Leiterplattentechnisch - Flip-Chip-Montage auf flexibler Leiterplatte

Die Fähigkeit, Maschinen durch Gedanken zu steuern, ist ein langjähriger Traum der Menschen; besonders für gelähmte Menschen. In den letzten Jahren hat der technologische Fortschritt den Fortschritt der Human Brain Machine Interface (BMI) beschleunigt. Für biomedizinische Anwendungen haben Forscher der Duke University erfolgreich neuronale Sonden eingesetzt, um Signalverarbeitungs-ASICs und elektronische Schaltungssysteme für die drahtlose Übertragung von Energie und Informationen zu entwickeln. Der nächste Schritt ist die Entwicklung der Komponentenverpackungstechnologie. Doch wie werden diese Komponenten miteinander verbunden?

Größe und Zuverlässigkeit sind die beiden wichtigsten Elemente für biomedizinische Implantate. Two Verpackung technologies in die microelectronics industry (flip chip bonding and flexible Leiterplatte Träger) are just right for this application.Flip-Chip Die Klebetechnik wird seit mehr als 30 Jahren entwickelt. Die Vorteile dieser Technologie sind geringe Abmessungen, hohe Verdrahtungsdichte, und verbesserte elektrische Eigenschaften durch kurze Pins4. Ein weiterer Vorteil von Flip-Chip Die Bonding-Technologie besteht darin, dass mehrere Chips unterschiedlicher Größe auf demselben PCB-Träger verpackt werden können, um ein Multi-Chip-Modul zu bilden. Diese Art der Verpackung kann große und unzuverlässige Steckverbinder beseitigen.

Darüber hinaus, the flexible Leiterplattenträgerplatine made of polyimide can be bent and folded, die den Platz voll ausnutzen kann, um kleine Komponenten herzustellen. Allerdings, because polyimide materials are only suitable for low-temperature joining technology (the process temperature is less than 200 degrees Celsius), Es ist notwendig, Duroplast-Kleber anstelle von Löt zu verwenden, um mechanische und elektrische Verbindung herzustellen. In dieser Studie, Wir verwenden kostengünstige Säulen-Gold-Stoßtechnologie anstelle von Zinn-Blei-Stoßtechnologie, die in anderen ähnlichen Anwendungen verwendet wird.

Um ein für biomedizinische Anwendungen geeignetes Herstellungsverfahren zu entwickeln, konstruieren und fertigen wir Testchips mit Polyimid als Substrat. Diese Testchips werden verwendet, um den Herstellungsprozess nach dem Stempeln mit säulenförmigen Goldstößen zu überprüfen. Wir haben die leitfähigen und isolierenden thermisch gehärteten Klebstoffe getestet und nach dem Temperaturzyklustest wurde der Kontaktwiderstand gemessen, um die Zuverlässigkeit des Produkts zu bewerten.

Fügetechnik

Wir hoffen, die Pillar Gold Bump Technologie und thermisch gehärteten Klebstoff zu verwenden, um einen zuverlässigen Prozess zu entwickeln, um den gewürfelten Chip mit dem flexible Leiterplatte carrier. In dieser Studie, Wir haben zwei Verbindungsmethoden getestet; die erste Methode verwendet isolierenden Duroplast Kleber, und die zweite Methode verwendet leitfähigen Klebstoff und isolierende Unterfüllung. Jede Prüfkomponente besteht aus einem Prüfkreis PCB Trägerplatte und einen Dummy Chip. Die Leiterplattenträgerplatine Das Pin Array Paket ist auch auf dem gleichen Polyimid ausgelegt Leiterplattenträgerplatine, so dass es verwendet werden kann, um den Nervensignalverstärker Chip in der Zukunft zu testen.

Vorbereitung des Simulations-Chips: Um den weichen Simulations-Chip so hart wie den Silizium-Chip zu machen, müssen wir auf der Rückseite des weichen Simulations-Chips ein Verstärkungselement hinzufügen. Das vom Leiterplattenträgerhersteller bereitgestellte Verstärkungselement ist jedoch zu weich, daher haben wir das vom Hersteller bereitgestellte Verstärkungselement durch einen kleinen 1mm dicken Mikroskopschieber ersetzt. Zylindrische Goldbumps: Der Simulations-Chip und die zylindrischen Goldbumps des Chips, die im Test verwendet werden, werden alle mit einer manuellen Goldkugel-Bondmaschine hergestellt (Kulicke, Soffas 4524AD).

Isoliertes Duroplast-Kleben: Im isolierenden Duroplast-Klebeverfahren, Der Chip mit langen säulenförmigen Goldstößen und die Leiterplattenträgerplatine mit isolierendem Duroplast-Kleber verklebt. Die Ausrichtung und Bindung des Chips und der Leiterplattenträgerplatine are performed by a flip chip bonding machine (SUSS Microtec's FC150). The steps of joining are as follows:

1. Laden Sie den Chip mit langen säulenförmigen Goldstößen und die Leiterplattenträgerplatine in den Flip-Chip-Bonder.

2. Der Chip und die Leiterplattenträgerplatine werden durch einen Flip-Chip-Bonder ausgerichtet.

3. Beschichten Sie den isolierenden thermohärtenden Klebstoff auf der Leiterplattenträgerplatine.

4. Schließen Sie den Chip gemäß den Bedingungen in Tabelle 2 und Abbildung 3 an die Leiterplattenträgerplatine an.

5. Der Klebstoff wird unter dem Druck des Verbindens thermisch gehärtet und dann abgekühlt, bevor der Druck freigegeben wird.

Fügetechnik von leitfähigem Klebstoff

Bei der leitfähigen Klebeverbindung, Ein Chip mit langen säulenförmigen Goldstößen wird zuerst in eine dünne Schicht Silberkleber gelegt. Verbinden Sie dann den Chip mit Silberkleber mit dem Leiterplattenträgerplatine mit isolierendem Duroplast. Die Ausrichtung und Verklebung des Chips und des Leiterplattenträgers verwenden auch eine Flip-Chip-Bondmaschine. Die Verbindungsschritte sind wie folgt:

1. Laden Sie den Chip mit langen säulenförmigen Goldstößen in den Flip Chip Bonder.

2. Platzieren Sie den Glasschieber auf dem Saugnapf auf dem Leiterplattenträger.

3. Beschichten Sie eine dünne Schicht leitfähigen Silberklebers auf dem Glasträger. Hinweis: Den leitfähigen Silberkleber um 10% verdünnen, um einen besseren Haftungseffekt zu erzielen.

4. Verwenden Sie einen Flip-Chip-Bonder, um die leitfähige Silberpaste auf eine Stärke von 30 Mikrons zu verteilen.

5. Drücken Sie den Chip mit den säulenförmigen Goldstößen in die 30-Mikron-dicke leitfähige Silberklebeschicht.

6. Entfernen Sie den Glasträger und legen Sie ihn auf die Leiterplattenträgerplatine.

7. Beschichten Sie isolierenden wärmehärtenden Klebstoff auf der Leiterplattenträgerplatine.

8. Richten Sie den Chip mit der Leiterplattenträgerplatine aus und verbinden Sie ihn dann mit der Leiterplattenträgerplatine durch Kleber.

9. Der Klebstoff wird unter dem Druck des Verbindens thermisch gehärtet und dann abgekühlt, bevor der Druck freigegeben wird.

Temperaturzyklus-Test: Temperaturzyklus-Test wird oft verwendet, um die Zuverlässigkeit der Verbindung zu überprüfen. Während des Temperaturzyklus-Tests werden die Temperatur und der Widerstand zwischen einem Paar Stößen auf dem simulierten Chip alle 30 Sekunden aufgezeichnet.

Die Temperaturänderungsbedingungen der Temperaturzyklusprüfung werden wie folgt festgelegt:

1. Halten Sie es bei 85 Grad Celsius für zehn Minuten.

2. Auf minus 10° Celsius so schnell wie möglich abkühlen.

3. Halten Sie es bei minus 10° Celsius für zehn Minuten.

4. Erhöhen Sie die Temperatur auf 85 Grad Celsius so schnell wie möglich.

5. Wiederholen Sie diesen Temperaturwechselzyklus.

Der Simulations-Chip wird aus dem Polyimid-Substrat geschnitten, und der Glasschieber wird geklebt, um die strukturelle Festigkeit des flexiblen Simulations-Chips zu erhöhen, und säulenförmige Goldstöße werden platziert, and then the two methods mentioned above (insulating thermosetting adhesive bonding technology), Conductive thermal hardening adhesive bonding technology) to join the simulation chip and the flexible Leiterplattenträgerplatine. Da dieser Simulations-Chip auf dem Polyimid-Substrat transluzent ist, wir können die Klebeschnittstelle visuell überprüfen. Die zylindrischen Goldstöße scheinen gleichmäßig komprimiert zu sein, was bedeutet, dass die Ebenheit gut kontrolliert wird. Die Genauigkeit der Ausrichtung wird innerhalb von 3 Mikrons gesteuert. Es ist zu sehen, dass es einige Luftblasen in der Klebeschicht gibt, aber diese Luftblasen scheinen die Leistung nicht zu beeinträchtigen.

Die Fügetechnik mit säulenförmigen Goldstößen und Kleber hat mehrere Vorteile. Zunächst einmal ist diese Methode für gewürfelte Chips geeignet. Tatsächlich ist der Einsatz eines weichen Emulations-Chips als Testkomponente eine relativ kostengünstige und praktische Möglichkeit, Bonding-Technologie zu entwickeln. Die transluzenten Testkomponenten sind bei der Verwendung von Polyimid als Substrat noch vorteilhafter als erwartet. Da die Testkomponente halbtransparent ist, können wir problemlos optische Mikrospiegel verwenden, um die Qualität der Verbindung zu überprüfen. Durch die isolierte Duroplast-Klebetechnik sind die Prozessschritte relativ einfach, Reinigungsschritte und zusätzliche Unterfüllung entfallen. Es gibt mehrere Schritte in der Klebemethode von leitfähigem Klebstoff, die sorgfältig kontrolliert werden müssen, insbesondere die Anwendung von Silberkleber und Tauchkleber. Darüber hinaus ist es für die Berücksichtigung der mechanischen Festigkeit notwendig, einen Unterfüllschritt hinzuzufügen. Der gemeinsame Nachteil dieser beiden Methoden ist, dass die Aushärtezeit (10-Minuten) des Klebstoffs zu lang ist; Was die Forschung betrifft, so ist dies akzeptabel.

Allerdings, für Massenproduktion, ein Kleber mit einer kürzeren Aushärtezeit ist notwendig. Wir glauben, dass wenn der Klebstoff und die Unterfüllung ausgehärtet sind, Sie können den Chip und PCB-Träger festziehen, dadurch die Qualität des Gelenks. Bei der Prüfung des Temperaturzyklus, die durchschnittliche Beständigkeit der isolierten Duroplast-Klebetechnik entsprach unseren Erwartungen; Dieses Ergebnis war auch mit den Ergebnissen anderer Einheiten vergleichbar. Verwendung isolierter thermohärtender Klebetechnik, die von Flip-Chip Verklebung auf der flexible PCB-Substrat and the commercially produced ceramic pin array package components have the same electrical performance. Darüber hinaus, Diese Technologie hat die Vorteile der kleinen Größe und Anpassungsfähigkeit an verschiedene Formen.

Um den ASICS-Chip des neuronalen Signalverstärkers an die flexible Leiterplattenträgerplatine by Flip-Chip packaging, Wir haben zwei Klebeverfahren entwickelt und evaluiert, und verwendete den auf dem Polyimidsubstrat hergestellten Simulations-Chip für die Entwicklung und Prüfung des Herstellungsprozesses. Basierend auf der Berücksichtigung von einfachem Herstellungsprozess und guter Zuverlässigkeit, Wir verwenden isolierte thermohärtende Klebetechnik und Säulen Gold Bump Technologie. Wir verwenden diese Methode auch, um den ASICS-Chip des neuronalen Signalverstärkers mit dem Pin-Array-Paket zu verbinden Leiterplattenträgerplatine. Die erste Studie ergab ein 100% funktionelles Produkt.