In september is de vierde editie van Electronics System Integration Technology (ESTC2012) in Amsterdam. Deze tweejaarlijkse conferentie wil een volledig beeld geven van de wereldwijde ontwikkelingen in integratie, assembly en packaging van halfgeleidersystemen, een gebied waar Nederland erg actief is. De belangrijkste trends met Nederlandse inbreng op een rijtje.
De halfgeleiderindustrie is steeds in staat gebleken de wet van Moore te volgen. Hierdoor zijn keer op keer nieuwe toepassingen beschikbaar gekomen die op hun beurt weer investeringen hebben gerechtvaardigd om de volgende cyclus in te zetten. Toekomstige systemen zullen echter functies gaan vragen die niet meeschalen met Moore.
Om deze ’More than Moore‘-systemen op te bouwen uit de state-of-art analoge en digitale componenten kunnen we de bekende PCB-technologieën gebruiken. Deze route zal echter rap haar eindpunt bereiken. De afstanden tussen processoren en geheugens worden bijvoorbeeld al snel te groot voor ultrabreedbandige communicatie. Daarnaast zullen lange elektrische verbindingen leiden tot onacceptabele weerstandsverliezen en dus een onevenredig hoog energieverbruik. Bij veel sterk geminiaturiseerde toepassingen zal de verpakking bovendien meer functies voor haar rekening moeten nemen dan alleen de chip beschermen en diens dimensies transformeren naar die van het PCB.
Er moeten dus nieuwe manieren van samenstellen komen die de benodigde prestaties leveren tegen verantwoorde kosten. Hierbij valt te denken aan koelmethodes, nauwkeurige assemblagetechnieken, ook op foliebasis, betaalbare through-silicon via-technologie (TSV) en additieve productiemethodes om sporen en packages te printen. Voor Nederland, waar veel van de benodigde nieuwe manieren worden ontwikkeld, is deze paradigmaverschuiving een uitgelezen kans om een rol van belang te spelen.
Uitlijning
De bekendste nieuwe ontwikkeling is misschien wel 3D-integratie, ofwel het stapelen van chips waarbij deze onderling worden verbonden worden door TSV‘s, geleidende kanalen dwars door het silicium. Dit levert de kleinst mogelijke vormen én houdt de elektrische verbindingen ultrakort, waardoor de bandbreedte maximaal wordt en de weerstandsverliezen minimaal. De techniek levert wel een paar grote uitdagingen voor integratie en samenbouw.
PhD pitches at the Benelux RF Conference
Learn about the latest trends and developments in high-end RF techniques. On 24 May, the Benelux RF Conference will take place in Nijmegen. New this year are the PhD pitches, in which young professionals present their research results. Make sure to reserve your seat in time and register now.
Ten eerste moeten de TSV‘s de juiste dimensie hebben (tot 15 µm diameter), de juiste aspectratio (tot 50) en een zeer gladde wandafwerking. Meestal worden de gaten gemaakt met reactive ion etching (RIE). Dit proces is echter traag en daardoor duur, geeft sterk golvende wanden en een sterke vervuiling van de reactor. Dat komt grotendeels doordat de wafer afwisselend aan een etsplasma en een passivatie met chemical vapour deposition (CVD) wordt blootgesteld, waarbij de proceskamer telkens moet worden gespoeld en weer gevuld met het volgende gas.
Als we de passivatielaag niet met CVD aanbrengen maar met atomic layer deposition (ALD), verkrijgen we een zeer goede laagdiktebeheersing en daarmee een beheerst etsgedrag. Door nu de wafer op enkele tientallen micrometers heen en weer te laten bewegen onder nieuw te ontwikkelen micro-injectoren voor de ets- en passivatieplasma‘s kunnen we de spoelstappen overslaan, wat het totale proces versnelt en de wandkwaliteit verbetert. Ook blijft de ongewenste reactorvervuiling tot een minimum beperkt. Een RIE/ALD-reactor biedt bovendien de mogelijkheid om in dezelfde procesgang andere functionele coatings aan te brengen, zoals barrière- en isolatielagen in de TSV‘s.
Deze ontwikkeling belooft hoogwaardige via‘s met vlakke wanden die zelfs geschikt zijn voor optische interconnects. Daarbij ligt er een flinke overall kostenbesparing in het verschiet voor het maken van de TSV‘s, tot een factor tien toe. Daardoor wordt de technologie echt commercieel toepasbaar, ook voor dikke chips.
Ten tweede moeten we de chips in een 3D-integratie precies stapelen. Een plaatsingsnauwkeurigheid van een à twee micrometer is nodig om de TSV‘s exact op elkaar te krijgen. Machines die dit kunnen, zijn echter zéér langzaam, wat het proces erg duur maakt. De traagheid wordt deels veroorzaakt doordat het tijd kost om de te plaatsen chip met vision uit te lijnen op zijn voorganger.
Door de uitlijning uit te voeren tijdens de motion-control-loop voor het plaatsen van de chip is belangrijke tijdwinst te halen. Door de referenties voor de landingsplek én de te positioneren component in één (camera)coördinatenstelsel te vangen, is bovendien een nauwkeurigheidswinst van tien naar twee micrometer mogelijk. Dit hebben we reeds aangetoond op een commerciële pak-en-plaatsmachine. Een visiongebaseerde motion-loop kunnen we inmiddels op 10 kHz sluiten met vertragingstijden van minder dan honderd microseconden. Daarmee komt toepassing in productiemachines dichtbij.
Ten derde hebben we plaatsingskoppen nodig die snel, nauwkeurig en zeer voorzichtig de fragiele, soms tot 20 µm verdunde, chips kunnen oppakken en neerzetten. Bij het stapelen moeten de x- en y-coördinaten exact worden uitgelijnd en de rotatie om de z-as precies geregeld. Vervolgens zal de beweging van de z-as tijdens plaatsing onder controle moeten worden gehouden, zowel in positie op micrometers als in aandrukkracht op fracties van newtons, om de fragiele chips niet te beschadigen. De mede door TNO ontwikkelde Inema-actuator is hiervoor een geschikte oplossing.
Lift
Bij samenbouw op een PCB hebben de componenten meestal alleen interactie via de elektrische verbindingen. In zeer kleine ruimtes, bijvoorbeeld in een system-in-package (Sip), gaan ook hun andere fysische parameters elkaar beïnvloeden, zoals elektromagnetische velden, mechanische belasting en warmtegeneratie. In het ontwerp moeten we alles balanceren om tot een goede prestatie en levensduur te komen. Dit betekent dat er betrouwbare modellen moeten komen die elementair fysische componentaspecten beschrijven en deze koppelen aan het systeemgedrag. Ook zijn er methodieken nodig die vroeg in het design inzichtelijk maken welke fysische aspecten we naast de elektronische moeten meenemen.
Samen met de TUE zijn we aan het onderzoeken of een critical parameter sheet (CPS) uitkomst kan bieden. Aan de hand van zo‘n CPS kunnen we snel modellen opzetten die de prestatie en betrouwbaarheid van een systeem kunnen voorspellen. De levensduur van een led-Sip hangt bijvoorbeeld in sterke mate af van de warmteproductie van de driver en het warmtetransport naar de omgeving. Door op de juiste plaats koeloplossingen aan te brengen, zoals een heat pipe, kunnen we het leven van het systeem significant verlengen.
In steeds kleinere pakketjes van halfgeleideronderdelen is ook een steeds fijnere structurering van geleidende sporen nodig. Kostbare maskers en etsstappen bieden hier mogelijkheden voor fabricage in hoge volumes. Digitale printoplossingen voor zeer fijne metaalsporen leveren een betaalbare oplossing voor kleinere series. Hiertoe heeft TNO het Lift-proces in ontwikkeling. Laser-induced forward transfer onderscheidt zich van bijvoorbeeld inkjet en screenprinting door de resolutie: het heeft de potentie om de sporen van 1 tot 5 µm te printen die nodig zijn in toekomstige toepassingen.
Bij het Lift-proces maakt een laser kleine metaaldruppeltjes los van een transparante drager met metaalcoating. Deze druppeltjes landen op het te patroneren substraat om daar het geleidende patroon te vormen. Deze wijze van digitaal printen is niet alleen bruikbaar voor metalen als koper en zilver maar ook voor (geleidende) inkten. Daarnaast kunnen we er andere functionele materialen heel nauwkeurig mee patroneren, zoals biomarkers.
Printen beperkt zich niet tot geleidende materialen. Met microstereolithografie (µ-SLA) zijn driedimensionale voorwerpen uit kunststof of keramiek te vervaardigen met een onbegrensde vormvrijheid en een detaillering van 5 tot 10 µm. Hierbij beeldt een projector een serie beelden af in een dunne laag van een lichtgevoelige hars, die daardoor hard wordt. Na iedere belichting wordt het voorwerp iets omhoog getild om een nieuwe laag te maken. Laag voor laag wordt het product zo opgebouwd.
Een mogelijke toepassing in de elektronica is het spanningsvrij verpakken van Mems-sensoren. Veel Mems-gebaseerde systemen zijn zeer gevoelig voor spanning die bij het verpakkingsproces wordt geïntroduceerd. In de praktijk betekent dit dat we ieder systeem na assemblage afzonderlijk moeten kalibreren – een dure en tijdrovende bezigheid. Door de verpakking met µ-SLA te printen, is eindkalibratie niet meer nodig.
Nog interessanter is het om een volledig smart system op te bouwen met 3D-printing. De behuizing printen we met een polymeer, terwijl we de elektrische verbindingen binnen een laag én tussen de lagen bijvoorbeeld aanbrengen met Lift. Deze aanpak heeft twee voordelen. Ten eerste kunnen we bestaande chips gebruiken, wat herontwerp zoals nodig voor 3D-stapeling overbodig maakt. Ten tweede kunnen we eenvoudig een prototype vervaardigen zonder hoge maskerkosten omdat het package en de integratie digitaal worden geregeld.
Textiel
Een compleet nieuwe klasse van toepassingen vormt zich rond flexibele elektronica. Voorbeelden zijn sensoren voor voedselverpakkingen, intelligente medische verbanden en allerhande actieve en passieve RFID-tags. Deze producten zijn niet gebaseerd op traditionele printplaten maar op goedkope Pet-folies. De elektronische circuits en schakelingen worden grotendeels gemaakt met goedkope printtechnologieën.
Bij flexibele elektronica is de integratie van chips een belangrijk onderzoeksthema. Om de buigzaamheid te handhaven, worden extra dunne componenten zonder package geïntegreerd. Vanwege de lage temperatuurstabiliteit van de folies wordt voor de elektrische verbindingen geen soldeer gebruikt maar een geleidende lijm. Het is al mogelijk een volledig werkende microprocessor met een dikte van dertig micrometer op een Pet-folie te zetten.
Inmiddels wordt er ook gewerkt aan nóg verdere integratie, waarbij de componenten direct óp de folie worden geprint in plaats van geassembleerd. Het Holst Centre coördineert het Europese Moma-programma (www.moma-project.eu) om goedkope geprinte geheugens te realiseren op basis van ferro-elektrische polymeren. Al in zijn tweede jaar is het consortium erin geslaagd 256 bit geheugens te maken op flexibele substraten en binnen een jaar verwacht het op te kunnen schalen naar 1 kilobit geheugens. Daarnaast is het gelukt een eenvoudige microprocessor op folie te zetten.
Veel flexibele elektronica zal worden gebruikt in draagbare toepassingen zoals kleding. Binnen Holst wordt daarom gewerkt aan technologieën om folies met textiel te integreren. De onderzoekers hebben al een flexibele zonnecel geassembleerd op een stof waarin elektrische draden zijn geweven voor de afvoer van de stroom.