利用粘合過程中的缺陷-脫濕現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)微電子器件直接互連

隨著各種先進(jìn)材料和制造技術(shù)的發(fā)現(xiàn)和改進(jìn),未來,電子設(shè)備將趨于微型化,在有限的區(qū)域內(nèi)緊密集成和互連,以實(shí)現(xiàn)多功能、高性能和節(jié)能的目的。然而,當(dāng)電子元器件(例如發(fā)光二極管、電晶體和各種傳感器等)在尺度上變得很小時(shí),常見的組裝方法(金屬布線、金屬焊接和各向異性導(dǎo)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(dǎo)電膜(NCF)和銀墨水及共晶鎵?銦(EGaIn)液態(tài)金屬合金涂覆等多種方法來提高互連節(jié)距。但這些方法仍顯示出多種局限性,例如涂有導(dǎo)電金屬的聚合物球容易受熱影響,可靠性低;聚合物的熱導(dǎo)率比金屬焊料的低,因此容易出現(xiàn)器件散熱的問題;ACF和NCF的多層結(jié)構(gòu)可以改善節(jié)距性能,但需要更大的鍵合壓力,還需在設(shè)備上進(jìn)行額外的處理,以實(shí)現(xiàn)側(cè)壁絕緣,降低了產(chǎn)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(jìn)行互連,但由于氧化層和表面張力的關(guān)系,減小油墨尺寸和圖案仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

利用膠粘劑選擇性脫濕實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)

基于此,韓國成均館大學(xué)Tae-il Kim團(tuán)隊(duì)利用各向異性聚合物導(dǎo)電膠粘劑的選擇性脫濕開發(fā)了一種新型的直接和垂直電氣互連技術(shù),該方法適用于柔性電子器件中確定性微電子組裝。該互連系統(tǒng)由含有金屬納米粒子的聚合物膠粘劑和結(jié)構(gòu)電極組成。膠粘劑通過簡單的旋涂工藝涂覆在基板上,通過紫外光固化使安裝在設(shè)備上的器件具有選擇性的導(dǎo)電性和粘性,其他部分形成絕緣層和保護(hù)層。該技術(shù)可以應(yīng)用于電極尺寸和間距為20 μm或更小的各種微型電子設(shè)備,并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(huán))和長期的高濕度環(huán)境(85 °C, 85%相對濕度,300小時(shí))。此外,在柔性和透明基板上以單片集成的方式實(shí)現(xiàn)了包括超過1萬個(gè)微型發(fā)光二極管(micro-LED)和商業(yè)化微芯片的顯示器制備。

 

利用粘合過程中的缺陷-脫濕現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)微電子器件直接互連
圖1?由納米除濕驅(qū)動的各向異性導(dǎo)電膠進(jìn)行電氣互連的微電子器件的確定性組裝示意圖

利用轉(zhuǎn)移打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)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,用于各種電子設(shè)備的確定性組裝和轉(zhuǎn)移打印。該膠粘劑由雙酚A縮水甘油酯、雙丙烯酸酯、硅烷偶聯(lián)劑KH570,SOG 500F和紫外光引發(fā)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涂覆在基材上膠粘劑的厚度。為了實(shí)現(xiàn)各向異性導(dǎo)電膠粘劑(ACA)的制備,在上述膠粘劑中加入1 wt%的商業(yè)化銦(In)納米顆粒(250 nm)。

作者利用紡絲法、棒涂覆法或噴墨法將ACA均勻地涂覆在Au電極上,使其處于完全濕潤狀態(tài)。當(dāng)銦(In)納米顆粒嵌入被涂覆的膠粘劑中,膠粘劑保持穩(wěn)定并處于完全濕潤的膜狀態(tài)(圖1a)。然后利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)突出標(biāo)記作為確定性載體電子元件的對齊和轉(zhuǎn)移(圖1b),由于PDMS和電子器件之間弱的相互作用,后期可通過轉(zhuǎn)移打印工藝,將電子器件輕輕放置在ACA涂層上(圖1c)。由于膠粘劑-器件與器件-PDMS之間的粘附差異,較弱的壓力?(≈0.5 bar)應(yīng)用于器件-ACA。通過對膠粘劑材料的擠壓,器件下ACA的厚度是衰減的。當(dāng)ACA的厚度小于脫濕閾值時(shí),聚合物膠粘劑就會變得不穩(wěn)定,在被擠壓的點(diǎn)上就會觸發(fā)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(shí)現(xiàn)了電子器件之間的連接(這些暴露的金屬顆粒充當(dāng)傳統(tǒng)的金屬凸點(diǎn),但比那些在與底板上的預(yù)制電路垂直接觸時(shí)使用的小100倍)。最后,ACA暴露區(qū)域在紫外引發(fā)的聚合作用下失去了其固有的粘結(jié)力,形成惰性絕緣層;而位于電子器件下方的ACA未暴露區(qū)域保持著粘結(jié)力,將電子元件緊緊地握住,這些未暴露的區(qū)域隨著時(shí)間慢慢固化,用于防止電氣缺陷如短路(圖1d)。

利用粘合過程中的缺陷-脫濕現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)微電子器件直接互連
圖2?聚合物膠粘劑在結(jié)構(gòu)電極上的表面形態(tài)

器件的轉(zhuǎn)移打印會導(dǎo)致膠粘劑在金屬顆?;蚪Y(jié)構(gòu)化的電極上脫濕,同時(shí)膠粘劑在電子設(shè)備側(cè)壁上就會形成毛細(xì)管遷移(圖2ab),這使得電子器件在所需的位置上具有穩(wěn)定的互連和組裝。轉(zhuǎn)移打印后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(gè)半月板(紅色),這個(gè)半月板是脫濕現(xiàn)象的一個(gè)主要證據(jù)(圖2cd)。

利用粘合過程中的缺陷-脫濕現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)微電子器件直接互連
圖3?基于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(gè)簡單的紡絲涂層和轉(zhuǎn)移印刷過程將各種電子產(chǎn)品直接互連(微發(fā)光二極管,迷你發(fā)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,用于大面積的轉(zhuǎn)移印刷過程(圖3)。此外,該方法通過濕度敏感試驗(yàn)和熱沖擊試驗(yàn)證明其互連性能十分穩(wěn)定。

雖然目前該方法仍有一些具有挑戰(zhàn)性的問題,比如金屬粒度的結(jié)構(gòu)高度,附著力較弱所帶來脫濕的不穩(wěn)定性。但是,這項(xiàng)研究希望能夠提供一種新的互連技術(shù),未來可用于在有限電路板上進(jìn)行大規(guī)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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