La tecnología de integración de matrices es uno de los elementos clave para la realización de nuevas aplicaciones en la electrónica híbrida flexible (FHE), por ejemplo, en la electrónica en molde o el vidrio inteligente.
Utilizando la tecnología de impresión por chorro de tinta, DoMicro ha desarrollado un enfoque de vanguardia para el microensamblaje. Este enfoque permite la realización de demostradores de aplicaciones avanzadas con, por ejemplo, circuitos integrados, componentes pasivos, sensores y LED. Un ejemplo, descrito en este documento, es el demostrador para dispositivos inalámbricos IoT con sensores táctiles y un chip Bluetooth. Gracias a la integración de troqueles desnudos ultrafinos, la altura total del demostrador es inferior a 0,7 mm. Este factor de forma tan fino permite integrar sin problemas la funcionalidad en diversas superficies, etiquetas, telas, etc.
La tecnología de impresión por chorro de tinta aporta varias capacidades importantes, como la integración invisible y sin fisuras, la integración de troqueles desnudos delgados en sustratos flexibles y un número reducido de pasos del proceso.
Configuraciones para la unión de matrices y el contacto
Un primer paso para la realización del demostrador inalámbrico de IoT fue la investigación de la configuración óptima para el contacto y la unión de las matrices.
Se han estudiado varias configuraciones. En la figura 1 se muestra una configuración Fan In Ball Grid Array (BGA) mediante impresión por chorro de tinta en un dado desnudo. Un dieléctrico impreso por chorro de tinta cubre la matriz manteniendo abiertas las áreas de las almohadillas de contacto. A continuación, la tinta plateada conecta las almohadillas de contacto con un patrón BGA en la parte superior del recubrimiento dieléctrico. La alineación y el registro de las estructuras se realizan mediante el sistema de visión automática del equipo de impresión de laboratorio PixDRO LP50 utilizado.
La figura 2 muestra la unión de un chip desnudo a un patrón de plata impreso con chorro de tinta. Para la interconexión, se utiliza un equipo de unión de troqueles de alineación de alta precisión.
Figura 1. Abanico en rejilla de bolas impreso en matriz
Figura 2. Pegado de Flip Chip en pistas impresas (vista a través del sustrato)
Figura 3. Dado en abanico primero boca arriba
En la figura 3 se muestra el troquel desnudo y adelgazado de un microprocesador que se interconecta en las almohadillas de unión. Dado que es imposible imprimir por chorro de tinta pistas conductoras a través de una superficie vertical empinada, se proporciona una estructura de rampa específica para guiar y soportar los conductores de plata impresos por chorro de tinta. Este innovador enfoque de contacto está evitando cualquier bucle de unión de cables regular y que consuma mucha altura con la parte superior del globo o, como se aplica en los envases avanzados, una interfaz de capa o sustrato de redefinición (RDL). Este enfoque de "la matriz primero" está creando una altura mínima para el ensamblaje y el montaje de las matrices en los sistemas. Permite una buena alineación óptica de la matriz antes de la integración y ofrece una compatibilidad de la interacción de la superficie del material. De las tres configuraciones descritas anteriormente, se eligió la innovadora tecnología "die first" (cara arriba) para la realización de un demostrador inalámbrico de IoT de electrónica híbrida flexible (FHE) porque era la que mejor se adaptaba a esta aplicación. Cabe señalar que la configuración que mejor se adapte depende de la aplicación.
Baliza Bluetooth
El siguiente paso fue crear la funcionalidad Bluetooth. Para ello se utilizó un chip Nordic 51822 de Bluetooth de baja energía (BLE), que estaba disponible en versión de matriz desnuda y delgada. La integración de este chip con la impresión se ha demostrado en un diseño de baliza existente (véase la figura 4).
Figura 4. Baliza BLE impresa
Interfaz electrónica híbrida flexible e inalámbrica
La combinación e integración de una función de detección, un procesamiento informático y una funcionalidad de radio para operar y comunicarse de forma remota desde los nodos a la red es típica para la funcionalidad inalámbrica de los dispositivos IoT. De acuerdo con esto, el paso final para la realización del demostrador inalámbrico de IoT fue la integración de un microcontrolador, un circuito integrado (IC) de radio Bluetooth y un sensor táctil impreso en una lámina de poliéster. El microcontrolador (un controlador táctil Cypress CY8C20 adelgazado) se ha integrado de la misma manera que el chip BLE. En aras de la demostración, la alimentación del demostrador se ha abordado con una pila normal. Es comprensible que la integración de una solución de batería plana flexible remate este dispositivo plano flexible portátil. La ventaja típica sobre la interconexión por cable estándar es la capacidad de imprimir circuitos funcionales en todo tipo de sustratos finos y flexibles. Este factor de forma permite integrar sin problemas la funcionalidad en diversas superficies, etiquetas, tejidos, etc. Además, la capacidad de integrar un chip desnudo boca arriba en lugar de un flip chip, puede exponer el lado del sensor del chip al exterior en una solución de paquete de altura extremadamente baja.
En la lámina de polímero, el CI BLE adelgazado y el CI controlador táctil adelgazado se adhieren y se ponen en contacto en un circuito funcional y una antena mediante la tecnología de impresión por chorro de tinta. Además, se han añadido algunos componentes SMDpassivos. Alimentado con una batería externa, este demostrador es capaz de mostrar una comunicación bluetooth bidireccional con una aplicación de teléfono móvil.
Las trazas de alta precisión impresas por inyección de tinta se alinean y conectan a la almohadilla de unión de paso fino (60 micras de pista/espacio) de los CI. Los pasivos utilizados son de aproximadamente 0,5 mm de grosor (altura), ya que es lo que se suele encontrar en los componentes SMD. La figura 5 muestra la disposición de la zona táctil y los circuitos electrónicos para MC y BLE, incluyendo la estructura de la antena.
Después de la alimentación y las pruebas con la aplicación Nordic Blinky, se muestra la funcionalidad mientras se inicia la interacción desde el dispositivo de demostración de ida y vuelta. El área táctil está cambiando el mensaje de estado en la app. La función táctil se activa mediante un área táctil manual en la muestra, el estado del botón se muestra en la interfaz inalámbrica. El LED puede encenderse/apagarse a distancia y activarse mediante un interruptor en la app.
Figura 6. LED encendido, botón liberado Figura 7. LED apagado, botón pulsado
Puede ver el vídeo de la demostradora a través de
Conclusiones y perspectivas
DoMicro ha demostrado que las matrices desnudas pueden integrarse en sustratos flexibles utilizando la impresión por chorro de tinta para el contacto. Esto se consigue con una estructura de rampa específica para guiar y soportar los conductores de plata impresos. Este innovador enfoque de contacto elimina la necesidad de bucles de unión de cables que consumen mucha altura. El enfoque se ha demostrado en una aplicación de electrónica híbrida flexible con electrónica Bluetooth delgada y plegable que puede laminarse en un producto o aplicación delgada y flexible y/o vestible.
El factor de forma delgado permite la integración sin problemas de la funcionalidad en diversas superficies, etiquetas, telas, dispositivos en molde, vidrio inteligente, etc. Además, la capacidad de integrar un chip desnudo boca arriba en lugar de flip-chip, puede exponer el lado del sensor del chip en una solución de paquete de altura extremadamente baja.
El grupo objetivo de la tecnología demostrada incluye a los desarrolladores de aplicaciones en varios sectores de la industria como la automoción, el transporte y las empresas de logística, y las empresas de dispositivos médicos, pero también en la ciencia, la industria aeroespacial y otras aplicaciones que podrían tener una necesidad de nuevas formas de integrar la funcionalidad electrónica en productos y estructuras.
Imaginar, crear, realizar
DoMicro BV es una empresa tecnológica que proporciona tecnología de fabricación innovadora, soluciones de aplicación y tecnología de microensamblaje para la electrónica híbrida flexible (FHE) y los microdispositivos. DoMicro desarrolla procesos de impresión por inyección de tinta de vanguardia y tecnología para el microensamblaje y el embalaje 3D. A la vanguardia de la innovación, DoMicro ofrece servicios de I+D de última generación y exploración de nuevas capacidades y aplicaciones para los clientes con la fabricación en mente. La empresa ofrece servicios de I+D, producción en pequeñas series, arquitectura de sistemas y gestión de proyectos. Por lo general, para los clientes que exploran nuevas tecnologías de circuitos en sustratos flexibles como películas conductoras transparentes, electrodos OPV, OLED, Lab-on-chip, wearables, electrónica en molde, IC e integraciones MEMS.
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