La fabricación aditiva (AM) ofrece enormes posibilidades para la fabricación de dispositivos microelectrónicos de última generación, entre ellas la reducción de costes y la simplicidad. Sin embargo, el uso generalizado de las técnicas de AM para la microfabricación se enfrenta a varios retos. La tendencia a la miniaturización exige imprimir interconexiones ultrafinas y altamente conductoras en topografías 3D complejas y sustratos heterogéneos. La tecnología de impresión de XTPL aborda estos retos. Demostramos la deposición ultraprecisa (UPD), un enfoque versátil para imprimir estructuras micrométricas conductoras y no conductoras en diversos sustratos rígidos y flexibles (véase: Łysień et al. High-resolution deposition of conductive and insulating materials at micrometer scale on complex substrates. Sci Rep 12, 9327 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13352-5). La UPD permite la deposición sin máscara de pastas de plata, cobre y oro altamente concentradas, hasta un 85 % en peso de contenido sólido. El tamaño de la característica impresa puede ser tan pequeño como 1 µm, y la máxima conductividad eléctrica obtenida en este rango es de alrededor del 45% del material a granel.
El proceso UPD se basa en la extrusión directa de la tinta mediante presión. La optimización simultánea de la tinta, la boquilla de impresión y los parámetros del proceso permite la extrusión de tintas de alta viscosidad utilizando boquillas con un diámetro tan pequeño como 1 µm.
Gracias a estas características, la UPD permite conseguir resultados que están fuera del alcance de otras técnicas de AM: 1) imprimir en topografías 3D para envases avanzados; 2) imprimir estructuras para señales de alta frecuencia, por ejemplo, la antena en chip y la comunicación 5G/6G; 3) imprimir dispositivos flexibles, como sensores, utilizando materiales de alta y baja viscosidad (10-2,5M cP) con una amplia gama de tamaño de rasgo (1-200 um de ancho de línea).
Envases avanzados: impresión en topografías 3D
Reto: caída de la conductividad en paredes laterales de gran ángulo
La posibilidad de imprimir interconexiones en 3D es especialmente interesante para la integración y el embalaje de sistemas, incluida la electrónica híbrida (que combina tecnologías impresas y de silicio). Por ejemplo, imprimimos líneas de plata repetibles y continuas con una anchura de 15 µm en un escalón con una altura de 150 µm. Por lo tanto, la altura del escalón es diez veces la anchura de las líneas. Aquí superamos un problema típico de otras técnicas de AM: el material no fluye hacia abajo cuando se imprime en escalones y puede depositarse directamente en una pared lateral vertical.
En el escalón se imprimen líneas plateadas repetibles y continuas con una anchura de 15 µm y una altura de 150 µm.
El mercado tiene una clara necesidad de integración heterogénea para la electrónica híbrida flexible de alto rendimiento que combina la electrónica impresa y la tecnología del silicio. El reto es la integración de chips ultrafinos flexibles (UTC) en láminas flexibles, ya que son demasiado frágiles para los métodos de unión convencionales. A este respecto, los UTC impresos en la placa de circuito impreso flexible mediante el sistema de microdispensación de XTPL muestran un sólido rendimiento del dispositivo en condiciones de flexión, lo que indica la gran fiabilidad de los métodos de adelgazamiento del chip y de adhesión. La capacidad de imprimir este tipo de interconectores utilizando el enfoque UPD se ha demostrado con éxito en la literatura (véase: Ma, S., Kumaresan, Y., Dahiya, A. S., Dahiya, R., Ultra-Thin Chips with Printed Interconnects on Flexible Foils. Adv. Electron. Mater. 2022, 0, 2101029. https://doi.org/10.1002/aelm.202101029): para fabricar un chip MOSFET ultrafino flexible, se fijó un chip delgado a una placa de circuito impreso flexible y se imprimieron interconexiones entre el chip y la placa. Este trabajo demostró la capacidad de la tecnología UPD para conectar frágiles chips ultrafinos sin dañarlos, así como la capacidad de imprimir interconexiones resistentes a la flexión en sustratos flexibles.
Impresión de estructuras para señales de alta frecuencia
Reto: pérdidas de señales de alta frecuencia causadas por la escasa homogeneidad geométrica y la integridad de la estructura
Las muestras impresas con UPD tienen características únicas importantes para las aplicaciones de alta frecuencia: gran suavidad superficial, ancho de línea constante y espacio de línea constante, lo que limita las pérdidas de señal. Por lo tanto, la UPD obtiene ventajas competitivas sobre otras tecnologías de fabricación aditiva. La impresión por chorro de aerosol está limitada a un tamaño de hueco de 20 µm debido al exceso de pulverización. Además, la aparición de las gotas satélites alrededor de la línea de señal impresa producirá radiación en el sustrato. El enfoque UPD de XTPL permite obtener estructuras impresas adaptadas a señales superiores a 300 GHz. Aparte de la limitación de los huecos entre líneas, los problemas habituales son la elevada rugosidad de las estructuras depositadas (que limita la frecuencia de transmisión) y la baja adhesión al sustrato. La UPD resuelve estos problemas: las líneas de plata impresas son lisas y la adhesión a una amplia gama de sustratos es muy alta. Entre los tipos de sustrato se encuentran el vidrio, el silicio, las láminas flexibles y el RO4003.
Ejemplo de líneas plateadas impresas en una lámina de PEN. La anchura de la línea es de 3,2 µm, y la distancia entre líneas es de 0,7 µm (en el recuadro hay una vista lejana de la muestra).
Impresión de dispositivos flexibles: sensores
Reto: utilizar materiales de alta y baja viscosidad en un mismo método de impresión
Las características únicas de la técnica UPD para aplicaciones de biosensores incluyen 1) la deposición de materiales de terceros de alta y baja viscosidad (adecuados para materiales funcionales y biosondas); 2) agujas de bajo coste y desechables que son fáciles de cambiar para evitar la contaminación entre los distintos pasos de funcionalización (por ejemplo, anticuerpo/etanolamina/BSA); 3) reducción del coste del material: deposición de microáreas o micropuntos para la fabricación de sistemas de matrices (como la placa ELISA) minimizando la cantidad de bio-líquido requerido.
Un ejemplo de diseño para aplicaciones de biodetección.
El enfoque UPD responde a los retos críticos de la fabricación de microelectrónica de alta densidad: la impresión de alta resolución de diversos materiales en sustratos complejos. La característica esencial de la UPD es la capacidad de imprimir tintas de alta viscosidad utilizando boquillas con un diámetro del orden de los micrómetros. Es posible obtener estructuras con formas arbitrarias, incluyendo líneas, puntos, cruces y mallas. El tamaño de la característica impresa es tan pequeño como 1 micrómetro, con una conductividad eléctrica de hasta el 45% del valor a granel. Gracias a estas características, la UPD puede convertirse en una herramienta indispensable para la creación rápida de prototipos y la microfabricación.
Conclusiones
La tecnología de impresión desarrollada por XTPL está aportando un enfoque habilitador para aplicaciones que no pueden realizarse con métodos sustractivos conocidos y para casos de uso, donde otros enfoques aditivos no pueden cumplir todos los requisitos. Junto con fuertes socios de la industria, XTPL está en el proceso de ampliación de la tecnología, proporcionando la compatibilidad de la solución con la automatización de la producción y los requisitos de rendimiento.
El enfoque único introducido por la XTPL también está disponible para los centros de I+D y de creación de prototipos (tanto en empresas como en el ámbito académico) gracias al sistema de impresión Delta, que está disponible comercialmente desde finales de 2020 y que hoy cuenta con una red de usuarios en rápido crecimiento a nivel mundial. El dispositivo está muy bien valorado por los clientes actuales debido a una altísima versatilidad de aplicaciones potenciales para la tecnología, a la alta libertad para operar con el sistema de impresión y al excelente soporte al cliente que ofrece XTPL.
Contacte con nuestro equipo en xtpl.com o en sales@xtpl.com para obtener más información sobre la tecnología de deposición ultraprecisa y el sistema de impresión Delta. [This is automatically translated from English]
