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喷胶技术用于非传统封装与组装领域
2012/10/29

随着绿色革命、替代能源、高能效要求以及生命科学应用的发展,它们成为更多行业发展的推动力,电子封装与组装行业亦受到积极影响。但在开发替代能源、高密度功率、小尺寸、低成本产品方面以及生命科学要求的耐用性和可靠性方面均存在不少挑战。非接触式喷射、喷涂和薄膜喷涂工艺的采用,可使半导体器件不再是单纯的封装产物,而是终端产品或其功能的有机组成部分。 
 
近期应用
    光伏电池 (PV) 从最初的开始生产到完成整套电池板的最终组装,期间采用了多种点胶工艺。在生产初期,光电硅片需先均匀喷涂一层掺磷材料,才能送入掺杂炉进行处理。在随后的生产线中,光电硅片必须在电池上涂敷集光导线并紧密吻接在一起,随后将电池相互叠连成电池板 (见图 1)。集光导线采用丝网印刷、晶种线电镀或点胶方式制成。

    过去数年中,底部填充倒装芯片的堆叠和封装已在生命科学领域获得应用,例如:起搏器和助听器不仅性能更佳,可靠性更高,而且体积更小,功耗更低。底部填充喷射法可以缩小晶元周围避让区,使封装更为紧凑。该工艺当前已在血液分析中获得了应用。血液分析所用半导体硅片采用特制晶元作为流体分析电路,在阵列位置中喷射化学品后制成终端装置内部电路未来的功能元器件 (见图 2)。
 

    蓝色 LED 的出现为白色高亮 LED 打开了一个巨大市场。LED 有助于为汽车照明、工业照明和一般照明提供新型节能产品。在 LED 封装中,黄磷 (通常为 YAG) 必须均匀涂敷在晶元才能产生白光。根据磷光质性质、含磷百分量、晶元上磷分布以及其它相关因素,光线色度值 (CIE) 可由蓝变黄8。喷射工艺及其它点胶技术还可用于涂敷填磷硅胶、粘合磷粉容器盘与晶元、底部填充晶元以及制造透镜 (见图 3)。 

    薄膜晶体管液晶平板显示器(TFT-LCD)在显示器行业的发展已日臻成熟。而在光电领域,前端平板显示器制造工艺已采用了许多前端半导体设备组,而且是更大规模的采用。第八代生产线所处理基板面积可达 2160 x 2400 mm (见图  4)。 

     这种新型显示技术大有取代液晶显示之势。有源矩阵有机发光二极管 (AMOLED) 其发展潜力在于屏幕的高亮度、低厚度 (<1 mm)、快速响应和更低功耗性。当前 AMOLED 仅限于制造 G4 规格的显示器。封装玻璃亦采用点胶工艺进行密封。而顶上发光器件则必须采用液晶滴注法在二极管与玻璃盖之间涂敷极化与导光胶。平板显示器的最新应用领域是采用极化膜的后模块组装工艺。这种极化膜能捕捉入射光,使显示屏在全光照下仍具有优异的可见度9。 
 
新兴应用: 3D 互连技术
    受小型化封装要求的不断推动,封装行业目前已进入了 3D 封装时代 (见图 5)。

 
    堆叠技术 (PoP) 已成为增加系统内存容量的主流技术。硅穿孔互连技术 (TSV)的应用则使 3D 堆叠封装朝向晶元级水平发展。但是,硅穿孔互连技术实现大规模商业化至今仅有 5 年左右时间。目前其成本仍然太高,制造工艺与芯片布置设计规则这二者仍未实现融合。 
    因此在当前过渡阶段采用引线键合法和面对面倒装工艺来制造叠层芯片。众所周知,引线键合技术工艺成熟,封装厂基础设施投资大。因此拥有成本高,工艺风险低。存在问题是引线键合叠层芯片中每层芯片在组装中出现失效的概率很高。因此对于连续组装工艺,失效使得底层芯片失去了其芯片互连的价值(见图 6)。
 

    新型喷射技术则使互连工艺具有更高的堆叠可靠性和成本有效性。沿堆叠晶元的边缘喷射银胶,可使堆叠的晶元彼此之间实现互连 (见图 7)。

    以 Vertical Circuits Inc. (VCI) 公司采用的互连工艺为例。对于采用八颗晶元堆叠成型的内存封装,引线键合工艺需要 22 步制造工艺,而垂直互连仅需 8 步 (见表 1 和 2)
                       
    其引线键合工艺占地面积 101 m2,需要 16 名操作人员对 46 台点胶机循环操作 39 小时;而垂直互连工艺占地面积仅为 24 m2,只需 8 名操作人员对 16 台点胶机循环操作 8 小时 即可。该互连工艺采用 200 um 宽银胶线喷射法取代了金丝引线键合法。 
 
新兴应用: 燃料电池
    半导体硅片加工工艺的最新应用对象是微型直接甲醇燃料电池 (mDMFC)。直接甲醇燃料电池的市场推动力,是便携式和手持式装置存在更换电池或对电池充电方面的需求。其技术推动力在于其体积能量密度 (800 Wh/kg) 高于锂电池 (200 Wh/kg),并使用常用燃料作为电子发生器,不需使用电池充电出口,用户移动性得以增强。微型直接甲醇燃料电池的商业化程度取决于燃料电池技术能否成功应用、半导体供应商与市场手持装置主要供应商之间能否建立有效的商业合作关系、以及燃料元件包装形式是否合适。近来,BIC (lighters)、Nokia 和 ST Microelectronics 公司已着手开发微型直接甲醇燃料电池,并将于 2009 年适时推向市场。 
    直接甲醇燃料电池的工作原理,是甲醇和水在催化剂膜阳极侧发生还原反应,通过质子交换膜与阴极催化剂膜氧化侧进行质子交换。该过程与电池类似,产生的电子需要流经整个回路才能实现全部反应。图 8 所示为燃料电池及其化学反应。 

    半导体与微电机系统 (MEMS) 制造工艺尤其适合制造微型直接甲醇燃料电池。图 9 所示为一种半导体燃料电池。 

    在电池阳极,硅片蚀刻成孔,甲醇和水可以穿过孔隙扩散进入催化剂层。半导体阴极采用标准沉积技术制作半导体。在某些设计工艺中使用铂和钌 (Pt 和 Ru) 作催化剂也可获得良好沉积效果。大多数情况下,以碳粒为载体含铂和钌的多孔催化剂层是以沉积或附着方式结合在阳极上。某些情况下单独采用一层碳催化剂膜,紧密附着在电池阳极上。图 10 所示为 9 步法制造典型的半导体直接燃料电池。 

    其中质子交换膜 (PEM) 选用 Nafion。Nafion 是 DuPont 公司生产的一种全氟磺酸聚合物膜,具有低气体渗透性和高质子传导性。阴极侧催化剂层和气体扩散层与阳极侧基本相同。阴极半导体侧可以设置进氧和出水通道或孔隙。而电池阳极侧需要进水。直接甲醇燃料电池最佳的设计工艺是将氧化侧副产物水重新用于阳极还原侧。同时,还可设计电池实现燃料、水和空气(氧气)的无源流动,省却外部泵送力。这方面已有许多论文对不同半导体配置的直接甲醇燃料电池做了研究3,4,5,6,7。 
    在某些装置中,催化剂层分散为碳黑墨水形式,Nafion 聚合物质子交换膜则与溶剂形成溶液流体。对这些材料进行点胶具有一定的挑战性。因为墨水中碳粒易于沉降或聚结,引起喷嘴堵塞。溶剂型 Nafion 材料亦会快速闪蒸,造成喷嘴堵塞。此外,Nafion 材料含有活性磺酸,会与大多数过流点胶元器件发生反应,导致点胶系统中毒、起泡和变质。 
    而且该流体与基材之间的各种相互作用也具有不少挑战。比如,碳墨表面若处理不当将不易润湿。润湿问题虽可通过标准的基材清洁法如等离子体清洗或乙醇/丙酮清洗法得到解决。但在墨水干燥后基材将变脆。墨水层若过厚,则外层干燥速度远快于内层,如水性表面涂层一般出现裂纹。因此采用喷墨头喷涂碳催化剂墨水来解决该问题。但是,这种喷墨技术要求墨滴粒径极小 (8 PL),从而延长了喷墨时间。借助底部填充点胶中采用的喷射阀可使该问题获得解决。这种喷射阀可以单点胶路径或双点胶路径形式喷涂厚度合适的墨水,既不会产生裂纹,又满足产能要求 (见图 11)。

 
    同时,自动点胶机还应具有流量校准功能,以充分控制喷墨量,为使燃料电池具备良好性能而获得合适的催化剂密度。 
大多数墨水由于还含有少量 Nafion 材料,因此要求喷射阀的过流元器件采用钝化处理。但市售标准喷墨头未经充分钝化,无法长期使用,是限制标准喷墨技术的又一因素。 Nafion 材料在点胶方面以及点胶后与基材表面相互作用方面都存在诸多挑战。由于 Nafion 溶液具有挥发性,因此喷射阀必须经自动点胶机适当调节后才能防止喷嘴被固化Nafion 材料堵塞。而且喷射阀过流元器件其材质必须与磺酸高度相容。 
     一旦喷射阀和自动点胶机完成正确配置,Nafion 材料在沉积方面又产生了新问题。Nafion 固化后形成的典型质子交换层其厚度介于30~100 um,随燃料电池的设计类型而定。Nafion 溶液若单次喷涂成膜,则可能流出边界外,或未润湿特定区。Nafion 溶液在干燥成膜时,外边缘会首先干燥,形成浴缸状膜层。但使用围坝与填充技术可避免产生“浴缸”膜。由于不同的 Nafion/溶剂配方具有不同的干燥特性,因此许多点胶模式需要根据经验进行确定。而自动点胶机应是获得所需填充模式的一种便捷方式,它会最大程度消除“浴缸”膜,使内表面均匀平滑。使用不同的成型方式填充干燥薄膜可使膜厚达 30 um +- 5 um。图 12 所示是碳墨催化剂层上湿 Nafion 材料,图 13 所示为 Nafion 干燥后典型外形图。
   

 
结论 
    喷射点胶工艺能够催生新型半导体封装工艺。沿晶元边缘逐级喷射银胶是堆叠八块晶元或更多晶元的一种低成本技术。 
 
    半导体装置的应用对象正逐渐脱离传统意义上单纯的集成电路。在生命科学领域,传感器集成电路已将喷涂的试剂作为电路的有源元器件。
 
    半导体工艺正使新应用愈加超越传统硅片加工的应用范围。其中,半导体导电层的沉积与蚀刻工艺是微型直接甲醇燃料电池赖以生存的制造工艺。此外,喷射催化剂墨水和 Nafion 质子交换膜成膜材料之类的流体,可使终端设备具备燃料电池功能。因此点胶封装件将作为终端设备的功能元器件。
 
    流体喷射技术有助于开发新产品,进一步扩展了半导体在集成电路之外的应用。

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