アディティブ・マニュファクチャリング（AM）は、次世代のマイクロエレクトロニクスデバイスの製造において、低コスト化や簡便化など、非常に大きな可能性を持っています。しかし、AM技術を微細加工に広く利用するためには、いくつかの課題がある。小型化のトレンドは、複雑な3Dトポグラフィーや異種基板上に超薄型で高導電性のインターコネクトを印刷することを要求しています。XTPLのプリンティングテクノロジーは、これらの課題に取り組みます。私たちは、さまざまな硬質および軟質基板上にマイクロメートルの導電および非導電性構造を印刷するための汎用的なアプローチである超精密蒸着（UPD）を実証しています（参照：Łysień et al.高分解能蒸着による導電および絶縁材料のマイクロメータースケールでの複合基板上。Sci Rep 12, 9327 (2022)。https://doi.org/10.1038/s41598-022-13352-5）。UPDは、高濃度の銀、銅、金ペーストをマスクレスで蒸着することができ、固形分85wt%まで可能です。印刷される形状は1μmと小さく、この範囲で得られる最大導電率はバルク材料の約45%である。
UPDプロセスは、圧力を利用したインクの直接押し出しが基本です。インク、印刷ノズル、プロセスパラメーターを同時に最適化することで、直径1μmのノズルを使って高粘度インクを押し出すことができる。
これらの特徴により、UPD は他の AM 技術では到達できない結果を達成することができます。1) 高度なパッケージングのための3Dトポグラフィーへのプリント、2) 高周波信号用のプリント構造、例えばアンテナオンチップと5G/6G通信、3) センサーなどの柔軟なデバイスのプリント、高粘度と低粘度の両方の材料（10-250M cP）と幅広いフィーチャーサイズ（線幅1-200 um）を使用したものです。
アドバンストパッケージング：3Dトポグラフィへの印刷
課題：高角度側壁の導電性低下
3次元相互接続の印刷の可能性は、ハイブリッドエレクトロニクス（印刷技術とシリコン技術の組み合わせ）を含むシステムインテグレーションとパッケージングにとって特に興味深いものです。例えば、高さ150μmの段差に幅15μmの再現性のある連続した銀線を印刷する。そのため、段差の高さは線の幅の10倍となる。ここでは、他のAM技術における典型的な問題である、段差に印刷しても材料が流れ落ちず、垂直な側壁に直接蒸着できることを克服しています。
高さ150μmの段差に幅15μmの銀色のラインが繰り返し連続的に印刷されています。
プリンテッドエレクトロニクスとシリコン技術を組み合わせた高性能なフレキシブルハイブリッドエレクトロニクスの異種混載に対する市場ニーズは明確である。課題は、フレキシブル超薄型チップ（UTC）が従来のボンディング方法では壊れやすいため、フレキシブルフォイルに統合することです。この点、XTPLのマイクロディスペンスシステムを使用してフレキシブルプリント基板上に印刷したUTCは、曲げ条件下で堅牢なデバイス性能を示し、チップ薄型化とボンディング方法の両方の高い信頼性を示しています。UPD法を用いてこのようなインターコネクタを印刷できることは、文献上でも実証されています（参照：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): フレキシブルな超薄型MOSFETチップを作製するために、薄型チップをフレキシブルPCBに貼り付け、チップとPCBの間にインターコネクションを印刷した。この研究により、UPD技術が壊れやすい超薄型チップを傷つけずに接続できること、またフレキシブル基板に曲げに強い配線を印刷できることが実証された。
高周波信号用印刷構造体
課題：幾何学的な均質性と構造の完全性の低さに起因する高周波信号の損失
UPDで印刷されたサンプルは、高周波用途に重要な、高い表面平滑性、一定の線幅、信号損失を制限する一定のラインスペースという独自の特徴を持っています。そのため、UPDは他のアディティブマニュファクチャリング技術に対して競争優位性を獲得しています。エアロゾルジェットプリンティングは、オーバースプレーのため、ギャップサイズが20µmに制限されます。さらに、印刷された信号線の周囲にサテライト液滴が現れると、基板上に放射線を発生させることになります。XTPLのUPDアプローチでは、300 GHz以上の信号に合わせたプリント構造を実現します。線間ギャップの制限を除けば、一般的な問題は、蒸着構造の高い粗さ（伝送周波数の制限）と基板への低い接着性です。UPDはこれらの問題に対処し、印刷された銀線は滑らかで、幅広い基板への密着性が非常に高い。基板の種類は、ガラス、シリコン、フレキシブルフォイル、RO4003など。
PEN箔に印刷された銀線の例。線幅は3.2μm、線間距離は0.7μm（挿入図にサンプルの遠景を示す）。
フレキシブルデバイスの印刷：センサー
課題：1つの印刷方式で高粘度材料と低粘度材料を使い分ける
バイオセンシングアプリケーション向けのUPD技術のユニークな特徴として、1）高粘度および低粘度のサードパーティ材料の成膜（機能性材料やバイオプローブに適している）、2）低コストで使い捨ての針は、様々な機能化ステップ（例えば、抗体/エタノールアミン/BSA）間の汚染を避けるために容易に交換可能、3）材料コストの削減：マトリックスシステム製造（ELISAプレートなど）に必要なバイオ液の量を最小限にするためのマイクロエリアまたはマイクロドットの成膜が可能、が挙げられる。
バイオセンシング用途の設計例。
高密度マイクロエレクトロニクスを実現するための重要な課題である、複雑な基板へのさまざまな材料の高精細印刷に、UPD方式は応えます。UPDの最大の特徴は、直径数マイクロメートルのノズルを用いて、高粘度のインクを印刷できることである。ライン、ドット、クロス、メッシュなど、任意の形状の構造体を得ることが可能である。印刷サイズは1マイクロメートルと小さく、導電率はバルク値の45%まで向上する。これらの特徴から、UPDはラピッドプロトタイピングや微細加工に不可欠なツールとなり得る。
結論
XTPLが開発した印刷技術は、既知のサブトラクティブ手法では実現できないアプリケーションや、他のアディティブ手法ではすべての要件を満たすことができないユースケースに有効なアプローチをもたらしています。XTPLは、強力な業界パートナーとともに、生産自動化やスループット要件に対応したソリューションの提供など、技術のスケールアップを進めています。
XTPLが導入した独自のアプローチは、2020年後半から市販され、現在世界的にユーザーネットワークが急速に拡大しているDelta Printing Systemにより、研究開発やプロトタイピングセンター（企業や学術機関の両方）でも利用することができます。この装置は、技術の潜在的なアプリケーションの非常に高い汎用性、プリンティングシステムによる操作の高い自由度、XTPLが提供する優れた顧客サポートにより、現在の顧客から高い評価を受けています。
私たちのチームとつながるには、xtpl.com または sales@xtpl.com 超精密成膜技術とDelta Printing Systemの詳細はこちら [This is automatically translated from English]
