘度變化取決于剪切速率。通常銀和金基的導(dǎo)電漿料具有較高的觸變系數(shù)，意味著其在打印后有能力恢復(fù)至其初始的粘度值。且越高的粘度具有更大的抗剪切應(yīng)力，不會(huì)造成墨水的擴(kuò)散。因此粘度越高的漿料對(duì)于實(shí)現(xiàn)高比率的結(jié)構(gòu)更有益，但同時(shí)也依賴(lài)于噴嘴直徑以及其他打印條件因素。盡管沒(méi)有關(guān)于擠出式技術(shù)在超薄芯片互連方面的應(yīng)用案例，但是有報(bào)道其可以為太陽(yáng)能電池成型3D銀互連結(jié)構(gòu)（線寬15μm/高度13μm）。