מאת: H. Burkard, W. Kapischke, J. Link. לאחרונה הושלמה התקנתו של קו ייצור חדש למעגלי שכבות-דקות רב-שכבתיים בפורמט גדול, ובקרוב הוא יגיע לתפקוד מלא. הקו מאפשר ייצור מעגלים גמישים רב-שכבתיים גמישים מסוג HiCoFlex בפורמט . לפיכך ניתן כעת לייצר פאנלים גדולים בתפוקת ייצור גבוהה יותר.
HiCoFlex היא טכנולוגיה המשמשת לייצור מעגלים רב-שכבתיים גמישים באמצעות טכניקות שכבות-דקות מסורתיות. בניית המעגל הרב-שכבתי מבוצעת על מצע זכוכית קשיח כמשטח נושא בתהליך של הנחת שכבות פולימיד בתהליך ספין-און, ושל שכבות מתכת באמצעות התזה יונית (sputtering), ובמידת הצורך – חיזוק באמצעות שיקוע גלווני. מעברים (vias) למוליכים בשכבות התחתונות נפתחים באמצעות חיתוך לייזר. על השלבים השונים (הנחת המתכת באמצעות Sputtering פוטוליטוגרפיה ושיקוע גלווני – הנחת שכבת פולימיד באמצעות ספין-און, ייבוש והקשחה – פתיחת מעברים) ניתן לחזור מספר פעמים ליצירת מצע רב-שכבתי. הרכבה, חיבור הרכיבים ובדיקת המעגלים יכולה להתבצע כאשר השכבות הדקות עדיין מודבקות למצע הזכוכית הנושא, ובכך להימנע מבעיות שינוע ותפיסה (handling) של מעגלים גמישים רגילים. בסיום התהליך משוחרר המצע רב-שכבתי הגמיש מהמצע על ידי שימוש בשכבת שחרור מיוחדת.
מבנים רב-שכבתיים מסוג HiCoFlex מיושמים בטכנולוגיות high-density) interconnect) המשמשים בחיישנים ובמיקרו-מערכות תעשייתיות ורפואיות. בנוסף, מאפשר השילוב הייחודי בין חומר גמיש והתכונות החשמליות של MCM-D יישומים חדשים בתחום האריזה התלת-ממדית. תחומי היישום של מודולים משולבים ברמה כה גבוהה הם תחומים המתפתחים במהירות רבה, כמו מתקני ניטור רפואיים ובריאותיים אחר התקנים רפואיים מושתלים ושאינם-מושתלים, חיישנים, ומערכות אלקטרוניות ניידות ולבישות. במאמר זה נציג את המאפיינים והתכונות של המעגלים הגמישים הללו ונדון בחלק מהיישומים.
תרשים 1 מצע רב-שכבתי בעל גמישות רבה המורכב עם רכב (SMD (surface mounted device
תרשים 2: איזור המגעים לבדיקת co-planner waveguide גמיש
תרשים 3: רדידי נגדים
תרשים 4: נגד שכבות-דקות בעובי 3500Ω
תרשים 5: הקונספט של מארז תלת-ממד עם מצע גמיש דק מתקפל
תרשים 6: תכנון מצע למערך פליפ-צ’יפ עם BGA
טכנולוגיית HiCoFlex ומאפיינים
תהליך HiCoFlex מתחיל על מצע קשיח, לוח אלומינה או זכוכית, המשמש כמשטח נושא בתהליך הבנייה של המצע הרב-שכבתי והשמת הרכיבים. בשלב הראשון מונחת על המצעים “שכבת שחרור – Release layer“ דקה. יצירת המבנה הרב-שכבתי מתבצעת על ידי הנחה חוזרת של שכבות פולימיד בפאזה נוזלית בתהליך ספין-און והקשחה (curing) והנחת שכבות
המתכת בהתזה יונית – Sputtering. חיזוק המתכת מבוצע אם נדרש על ידי ציפוי אלקטרוליטי Electroplating. מעברים (vias) בין המוליכים בשכבות השונות נפתחים באמצעות לייזר או עיבוד פלזמה השינוע והתפיסה (handling) פשוטים ביותר מכיוון שכל שלבי התהליך והבניה – כגון השמת שבבים ורכיבים בתהליך פליפ-
צ’יפ, הלחמות reflow ובדיקת המעגלים – מבוצעים כאשר המצע הגמיש והדק מקובע עדיין למצע הנושא הקשיח. לאחר מכן ניתן
לשחרר את המצע הרב-שכבתי הגמיש מהמצע. טכניקת הבניה מאפשרת יצירת מוליכים ברוחב 15 מיקרון, מרווחים בין מוליכים של 10 מיקרון, ומעברים של 30 מיקרון. ניתן לממש מבנים עד לגובה של 4 שכבות מתכת. העובי הכולל של מצע כזה הוא כ50- מיקרון וכך ניתן לייצר מעגלי גמישים דמויי-רדיד (foil like) בעלי תכונות מכניות וחשמליות מעולות. קיפול השכבות אינו מגביל את התכונות החשמליות של המצע. רדיוס הקיפול המינימאלי נמוך מ0.5- מ”מ. האריזות התלת-ממדיות המתקבלות הן בעלות תכונות מכניות וחשמליות מעולות. מודולים מורכבים אלו ניתנים ליישום בתחומים מתפתחים כגון ניטור של התקנים רפואיים מושתלים ושאינם-מושתלים, חיישנים, ומערכות אלקטרוניות ניידות ולבישות. מודול גמיש דק מקופל המכיל מערך-פליפ-צ’יפ של מכשיר שמיעה נבנה כמדגים.
אינטגרציה של הרכיבים
לאחרונה נבדקה אינטגרציה של רכיבים פסיביים, בעיקר מבני RF ופסי RF (תרשים 2), נגדי NiCi עשויים שכבות-דקות [2] (תרשימים 3, 4), נגדי Ni עשויים שכבות-דקות לחישת טמפרטורה וספיקה, ושיבוץ שבבים פעילים במבנים רב-שכבתיים מסוג
HiCoFlex. היתרונות בשילובים אלו הם רמת מזעור גבוהה יותר, אפשרויות חדשות לאריזה תלת-ממדית והרחבת אפשרויות התכן.
מארז תלת-ממדי של התקנים רפואיים באמצעות פליפ-צ’יפ על מצע גמיש מקופל
התקנים רפואיים מצריכים מזעור מקסימלי לשם השגת רמה גבוהה ככל הניתן של ביצועים באילוצי נפח קטן ביותר.
גישה המשלבת טכנולוגיה של מצע גמיש במיוחד ואולטרה-דקיק, פליפ-צ’יפ, הלחמת reflow של שבבי IC על המצע וקיפול תלת-ממדי נבדקה כמדגים טכנולוגי במסגרת הפרויקט האירופי SHIFT. הקונספט והתוצאות מוצגים להלן.
תרשים 7: מצע גמיש בשכבות-דקות עבור מודול יחיד לאחר עיבוד המצע הגמיש
תרשים 8: כדורי הלחמה על רפידות (פדים) BGA.
תרשים 9: מודול גמיש של שכבות-דקות מקופל עם שבבי פליפ-צ’יפ
ביצירת מארז תלת-ממדי העושה שימוש במעגל גמיש דק מקופל ליישום במכשירי שמיעה – בנוסף להיבטי האריזה והגודל, המודולים הגמישים והדקים מקלים על שלבי הפיתוח והייצור של מכשירי השמיעה – ואף יפחיתו עלויות. הסיבה לכך היא כי ניתן לרכז את כל ניתוב המוליכים בעלי הפסיעה הנמוכה על מצע המאפשר ניצול מיטבי של שטח פאנל הייצור. משמעות הדבר היא שיהיה ניתן לבנות את המצע העיקרי של מכשיר השמיעה על מעגל גמיש או קשיח רגיל בעלות נמוכה בהרבה. כמו כן, לאחר גמר התכן ואישורו, יקצר המודול הקומפקטי זמני הפיתוח ולפיכך יתרום גם לקיצור זמן ההשקה של המוצר. העלייה במספר השבבים הנדרש עקב העליה במספר הפונקציות החדשות מצריכה שיטות אריזה דחוסות יותר. המצע הגמיש הדק המקופל מהווה פתרון מושלם לדרישה זו. הוא נשאר שטוח לאורך כל קו הייצור וההרכבה ובכך מאפשר פרופיל נמוך ביותר של בליטות הלחמה. הוא דק (כמובן), ולכן מאפשר רדיוס עקמומיות קטן ביותר, והרכבתו מצריכה תוספת מינימאלית של חלל, בניגוד למערומי מטריצה מחווטים המחייבים הקצאת שטח עבור החיבורים למצע. המצע הגמיש הדק מהווה לפיכך דרך יעילה ביותר לערום שבבים, במיוחד במוצרי היי-טק ומוצרים רפואיים שבהם הגודל מהווה גורם קריטי. התפישה הקיימת למודול הגמיש הדק למכשיר שמיעה מקופל מוצגת בתרשים 5. ההרכבה הראשונית של המודול כבר בוצעה בפועל באמצעות שבבי פליפ-צ’יפ של מכשירי שמיעה סטנדרטים בעובי 180 מיקרון ובליטות הלחמה בעובי 90 מיקרון. בעתיד מתוכנן לעשות שימוש בשבבים דקים אף יותר בעובי 50 מיקרון ופרופיל בליטות נמוך של 20 מיקרון.
תרשים 10 : מצע לדוגמה של מיקרו-כבלים ארוכים, 10 קווים, 850 מ”מ אורך. בתמונה מתואר הקצה הימני ואיזור הסיבוב של המוליכים.
יישום הטכנולוגיה של מצע גמיש אולטרה-דקיק
– הגמיש הדק למכשיר השמיעה מומש בשילוב מערך (BG (ball grid array גס למדי (בצידו הימני של תרשים 6).
הרכבת פליפ צ’יפ – הרכבה ברמת הפרוסה של 4 שבבי פליפ צ’יפ למודול בוצעה על גבי מנשא קשיח שעליו מונח מצע גמיש של שכבות-דקות. התמצקות מחדש (reflow) של חומר ההלחמה בוצעה בטמפרטורה 260°C=(T(max באווירת חנקן. לאחר ההתמצקות מחדש (reflow)ניתן בקלות לבדוק את המודולים המורכבים על המשטח הנושא בעזרת קרינת רנטגן ומיקרוסקופיה אקוסטית [5].
יש להקפיד על מילוי תחתון (underfill) של שבבי הפליפ-צ’יפ המולחמים כדי להגן על פני השבב וכדי לייצב את השבב באזורים ההלחמות לפני הקיפול התלת-ממדי של הגמיש. את כדורי ההלחמה של ה-BGA ניתן לבצע לפני או אחרי השמת והלחמת הפליפ-צ’יפ, תוך עדיפות לשימוש זהה של תהליך התמצקות מחדש (reflow) (מערך BGA עם כדורי הלחמה מתואר בתרשים 8). לאחר סינגולציה באמצעות לייזר UV ושחרור מהמשטח הנושא, המודולים למכשירי השמיעה מקופלים בזהירות. הקיפול מצריך התקן מכני ייעודי כדי לכוון במדויק את המצע הגמיש והדק במהלך הקיפול (תרשים 9). לפני המעבר לשלב הבא בקו ייצור ה-SMD ניתן לבצע בדיקה חשמלית של המודולים.
תרשים 11 : הטענת מצע ”24 לפתח ההטענה של כלי ההתזה היונית.
יישומים של טכנולוגיית המצע הגמיש
של שכבות-דקות
מבנים רב-שכבתיים מסוג HiCoFlex נמצאים בשימוש במגוון רחב של תחומים:
טכנולוגיות HDI (high-density interconnect) עבור חיישנים מיקרו-מערכות תעשייתיות ורפואיות.
מבנים גמישים מתקפלים ואולטרה-דקיקים משמשים כאריזה תלת-ממדית של מכשירי שמיעה, גלולת מצלמה ועוד, ומאפשרים מזעור משמעותי של היישומים האלקטרוניים.
שילוב של רכיבים פסיביים כגון נגדי שכבות-דקות, משרנים (אינדוקטור) ופסי- ומבני-RF.
את הרדידים הרב-שכבתיים הגמישים והדקים במיוחד המתקבלים ניתן לשלב בלוחות מעגלים מודפסים (PCB)סטנדרטיים, קשיחים או גמישים, בתור רכיב מקומי בעל רזולוציה גבוה.
שיבוץ שבבים אקטיביים מכווצים ברב-שכבתיים מסוג HiCoFlex.
HiCoFlex על גבי פלדה או רדידי מתכות אחרות ליישומים מיוחדים.
מיקרו-כבלים ארוכים (אורך טיפוסי1.5 מ’, רוחב200-100 מיקרון, 128-2 קווים) לחיבורי צנתר הנמצאים בפיתוח.(תרשים 10).
עיבוד של פאנל בעל שטח גדול
עד לאחרונה יוצרו מעגלי HiCoFlex על מצעי נשיאה ריבועיים של ”4 או ”6. כעת הושלמה התקנתו של קו ייצור חדש המאפשר ייצור של מבנים רב שכבתיים גמישים מסוג HiCoFlex על לוחות זכוכית גדולים במיוחד של הציוד בקו כולל את כל שלבי התהליך, ביניהם ניקוי המצע, שיקוע בפאזת גזים (vapour deposition), התזה יונית – sputtering (תרשים 11), ציפוי בסחרור spn coating, רישום ישיר בלייזר (LDI), פיתוח והסרת פוטורזיסט, איכול כימי, ציפוי אלקטרוליטי, ייבוש על גבי לוח חם בכבשן, הקשחה, טיפולי פלזמה, בדיקה אופטית באמצעות AOI, מדידת עובי השכבות ובדיקה חשמלית באמצעות פרובר אוטומטי. כתוצאה מכך ניתן כעת לייצר פאנלים גדולים יותר ולהשיג תפוקות ייצור גבוהות יותר.
דיון ומסקנות
הדוגמה של מודול מכשיר השמיעה מעידה כי ניתן להשיג צפיפות מוליכים גבוהה במיוחד על גבי המצעים הגמישים באמצעות טכנולוגיית HiCoFlex. באיזור המערכת החשמלית בו מרוכזים מרבית התפקודים מתאפשר חיבור פנימי משולב (interconnect), ואף דחיסות גבוהה יותר על ידי קיפול מכני. לאחר השלמתו ניתן לחבר את המודול בעל הדחיסות הגבוהה לציוד היקפי בדחיסות נמוכה כגון מקור כוח, או במקרה שהוצג מיקרופון ורמקולים. שילוב נוסף של רכיבים פסיביים (נגדים/קבלים) למצע ה-HiCoFlex מספק פוטנציאל מזעור רב אף יותר. חציצה יעילה, בנייה מודולרית ושילוב בין רכיבים בעלי דחיסות גבוהה ונמוכה תאפשר בעתיד הרכבה של מגוון רב של מערכות אלקטרוניות. הפוטנציאל הטמון בשימוש במצע גמיש עם שכבות-דקות בא לידי ביטוי ביישומי פליפ-צ’יפ עם מעגלים משולבים (IC אולטרה-דקיקים (פחות מ50- מיקרון) וחיבורי פליפ-צ’יפ הדדיים (interconnect) המתלווים ליישומים אלו. אמינות התהליך ופרטיו נבדקו על מצעים גמישים סטנדרטיים ותהליכי הלחמה תרמיים עם כיפות הלחמה דקות, כמו גם עם טכנולוגיות חיבור בהדבקה באמצעות המתקן להפקת פאנלים גדולים מאפשר ייצור של מצעים רב-שכבתיים גמישים מסוג HiCoFlex על משטחי נושא בגודל. חידוש זה סולל את הדרך לייצור חלקים גדולים יותר ותפוקות ייצור גבוהות יותר בתנאים תחרותיים כדי לעמוד בדרישות הביקוש הגובר. העלות של מבניי שכבות-דקות גמישים אלו זהה לזו של מעגלי FPC מורכבים בשילוב חומרים בעלי TG גבוה.
References
1) H. Burkard et al., “Ultra-Thin, Highly Flexible Cables and Interconnections for Low and High Frequencies”, MicroTech 2006, Cambridge UK, 7-8 March 2006
2) H. Burkard, “Thin Film Resistor Integration into Flex Boards”, 5th International Workshop ‚Flexible Electronic Systems‘, November 29, 2006, Munich
3) W. Christiaens, H. Burkard, J. Link, J. Vanfleteren, “Integration of Thin Flexible RF Structures into Flexible PCB”, EMPC 2007, Oulu, Finland, June 17-20
4) J. Haberland, B. Pahl et al., “Super Thin Flip Chip Assemblies on Flex Substrates Adhesive Bonding and Soldering Technology – Reliability Investigations and
Applications”, Proc. of IMAPS 2006, San Jose
5) B. Pahl, T. Loeher, H. Burkard, J. Link, A. Petersen, R. Aschenbrenner, “Flex Technology for Foldable Medical Flip Chip Devices”, IMAPS Device Packaging Conference, 3D Workshop, March 17-20, 2008
חברת א.י.אנגלנדר (1980) בע”מ הינה הנציג הבלעדי של חברת Hightec. כיום חברת אנגלנדר מוכרת בארץ לתעשיות שונות כגון רפואה, ביטחון, הי-טק.
