Entwicklung einer Prozesskette für den Aufbau individualisierter Foliensysteme

Abstract

Bereits seit einigen Jahren befindet sich das Feld der flexiblen Elektronik im Wachstum. Diese zeichnet sich insbesondere durch ihre hohe mechanische Flexibilität, aber auch durch eine niedrige Bauhöhe und geringe Masse aus. Die Einbettung ultradünner, mechanisch flexibler Siliziumchips in Kunststofffolien erweitert die flexible Elektronik und eröffnet das Potential, Sensorsignale direkt am Ort der Erfassung auswerten zu können. Um eine zielführende Prototypenfertigung dieser Foliensysteme mit eingebetteten, ultradünnen Siliziumchips zu ermöglichen, wurde in dieser Arbeit eine digitale Prozesskette entwickelt, mit der die Fertigung dieser Systeme individualisiert werden kann. Dazu wurden geeignete Einzelprozesse entwickelt und deren Prozessparameter betrachtet. Zu Beginn wurden Prozesse zur Montage der ultradünnen Siliziumchips untersucht, um diese sowohl manuell als auch automatisiert klebtechnisch fixieren zu können. Es wurden dabei sowohl die Montage einzelner Chips als auch die simultane Klebung mehrerer ultradünner Chips berücksichtigt, indem eine innovative Fügemethode unter Zuhilfenahme einer temporär haftenden Klebefolie entwickelt wurde. Damit konnte eine homogene Klebung von 4,7 mm x 4,7 mm großen ultradünnen Siliziumchips mit maximaler Klebstoffschichtdicke von 15 µm erreicht werden. Anschließend wurde ein Conformal-Coating-Sprühverfahren zur Applikation eines mechanisch flexiblen, photosensitiven Lötstoppmaterials untersucht, in das die fixierten Siliziumchips eingebettet wurden. Die Verwendung photolithographischer Prozesse erlaubte die Freistellung von Kontaktflächen auf den geklebten Siliziumchips. Dazu wurde ein auf UV-LEDs basierendes Direktbelichtungsverfahren eingesetzt, sodass auf zusätzliche Photolithographiemasken verzichtet werden konnte. Es wurde weiterhin eine Methodik entwickelt, mit der die Platziertoleranz und die Verdrehung von gefügten, ultradünnen Siliziumchips optisch erfasst und durch ein individuell erstelltes Direktbelichtungslayout kompensiert werden konnte. Mittels Inkjetdruck nanopartikulärer Tinten wurden die eingebetteten Siliziumchips mit Widerstandswerten im niedrigen zweistelligen Ohm-Bereich elektrisch kontaktiert. Die Analyse unterschiedlicher Kontaktöffnungsausprägungen ergab, dass beim verwendeten Lötstoppmaterial eine runde Kontaktöffnungsgeometrie mit 90 µm Durchmesser vorteilhaft für die Kontaktierung der Chipmetallflächen über Inkjetdruck ist. Die entwickelten Einzelprozesse wurden anschließend in eine anwendungsorientierte, digitale Prozesskette überführt. Hierbei hatte die Reihenfolge der Einzelprozesse einen entscheidenden Einfluss auf die Durchführbarkeit der Prozesskette und die erzielten Resultate der jeweiligen Einzelprozesse. So konnte festgestellt werden, dass zu Beginn der digitalen Prozesskette die Montage der ultradünnen Siliziumchips, gefolgt von der Einbettung mittels Conformal-Coating, photolithographische Freistellung der Chipkontaktflächen mittels Direktbelichtung und Entwicklung sowie der sich anschließenden elektrischen Kontaktierung über Inkjetdruck erfolgen sollte. Die Bestückung mit diskreten Bauelementen sollte abschließend erfolgen, um die übrigen Prozessschritte nicht einzuschränken. Die resultierenden Foliensysteme mit eingebetteten, ultradünnen Siliziumchips zeigen nach Ablösen vom starren Träger eine hohe mechanische Flexibilität und können so auf gebogenen Oberflächen eingesetzt werden.