Taiwanese machinebouwer integreert Poolse additieve technologie voor microcontactlijnen

In additieve productie van micro-elektronica is het de uitdaging om ultradunne en sterk geleidende interconnecties te printen. Het Poolse bedrijf XTPL heeft hiervoor een ultranauwkeurige depositietechnologie ontwikkeld. XTPL-ceo Filip Granek licht de technologie toe. Hij presenteert hierover ook een Bits&Chips Sysarch-webinar op 13 oktober.

Filip Granek is ceo van XTPL.

28 september

Additieve productie is onmisbaar voor prototypes en de fabricage van nieuwe generatie micro-elektronica. Daarbij is de eis dat de geprinte structuren op 3D ic’s, displays, sensoren, antennes en biomedische apparaten een uitstekende elektrische geleiding en volledige hechting aan het substraat hebben. Ook op niet-vlakke ondergronden en verschillende materialen.

Met zijn ultraprecieze depositietechnologie (UPD) biedt XTPL een veelzijdige aanpak voor het printen van micrometrische geleidende en niet-geleidende structuren op diverse harde en flexibele substraten. De techniek maakt maskerloze depositie van hooggeconcentreerde zilver-, koper- en ’goudpasta’s mogelijk, tot 85 gewichtsprocent van het bronmateriaal. De gedrukte structuren gaan tot 1 micrometer en de maximale elektrische geleiding in dit bereik is ongeveer 45 procent van die van het bulkmateriaal.

De onderscheidende kenmerken van de UPD-printtechnologie: hoge aspectratio’s, hoge printresolutie op 3D topografieën en bij het printen van microdots.

Veelgebruikte technieken zoals inkjet en aerosoljet hebben hun beperkingen voor het printen van contactlijnen. Inkjet heeft een lage printresolutie en de geprinte structuren zijn dun, zelfs na meerdere gangen. Deze techniek is ook beperkt toepasbaar op 3D substraten. Aerosoljetresolutie gaat maar tot 10 µm en er zijn meerdere slagen nodig bij structuren met een hoge hoogte-breedteverhouding. Door de satellietdruppels is de dichtheid inherent beperkt. Noch met inkjet noch met aerosoljet kunnen geleidende sporen rechtstreeks op verticale hellingen worden aangebracht.

Besturingsparameters

De belangrijkste parameters in de controle van het UPD-drukproces zijn de interne opening van de spuitmond, de procesdruk en de druksnelheid. Deze drie parameters bepalen de massastroom of de hoeveelheid materiaal per oppervlakte-eenheid op het substraat – wat van invloed is op de breedte en hoogte van de gedrukte structuren.

Een andere parameter is de tijdsvertraging tussen het inschakelen van de druk en de beweging van de spuitmond. Deze vertraging beïnvloedt de homogeniteit en de continuïteit van de gedrukte structuren. Ten slotte moet de afstand tussen de spuitmondopening en het substraat nauwkeurig worden gecontroleerd.

Het UPD-printsysteem

De gedrukte structuren blijven uniform, ongeacht de bevochtigingseigenschappen van het substraat. Daarom is het mogelijk te printen op materialen zoals oxides, nitrides, metalen, glas en folies, metaal, halfgeleiders en isolatoren.

Hoogfrequent

Microstrip-antennes op grote oppervlakken zoals stickers (microstrip patch antennes) voldoen niet aan de behoeftes van de huidige communicatiesystemen. Een microstrip-antenne voor fm-radio op 100 MHz moet bijvoorbeeld ongeveer 1 meter lang zijn, voor am-radio op 1000 kHz moet de patch een voetbalveld groot zijn. Dat is dus nogal onpraktisch.

De komst van metasurfaces brengt dat wel dichterbij. De onderstaande figuur toont een voorbeeldreeks van zilverlijnen op een PEN-folie. De lijnbreedte is 3,2 µm en de afstand tussen de lijnen is 0,7 µm. De hoge gladheid van het oppervlak, de constante lijnbreedte en de constante lijnafstand bevestigen de hoge kwaliteit van de afdrukken, waardoor hoogfrequente signaalverliezen worden beperkt.

Deze toepassing maakt UPD beter geschikt voor hoogfrequente toepassingen dan andere additieve fabricagetechnologieën. Aerosoljet is bijvoorbeeld beperkt tot 20 µm spleetgrootte vanwege overspray. Bovendien veroorzaken satellietdruppels rond de gedrukte signaallijn straling op het substraat.

Met onze UPD-technologie hebben we aangetoond dat we antennestructuren kunnen printen voor signalen boven 300 GHz. Onze inschatting is dat interconnecties voor antennes boven 330 GHz alleen mogelijk zijn met UPD.

Reeks zilverlijnen op een PEN-folie met uitzoom in de inzet.

Dit soort producten zijn moeilijk te produceren vanwege de beperkte ruimte tussen de contactlijnen en de hoge ruwheid van gedeponeerde structuren. Ook de lage hechting aan het substraat speelt soms parten. UPD lost dit op: de gedrukte zilverlijnen zijn glad en de hechting op een breed scala van substraten als glas, silicium en flexibele folies is zeer hoog.

Andere mogelijkheden

UPD maakt het mogelijk 3D interconnecties te printen voor geavanceerde verpakkingen, met inbegrip van hybride elektronica die gedrukte elektronica en siliciumtechnologieën combineert. Onderstaande figuur toont de mogelijkheden van de UPD-technologie om op stappen te printen. Dit voldoet aan de eisen voor de fabricage van interconnecties in micro-elektronische apparaten zoals microled-arrays.

Een afbeelding van een reeks ononderbroken gedrukte zilverlijnen met een breedte van 15 µm op een trede die tien keer hoger (150 µm) is dan de lijnbreedte.

Een andere mogelijkheid van de UPD-methode is het afdrukken van microdots voor elektrische contacten. De onderstaande figuur toont microdots die met UPD zijn afgedrukt. Er is ook een gladde, lensachtige vorm te zien, die helpt bij het aanbrengen van extra lagen. Een dergelijke vorm verschilt sterk van microdots die met lithografie zijn verkregen en die doorgaans een rechthoekige vorm hebben.

Met UPD geprinte microdots (de balk komt overeen met 100 μm), samen met een vergroting van een enkele microdot. De puntjes hebben een diameter van ongeveer 13 µm en een hoogte van ongeveer 2,5 µm.
De mogelijkheden van UPD voor massaproductie. De figuur toont een deel van een print met 7500 gedrukte segmenten voor transistoren met een lijnbreedte van 4 μm.

Wij hebben ook aangetoond dat UPD geschikt is voor het printen van arrays van source-drain-structuren voor geprinte flat panel-displays. Het belangrijkste kenmerk van UPD daarbij is de lijnbreedte en de mogelijkheid om de afstand tussen de lijnen te beperken tot enkele micrometers. Bovendien kan de te printen vorm willekeurig worden gedefinieerd, wat lean productie ondersteunt.

Onlangs heeft een Taiwanese equipmentbouwer voor halfgeleidertechnologie UPD geïntegreerd in een industriële machine. Deze opdracht betekent een stap naar de volgende fase in de industrialisatie van onze technologie in productielijnen voor komende generaties elektronica.

Filip Granek houdt een presentatie over de UPD-technologie tijdens het Bits&Chips Sysarch-webinar op 13 oktober. Dit is een ingekorte versie van een artikel dat gepubliceerd is in Nature Scientific Reports.