Die additive Fertigung (AM) bietet enorme Möglichkeiten für die Herstellung mikroelektronischer Bauelemente der nächsten Generation, darunter niedrigere Kosten und Einfachheit. Dennoch gibt es mehrere Herausforderungen für den weit verbreiteten Einsatz von AM-Techniken für die Mikrofabrikation. Der Trend zur Miniaturisierung erfordert das Drucken ultradünner und hochleitfähiger Verbindungen auf komplexen 3D-Topographien und heterogenen Substraten. Die Drucktechnologie von XTPL stellt sich diesen Herausforderungen. Wir demonstrieren Ultra-Precise Deposition (UPD), ein vielseitiges Verfahren zum Drucken mikrometrischer leitender und nichtleitender Strukturen auf verschiedene starre und flexible Substrate (siehe: 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). UPD ermöglicht die maskenlose Abscheidung von hochkonzentrierten Silber-, Kupfer- und Goldpasten mit einem Feststoffgehalt von bis zu 85 Gew.-%. Die Größe der gedruckten Strukturen kann bis zu 1 µm betragen, und die maximale elektrische Leitfähigkeit, die in diesem Bereich erreicht wird, liegt bei etwa 45 % des Bulkmaterials.
Das UPD-Verfahren basiert auf einer direkten Extrusion der Tinte unter Druck. Die gleichzeitige Optimierung von Tinte, Druckdüse und Prozessparametern ermöglicht die Extrusion von hochviskosen Tinten mit Düsen mit einem Durchmesser von nur 1 µm.
Dank dieser Eigenschaften können mit UPD Ergebnisse erzielt werden, die mit anderen AM-Techniken nicht möglich sind: 1) Druck auf 3D-Topografien für fortschrittliche Verpackungen; 2) Druck von Strukturen für Hochfrequenzsignale, z. B. Antennen auf Chips und 5G/6G-Kommunikation; 3) Druck von flexiblen Bauteilen wie Sensoren unter Verwendung von Materialien mit hoher und niedriger Viskosität (10-2,5 Mio. cP) mit einem breiten Spektrum an Strukturgrößen (1-200 um Linienbreite).
Fortschrittliche Verpackungen: Drucken auf 3D-Topographien
Herausforderung: Leitfähigkeitsabfall an stark abgewinkelten Seitenwänden
Die Möglichkeit, 3D-Verbindungen zu drucken, ist besonders interessant für die Systemintegration und das Packaging, einschließlich der Hybridelektronik (Kombination von gedruckten und Siliziumtechnologien). Wir drucken zum Beispiel wiederholbare und durchgehende Silberlinien mit einer Breite von 15 µm auf eine Stufe mit einer Höhe von 150 µm. Die Stufenhöhe ist also zehnmal so groß wie die Breite der Linien. Hier überwinden wir ein für andere AM-Techniken typisches Problem: Das Material fließt nicht nach unten, wenn es auf Stufen gedruckt wird, und kann direkt auf eine vertikale Seitenwand aufgebracht werden.
Auf die Stufe mit einer Höhe von 150 µm werden wiederholbare und durchgehende Silberlinien mit einer Breite von 15 µm gedruckt.
Es besteht ein eindeutiger Marktbedarf an heterogener Integration für leistungsstarke flexible Hybridelektronik, die gedruckte Elektronik und Siliziumtechnologie kombiniert. Die Herausforderung besteht in der Integration flexibler ultradünner Chips (UTCs) auf flexiblen Folien, da sie für herkömmliche Bondverfahren zu zerbrechlich sind. In diesem Zusammenhang zeigen UTCs, die mit dem XTPL-Mikrodispensersystem auf die flexible Leiterplatte gedruckt wurden, eine robuste Bauelementleistung unter Biegebedingungen, was auf die hohe Zuverlässigkeit sowohl der Chipausdünnungs- als auch der Klebemethode hinweist. Die Fähigkeit, solche Interkonnektoren mit dem UPD-Ansatz zu drucken, wurde in der Literatur erfolgreich demonstriert (siehe: 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): Um einen flexiblen, ultradünnen MOSFET-Chip herzustellen, wurde ein dünner Chip auf einer flexiblen Leiterplatte befestigt und die Verbindungen zwischen dem Chip und der Leiterplatte aufgedruckt. Diese Arbeit demonstrierte die Fähigkeit der UPD-Technologie, zerbrechliche ultradünne Chips zu verbinden, ohne sie zu beschädigen, sowie die Fähigkeit, biegesteife Verbindungen auf flexible Substrate zu drucken.
Druck von Strukturen für Hochfrequenzsignale
Herausforderung: Hochfrequenzsignalverluste aufgrund schlechter geometrischer Homogenität und Strukturintegrität
Mit UPD gedruckte Muster weisen einzigartige Merkmale auf, die für Hochfrequenzanwendungen wichtig sind: hohe Oberflächenglätte, konstante Linienbreite und konstanter Linienabstand, was Signalverluste begrenzt. Daher bietet UPD Wettbewerbsvorteile gegenüber anderen additiven Fertigungstechnologien. Das Aerosol Jet Printing ist wegen des Overspray auf eine Spaltgröße von 20 µm beschränkt. Außerdem führt das Auftreten von Satellitentröpfchen um die gedruckte Signalleitung zu Strahlung auf dem Substrat. Der UPD-Ansatz von XTPL ermöglicht gedruckte Strukturen, die für Signale über 300 GHz geeignet sind. Abgesehen von der Begrenzung der Abstände zwischen den Leitungen sind die üblichen Probleme die hohe Rauheit der gedruckten Strukturen (die die Übertragungsfrequenz begrenzt) und die geringe Haftung auf dem Substrat. UPD löst diese Probleme: Die gedruckten Silberleitungen sind glatt, und die Haftung auf einer breiten Palette von Substraten ist sehr hoch. Zu den Substrattypen gehören Glas, Silizium, flexible Folien und RO4003.
Beispiel für Silberlinien, die auf eine PEN-Folie gedruckt wurden. Die Linienbreite beträgt 3,2 µm und der Abstand zwischen den Linien 0,7 µm (eine entfernte Ansicht der Probe ist im Bildausschnitt zu sehen).
Drucken flexibler Geräte: Sensoren
Herausforderung: Verwendung von Materialien mit hoher und niedriger Viskosität in einem einzigen Druckverfahren
Zu den einzigartigen Merkmalen der UPD-Technik für Biosensoranwendungen gehören: 1) Abscheidung von hochviskosen und niedrigviskosen Materialien von Drittanbietern (geeignet für funktionelle Materialien und Biosonden); 2) kostengünstige Einwegnadeln, die sich leicht auswechseln lassen, um eine Kontamination zwischen den verschiedenen Funktionalisierungsschritten (z. B. Antikörper/Ethanolamin/BSA) zu vermeiden; 3) Senkung der Materialkosten: Abscheidung von Mikrobereichen oder Mikropunkten für die Herstellung von Matrixsystemen (wie ELISA-Platten), wodurch die Menge der benötigten Bioflüssigkeit minimiert wird.
Ein Designbeispiel für Bio-Sensorik-Anwendungen.
Der UPD-Ansatz ist die Antwort auf die kritischen Herausforderungen bei der Herstellung von Mikroelektronik mit hoher Dichte: hochauflösendes Drucken verschiedener Materialien auf komplexen Substraten. Das wesentliche Merkmal des UPD-Verfahrens ist die Fähigkeit, hochviskose Tinten mit Düsen zu drucken, deren Durchmesser in der Größenordnung von Mikrometern liegt. Es ist möglich, Strukturen mit beliebigen Formen zu erzeugen, darunter Linien, Punkte, Kreuze und Netze. Die Größe der gedruckten Strukturen beträgt bis zu 1 Mikrometer bei einer elektrischen Leitfähigkeit von bis zu 45 % des Bulk-Wertes. Dank dieser Eigenschaften kann UPD zu einem unverzichtbaren Werkzeug für das Rapid Prototyping und die Mikrofabrikation werden.
Schlussfolgerungen
Die von XTPL entwickelte Drucktechnologie ermöglicht Anwendungen, die mit bekannten subtraktiven Verfahren nicht möglich sind, und Anwendungsfälle, bei denen andere additive Verfahren nicht alle Anforderungen erfüllen können. Zusammen mit starken Partnern aus der Industrie ist XTPL dabei, die Technologie zu skalieren und die Kompatibilität der Lösung mit der Produktionsautomatisierung und den Durchsatzanforderungen zu gewährleisten.
Der einzigartige Ansatz von XTPL ist auch für F&E- und Prototyping-Zentren (sowohl in Unternehmen als auch im akademischen Bereich) verfügbar, und zwar dank des Delta-Drucksystems, das seit Ende 2020 kommerziell verfügbar ist und heute ein schnell wachsendes Anwendernetzwerk auf der ganzen Welt hat. Das Gerät wird von den derzeitigen Kunden aufgrund der sehr vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten der Technologie, der großen Freiheit bei der Bedienung des Drucksystems und des hervorragenden Kundensupports von XTPL hoch bewertet.
Setzen Sie sich mit unserem Team unter xtpl.com oder sales@xtpl.com in Verbindung, um mehr über die Ultra-Precise Deposition Technologie und das Delta Drucksystem zu erfahren! [This is automatically translated from English]
