La technologie d'intégration des matrices est l'un des facteurs clés pour la réalisation de nouvelles applications dans le domaine de l'électronique hybride flexible (FHE), par exemple l'électronique dans le moule ou le verre intelligent.
En utilisant la technologie d'impression par jet d'encre, DoMicro a développé une approche de pointe pour le micro-assemblage. Cette approche permet de réaliser des démonstrateurs d'applications avancées avec par exemple des circuits intégrés, des composants passifs, des capteurs et des LED. Un exemple, décrit dans cet article, est le démonstrateur pour les dispositifs IoT sans fil avec des capteurs tactiles et une puce Bluetooth. Grâce à l'intégration de matrices nues ultra-minces, la hauteur totale du démonstrateur est inférieure à 0,7 mm. Ce facteur de forme mince permet une intégration en douceur des fonctionnalités dans diverses surfaces, étiquettes, tissus, etc.
La technologie d'impression à jet d'encre apporte plusieurs capacités importantes, telles que l'intégration transparente et invisible, l'intégration de matrices nues minces sur des substrats flexibles et un nombre réduit d'étapes du processus.
Configurations pour le collage et la mise en contact des matrices
Une première étape pour la réalisation du démonstrateur IoT sans fil a été l'étude de la configuration optimale pour le contact et le collage des matrices.
Plusieurs configurations ont été étudiées. La figure 1 montre une configuration Fan In Ball Grid Array (BGA) par impression jet d'encre sur une puce nue. Un diélectrique imprimé par jet d'encre recouvre la puce tout en laissant ouvertes les zones des plots de contact. Ensuite, de l'encre argentée relie les plots de contact à un motif BGA au-dessus du revêtement diélectrique. L'alignement et l'enregistrement des structures sont effectués par le système de vision automatique de l'équipement d'impression de laboratoire PixDRO LP50 utilisé.
La figure 2 montre la liaison flip-chip d'une puce nue à un motif argenté imprimé par jet d'encre. Pour l'interconnexion, un équipement d'alignement de puce de haute précision est utilisé.
Figure 1. Fan In Ball Grid Array imprimé sur la matrice
Figure 2. Collage d'un Flip Chip sur des pistes imprimées (vue à travers le substrat)
Figure 3. Fan Out Die première face visible
La figure 3 montre la matrice nue amincie face vers le haut d'un microprocesseur en cours d'interconnexion sur les plots de connexion. Comme il est impossible d'imprimer des pistes conductrices par jet d'encre sur une surface verticale abrupte, une structure de rampe dédiée est fournie pour guider et supporter les conducteurs en argent imprimés par jet d'encre. Cette approche innovante de la mise en contact permet d'éviter les boucles de liaison filaires régulières et coûteuses en hauteur avec le sommet du globe ou, comme cela est appliqué dans l'emballage avancé, une interface de couche ou de substrat de redéfinition (RDL). Cette approche "die first" crée une hauteur minimale pour l'assemblage et le montage des puces dans les systèmes. Elle permet un bon alignement optique de la puce avant l'intégration et offre une compatibilité de l'interaction entre les surfaces des matériaux. Parmi les trois configurations décrites ci-dessus, la technologie innovante "die first" face vers le haut a été choisie pour la réalisation d'un démonstrateur IoT sans fil à électronique hybride flexible (FHE) car elle était la mieux adaptée à cette application. Il convient de noter que la configuration qui convient le mieux dépend de l'application.
Balise Bluetooth
L'étape suivante consistait à créer la fonctionnalité Bluetooth. Pour ce faire, nous avons utilisé la puce Bluetooth low energy (BLE) Nordic 51822, qui était disponible en version puce nue amincie. L'intégration de cette puce avec l'impression a été démontrée dans un modèle de balise existant (voir figure 4).
Figure 4. Balise BLE imprimée
Interface électronique hybride flexible sans fil
La combinaison et l'intégration d'une fonction de détection, d'un traitement informatique et d'une fonctionnalité radio pour le fonctionnement et la communication à distance entre les nœuds et le réseau sont typiques de la fonctionnalité sans fil des dispositifs IoT. Dans cette optique, l'étape finale de la réalisation du démonstrateur IoT sans fil a été l'intégration d'un microcontrôleur, d'un circuit intégré (CI) radio Bluetooth et d'un capteur tactile imprimé sur une feuille de polyester. Le microcontrôleur (un contrôleur tactile Cypress CY8C20 aminci) a été intégré de la même manière que la puce BLE. Pour les besoins de la démonstration, le démonstrateur a été alimenté par une batterie ordinaire. Il est compréhensible que l'intégration d'une solution de batterie plate et flexible vienne compléter ce dispositif portable plat et flexible. L'avantage typique par rapport à l'interconnexion standard par fil est la possibilité d'imprimer des circuits fonctionnels sur toutes sortes de substrats fins et pliables. Ce facteur de forme permet l'intégration en douceur de la fonctionnalité dans diverses surfaces, étiquettes, tissus, etc. En outre, la possibilité d'intégrer une puce nue face vers le haut au lieu d'une puce retournée permet d'exposer le côté capteur de la puce à l'extérieur dans un boîtier de très faible hauteur.
Sur la feuille de polymère, le circuit intégré BLE aminci et le circuit intégré du contrôleur tactile aminci sont collés et mis en contact dans un circuit fonctionnel et une antenne par la technologie d'impression à jet d'encre. En outre, certains composants passifs SMD ont également été ajoutés. Alimenté par une batterie externe, ce démonstrateur est capable d'établir une communication Bluetooth bidirectionnelle avec une application de téléphone portable.
Les traces imprimées au jet d'encre avec une grande précision sont alignées et connectées à la pastille de liaison à pas fin (60 microns de piste/écart) des circuits intégrés. Les passives utilisées ont une épaisseur d'environ 0,5 mm (hauteur), car elles sont généralement disponibles dans les composants SMD. La figure 5 montre l'agencement de la zone tactile et du circuit électronique pour le MC et le BLE, y compris la structure de l'antenne.
Après la mise sous tension et le test de l'application Nordic Blinky, la fonctionnalité est montrée pendant que l'interaction est initiée à partir du dispositif de démonstration dans les deux sens. La zone tactile modifie le message d'état dans l'application. La fonction tactile est activée par une zone tactile manuelle sur l'échantillon, l'état du bouton est affiché sur l'interface sans fil. La LED peut être allumée/éteinte à distance et activée par un interrupteur sur l'application.
Figure 6. LED allumée, bouton relâché Figure 7. LED éteinte, bouton enfoncé
Vous pouvez visionner la vidéo de démonstration via
Conclusions et perspectives
DoMicro a démontré qu'il est possible d'intégrer des matrices nues dans des substrats flexibles en utilisant l'impression à jet d'encre pour le contact. Ceci est réalisé avec une structure de rampe dédiée pour guider et supporter les conducteurs en argent imprimés. Cette approche innovante de la mise en contact élimine le besoin de boucles de liaison filaire consommatrices de hauteur. Cette approche a été démontrée dans une application d'électronique hybride flexible avec une électronique Bluetooth mince et pliable qui peut être laminée dans un produit ou une application mince et flexible et/ou portable.
Le facteur de forme mince permet l'intégration en douceur de la fonctionnalité dans diverses surfaces, étiquettes, tissus, dispositifs dans le moule, verre intelligent, etc. De plus, la possibilité d'intégrer une puce nue face vers le haut au lieu d'une puce retournée peut exposer le côté capteur de la puce dans un boîtier de très faible hauteur.
Le groupe cible de la technologie démontrée comprend des développeurs d'applications dans plusieurs secteurs industriels tels que l'automobile, les entreprises de transport et de logistique et les entreprises de dispositifs médicaux, mais aussi dans les domaines de la science, de l'aérospatiale et d'autres applications qui pourraient avoir besoin de nouvelles façons d'intégrer des fonctionnalités électroniques dans les produits et les structures.
Imaginer, créer, réaliser
DoMicro BV est une entreprise technologique qui fournit une technologie de fabrication innovante, des solutions d'application et une technologie de micro-assemblage pour l'électronique hybride flexible (FHE) et les microdispositifs. DoMicro développe des processus et des technologies d'impression à jet d'encre de pointe pour le micro-assemblage et l'emballage 3D. À l'avant-garde de l'innovation, DoMicro offre des services de R&D de pointe et l'exploration de nouvelles capacités et applications pour les clients dans une optique de fabricabilité. La société fournit des services de R&D, de production de petites séries, d'architecture de systèmes et de gestion de projets. Ces services sont généralement destinés aux clients qui explorent de nouvelles technologies pour les circuits sur des substrats flexibles, comme les films conducteurs transparents, les électrodes OPV, les OLED, les laboratoires sur puce, les vêtements, l'électronique dans le moule, les circuits intégrés et les intégrations MEMS.
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Festival des innovations :
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