用于晶圆、芯片和系统级封装的无尘印刷实验室_德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会-北京代表处

弗劳恩霍夫电子纳米系统研究所ENAS在其所在地开姆尼茨的一个新的无尘实验室中，将印刷技术与晶圆、芯片和系统级的微电子元件封装相结合。借助不同的增材工艺和在低颗粒物的实验室环境中进行3D兼容的材料沉积的全新集群设施，该研究所在此领域提供了一个独一无二的工艺链，用于开发和实现封装技术所需的印刷工艺。

封装过程中的印刷技术

与传统的封装技术相比，印刷技术能够使用新的材料，并选择更多种类的基底。由于目前，许多材料都是糊状物，无法在传统的沉积工艺中用于封装，因此人们日益关注在微电子元件的封装流程中整合增材工艺。该工艺可以使用纳米颗粒油墨、化学制剂以及CNT浆料、焊膏等导电材料，也可以结合使用导电和绝缘材料。此外，因为现在可以在芯片和晶圆的二维、三维或地形表面上沉积材料，因而使用印刷工艺增加了基底的选择和形状种类。无掩模是另一个优势，这可以快速实现从概念转变成原型。

为了充分利用上述微电子封装的全新可能，弗劳恩霍夫电子纳米系统研究所ENAS建立了完备的印刷实验室和无尘环境下的工艺链。该实验室在这一领域是独一无二的，它能够利用增材工艺为建造微型化和高度功能化的组件提供一个几乎无颗粒的流程。

研究和开发实例

弗劳恩霍夫电子纳米系统研究所ENAS对印刷技术应用于微电子元件封装的研究已经有十多年。“多年来，丝网印刷和点胶工艺等增材剂技术一直是电子元件封装工艺链中不可或缺的一部分，例如在粘合工艺中应用玻璃夹层或保护灵敏引线键合的灌封材料。但目前的发展趋势，如微型化、三维集成和在所谓的‘封装系统’中集成各种功能部件，也需要新型的材料和新技术。”弗劳恩霍夫电子纳米系统研究所ENAS系统封装部门主管Frank Roscher说。

通过使用新型增材制造技术，科学家们成功地推进了封装技术的发展。迄今为止，封装的无源组件已具备了电气功能，例如，可以直接在注塑的齿轮盖上生产带有磁场传感器的电路，或者开发出基于纳米颗粒的低温焊接工艺，以通过纳米效应降低焊接温度或实现高长宽比的支柱结构。通过丝网印刷技术的工艺优化，可以减少粘合框架结构所需的空间，光学组件的特殊材料以最高的精度沉积在基材上，而数字气溶胶喷射工艺可以对每个光学像素进行单独涂层。

无尘条件下的印刷实验室的亮点

新设计的无尘室实验室位于开姆尼茨，设备齐全。在这里，弗劳恩霍夫电子纳米系统研究所ENAS结合了多种增材制造工艺。完全无尘的环境确保了基材从预处理、分离系统到干燥的低颗粒物运输。除了丝网和钢网印刷工艺外，X-Y机器人还可用于点涂焊膏、导电和绝缘材料、灌封材料或粘合剂。

最新开发的是一个集群系统，它将用于在复杂的基材上进行三维兼容的材料沉积，以构建三维电子系统。为此，研究人员将喷射和挤压过程与五轴处理系统结合起来，以改良精制平面和结构化晶片、印刷电路板、单个电子元件/芯片，甚至是具有电气功能的注塑成型的复杂三维基质，或直接从集成3D打印机中建立起基质。为了整合SMD元件，流程中加入了取放工具，以便在三维体上组装无源和有源元件。在目前的项目中，弗劳恩霍夫电子纳米系统研究所ENAS正在开发过程控制和评估材料组合，并以功能性齿轮箱盖为例，展示其工业应用的可能性。在此工艺中已经展示了直接在注塑成型部件上的导电通路。这让研究团队能够实现带有磁场传感器的复杂电路，以检测齿轮的位置，并证明现有的无源组件功能化的可行性。

高精度的沉积是通过完善的气溶胶喷射过程实现的。借助这种工艺，含纳米颗粒的油墨材料可以在平面和地形基质上以低至10微米线宽的分辨率进行沉积。在已完成的项目中，该团队还成功地用传感器/电子器件和印刷电路板之间的印刷互连取代了典型的电线连接。

增材制造首次可以在无颗粒的流程中用于开发小型化和高功能化的应用、定制工艺、材料测试和样品生产。

弗劳恩霍夫电子纳米系统研究所ENAS 联系方式：

Frank Roscher

邮箱: frank.Roscher@enas.fraunhofer.de

电话: +49 371 4500 1239