PCB Tecnico - Gruppo chip flip su circuito flessibile

La capacità di controllare le macchine dal pensiero è un sogno di lunga data delle persone; specialmente per coloro che sono paralizzati. Negli ultimi anni, il progresso tecnologico ha accelerato il progresso dell'interfaccia macchina del cervello umano (BMI). Per le applicazioni biomediche, i ricercatori della Duke University hanno utilizzato con successo sonde neurali per sviluppare ASIC di elaborazione del segnale e sistemi di circuiti elettronici per la trasmissione wireless di energia e informazioni. Il passo successivo è quello di sviluppare la tecnologia di imballaggio dei componenti. Tuttavia, come si collegheranno questi componenti tra loro?

Dimensioni e affidabilità sono i due elementi più importanti per gli impianti biomedici. Due tecnologie di imballaggio nel settore della microelettronica (flip chip bonding e PCB carrier flessibili) sono perfette per questa applicazione. La tecnologia di incollaggio del chip Flip è stata sviluppata per più di 30 anni. I vantaggi di questa tecnologia sono piccole dimensioni, alta densità di cablaggio e proprietà elettriche migliorate grazie ai pin corti.4 Un altro vantaggio della tecnologia di incollaggio flip-chip è che più chip di dimensioni diverse possono essere imballati sullo stesso supporto PCB per formare un modulo multi-chip. Questo tipo di imballaggio può eliminare connettori grandi e inaffidabili.

Inoltre, la scheda portante PCB flessibile in poliimide può essere piegata e piegata, che può utilizzare appieno lo spazio per realizzare componenti di piccole dimensioni. Tuttavia, poiché i materiali poliimidici sono adatti solo per la tecnologia di giunzione a bassa temperatura (la temperatura di processo è inferiore a 200 gradi Celsius), è necessario utilizzare adesivo termoindurente al posto della saldatura per fornire il collegamento meccanico ed elettrico. In questo studio, utilizziamo la tecnologia a basso costo del tamponamento dell'oro del pilastro invece della tecnologia di tamponamento dello stagno-piombo utilizzata in altre applicazioni simili.

Al fine di sviluppare un processo produttivo adatto alle applicazioni biomediche, progettiamo e produciamo chip di prova utilizzando la poliimide come substrato. Questi chip di prova sono utilizzati per verificare il processo di fabbricazione dopo essere stati timbrati con urti d'oro a forma di pilastro. Abbiamo testato rispettivamente gli adesivi termoinduriti conduttivi e isolanti e dopo aver fatto il test del ciclo di temperatura, la resistenza al contatto è stata misurata per valutare l'affidabilità del prodotto.

Joining technology

Speriamo di utilizzare la tecnologia dell'urto dell'oro del pilastro e l'adesivo temprato termicamente per sviluppare un processo affidabile per legare il chip tagliato a dadini al supporto flessibile del PCB. In questo studio, abbiamo testato due metodi di incollaggio; Il primo metodo utilizza adesivo termoindurente isolante, e il secondo metodo utilizza adesivo conduttivo e sottoriempimento isolante. Ogni componente di prova è composto da un circuito di prova PCB carrier board e un chip fittizio. La scheda portante PCB del pacchetto pin array è anche progettata sulla stessa scheda portante PCB in poliimide, in modo che possa essere utilizzata per testare il chip dell'amplificatore del segnale nervoso in futuro.

Incollaggio adesivo termoindurente isolato: Nel metodo di incollaggio adesivo termoindurente isolante, il chip con lunghi urti d'oro colonnari e la scheda portante PCB sono legati con adesivo termoindurente isolante. L'allineamento e l'incollaggio del chip e della scheda portante PCB sono eseguiti da una macchina di incollaggio flip chip (FC150 di SUSS Microtec). Le fasi di adesione sono le seguenti:

1. caricare il chip con lunghi urti d'oro a forma di pilastro e la scheda portante PCB nel legante chip flip.

2. Il chip e la scheda portante PCB sono allineati da un legante flip chip.

3. Rivestire l'adesivo termoindurente isolante sulla scheda portante PCB.

4. Collegare il chip alla scheda portante PCB secondo le condizioni nella Tabella 2 e Figura 3.

5. L'adesivo è temprato termicamente sotto la pressione di giunzione, e poi raffreddato prima che la pressione è rilasciata.

Tecnologia di giunzione dell'adesivo conduttivo

Nel metodo di incollaggio adesivo conduttivo, un chip con lunghi urti d'oro a forma di pilastro viene prima posizionato in un sottile strato di colla d'argento. Quindi collegare il chip con colla d'argento alla scheda portante PCB con colla termoindurente isolante. L'allineamento e l'incollaggio del chip e del supporto PCB utilizzano anche una macchina di incollaggio flip chip. Le fasi di congiunzione sono le seguenti:

1. caricare il chip con lunghi urti d'oro a forma di pilastro nel flip chip bonder.

2. Posizionare la diapositiva di vetro sulla ventosa sul supporto PCB.

3. Rivestire uno strato sottile di colla conduttiva d'argento sulla diapositiva di vetro. Nota: Diluire la colla conduttiva d'argento del 10% per ottenere un migliore effetto di adesione.

4. Utilizzare un legante flip chip per diffondere la pasta conduttiva d'argento ad uno spessore di 30 micron.

5. Premere il chip con i colpi d'oro a forma di pilastro nello strato conduttivo di colla d'argento di spessore 30 micron.

6. Rimuovere la diapositiva di vetro e metterlo sulla scheda portante PCB.

7. Rivestimento isolante adesivo termoindurente sul bordo portante PCB.

8. Allineare il chip con la scheda portante PCB e quindi legarlo con la scheda portante PCB attraverso la colla.

9. L'adesivo viene temprato termicamente sotto la pressione di giunzione e poi raffreddato prima che la pressione sia rilasciata.

Prova del ciclo di temperatura: La prova del ciclo di temperatura è spesso utilizzata per verificare l'affidabilità del giunto. Durante la prova del ciclo di temperatura, la temperatura e la resistenza tra un paio di urti sul chip simulato vengono registrate ogni 30 secondi.

Le condizioni di variazione della temperatura della prova del ciclo di temperatura sono impostate come segue:

1. Tenere a 85 gradi Celsius per 10 minuti.

2. Raffreddare fino a -10 gradi Celsius il più rapidamente possibile.

3. Tenere a -10 gradi Celsius per 10 minuti.

4. Aumentare la temperatura a 85 gradi Celsius il più rapidamente possibile.

5. Ripetere questo ciclo di cambiamento di temperatura.

Il chip di simulazione è tagliato dal substrato di poliimide e la diapositiva di vetro è legata per migliorare la resistenza strutturale del chip flessibile di simulazione e vengono posizionati urti d'oro a forma di pilastro e quindi i due metodi sopra menzionati (tecnologia di incollaggio adesivo termoindurente isolante), Tecnologia adesiva di indurimento termico conduttivo) per unire il chip di simulazione e la scheda portante flessibile PCB. Poiché questo chip di simulazione realizzato sul substrato di poliimide è traslucido, possiamo ispezionare visivamente l'interfaccia di incollaggio. I dossi cilindrici d'oro sembrano essere compressi uniformemente, il che significa che la planarità è ben controllata. L'accuratezza dell'allineamento è controllata entro 3 micron. Si può vedere che ci sono alcune bolle d'aria nello strato adesivo, ma queste bolle d'aria non sembrano influenzare le prestazioni.

Ci sono diversi vantaggi alla tecnica di giunzione utilizzando urti d'oro a forma di pilastro e colla. Prima di tutto, questo metodo è adatto per le fiches a dadini. Infatti, utilizzare un chip di emulazione morbida come componente di prova è un modo relativamente economico e pratico per sviluppare la tecnologia di incollaggio. I componenti traslucidi della prova sono ancora più utili del previsto quando si utilizza la poliimide come substrato. Poiché il componente di prova è semi-trasparente, possiamo facilmente utilizzare microspecchi ottici per controllare la qualità del giunto. Utilizzando la tecnologia di incollaggio adesivo termoindurente isolante, le fasi di processo sono relativamente semplici e non c'è bisogno di fasi di pulizia e sottoriempimento aggiuntivo. Ci sono diversi passaggi nel metodo di incollaggio dell'adesivo conduttivo che devono essere controllati attentamente, in particolare l'applicazione della colla d'argento e della colla per immersione. Inoltre, per la considerazione della resistenza meccanica, è necessario aggiungere una fase di sottoriempimento. Lo svantaggio comune di questi due metodi è che il tempo di indurimento (10 minuti) dell'adesivo è troppo lungo; per quanto riguarda la ricerca, questo è accettabile.

Tuttavia, per la produzione di massa, è necessaria una colla con un tempo di indurimento più breve. Crediamo che quando l'adesivo e il sottoriempimento sono induriti, possano stringere il chip e il supporto PCB, migliorando così la qualità del giunto. Nel test del ciclo di temperatura, la resistenza media della tecnologia di incollaggio termoindurente isolante è stata in linea con le nostre aspettative; questo risultato è stato comparabile anche ai risultati di altre unità. Utilizzando la tecnologia di incollaggio adesivo termoindurente isolante, i componenti preparati mediante incollaggio flip-chip sul substrato flessibile PCB e i componenti del pacchetto ceramico pin array prodotti commercialmente hanno le stesse prestazioni elettriche. Inoltre, questa tecnologia ha i vantaggi di piccole dimensioni e adattabilità a forme diverse.

Al fine di legare il chip ASICS dell'amplificatore di segnale neurale alla scheda portante PCB flessibile tramite imballaggio flip-chip, abbiamo sviluppato e valutato due metodi di incollaggio e utilizzato il chip di simulazione fabbricato sul substrato di poliimide per lo sviluppo e il test del processo di produzione. Sulla base della considerazione del semplice processo di produzione e della buona affidabilità, utilizziamo la tecnologia di incollaggio adesivo termoindurente isolante e la tecnologia dell'urto dell'oro del pilastro. Usiamo anche questo metodo per collegare il chip ASICS dell'amplificatore di segnale neurale alla scheda portante PCB del pacchetto pin array. La prima prova ha prodotto un prodotto funzionale al 100%.