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[转载]下一代微型器件组装技术：电场贴装

智者不锐，慧者不傲。

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0楼发表于: 2008-07-06 14:33:14

Michael J. Heller博士
Nanogen Inc.
Email：mheller@nanogen.com

James J. Coleman博士
伊利诺斯大学
Email：jcoleman@uiuc.edu.

随着元器件尺寸越来越小，目前的贴装工艺已不能满足将来的需要，最近推出了一种新型电场贴装技术，利用生物分子学原理实现下一代微器件电路组装。

为了能清楚地认识电场在电子组装技术中的作用以及为何我们将其称之为未来的微电子制造工具，需要首先对电子工业的发展趋势有一个了解。过去40年间电子技术的发展，使电子元器件无论是在数量上还是在品种上都有很大的增长，器件封装越来越小，里面所含的元件数目、功能以及复杂性越来越高，同时成本急剧降低。为了做到更小更快,常常需要把不同的材料和元件集成在一起，而将多种材料组装到一个很小区域内则需要新方法新技术，特别是对于那些相互独立并且以矩阵方式重复排列的元件。现有技术如突起粘合、薄膜粘合及晶圆熔合等操作性都不是太强，对小型元件的贴装效果可以用来描述这些方法的互连成形能力。

当处理的元件非常小时，如像RF功率晶体管电路、光电器件或边缘尺寸小于1mm的电路板等，均无法采用传统的贴装设备，所以倒装芯片粘合方法都不适用，同样，采用真空、静电或伯努利气流抓持技术的卡爪也不能用来处理这么小的元件；另外阵列尺寸增大时,若将阵列内元件与其它区域相应元件连在一起会引起系统性能下降，所以也不能通过将相关功能放在一起来增大器件的面积(如阵列式高频电压驱动模块或RF输出放大器)。

今后的电路需要更高集成度，输出元件由多种小的功能元素组成，而不是传统形式上的硅片电路I/O端子，因此这一趋势向电子业界提出了一个新问题，即当元器件尺寸可能比人的头发直径还小时如何才能继续向前进。令人惊讶的是，答案竟来自于一个令人难以置信的领域——分子生物学技术。

具体地说就是在溶液中引入电场可能将是下一代电子贴装技术的关键。其主要原理是，小型元器件与分子一样带有一定量的电荷(正或负)，因此当有电场作用时它会在溶液中发生迁移(称为“电泳”)，同时还需要进行水解以便在大容量液体中达到一定场强。

传统分子生物学将这一原理应用于胶体电泳、电洗和毛细电泳等技术中，用于DNA断片、蛋白质或其它生物分子的分离与分析。Nanogen公司则利用电场控制溶液中的DNA和其它分子，将其准确地放在微阵列芯片上。电场强度随微芯片阵列两端的电极在溶液中产成的电流升高而增高。

另一方面，如果材料表面带电的话，电流会引起表面上方的离子运动。随着这些离子的运动，周围液体也会运动，流动的液体又使材料或微型元件浮到表面上，而不管它们是否带电，这种现象称为“电渗析”。此时微型元件不需要带电，但对受控电渗析来说，表面带电情况及粗糙度等特性与电极一样都有一定要求，因为只有这样液体流动才能够受电流的控制。

工艺步骤

采用电场控制微型元件的移动与贴装是一种实现微米级材料元件贴装的新方法，这种方式一个最直接的好处是加在所传送物体上的机械力恒定，另外该传送系统还可以用于多种微型器件并且和所使用的材料类型无关。不过整个工艺也采用了大量新型元件和制造工艺，其难易程度和要求也各不相同。

电场贴装主要应用于微米级倒装芯片工艺，因此这种方法不适用顶部和底部都有焊点的分立元件，所有焊点必须在一个面上，同样，贴装器件的表面也必须按要求进行特殊设计。另外对于电极系统，无论是与表面形成一个整体还是放在表面位置上以提供适当电场控制，都应纳入到整体系统设计中。最后一点，必须要在指定的位置实现互连。

用电场控制微型器件的贴装要求溶液的导电率要低，而且无论器件的质量与带电量如何，所施加的电场应均匀稳定。经验表明，影响微米级(以及纳米级)器件运动的一个重要因素是溶液本身的导电率。如果溶液导电率升高超过了容限值，则由于施加在每一元件上的作用力相应减弱而使材料移动大为减缓。与生物样本不同，半导体材料的组成及其外部无关的溶液成分都能够得到严格控制，这样可使得我们降低溶液的导电率，从而为采用电泳或电渗析实现材料的运送提供足够宽的工艺应用范围。

应用实例

为了说明电场在精密元件贴装中的应用，我们选用了一个将微型LED贴装于硅片的实例作为示范。如上所述，以这种方式贴装器件时要求所有的电连接点都位于器件的同一面，因此微型InGaAs LED采用外延分离工艺制作，使P结位于中央，而将N极环绕在外圈，另外，设计时还应考虑接触部位应非常匀称以及接点的平面性等问题，这些因素都会影响器件与焊点(而不是硅片表面)的连接。

相应的衬底上有两套电极用于贴装，仔细观察可以看到一对较大(40um)的电极和包在其内部的一对电极，一个外形如同马蹄，而另外一个则在马蹄内部形成环形嵌套(其线性结构与水溶液覆盖下已钝化的连线连在一起)。内部的一对用于连接LED，这里的焊接材料采用标准的锡/铅焊料，焊料电镀于焊接面上，高度为50nm。

外圈电极的作用将引起沿着硅片表面的电渗析流，放入溶液中的LED便会随之而运动。一但LED进入电极中央，电极的极性便会暂时转换，反向液流推动LED以微米级精度到达待焊点，到达位置后去掉溶液，再用250℃热风进行再流焊接。在硅片电路上施加偏置电压可以使线路成型并使LED工作，实际中发现在约314um2的区域内形成了两个焊点。从理论上讲，这种技术实际提供了一种非机械式倒装芯片微米级高密度内部互连方法。

一般来说，器件与衬底间的接合具有很高机械强度，也就是说若试图采用机械方式硬性取下LED，未等焊点失效LED本身已被损坏。但是，如果仔细观察焊点可以发现比焊点本身小得多的约1um大小的锡/铅焊料颗粒，显然这方面的技术还需改进(也许用导电聚合物更适合)。

其它应用

电场运送技术的另一个很大的优点是能够进行并行组装，例如将许多微型球体贴装在一组微阵列电极上，这一原理也可应用于上述LED的组装。

电场贴装技术还可以用于非常复杂的三维组装，实际上这种方法利用溶液来避免元件及组件与衬底互连时产生的种种问题。在微电极的尺寸与电场控制方面作适当调整并选择不同的停留点可实现多级式结构，这一技术能使下一代微电子器件的互联尺寸大为减小并降低其复杂程度。用该技术可进行多种元件贴装，进一步说明了该方法的优越性能。

例如在微型球应用中，要将其放于直径80um的电极上，下层放1um小球，然后在上层放置5um小球。实际上为形成器件的电性连接通路，驱动电极必须装在底层衬底的最上面，当器件与衬底间形成电路连接之后，上部的电极便能将更多材料引入相应位置。换句话说，可以把已完成的组件是否将作为驱动电极而帮助下一步组装完成定向与定位，看成是3D组装的判断标准。

技术新趋向

下一代元件的封装与贴装技术会是什么样还很难预测，但可以肯定的是尺寸会越来越小，而互连的难度将越来越高，像Alien公司提出的流体组装技术以及Ball Semiconductor提出的球面半导体和哈佛George Whitesides试验室的多面体器件等各种3D组装技术仅是其中正在进行研究的一部分。很难衡量这些技术将来是否能互相补充，但显然人们对下一代贴装与组装技术越来越关注。

微型元件贴装的定向与定位控制是任何表面贴装技术的基本要求，将来分子生物学中的电泳技术也会应用于电子装联之中。换句话说，包含了生命代码的DNA本身将作为一种自选性胶体用于元件定位，此时所要粘接的微型器件和衬底都先附上一个短小的DNA互补结，这些DNA结连在一起就可以把器件固定在衬底上，而且DNA根据核苷酸(A、C、G或T)的排列情况本身还具有一定的排 ..

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