利用粘合過程中的缺陷-脫濕現象實現微電子器件直接互連

利用粘合過程中的缺陷-脫濕現象實現微電子器件直接互連

隨著各種先進材料和制造技術的發現和改進,未來,電子設備將趨於微型化,在有限的區域內緊密集成和互連,以實現多功能、高性能和節能的目的。然而,當電子元器件(例如發光二極管、電晶體和各種傳感器等)在尺度上變得很小時,常見的組裝方法(金屬佈線、金屬焊接和各向異性導電薄膜(ACF))在集成過程中會受到許多限制。

近年來,研究者采用金屬包覆的聚合物球、多層ACF、非導電膜(NCF)和銀墨水及共晶鎵−銦(EGaIn)液態金屬合金塗覆等多種方法來提高互連節距。但這些方法仍顯示出多種局限性,例如塗有導電金屬的聚合物球容易受熱影響,可靠性低;聚合物的熱導率比金屬焊料的低,因此容易出現器件散熱的問題;ACF和NCF的多層結構可以改善節距性能,但需要更大的鍵合壓力,還需在設備上進行額外的處理,以實現側壁絕緣,降低瞭產量和吞吐量;雖然EGaIn輔助的納米銀油墨可以在低溫條件下進行互連,但由於氧化層和表面張力的關系,減小油墨尺寸和圖案仍然是一個挑戰。

利用膠粘劑選擇性脫濕實現電氣互聯

基於此,韓國成均館大學Tae-il Kim團隊利用各向異性聚合物導電膠粘劑的選擇性脫濕開發瞭一種新型的直接和垂直電氣互連技術,該方法適用於柔性電子器件中確定性微電子組裝。該互連系統由含有金屬納米粒子的聚合物膠粘劑和結構電極組成。膠粘劑通過簡單的旋塗工藝塗覆在基板上,通過紫外光固化使安裝在設備上的器件具有選擇性的導電性和粘性,其他部分形成絕緣層和保護層。該技術可以應用於電極尺寸和間距為20 μm或更小的各種微型電子設備,並且可以承受劇烈的溫度變化(- 40至85 °C, 5分鐘,超過300次循環)和長期的高濕度環境(85 °C, 85%相對濕度,300小時)。此外,在柔性和透明基板上以單片集成的方式實現瞭包括超過1萬個微型發光二極管(micro-LED)和商業化微芯片的顯示器制備。

利用粘合過程中的缺陷-脫濕現象實現微電子器件直接互連
圖1 由納米除濕驅動的各向異性導電膠進行電氣互連的微電子器件的確定性組裝示意圖

利用轉移打印技術實現膠粘劑選擇性脫濕

作者首先制備一種丙烯酸酯基紫外線(UV)可固化膠粘劑,用於各種電子設備的確定性組裝和轉移打印。該膠粘劑由雙酚A縮水甘油酯、雙丙烯酸酯、矽烷偶聯劑KH570,SOG 500F和紫外光引發劑組成,通過改變各組分的重量比、溶劑稀釋或紡絲速度可控制塗覆在基材上膠粘劑的厚度。為瞭實現各向異性導電膠粘劑(ACA)的制備,在上述膠粘劑中加入1 wt%的商業化銦(In)納米顆粒(250 nm)。

作者利用紡絲法、棒塗覆法或噴墨法將ACA均勻地塗覆在Au電極上,使其處於完全濕潤狀態。當銦(In)納米顆粒嵌入被塗覆的膠粘劑中,膠粘劑保持穩定並處於完全濕潤的膜狀態(圖1a)。然後利用聚二甲基矽氧烷(PDMS)突出標記作為確定性載體電子元件的對齊和轉移(圖1b),由於PDMS和電子器件之間弱的相互作用,後期可通過轉移打印工藝,將電子器件輕輕放置在ACA塗層上(圖1c)。由於膠粘劑-器件與器件-PDMS之間的粘附差異,較弱的壓力 (≈0.5 bar)應用於器件-ACA。通過對膠粘劑材料的擠壓,器件下ACA的厚度是衰減的。當ACA的厚度小於脫濕閾值時,聚合物膠粘劑就會變得不穩定,在被擠壓的點上就會觸發脫濕。使得金屬顆粒(銦)暴露在電子器件的表面和金屬襯墊上,實現瞭電子器件之間的連接(這些暴露的金屬顆粒充當傳統的金屬凸點,但比那些在與底板上的預制電路垂直接觸時使用的小100倍)。最後,ACA暴露區域在紫外引發的聚合作用下失去瞭其固有的粘結力,形成惰性絕緣層;而位於電子器件下方的ACA未暴露區域保持著粘結力,將電子元件緊緊地握住,這些未暴露的區域隨著時間慢慢固化,用於防止電氣缺陷如短路(圖1d)。

利用粘合過程中的缺陷-脫濕現象實現微電子器件直接互連
圖2 聚合物膠粘劑在結構電極上的表面形態

器件的轉移打印會導致膠粘劑在金屬顆粒或結構化的電極上脫濕,同時膠粘劑在電子設備側壁上就會形成毛細管遷移(圖2ab),這使得電子器件在所需的位置上具有穩定的互連和組裝。轉移打印後250 nm的金屬納米粒子暴露在表面,脫濕的聚合物膠粘劑在顆粒周圍形成一個半月板(紅色),這個半月板是脫濕現象的一個主要證據(圖2cd)。

利用粘合過程中的缺陷-脫濕現象實現微電子器件直接互連
圖3 基於膠粘劑脫濕的電子直接互連的大面積打印和可靠性

該方法可以通過一個簡單的紡絲塗層和轉移印刷過程將各種電子產品直接互連(微發光二極管,迷你發光二極管,紅外接收器,微控制器,晶體管);還可以將不同尺寸和高度的電子元件集成在一起,甚至可以集成在柔軟透明的基片上,使其具有均勻的電氣性能;同樣也可以集成成千上萬的電子元件,用於大面積的轉移印刷過程(圖3)。此外,該方法通過濕度敏感試驗和熱沖擊試驗證明其互連性能十分穩定。

雖然目前該方法仍有一些具有挑戰性的問題,比如金屬粒度的結構高度,附著力較弱所帶來脫濕的不穩定性。但是,這項研究希望能夠提供一種新的互連技術,未來可用於在有限電路板上進行大規模微電子器件以及柔性可穿戴電子器件的確定性集成。

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201908422

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