利用粘合过程中的缺陷-脱湿现象实现微电子器件直接互连

利用粘合过程中的缺陷-脱湿现象实现微电子器件直接互连

随着各种先进材料和制造技术的发现和改进,未来,电子设备将趋于微型化,在有限的区域内紧密集成和互连,以实现多功能、高性能和节能的目的。然而,当电子元器件(例如发光二极管、电晶体和各种传感器等)在尺度上变得很小时,常见的组装方法(金属布线、金属焊接和各向异性导电薄膜(ACF))在集成过程中会受到许多限制。

近年来,研究者采用金属包覆的聚合物球、多层ACF、非导电膜(NCF)和银墨水及共晶镓−铟(EGaIn)液态金属合金涂覆等多种方法来提高互连节距。但这些方法仍显示出多种局限性,例如涂有导电金属的聚合物球容易受热影响,可靠性低;聚合物的热导率比金属焊料的低,因此容易出现器件散热的问题;ACF和NCF的多层结构可以改善节距性能,但需要更大的键合压力,还需在设备上进行额外的处理,以实现侧壁绝缘,降低了产量和吞吐量;虽然EGaIn辅助的纳米银油墨可以在低温条件下进行互连,但由于氧化层和表面张力的关系,减小油墨尺寸和图案仍然是一个挑战。

利用胶粘剂选择性脱湿实现电气互联

基于此,韩国成均馆大学Tae-il Kim团队利用各向异性聚合物导电胶粘剂的选择性脱湿开发了一种新型的直接和垂直电气互连技术,该方法适用于柔性电子器件中确定性微电子组装。该互连系统由含有金属纳米粒子的聚合物胶粘剂和结构电极组成。胶粘剂通过简单的旋涂工艺涂覆在基板上,通过紫外光固化使安装在设备上的器件具有选择性的导电性和粘性,其他部分形成绝缘层和保护层。该技术可以应用于电极尺寸和间距为20 μm或更小的各种微型电子设备,并且可以承受剧烈的温度变化(- 40至85 °C, 5分钟,超过300次循环)和长期的高湿度环境(85 °C, 85%相对湿度,300小时)。此外,在柔性和透明基板上以单片集成的方式实现了包括超过1万个微型发光二极管(micro-LED)和商业化微芯片的显示器制备。

 

利用粘合过程中的缺陷-脱湿现象实现微电子器件直接互连
图1 由纳米除湿驱动的各向异性导电胶进行电气互连的微电子器件的确定性组装示意图

利用转移打印技术实现胶粘剂选择性脱湿

作者首先制备一种丙烯酸酯基紫外线(UV)可固化胶粘剂,用于各种电子设备的确定性组装和转移打印。该胶粘剂由双酚A缩水甘油酯、双丙烯酸酯、硅烷偶联剂KH570,SOG 500F和紫外光引发剂组成,通过改变各组分的重量比、溶剂稀释或纺丝速度可控制涂覆在基材上胶粘剂的厚度。为了实现各向异性导电胶粘剂(ACA)的制备,在上述胶粘剂中加入1 wt%的商业化铟(In)纳米颗粒(250 nm)。

作者利用纺丝法、棒涂覆法或喷墨法将ACA均匀地涂覆在Au电极上,使其处于完全湿润状态。当铟(In)纳米颗粒嵌入被涂覆的胶粘剂中,胶粘剂保持稳定并处于完全湿润的膜状态(图1a)。然后利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)突出标记作为确定性载体电子元件的对齐和转移(图1b),由于PDMS和电子器件之间弱的相互作用,后期可通过转移打印工艺,将电子器件轻轻放置在ACA涂层上(图1c)。由于胶粘剂-器件与器件-PDMS之间的粘附差异,较弱的压力 (≈0.5 bar)应用于器件-ACA。通过对胶粘剂材料的挤压,器件下ACA的厚度是衰减的。当ACA的厚度小于脱湿阈值时,聚合物胶粘剂就会变得不稳定,在被挤压的点上就会触发脱湿。使得金属颗粒(铟)暴露在电子器件的表面和金属衬垫上,实现了电子器件之间的连接(这些暴露的金属颗粒充当传统的金属凸点,但比那些在与底板上的预制电路垂直接触时使用的小100倍)。最后,ACA暴露区域在紫外引发的聚合作用下失去了其固有的粘结力,形成惰性绝缘层;而位于电子器件下方的ACA未暴露区域保持着粘结力,将电子元件紧紧地握住,这些未暴露的区域随着时间慢慢固化,用于防止电气缺陷如短路(图1d)。

利用粘合过程中的缺陷-脱湿现象实现微电子器件直接互连
图2 聚合物胶粘剂在结构电极上的表面形态

器件的转移打印会导致胶粘剂在金属颗粒或结构化的电极上脱湿,同时胶粘剂在电子设备侧壁上就会形成毛细管迁移(图2ab),这使得电子器件在所需的位置上具有稳定的互连和组装。转移打印后250 nm的金属纳米粒子暴露在表面,脱湿的聚合物胶粘剂在颗粒周围形成一个半月板(红色),这个半月板是脱湿现象的一个主要证据(图2cd)。

利用粘合过程中的缺陷-脱湿现象实现微电子器件直接互连
图3 基于胶粘剂脱湿的电子直接互连的大面积打印和可靠性

该方法可以通过一个简单的纺丝涂层和转移印刷过程将各种电子产品直接互连(微发光二极管,迷你发光二极管,红外接收器,微控制器,晶体管);还可以将不同尺寸和高度的电子元件集成在一起,甚至可以集成在柔软透明的基片上,使其具有均匀的电气性能;同样也可以集成成千上万的电子元件,用于大面积的转移印刷过程(图3)。此外,该方法通过湿度敏感试验和热冲击试验证明其互连性能十分稳定。

虽然目前该方法仍有一些具有挑战性的问题,比如金属粒度的结构高度,附着力较弱所带来脱湿的不稳定性。但是,这项研究希望能够提供一种新的互连技术,未来可用于在有限电路板上进行大规模微电子器件以及柔性可穿戴电子器件的确定性集成。

原文链接:

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

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