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Pilot line for micro-transfer-printing of functional components on wafer level

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Il trasferimento di massa tramite timbri elastomerici permette la fabbricazione su scala industriale di dispositivi microelettronici integrati tridimensionali

La produzione di circuiti integrati su wafer semiconduttori ha rivoluzionato l’industria dell’elettronica. La prossima rivoluzione potrebbe accompagnarsi al trasferimento ad alte prestazioni e all’integrazione di diversi microdispositivi su altri substrati caratterizzati da una tecnologia che assomiglia a un timbro di gomma.

Tecnologie industriali

I circuiti integrati o i «microprocessori» hanno sostituito i componenti discreti e i giunti saldati dell’elettronica tradizionale con vari elementi dei circuiti posti su un wafer semiconduttore. Ciò ha favorito la maggiore funzionalità e le elevate prestazioni, le dimensioni e i pesi notevolmente più compatti nonché un più ridotto consumo energetico. Inoltre, ha contribuito a tagliare i costi e i rifiuti derivanti dalla produzione e dal collaudo. I circuiti fotonici integrati fanno altrettanto per i dispositivi ottici e l’optoelettronica. Poiché i requisiti prestazionali continuano a migliorare, per raggiungere il potenziamento dei dispositivi e la riduzione dei costi occorre un modus operandi inedito. L’integrazione eterogenea mette insieme componenti diversi, prodotti separatamente, su una piattaforma comune in un cosiddetto sistema a pacchetto. Il progetto MICROPRINCE, finanziato dall’UE, ha dato origine a una linea pilota di fonderia per attuare l’integrazione eterogenea basata su una delle tecniche più promettenti in fase di sviluppo degli ultimi 15 anni. Un portafoglio variegato di dimostratori spiana la strada a figure innovatrici per accelerare la disponibilità produttiva dei loro dispositivi rivoluzionari in ambiti multidisciplinari.

Un timbro di gomma adatto a quasi tutti i tipi di «carta»

La sempre maggiore complessità di componenti o prodotti comporta una probabilità superiore di insuccessi, aumentando il numero di scarti e i costi a discapito del rendimento. L’integrazione di vari «chiplet», o sottosistemi, si rivela più pratica ed economica rispetto alla produzione di sistemi monolitici. Uno degli approcci più promettenti consiste nella microstampa a trasferimento (μTP), anche denominata trasferimento di massa. La microstampa a trasferimento si avvale di un timbro elastomerico per lo spostamento contemporaneo di migliaia di chiplet o di dispositivi in microscala prodotti su wafer da un substrato all’altro, proprio come l’inchiostro di un cuscinetto inchiostrante si trasferisce sulla carta. Finora, questa tecnica è stata principalmente impiegata in laboratori per le ricerche scientifiche.

Flessibilità comprovata per le applicazioni ad alta tecnologia del futuro

Il progetto MICROPRINCE ha creato una linea pilota di microstampa a trasferimento nella camera bianca della fonderia X-FAB MEMS, presentando quattro prodotti ad alta tecnologia. Si trattava di generatori di Hall in arseniuro di gallio per la realizzazione della prossima generazione di sensori di corrente, di filtri di risposta fotopica per sensori della luce ambientale, di LED in nitruro di gallio per moduli di illuminazione ambientale per auto e di fotodiodi in fosfuro di indio nei circuiti fotonici di silicio. Questi prodotti sono stati utilizzati in dimostratori funzionali di sensori della luce ambientale, motori/pacchetti di illuminazione ambientale per auto e di spettrometri fotonici di silicio a infrarossi integrati. Secondo Sebastian Wicht, coordinatore del progetto MICROPRINCE e responsabile del programma di stampa a trasferimento presso la fonderia X-FAB MEMS, «oltre alla creazione della linea pilota di microstampa a trasferimento, alcuni progressi compiuti nei processi generici ne hanno sostenuto lo straordinario potenziale per l’integrazione tridimensionale a elevato rendimento, alte prestazioni e precisione di allineamento. Abbiamo dato prova di rendimenti di stampa o di trasferimento fino al 99 % con disallineamenti inferiori a 1,0 µm. I dispositivi di piccole dimensioni, di appena 100 µm x 100 µm x 5 µm, sono stati trasferiti in modo efficace e impilati su stampi di destinazione semiconduttori di ossido di metallo complementari.

Confezionamento estremamente parallelo e prestazioni superiori con sprechi minimi

La microstampa a trasferimento permette il trasferimento di migliaia di microdispositivi in un unico passaggio con una precisione eccezionale, ottenendo prestazioni molto elevate a un costo relativamente basso. Questa tecnica supera le tecnologie all’avanguardia poiché riduce al minimo la dimensione dei pacchetti ed elimina quasi del tutto lo spreco di materiali ed elementi costosi. Wicht conclude: «Il progetto MICROPRINCE ha spalancato le porte all’applicazione industriale della microstampa a trasferimento per l’integrazione tridimensionale ed eterogenea. Ciò contribuirà allo sviluppo di prodotti innovativi dotati di prestazioni superiori, di pacchetti di dimensioni più compatte o persino di nuove funzionalità in ambiti che spaziano dal settore industriale e dei prodotti di consumo al settore biomedico. I clienti interessati sono invitati a contattare la fonderia X-FAB MEMS per traghettare le proprie idee per nuove applicazioni verso il regno della produzione.

Parole chiave

MICROPRINCE, µTP, integrazione eterogenea, linea pilota, sensori, wafer, integrazione tridimensionale, circuito fotonico, timbro elastomerico, microstampa a trasferimento, trasferimento di massa, sistema a pacchetto

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